控制工程基础习题解答3
控制工程基础第三章参考答案(供参考)
第三章 习题及答案传递函数描述其特性，现在用温度计测量盛在容器内的水温。
发现需要时间才能指示出实际水温的98%的数值，试问该温度计指示出实际水温从10%变化到90%所需的时间是多少?解： 41min, =0.25min T T =2.已知某系统的微分方程为)(3)(2)(3)(t f t f t y t y +'=+'+''，初始条件2)0( , 1)0(='=--y y ，试求：⑴系统的零输入响应y x (t )；⑵激励f (t ) (t )时，系统的零状态响应y f (t )和全响应y (t )；⑶激励f (t ) e 3t(t )时，系统的零状态响应y f (t )和全响应y (t )。
解：(1) 算子方程为：)()3()()2)(1(t f p t y p p +=++3.已知某系统的微分方程为)(3)(')(2)(' 3)(" t f t f t y t y t y +=++，当激励)(t f =)(e 4t tε-时，系统的全响应)()e 61e 27e314()(42t t y t t tε-----=。
试求零输入响应y x (t )与零状态响应y f (t )、自由响应与强迫响应、暂态响应与稳态响应。
解：4. 设系统特征方程为：0310126234=++++s s s s 。
试用劳斯-赫尔维茨稳定判据判别该系统的稳定性。
解：用劳斯-赫尔维茨稳定判据判别，a 4=1，a 3=6，a 2=12，a 1=10，a 0=3均大于零，且有 所以，此系统是稳定的。
5. 试确定下图所示系统的稳定性.解：210110(1)(1)(). ()210(21)1(1)s s s s a G s s s s s s s +++=⋅=⨯+++ 系统稳定。
满足必要条件，故系统稳定。
6.已知单位反馈系统的开环传递函数为)12.001.0()(2++=s s s Ks G ξ，试求系统稳定时，参数K 和ξ的取值关系。
控制工程基础_课后答案
控制工程基础习题解答第一章1-5．图1-10为张力控制系统。
当送料速度在短时间内突然变化时，试说明该控制系统的作用情况。
画出该控制系统的框图。
由图可知，通过张紧轮将张力转为角位移，通过测量角位移即可获得当前张力的大小。
当送料速度发生变化时，使系统张力发生改变，角位移相应变化，通过测量元件获得当前实际的角位移，和标准张力时角位移的给定值进行比较，得到它们的偏差。
根据偏差的大小调节电动机的转速，使偏差减小达到张力控制的目的。
框图如图所示。
1-8．图1-13为自动防空火力随动控制系统示意图及原理图。
试说明该控制系统的作用情况。
题1-5 框图电动机给定值角位移误差张力-转速位移张紧轮滚轮输送带转速测量轮测量元件角位移角位移（电压等）放大电压测量 元件>电动机角位移给定值电动机图1-10 题1-5图该系统由两个自动控制系统串联而成：跟踪控制系统和瞄准控制系统，由跟踪控制系统获得目标的方位角和仰角，经过计算机进行弹道计算后给出火炮瞄准命令作为瞄准系统的给定值，瞄准系统控制火炮的水平旋转和垂直旋转实现瞄准。
跟踪控制系统根据敏感元件的输出获得对目标的跟踪误差，由此调整视线方向，保持敏感元件的最大输出，使视线始终对准目标，实现自动跟踪的功能。
瞄准系统分别由仰角伺服控制系统和方向角伺服控制系统并联组成，根据计算机给出的火炮瞄准命令，和仰角测量装置或水平方向角测量装置获得的火炮实际方位角比较，获得瞄准误差，通过定位伺服机构调整火炮瞄准的角度，实现火炮自动瞄准的功能。
控制工程基础习题解答第二章2-2．试求下列函数的拉氏变换，假定当t<0时，f(t)=0。
(3). ()t et f t10cos 5.0-=解：()[][]()1005.05.010cos 25.0+++==-s s t e L t f L t(5). ()⎪⎭⎫⎝⎛+=35sin πt t f 图1-13 题1-8图敏感 元件定位伺服机构 （方位和仰角）计算机指挥仪目标 方向跟踪环路跟踪 误差瞄准环路火炮方向火炮瞄准命令--视线瞄准 误差伺服机构（控制绕垂直轴转动）伺服机构（控制仰角）视线敏感元件计算机指挥仪解：()[]()252355cos 235sin 2135sin 2++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+=s s t t L t L t f L π2-6．试求下列函数的拉氏反变换。
现代控制工程基础第三章习题解答
解：
s5
1
2 11
s4
2
4 10
s3 0(ε)
6
4ε −12
s2
ε
10
s1
−10ε 2 + 24ε − 72 4ε −12
s0
10
当ε→0+时，第一列变了两次符号，故在右半平面
有两个正根。
10
(5) D(s)=s6+2s5+8s4+12s3+20s2+16s+16=0
解： s6 s5 s4 s3 s2 s1 s0
5
s0 K-8
第一列元素全部大于零，可得
8<K<18
13
3.14 已知单位负反馈的开环传递函数如下，试求系统在
输入信号分别为r(t)=1,t和t2时的稳态误差ess。
(1)
G(s) =
100
(0.1s +1)(0.5s +1)
解：闭环系统特征方程 D(s) = 0.01s2 + 0.6s +101 = 0 稳定的。
Hale Waihona Puke ess=1 1+ Kp
=1 1+ KK1
18
Vr
−
K1
+
K2 s
K Ts +1
Vc
(2) 当K2≠0时，求Vr(t)=1(t)时的稳态误差ess; I型系统，开环传递函数 G(s) = K(K1s + K2)
s(Ts +1)
当Vr(t)=1(t)时，静态位置误差系数
Kp
=
lim G(s)
s→0
=
∞
时速度误差系数为Kv=6？此时的ess为多少？
控制工程基础课后习题解答
X(s)s24ss221115s2s4 (s2)(s2(1s)2(s21)(4s2)41)(s(s2244))5s(s21)
第2章 习题解答
第1章 习题解答
开、关 门位置
电位器
放大器
电动机
绞盘
大门
实际 位置
第1章 习题解答
1-5 分析图示两个液位自动控制系统工作原理并 绘制系统功能框图
qi
h
qo a)
第1章 习题解答
~220V
qi 浮球
h
qo b)
第1章 习题解答
解： 对a)图所示液位控制系统： 当水箱液位处于给定高度时，水箱流入水量与流 出水量相等，液位处于平衡状态。一旦流入水量 或流出水量发生变化，导致液位升高（或降低）， 浮球位置也相应升高（或降低），并通过杠杆作 用于进水阀门，减小（或增大）阀门开度，使流 入水量减少（或增加），液位下降（或升高）， 浮球位置相应改变，通过杠杆调节进水阀门开度, 直至液位恢复给定高度，重新达到平衡状态。
第2章 习题解答
Z2R2s1C 2sR 2sCC 221
从而：U o (s) (s2 ( C R s22 C R 1 2 ) s( 1 1 )C R s 1 ( 1 C R 1 ) 1 1 s)1 C R 2U i(s)
G 1 (s) U U o i( (s s ) ) (s2 ( C R s2 2 C R 1 2 ) s( 1 1 )C R s 1 ( 1 C R 1 ) 1 1 s )1 C R 2
X (s)s1 1s1 12s2 1 1s2s 4 x (t) e t e t 2 sti c n2 o t, ts 0
控制工程基础第三版课后答案 (3)
控制工程基础第三版课后答案第一章1.1 分析控制系统的对象控制系统的对象通常指的是待控制的物理系统或过程。
在分析控制系统对象时，首先需要了解系统的动态特性。
为了分析控制系统的特性，我们可以通过选取一个合适的数学模型来描述物理系统的动态行为。
一种常用的方法是通过微分方程来描述系统的动态特性。
例如，对于一个简单的电路系统，可以使用基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律来建立描述电路中电流和电压之间关系的微分方程。
然后，通过求解这个微分方程，我们可以得到系统的传递函数。
另外，我们还可以使用频域分析的方法来分析控制系统的对象。
通过对信号的频谱进行分析，我们可以得到系统的频率响应。
1.2 常见的控制系统对象控制系统的对象存在各种各样的形式，下面列举了一些常见的控制系统对象：•机械系统：例如机器人、汽车悬挂系统等。
•电气系统：例如电路、电机等。
•热力系统：例如锅炉、冷却系统等。
•化工系统：例如反应器、蒸馏塔等。
针对不同的控制系统对象，我们需要选择合适的数学模型来描述其动态特性，并进一步分析系统的稳定性、性能等指标。
第二章2.1 控制系统的数学模型控制系统的数学模型描述了物理系统的动态特性和输入与输出之间的关系。
常见的控制系统数学模型包括：•模型中几何图形法：通过几何图形来描述系统的动态特性。
•传递函数法：采用以系统输入和输出的转移函数来描述系统的动态特性。
•状态方程法：将系统的状态变量与输入变量和输出变量之间的关系用一组偏微分方程或代数方程来描述。
在使用这些模型时，我们可以选择合适的数学工具进行分析和求解，例如微积分、线性代数等。
2.2 传递函数的定义和性质传递函数是描述控制系统输入输出关系的数学函数，通常用G(s)表示。
传递函数的定义和性质如下：•定义：传递函数G(s)是系统输出Y(s)和输入U(s)之间的比值，即G(s) = Y(s)/U(s)。
•零点和极点：传递函数可以有零点和极点，零点是使得传递函数为零的s值，极点是使得传递函数为无穷大的s值。
控制工程基础习题解答
第二章习题解
2-13：证明题图2-13中（a）与（b）表示的系统是相似系统。 (a )解：
1 u t R i ( t ) R i ( t ) i t dt 11 2 i C2 1 u t R i ( t ) it dt 2 0 C2 ui t u0 t R1i1 t 1 ui t u0 t i2 t dt C1 i (t ) i t i t 1 2
1 I 2 s C1s
联立上述方程可求得 : 1 R1C1s 1 R2C2 s U s G s 0 U i s R1C2 s 1 R1C1s 1 R2C2 s
R1 R2C1C2 s 2 R1C1 R2C2 s 1 R1 R2C1C2 s 2 R1C1 R2C2 R1C2 s 1
第二章习题解
(c)解：关键是确定 i1 t 和ic t 的方向 U i s u A t U A s ui t R R R1 R2 1 2 1 1 U A s I c s u A t ic t dt C Cs u0 t u A t R2i1 t U 0 s U A s U A s I c s R2 R2 U 0 s 2 R2Cs U A s
+
E
-
G1
Y +
+
G2
X0
B
H
X 0 ( s) G1G 2 X i ( s) 1 G1G 2 H X 0 ( s) H B( s ) G1G 2 H X i ( s) 1 G1G 2 H X i ( s)
2 0 t Dy 0 t 3ky0 0y0 t Fi t M y
控制工程基础习题及解答
第一章习题及答案例1-1根据题1-1图所示的电动机速度控制系统工作原理图(1) 将a，b与c，d用线连接成负反馈状态；(2) 画出系统方框图。
解（1）负反馈连接方式为：db↔；a↔，c（2）系统方框图如图解1-1 所示。
例1-2题1-2图是仓库大门自动控制系统原理示意图。
试说明系统自动控制大门开闭的工作原理，并画出系统方框图。
题1-2图仓库大门自动开闭控制系统解当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。
与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。
反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。
系统方框图如图解1-2所示。
例1-3 题1-3图为工业炉温自动控制系统的工作原理图。
分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。
题1-3图 炉温自动控制系统原理图解 加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比，c u 增高，炉温就上升，c u 的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。
炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。
f u 作为系统的反馈电压与给定电压r u 进行比较，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。
在正常情况下，炉温等于某个期望值T °C ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压r u 。
此时，0=-=f r e u u u ，故01==a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使c u 保持一定的数值。
这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。
当炉膛温度T °C 由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以下的控制过程：控制的结果是使炉膛温度回升，直至T °C 的实际值等于期望值为止。
《控制工程基础》练习题及答案
《控制工程基础》练习题及答案1.单选题L作为控制系统，一般()。
A.开环不振荡B.闭环不振荡C.开环一定振荡D.闭环一定振荡正确答案：A2.串联相位滞后校正通常用于()。
A.提高系统的快速性B.提高系统的稳态精度C.减少系统的阻尼D.减少系统的固有频率正确答案：B3 .下列串联校正装置的传递函数中,能在频率3C=4处提供最大相位超前角的是()。
A. (4s + l)∕(s+l)B. (s+l)∕(4s + l)C. (0.1s + l)∕(0.625s + l)D. (0.625s + l)∕(0.1s + l)正确答案：D4 .利用乃奎斯特稳定性判据判断系统的稳定性时，Z=P-N中的Z表示意义为()。
A.开环传递函数零点在S左半平面的个数B.开环传递函数零点在S右半平面的个数C.闭环传递函数零点在S右半平面的个数D.闭环特征方程的根在S右半平面的个数正确答案：D5 .某环节的传递函数为G⑸=Ts + l,它是()。
A.积分环节B.微分环节C. 一阶积分环节D. 一阶微分环节正确答案：D6.单位反馈控制系统的开环传递函数为G(s)=4∕s(s÷5),则系统在r(t)=2t输入作用下，其稳态误差为()。
A. 10/4B. 5/4C. 4/5D. 0正确答案：A7.已知系统的开环传递函数为100∕S2(0∙lS+l)(5S+4),则系统的开环增益以及型次为()。
A. 25 , ∏型B. IOO , ∏ 型C. 100 z I 型D. 25 , O 型正确答案：A8.控制论的中心思想是（）。
A. 一门即与技术科学又与基础科学紧密联系的边缘科学8 .通过信息的传递、加工处理和反馈来进行控制C.抓住一切通讯和控制系统所共有的特点D,对生产力的发展、生产率的提高具有重大影响正确答案：B9 .反馈控制系统是指系统中有（）。
A.反馈回路B.惯性环节C.积分环节D. PID调节器正确答案：A10.下面因素中，与系统稳态误差无关的是（）。
控制工程基础第3章习题解答
已知系统框图如下，求该系统的闭环传递函数354254135425412111)()(G G G H G G H G G G H G G G G X X s G io B ⋅+⋅+⋅+⋅+==3541542354121)(G G G H G G H G G G G G ++⋅+=---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 使用温度计对水温进行测量，若水温为恒定值，该温度计能在1分钟时指示出实际温度值的98%。
假定温度计为一个一阶系统，求该系统的时间常数T 。
解：恒定的水温可以视为一个阶跃输入信号，温度计的测量输出可以视为对该阶跃输入信号的响应。
一阶系统的单位阶跃响应的时间函数为：)0(1)(/>-=-t e t x T t o （P82，3.3.2） 根据题意可知：98.01)(/11=-=-=Tt o e t x→02.0/1=-T e →256.050ln 1==T (min) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 下图为某数控机床系统的位置随动系统的方框图，试求：（1）阻尼比ξ及无阻尼固有频率n ω解：由图可知，该系统为一个单位反馈系统，其系统的闭环传递函数为：99)1(191)1(19)(1)()()(1)()(2++=+⋅++⋅=+=+=s s s s s s s G s G s H s G s G s G B 对比二阶系统传递函数的标准形式(P83，3.4.1)2222nn nsωξωω++可得该系统的阻尼比ξ及无阻尼固有频率n ω为：61,3==ξωn （2）该系统的p M ，p t ，s t ，N13611312≈-=-==πξωπωπn d p t (P90，3.4.15) %53%100%1003611/6121/≈⨯=⨯=----πξξπe eM p (P90，3.4.17)若令02.0=∆，84=≈ns t ξω(P91，3.4.22)， 7.3122≈-=πξξN (P91，3.4.25)若令05.0=∆，63=≈ns t ξω(P91，3.4.23)，8.215.12≈-=πξξN (P91，3.4.26)---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 要使下图所示系统的单位阶跃响应的最大超调量等于25%，峰值时间p t 为2秒，试确定K 和f K 的值解：由图可知，该系统的闭环传递函数为：Ks K K s K s K sK s K s H s G s G s G f f B +⋅+=+⋅⋅+⋅=+=222)1(111)()(1)()( 对比二阶系统传递函数的标准形式2222nn n sωξωω++可得该系统的阻尼比ξ及无阻尼固有频率n ω为：2,KK K fn ==ξω由题意， 令：%2521/==--ξξπeM p ，即4ln 12=-ξξπ解得：4.0=ξ令：()24.01122=-=-==K t nd p πξωπωπ 解得：93.2=K再由：293.22f fK K K ==4.0=ξ 解得：467.0=f K----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------单位反馈系统的开环传递函数为)10)(5(2)(+++=s s s K s G K 其输入为单位斜坡输入（单位恒速输入）时，系统的稳态误差02.0=ss e ，求所需的K 值 解：由于系统为单位反馈系统，其稳态偏差与稳态误差相同(P98,3.6.4)，即ss ss e ε= 将)(s G K 写为标准形式)11.0)(12.0(50/)2()(+++=s s s K s G K (P100,3.6.12)当输入为单位斜坡输入时，其稳态偏差为：02.050/)2(1=+=K e ss (P101，P102,表3.6.1)求得所需的K 值为2498~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~·· 3.9 3.10 3.11 3.18。
《控制工程基础》第三版课后答案
控制工程基础习题解答第一章1-1．控制论的中心思想是什么？简述其发展过程。
维纳（N.Wiener）在“控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学”中提出了控制论所具有的信息、反馈与控制三个要素，这就是控制论的中心思想控制论的发展经历了控制论的起步、经典控制理论发展和成熟、现代控制理论的发展、大系统理论和智能控制理论的发展等阶段。
具体表现为：1．1765年瓦特（Jams Watt）发明了蒸汽机，1788年发明了蒸汽机离心式飞球调速器，2．1868年麦克斯威尔（J.C.Maxwell）发表“论调速器”文章；从理论上加以提高，并首先提出了“反馈控制”的概念；3．劳斯（E.J.Routh）等提出了有关线性系统稳定性的判据4．20世纪30年代奈奎斯特（H.Nyquist）的稳定性判据，伯德（H.W.Bode）的负反馈放大器；5．二次世界大仗期间不断改进的飞机、火炮及雷达等，工业生产自动化程度也得到提高；6．1948年维纳（N.Wiener）通过研究火炮自动控制系统，发表了著名的“控制论—关于在动物和机器中控制和通讯的科学”一文，奠定了控制论这门学科的基础，提出了控制论所具有的信息、反馈与控制三要素；7．1954年钱学森发表“工程控制论”8．50年代末开始由于技术的进步和发展需要，并随着计算机技术的快速发展，使得现代控制理论发展很快，并逐渐形成了一些体系和新的分支。
9．当前现代控制理论正向智能化方向发展，同时正向非工程领域扩展（如生物系统、医学系统、经济系统、社会系统等），1-2．试述控制系统的工作原理。
控制系统就是使系统中的某些参量能按照要求保持恒定或按一定规律变化。
它可分为人工控制系统（一般为开环控制系统）和自动控制系统（反馈控制系统）。
人工控制系统就是由人来对参量进行控制和调整的系统。
自动控制系统就是能根据要求自动控制和调整参量的系统，系统在受到干扰时还能自动保持正确的输出。
它们的基本工作原理就是测量输出、求出偏差、再用偏差去纠正偏差。
控制工程基础习题解答3
第三章3-2．假设温度计可用1/（Ts+1）传递函数描述其特性。
现用该温度计测量某容器中的水温，发现经1min 后才能指示出实际水温的96%，问：（1）. 该温度计的指示从实际水温的10%变化到90%所需的时间是多少？ （2）. 如果给该容器加热，使容器内水温以0.1℃/s 的速度均匀上升，当定义误差e(t)=r(t)-c(t)时，温度计的稳态指示误差有多大？ 解：（1）. 设实际水温为T r ，温度计原来处于T 0=0度，当温度计放入水中时，相当于输入一阶跃值为T r -T 0=T r 的阶跃函数，温度计的时间响应函数为：()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-Tt r eT T t c 10 ()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==--Tt rr e T t c T T t c 10 根据题意可得：Te 60196.0--=即可得：T=18.64(s)，()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-Tt re T t c 1 10%所需的时间为64.18111.0t e--=，()s t 96.11=。
90%所需的时间为64.18119.0t e--=，()s t 92.422=。
所以可得该温度计的指示从实际水温的10%变化到90%所需的时间（上升时间）是()s t t t r 96.4012=-=（2）. 由题可知系统为一阶系统，故系统稳定，为求当r(t)=0.1t 时的稳态误差，由一阶系统的时间响应分析可知，单位斜坡响应的稳态误差为T ，所以稳态指示误差：()C T t e t 864.11.0lim =⨯=∞→（将1/（Ts+1）转化为开环传递函数为1/（Ts ）时的单位反馈系统，则可见此时系统的误差为e(t)=r(t)-c(t)。
根据系统为I 型，可得稳态速度误差系数为Kv=K=1/T ，得当输入信号为r(t)=0.1t 时的稳态误差为C T K e vssv 864.11.011.0=⨯=⨯=） 3-5．某控制系统如图3-24所示，已知K=125，试求： （1）. 系统阶次，类型。
《控制工程基础》第三章习题解题过程和参考答案
3-1 已知某单位反馈系统的开环传递函数为1)(+=Ts Ks G k ，试求其单位阶跃响应。
解法一，采用拉氏反变换：系统闭环传递函数为：()()()()1()1k k G s C s Ks R s G s Ts K Φ===+++ 输入为单位阶跃，即：1()R s s= 故：1()()()11K A BC s s R s K Ts K s s s T=Φ=⋅=+++++ 可由待定系数法求得：,11K KA B K K ==-++ 所以，1111()()111K K K K K C s K K s K s s s T T++=-=-+++++对上式求拉氏反变换：1()(1)1k t TK c t e K +-=-+解法二，套用典型一阶系统结论：由式(3-15)，已知典型一阶系统为：()1()()1C s s R s Ts Φ==+ 由式(3-16)，其单位阶跃响应为：1()1t Tc t e-=-若一阶系统为()()()1C s Ks R s Ts Φ==+，则其单位阶跃响应为：1()(1)t T c t K e -=- 现本系统闭环传递函数为：()()(1)()()1()1(1)11k k G s C s K K K K s R s G s Ts K Ts K T s '+Φ====='++++++ 其中，,11T KT K K K ''==++ 所以，11()(1)(1)1k t t T T Kc t K ee K +--''=-=-+采用解法二，概念明确且解题效率高，计算快捷且不易出错，应予提倡。
3-2 设某温度计可用一阶系统表示其特性，现在用温度计测量容器中的水温，当它插入恒温水中一分钟时，显示了该温度的98%，试求其时间常数。
又若给容器加热，水温由0℃按10℃/min 规律上升，求该温度计的测量误差。
解：（1）由题意知，误差为2%，因此调节时间：41min s t T ==，即时间常数T ：10.25min 15sec 4s T t ===（2）由题意知输入信号为斜坡信号，()10min r t C ︒=。
控制工程基础课后习题答案
详细描述
通过调整系统的传递函数，可以改变系统的 频率响应特性。在设计控制系统时，我们需 要根据实际需求，调整传递函数，使得系统 的频率响应满足要求。例如，如果需要提高 系统的动态性能，可以减小传递函数在高频 段的增益。
06 第五章 控制系统的稳定性 分析
习题答案5-
习题答案
• 习题1答案：该题考查了控制系统的基本概念和组成。控制系统的基本组成包 括被控对象、传感器、控制器和执行器等部分。被控对象是实际需要控制的物 理系统或设备；传感器用于检测被控对象的输出状态，并将检测到的信号转换 为可处理的电信号；控制器根据输入的指令信号和传感器的输出信号，按照一 定的控制规律进行运算处理，并输出控制信号给执行器；执行器根据控制信号 对被控对象进行控制操作，使其达到预定的状态或性能要求。
控制工程基础课后习题答案
目 录
• 引言 • 第一章 控制系统概述 • 第二章 控制系统的数学模型 • 第三章 控制系统的时域分析 • 第四章 控制系统的频域分析 • 第五章 控制系统的稳定性分析 • 第六章 控制系统的校正与设计
01 引言
课程简介
01
控制工程基础是自动化和电气工 程学科中的一门重要课程，主要 涉及控制系统的基本原理、分析 和设计方法。
总结词
控制系统校正的概念
详细描述
控制系统校正是指在系统原有基础上，通过加入适当的 装置或元件，改变系统的传递函数或动态特性，以满足 性能指标的要求。常见的校正方法有串联校正、并联校 正和反馈校正等。校正装置通常安装在系统的某一环节 ，以减小对系统其他部分的影响。
习题答案6-
总结词
控制系统设计的一般步骤
习题答案5-
总结词
控制工程基础习题解答3
控制工程基础习题解答第三章3-1．已知二阶系统的闭环传递函数为()()2222nn n s s s R s C ωςωω++=，其中ζ=0.6，ωn =5rad/s ，试求在单位阶跃输入下的瞬态响应指标t r 、t p 、σp %、和t s 。
解：srad radn d /46.0151927.013.536.06.01tan1tan222121=-=-==︒=-=-=--ςωωςςβ 0.55(s)4927.0=-=-=πωβπd r t ()s t d p 79.04===πωπ %5.9%226.016.01===----πςςπσe e p()()s t s t ns ns 33.156.044156.033=⨯===⨯==ςωςω3-2．已知某系统的框图如图3-16所示，要求系统的性能指标为σp%=20%，t p =1s ，试确定系统的K 值和A 值，并计算t r 和t s 之值。
解：()()KAK K Ks AK s Ks n 2112+==+++=ςωφ45.02.0%21===--ςσςςπe p()s rad s t n n d p /52.3145.012==-==ωωπωπ17.039.12145.039.1221239.122=-⨯⨯=-===K K A K n ςωsrad radn d /14.345.0152.311.145.045.01tan1tan222121=-=-==-=-=--ςωωςςβ 0.65(s)14.31.1=-=-=πωβπd r t ()()%252.252.345.044%589.152.345.033±=⨯=±=⨯==， ＝， s s t nns ςωςω3-3．某系统的开环传递函数为()ss s G n n ςωω222+=，为使单位反馈的闭环系统对单位阶跃输入的瞬态响应具有σp %=5%的超调量和t s =2s 的调整时间，试确定系统的ζ和ωn 的值。
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第三章3-2．假设温度计可用1/（Ts+1）传递函数描述其特性。
现用该温度计测量某容器中的水温，发现经1min 后才能指示出实际水温的96%，问：（1）. 该温度计的指示从实际水温的10%变化到90%所需的时间是多少？ （2）. 如果给该容器加热，使容器内水温以0.1℃/s 的速度均匀上升，当定义误差e(t)=r(t)-c(t)时，温度计的稳态指示误差有多大？ 解：（1）. 设实际水温为T r ，温度计原来处于T 0=0度，当温度计放入水中时，相当于输入一阶跃值为T r -T 0=T r 的阶跃函数，温度计的时间响应函数为：()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-Tt r eT T t c 10 ()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==--Tt rr e T t c T T t c 10 根据题意可得：Te 60196.0--=即可得：T=18.64(s)，()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-Tt re T t c 1 10%所需的时间为64.18111.0t e --=，()s t 96.11=。
90%所需的时间为64.18119.0t e--=，()s t 92.422=。
所以可得该温度计的指示从实际水温的10%变化到90%所需的时间（上升时间）是()s t t t r 96.4012=-=（2）. 由题可知系统为一阶系统，故系统稳定，为求当r(t)=0.1t 时的稳态误差，由一阶系统的时间响应分析可知，单位斜坡响应的稳态误差为T ，所以稳态指示误差：()C T t e t ο864.11.0lim =⨯=∞→（将1/（Ts+1）转化为开环传递函数为1/（Ts ）时的单位反馈系统，则可见此时系统的误差为e(t)=r(t)-c(t)。
根据系统为I 型，可得稳态速度误差系数为Kv=K=1/T ，得当输入信号为r(t)=0.1t 时的稳态误差为C T K e vssv ο864.11.011.0=⨯=⨯=） 3-5．某控制系统如图3-24所示，已知K=125，试求： （1）. 系统阶次，类型。
图3-24 题3-5图（2）. 开环传递函数，开环放大倍数。
（3）. 闭环传递函数，闭环零点、极点。
（4）. 自然振荡频率ωn ，阻尼比ζ，阻尼振荡频率ωd 。
（5）. 调整时间t s (△=2%)，最大超调量σp %。
（6）. 输入信号r(t)=5时，系统的输出终值c(∞)、输出最大值c max 。
（7）. 系统的单位脉冲响应。
【系统的单位阶跃响应】 （8）. 系统的单位斜坡响应。
【讨论系统单位阶跃响应出现超调、衰减振荡、无超调三种情况下的K 值】（9）. 静态误差系数K p 、K v 、K a 。
（10）. 系统对输入为r(t)=5+2t+t 2时的稳态误差。
解：（1）. 系统的开环传递函数：()()()()()125.05625.1125.00125.0442.0+=+=+=s s s s K s s K s H s G ，可见系统阶次为二阶，类型为I 型。
（2）. 开环传递函数()()()125.05625.1+=s s s H s G ，开环放大倍数为1.5625（3）. 闭环传递函数为：()()()()22225.25.28.025.255625.125.08125.71+⨯⨯+⨯=++=+=Φs s s s s H s G s G s ，闭环没有闭环零点，闭环极点为：j s 5.122,1±-= （4）. 5.2=n ω，8.0=ς，5.112=-=ςωωn d （5）. 24==ns t ςω，015.0%21==--ςςπσep（6）. 因为标准型二阶系统单位阶跃信号的稳态输出为1，最大值为1+M p =1+σp %=1.015，由于线性系统符合叠加原理，所以可得：()5=∞c *5=25，c max =5*5*1.015=25.375（7）. 由于标准型欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应为：()⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+--=-ςςωςςω221arctan sin 111t et c d tn 所以系统单位阶跃响应为：()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=-6435.05.1sin 35152t e t c t利用线性系统的重要特征即可得单位脉冲响应：()()()()te t e t e t e dt t dc t c t tt t 5.1sin 833.205.1sin 61256435.05.1cos 5.26435.05.1sin 31052222----==⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+==δ【由于标准型欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应为：()⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+--=-ςςωςςω221arctan sin 111t et c d tn 所以系统单位阶跃响应为：()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=-6435.05.1sin 35152t e t c t 】（8）. 同理可得单位斜坡响应：()()()()()()Ct e t Ct e t e t Ct e t e t dtt e dt t c t c t t t t t t v +++=+++=+++++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-==------⎰⎰287.15.1sin 31055.1cos 5165.1sin 151456435.05.1cos 26435.05.1sin 3856435.05.1sin 3515222222 积分常数C 由初始状态为零的条件而得，即()()02287.15.1sin 310500=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++==t t v C t e t c可得C=-3.2，所以单位斜坡响应为：()()2.3287.15.1sin 31052.35.1cos 5165.1sin 15145222-++=-++=---t e t t e t e t t c t t t v【闭环传递函数为()()Ks s KK s s K s 05.0425.02.0442++=++=φ可得K05.02=ς超调：10<≤ς，得80>K 衰减振荡：10<<ς，得80>K无超调：1≥ς，得80≤K ，又系统稳定0K >，所以080K <≤】（9）. 由于系统为I 型，所以其静态误差系数分别为：K p =∞K v =1. 5625 K a =0 （10）. 系统对输入为r(t)=5+2t+t 2时的稳态误差为：系统是二阶系统，开环传递函数中的系数均大于零（或由闭环传递函数中可知极点的实部小于零），所以系统稳定∞=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⨯=a v p ss K K K e 121211553-16．已知开环系统的传递函数如下（K>0），试用罗斯判据判别其闭环稳定性，并说明系统在s 右半平面的根数及虚根数。
（1）. ()()()()()321+++=s s s s K s H s G （6）. ()()()24822++=s s s Ks H s G解：（1）. 特征方程为()06523=++++K s K s sKK K K s ss s 05465610123++当K>0时，则第一列的符号全部大于零，所以闭环稳定，系统在s 右半平面的根数及虚根数均为0。
（6）. 特征方程为0248234=+++K s s sKKKK s s s s s 3240824101234-当K>0时，第一列有一个数小于零，所以闭环不稳定；第一列符号变化了两次，系统在s 右半平面的根数为2；第一列没有等于0的数，虚根数为0。
3-19．单位反馈系统的开环传递函数为()()()()()3210+++=s s s a s s H s G ，试求：（1）. 系统稳定的a 值；（2）. 系统所有特征根的实部均小于-1之a 值。
（3）. 有根在（-1，0）时之a 值。
解：闭环传递函数为()()as s s a s s 101651023++++=φ （1）. 用罗斯判据可得：aa a s s s s 102161051610123- 系统稳定，则应：1620100a a ->⎧⎨>⎩，即a 值应为：08a <<（2）. 令11+=s s ，即11-=s s ，此时当()0Re 1≤s 时，则()1Re -≤s 。
对闭环传递函数进行变换得：()()12109211012131111-+++-+=a s s s a s s φ1210515121029101112131---a a a s s s s系统稳定，则应：155010120a a ->⎧⎨->⎩，此时()0Re 1≤s ，()1Re -≤s 。
即a 值应为：32.1<<a （3）. 由（1）和（2）可得，此时a 应在（0，1.2）和[3,8)之间。
3-27．已知系统的结构如图3-34所示。
(1). 要求系统动态性能指标σp %=16.3%，t s =1s 【t p =1s 】，试确定参数K 1、K 2的值。
(2). 在上述K 1、K 2之值下计算系统在r(t)=t 作用下的稳态误差。
解：系统的开环传递函数为：()()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++=++=11101110101101022121s K s K K K s s K s G系统的闭环传递函数为：()()12211011010K s K s K s +++=φ12110211010K K K n +==ςω （1）. %3.16%21==--ςςπσep得：121021105.0K K +==ς5%时：1110610211010332121=+=+==K K K K t ns ςω得：5.02=K ，则：6.31±=K ，由系统传递函数可知，系统稳定K 1应大于零，所以6.31=K此时：()5.0/6==ςωs rad n图3-34 题3-27图2%时：1110810211010442121=+=+==K K K K t ns ςω得：7.02=K ，则：4.61±=K ，由系统传递函数可知，系统稳定K 1应大于零，所以4.61=K此时：()5.0/8==ςωs rad n【112=-=np t ωςπ得()s rad n /63.35.01122=-=-=πςπω所以：32.11021==ωK263.01015.063.3210122=-⨯⨯=-=ςωn K 】 （2）. 系统的开环传递函数为：()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++=1110111010221s K s K K s G 系统是二阶系统，闭环（或开环）传递函数中的系数均大于零（或由闭环传递函数中可知极点的实部小于零），所以系统稳定系统为I 型KK e v ssv 11==当6.31=K ，5.02=K 时开环放大增益为：61101021=+=K K K611==K e ssv当4.61=K ，7.02=K 时开环放大增益为：81101021=+=K K K811==K e ssv 【32.11=K ，263.02=K得开环放大增益为：64.31101021=+=K K K275.064.311===K e ssv 】。