自动控制原理 第九章(程鹏 着) 高等教育出版社 课后答案【khdaw_lxywyl】2
自动控制原理课后答案
Module3Problem 3.1(a) When the input variable is the force F. The input variable F and the output variable y are related by the equation obtained by equating the moment on the stick:2.233y dy lF lkc l dt=+ Taking Laplace transforms, assuming initial conditions to be zero,433k F Y csY =+leading to the transfer function31(4)Y k F c k s=+ where the time constant τ is given by4c kτ=(b) When F = 0The input variable is x, the displacement of the top point of the upper spring. The input variable x and the output variable y are related by the equation obtained by the moment on the stick:2().2333y y dy k x l kl c l dt-=+Taking Laplace transforms, assuming initial conditions to be zero,3(24)kX k cs Y =+leading to the transfer function321(2)Y X c k s=+ where the time constant τ is given by2c kτ=Problem 3.2 P 54Determine the output of the open-loop systemG(s) =1asT+ to the inputr(t) = tSketch both input and output as functions of time, and determine the steady-state error between the input and output. Compare the result with that given by Fig3.7 . Solution ：While the input r(t) = t , use Laplace transforms, Input r(s)=21sOutputc(s) = r(s) G(s) = 2(1)aTs s ⋅+ = 211T T a s s Ts ⎛⎫⎪-+⎪ ⎪+⎝⎭the time-domain response becomes c(t) = ()1t Tat aT e---Problem 3.33.3 The massless bar shown in Fig.P3.3 has been displaced a distance 0x and is subjected to a unit impulse δ in the direction shown. Find the response of the system for t>0 and sketch the result as a function of time. Confirm the steady-state response using the final-value theorem. Solution ：The equation obtained by equating the force:00()kx cx t δ+=Taking Laplace transforms, assuming initial condition to be zero,K 0X +Cs 0X =1leading to the transfer function()X F s =1K Cs +=1C1K s C+The time-domain response becomesx(t)=1CC t Ke-The steady-state response using the final-value theorem:lim ()t x t →∞=0lim s →s1K Cs +1s =1K00000()()()1;11111()K t CK x x Cx t Kx X K Cs Kx Kx X C Cs K K s KKx x t eCδ-++=⇒++=--∴==⋅++-=⋅According to the final-value theorem:0001lim ()lim lim01t s s Kx sx t s X C K s K→∞→→-=⋅=⋅=+Problem 3.4 Solution:1.If the input is a unit step, then1()R s s=()()11R s C s sτ−−−→−−−→+leading to,1()(1)C s s sτ=+taking the inverse Laplace transform gives,()1tc t e τ-=-as the steady-state output is said to have been achieved once it is within 1% of the final value, we can solute “t” like this,()199%1tc t e τ-=-=⨯ (the final value is 1)hence,0.014.60546.05te t sττ-==⨯=(the time constant τ=10s) 2.the numerical value of the numerator of the transfer function doesn’t affect the answer. See this equation, If()()()1C s AG s R s sτ==+ then()(1)A C s s sτ=+giving the time-domain response()(1)tc t A e τ-=-as the final value is A, the steady-state output is achieved when,()(1)99%tc t A e A τ-=-=⨯solute the equation, t=4.605τ=46.05sthe result make no different from that above, so we said that the numerical value of the numerator of the transfer function doesn’t affect the answer.If a<1, as the time increase, the two lines won`t cross. In the steady state the output lags the input by a time by more than the time constant T.The steady error will be negative infinite.R(t)C(t)Fig 3.7 tR(t)C(t)tIf a=1, as the time increase, the two lines will be parallel. It is as same as Fig 3.7.R(t)C(t)tIf a>1, as the time increase, the two lines will cross. In the steady state the output lags the input by a time by less than the time constant T.The steady error will be positive infinite.Problem 3.5 Solution: R(s)=261s s +, Y(s)=26(51)s s s +⋅+=229614551s s s -+++ /5()62929t y t t e -∴=-+so the steady-state error is 29(-30). To conform the result:5lim ()lim(62929);tt t y t t -→∞→∞=-+=∞6lim ()lim ()lim ()lim(51)t s s s s y t y s Y s s s →∞→→→+====∞+.20lim ()lim ()lim [()()]161lim [()1]()lim (1)()5130ss t s s s s e e t S E S S Y S R S S G S R S S S S S→∞→→→→==⋅=⋅-=⋅-=⋅-⋅++=- Therefore, the solution is basically correct.Problem 3.623y y x +=since input is of constant amplitude and variable frequency , it can be represented as:j tX eA ω=as we know ,the output should be a sinusoidal signal with the same frequency of the input ,it can also be represented as:R(t)C(t)t0j t y y e ω=hence23j tj tj tj yyeeeA ωωωω+=00132j y Aω=+y2t a n3w ϕ=- Its DC(w→0) value is 003Ay ω==Requirement12w yy==0123A =⨯→32w = while phase lag of the input:1tan 14πϕ-=-=-Problem 3.7One definition of the bandwidth of a system is the frequency range over which the amplitude of the output signal is greater than 70% of the input signal amplitude when a system is subjected to a harmonic input. Find a relationship between the bandwidth and the time constant of a first-order system. What is the phase angle at the bandwidth frequency ？ Solution ：From the equation 3.4100.7A r =≥ (1)and ω≥0 (2)so 1.020ωτ≤≤so the bandwidth 1.02B ωτ=from the equation 3.43 the phase angle110tan tan 1.024c πωτ--∠=-=-=Problem 3.8 3.8 SolutionAccording to generalized transfer function of First-Order Feedback Systems11C KG K RKGHK sτ==+++the steady state of the output of this system is 2.5V .∴if s →0, 2.51104C R→=. From this ,we can get the value of K, that is 13K =.Since we know that the step input is 10V , taking Laplace transforms,the input is 10S .Then the output is followed1103()113C s S s τ=⨯++Taking reverse Laplace transforms,4/4332.5 2.5 2.5(1)t t C e eττ--=-=-From the figure, we can see that when the time reached 3s,the value of output is 86% of the steady state. So we can know34823(2)*4393τττ-=-⇒-=-⇒=, 4/3310.8642t t e ττ-=-=⇒=The transfer function is3128s +146s+Let 12+8s=0, we can get the pole, that is1.5s =-2/3-Problem 3.9 Page 55 Solution:The transfer function can be represented,()()()()()()()o o m i m i v s v s v s G s v s v s v s ==⋅ While,()1()111//()()11//o m m i v s v s sRCR v s sC sC v s R R sC sC =+⎛⎫+ ⎪⎝⎭=⎡⎤⎛⎫++ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦21()13()G s sRC sRC =++ And the reason:the second simple lag compensation network can be regarded as the load of the first one, and according to Load Effect , the load affects the primary relationship; so the transfer function of the combination doesn’t equal the product of the two individual lag transfer functionModule4Problem4.14.1The closed-loop transfer function is10(6)102(6)101610S S S S C RS s +++++==Comparing with the generalized second-order system,we getProblem4.34.3Considering the spring rise x and the mass rise y. Using Newton’s second law of motion..()()d x y m y K x y cdt-=-+ Taking Laplace transforms, assuming zero initial conditions2mYs KX KY csX csY =-+-resulting in the transfer funcition where2Y cs KX ms cs K+=++And51.26*10c ζ== Problem4.4Solution:261n n d W EW E W W =====2121212K C K S S K R S S K S S ∙+==+++∙+ Comparing the closed-loop transfer function with the generalized form,2222n n nCR s s ωξωω=++ it is seen that2n K ω=And that22n ξω= ;ξ=The percentage overshoot is therefore100PO=100=Where10%PO ≤When solved, gives 1.2K ≤（2.86）When K takes the value 1.2, the poles of the system are given by22 1.20s s ++=Which gives10.45s j =-±±s=-1 1.36jReProblem4.54.5 A unity-feedback control system has the forward-path transfer functionG (s) =10)S(s K+Find the closed-loop transfer function, and develop expressions for the damping ratio And damped natural frequency in term of K Plot the closed-loop poles on the complex Plane for K = 0,10,25,50,100.For each value of K calculate the corresponding damping ratio and damped natural frequency. What conclusions can you draw from the plot?Solution: Substitute G(s)=(10)K s s + into the feedback formula : Φ(s)=()1()G S HG S +.And in unit feedback systemH=1.Result in: Φ(s)=210Ks s K++So the damped natural frequencyn ω,damping ratio ζ.The characteristic equation is 2s +10S+K=0.When K ≤25,s=5-±While K>25,s=5-±The value ofn ω and ζ corresponding to K are listed as follows.K 0 10 25 50 100Pole 1 1S 0 5-+ -5 -5+5i 5-+Pole 2 2S -10 5- -5 -5-5i 5--n ω 05 10ζ ∞10.5Plot the complex plane for each value of K:We can conclude from the plot.When k ≤25,poles distribute on the real axis. The smaller value of K is, the farther poles is away from point –5. The larger value of K is, the nearer poles is away from point –5.When k>25,poles distribute away from the real axis. The smaller value of K is, the further (nearer) poles is away from point –5. The larger value of K is, the nearer (farther) poles is away from point –5.And all the poles distribute on a line parallels imaginary axis, intersect real axis on the pole –5.Problem4.61tb bR L C b ov dv i i i i v dt CR Ldt=++=++⎰Taking Laplace transforms, assuming zero initial conditions, reduces this equation to011b I Cs V R Ls ⎛⎫=++ ⎪⎝⎭20b V RLs I Ls R RLCs =++Since the input is a constant current i 0, so01I s=then,()2b RLC s V Ls R RLCs ==++Applying the final-value theorem yields()()0lim lim 0t s c t sC s →∞→==indicating that the steady-state voltage across the capacitor C eventually reaches the zero ,resulting in full error.Problem4.7 4.7 Prove that for an underdamped second-order system subject to a step input, the percentageovershoot above the steady-state output is a function only of the damping ratio .Fig .4.7SolutionThe output can be given by222222()(2)21()(1)n n n n n n C s s s s s s s ωζωωζωζωωζ=+++=-++- (1) the damped natural frequencyd ω can be defined asd ω=ω (2)substituting above results in22221()()()n n n d n d s C s s s s ζωζωζωωζωω+=--++++ (3) taking the inverse transform yields()1)tan n t d c t t where ζωωφφ-=+=(4)the maximum output is()1sin()n t p d p p d e c t t t ζωωφππω-=-+==(5)so the maximum is()1p c t eπζ-=+the percentage overshoot is therefore100PO eπζ-=Problem4.8 Solution to 4.8:Considering the mass m displaced a distance x from its equilibrium position, the free-body diagram of the mass will be as shown as follows.aUsing Newton’s second law of motion,22p k x c x m x m x c x k x p--=++=Taking Laplace transforms, assuming zero initial conditions,2(2)X ms cs k P ++=results in the transfer function2/(1/)/((/)2/)X P m s c m s k m =++ 2(2/)(2/)((/)2/)k k m s c m s k m =++As we see2(2)X m s c s k P ++= As P is constantSo X ∝212ms cs k ++ . When 56.25102cs m-=-=-⨯()25min210mscs k ++=4max5100.110X == This is a second-order transfer function where22/n k m ω=and/2/n c w mc m ζ==The damped natural frequency is given byd ωω===Using the given data,0.2236n ω===42.795010ζ-==⨯0.223100.2236d ω==With these data we can draw a picture14.0501160004.673600p de s e T T πωτζωτ======2222112/1222()2sin (sin cos )0tan 7.030.02n n pp dd n dd n ntd dt t t n d p d d p ddd p p p nX k m c k P ms cs k k m s s s m m cm p x e tm p x e t tm t t x m ζωζωωωζωωωωζζωωωζωωωωωωωζω--===⋅=⋅++++++====∴==-+=∴=⇒=⇒=其中Problem4.10 4.10 solution:The system is similar to the one in the book on PAGE 58 to PAGE 63. The difference is the connection of the spring. So the transfer function is2222l n d n n w s w s w θθζ=++222(),;pa m ld a m p m l m l l m mm l lk k k N RJs RCs R k k N k J N J J C N c c N N N θθωθωθ=+++=+=+===n w =damping ratioζ=But the value of J is different, because there is a spring connected.122s m J J J J N N '=++Because of final-value theorem,2l nd w θθζ=Module5Problem5.45．4 The closed-loop transfer function of the system may be written as2221010(1)610101*********C RK K KS S K KS S K S S +++==+++++++ The closed-loop poles are the solutions of the characteristic equation3n S W ==-±= 26E ==In order to study the stability of the system, the behavior of the closed-loop poles when thegain K increases from zero to infinte will be observed. So when12K =10E =3S =-210K =110E =3S =-± 320K = 70E =3S =-±双击下面可以看到原图ReProblem5.5SolutionThe closed-loop transfer function is2222(1)1(1)KC K KsKR s K as s aKs Kass===+++++∙+Comparing the closed-loop transfer function with the generalized form, 2222nn nCR s sωξωω=++Leading to2nωξ==The percentage overshoot is therefore10040%PO==Producing the result0.869ξ=（0.28）And the peak time4PT s==Leading to1.586nω=（0.82）Problem5.75.7 Prove that the rise time T r of a second-order system with a unit step input is given byT r = d ω1tan -1n d ζωω = d ω1tan -1dωζ21--Plot the rise against the damping ratio.Solution:According to (4.33):c(t)=1-(cos )n t d d e t t ζωωω-. 4.33When t=r T ,c(t)=1.substitue c(t)= 1 into (4.33) Producing the resultr T =d ω1tan -1n d ζωω = d ω1tanPlot the rise time against the damping ratio:Problem5.9Solution to 5.9:As we know that the system is the open-loop transfer function of a unity-feedback control system. So ()()GH S G S = Given as()()()425KGH s s s =-+The close-loop transfer function of the system may be written as()()()()()41254G s C Ks R GH s s s K==+-++ The characteristic equation is()()2254034100s s K s s K -++=⇒++-=According to the Routh’s method, the Routh’s array must be formed as follow20141030410s K s s K --For there is no closed-loop poles to the right of the imaginary axis4100 2.5K K -≥⇒≥Given that 0.5ζ=4.75n K ωζ==⇒= When K=0, the root are s=+2,-5According to the characteristic equation, the solutions are32s =-±while 3.0625K ≤, we have one or two solutions, all are integral number.Or we will have solutions with imaginary number. So we can drawProblem5.10 5.10 solution:0.62/n w rad sζ==according to()11)2n w t d c w t ζφ-=+=1.2sin(1.6)0.4t e t φ-⋅+= 4tan 3φ=finally, t is delay time:1.23t s ≈(0.67)Module6Problem 6.3First we assume the disturbance D to be zero:e R C =-1011C K e s s=⋅⋅⋅+ Hence:(1)10(1)e s s R K s s +=++ Then we set the input R to be zero:10()(1)C K e D e s s =⋅+⋅=-+ ⇒ 1010(1)e D K s s =-++Adding these two results together:(1)1010(1)10(1)s s e R D K s s K s s +=⋅-⋅++++21()R s s= ; 1()D s s = ∴222110910(1)10(1)100(1)s s e Ks s s Ks s s s s s +-=-=++++++ the steady-state error:232200099lim lim lim 0.09100100ss s s s s s s e s e s s s s s →→→--=⋅===-++++Problem 6.4Determine the disturbance rejection ratio(DRR) for the system shown in Fig P.6.4+fig.P.6.4 solution ：from the diagram we can know :0.210.05mv K RK c === so we can get that()0.21115()0.05v m m OL n CL K K DRR cR ωω∆⨯==+=+=∆210.10.050.050.025s s =++, so c=0.025, DRR=9Problem 6.5 6.5 SolutionFor the purposes of determining the steady-state error of the system, we should get to know the effect of the input and the disturbance along when the other will be assumed to be zero.First to simplify the block diagram to the following patter:Allowing the transfer function from the input to the output position to be written as01220220d Js s θθ=++ 012222020240*220220(220)dJs s Js s s Js s sθθ===++++++ According to the equation E=R-C:022*******(2)()lim[()()]lim[(1)]lim 0.2220220ssr d s s s Js e s s s s Js s Js s δδδθθ→→→+=-=-==++++问题;1. 系统型为2，对于阶跃输入，稳态误差为0.2. 终值定理写的不对。
自动控制原理 课后习题答案(2020年7月整理).pdf
第1章控制系统概述【课后自测】1-1 试列举几个日常生活中的开环控制和闭环控制系统，说明它们的工作原理并比较开环控制和闭环控制的优缺点。
解：开环控制——半自动、全自动洗衣机的洗衣过程。
工作原理：被控制量为衣服的干净度。
洗衣人先观察衣服的脏污程度，根据自己的经验，设定洗涤、漂洗时间，洗衣机按照设定程序完成洗涤漂洗任务。
系统输出量（即衣服的干净度）的信息没有通过任何装置反馈到输入端，对系统的控制不起作用，因此为开环控制。
闭环控制——卫生间蓄水箱的蓄水量控制系统和空调、冰箱的温度控制系统。
工作原理：以卫生间蓄水箱蓄水量控制为例，系统的被控制量（输出量）为蓄水箱水位（反应蓄水量）。
水位由浮子测量，并通过杠杆作用于供水阀门（即反馈至输入端），控制供水量，形成闭环控制。
当水位达到蓄水量上限高度时，阀门全关（按要求事先设计好杠杆比例），系统处于平衡状态。
一旦用水，水位降低，浮子随之下沉，通过杠杆打开供水阀门，下沉越深，阀门开度越大，供水量越大，直到水位升至蓄水量上限高度，阀门全关，系统再次处于平衡状态。
开环控制和闭环控制的优缺点如下表1-2 自动控制系统通常有哪些环节组成？各个环节分别的作用是什么？解：自动控制系统包括被控对象、给定元件、检测反馈元件、比较元件、放大元件和执行元件。
各个基本单元的功能如下：（1）被控对象—又称受控对象或对象，指在控制过程中受到操纵控制的机器设备或过程。
（2）给定元件—可以设置系统控制指令的装置，可用于给出与期望输出量相对应的系统输入量。
（3）检测反馈元件—测量被控量的实际值并将其转换为与输入信号同类的物理量，再反馈到系统输入端作比较，一般为各类传感器。
（4）比较元件—把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的给定值进行比较，分析计算并产生反应两者差值的偏差信号。
常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。
（5）放大元件—当比较元件产生的偏差信号比较微弱不足以驱动执行元件动作时，可通过放大元件将微弱信号作线性放大。
自动控制原理第二版9章习题及详解
第9章习题及详解9-1 试分别写出图9-41中所列典型非线性特性的数学描述式。
（a ）（b ）（c ）（d ） （e ） 图9-41 习题9-1图解： (a)⎩⎨⎧<->=0,0,)(x M x M x f ；(b) ⎪⎩⎪⎨⎧-≤-=-<≥==d x kd M d x kx d x kd M x f ,,,)(； (c)⎪⎩⎪⎨⎧∆-<-∆<∆>=x M x x M x f ,,0,)(；(d)⎪⎩⎪⎨⎧∆-≤∆+∆<∆≥∆-=x x k x x x k x f ,)(,0,)()(； (e) ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-<-<<<-><<-->=dx M xd x d M xd x d M dx M x f ,0,,0,,,)( 或者（e ） 当0>x，⎩⎨⎧<->=d x M d x M x f ,,)(；当0<x ，⎩⎨⎧-<-->=,,,,)(d x M d x M x f9-2 试用解析法求下列系统相轨迹方程的解。
（1）122=+x x（2）0sin =-+x x x解：（1）相变量方程为⎩⎨⎧-==221x x x x0))0(())0((32))0((21)(32)(212)12(3322003020020020=---+-=-+=-+=-+⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰x x x x x x dx x d x d dx dx x x d x dx x x d xt t t t t t t t相轨迹方程的解为)0(6)0(4)0(36433232x x x x x x-+=-+ （2）相变量方程为 ⎩⎨⎧-==x x x x xsin0))0((21))0(cos (cos ))0((21)(21)(cos )(21)(sin 22220200200=-----=--=-+⎰⎰⎰⎰⎰x x x x x x x d x d x d x dx x x x d x t t t tt相轨迹方程的解为)0()0(cos 2)0(cos 22222x x x x x x--=--9-3 考虑系统02=+x x ω，其中，1<ω，试用解析法求该系统的相平面图。
自动控制原理(第九章)
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一、 线性系统的状态空间描述（14）
4、线性定常连续系统状态空间表达式的建立
建立状态空间表达式的方法主要有两种：一直接根据 系统的机理建立相应的微分方程或差分方程，继而选择有关 的物理量作为状态变量，从而导出其状态空间表达式；二是 由已知的系统其它数学模型经过转化而得到状态空间表达式。
（1）根据系统机理建立状态空间表达式 通过例题来介绍根据系统机理建立线性定常连续系统 状态空间表达式的方法。
若状态 x 、输入 u 、输出 y 的维数分别为 n, p, q, 则称 n n 矩阵 A(t )及 G (k ) 为系统矩阵或状态矩阵或系数矩阵， 称 n p矩阵 B (t )及 H (k )为控制矩阵或输入矩阵，称 q n 矩阵 C (t ) 及C (k )为观测矩阵或输出矩阵，
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x (t ) x1 (t ), x 2 (t ), , x n (t )
T
则向量 x (t ) 称为 n 维状态向量。
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一、 线性系统的状态空间描述（7）
状态空间: 以 n 个状态量作为基底所组成的 n维空间称 为状态空间。 状态轨线： 系统在任一时刻的状态，在状态空间中用 一点来表示，随着时间的推移，系统状态在变化，并在状 态空间中描绘出一条轨迹。这种系统状态向量在状态空间 中随时间变化的轨迹称为状态轨迹或状态轨线。 状态方程： 描述系统状态变量与输入变量之间关系的 一阶微分方程组（连续时间系统）或一阶差分方程组（离 散时间系统）称为系统的状态方程。状态方程表征了系统 由输入所引起的内部状态变化，其一般形式为 x(t ) f x(t ), u(t ), t 或 x(t k 1 ) f x(t k ), u(t k ), t k
常具有微分方程或差分方程的形式，称为状态方程。另一 T x x1 , x 2 ,, x n 及变量u u1 , u 2 , , u p T 个是表征系统内部变量 T 和输出变量 y y1 , y 2 , , y q 间转换关系的数学式，具有 代数方程的形式，称为输出方程。 仅当在系统具有一定属性的条件下，两种描述才具有 等价关系。
《自动控制原理》习题及答案
《自动控制原理》习题解答（教学参考用书）自动控制原理教学组西北工业大学自动化学院2009年7月前言这本《自动控制原理习题解答》与西北工业大学自动化学院自动控制原理教学组编写（卢京潮主编）、西北工业大学出版社出版的国家教委“十一五”规划教材《自动控制原理》配套使用。
供任课教师在备课和批改作业时参考。
新的“十一五”规划教材是在原《自动控制原理》教材基础上经修改完成的，新教材基本保留了原教材的体系结构，主要在具体内容上作了进一步的完善和充实，习题也做了相应调整。
这本习题解答的内容主要由负责各章编写任务的老师提供。
为方便教学，在习题解答之后编入了课程进程表和教学大纲（96学时），供任课教师参考查阅。
对教材或习题解答中发现的错误和不妥之处，恳请各位读者及时记录，并转告编者，以便尽快纠正。
谢谢！。
联系人：卢京潮电 话：88431302 （办公室）135******** （手机）Email: lujc0129@编者2009．5目录一．习题解答 (1)第1章习题及解答 (1)第2章习题及解答 (10)第3章习题及解答 (32)第4章习题及解答 (64)第5章习题及解答 (86)第6章习题及解答 (133)第7章习题及解答 (157)第8章习题及解答 (181)二．课程进程表 (208)三．自动控制原理教学大纲 ( 96时) (210)一、 习 题 及 解 答第1章习题及解答1-1 根据图1-15所示的电动机速度控制系统工作原理图，完成：(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：，d a ↔c b ↔；（2）系统方框图如图解1-1 所示。
1-2 图1-16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。
图1-16 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。
《自动控制原理》课后习题答案解析
《自动控制原理》课后习题答案解析1．1解：（1）机器人踢足球：开环系统输入量：足球位置输出量：机器人的位置（2）人的体温控制系统：闭环系统输入量：正常的体温输出量：经调节后的体温（3）微波炉做饭：开环系统：输入量：设定的加热时间输出量：实际加热的时间（4）空调制冷：闭环系统输入量：设定的温度输出量：实际的温度1．2解：开环系统：优点：结构简单，成本低廉；增益较大；对输入信号的变化响应灵敏；只要被控对象稳定，系统就能稳定工作。
缺点：控制精度低，抗扰动能力弱闭环控制优点：控制精度高，有效抑制了被反馈包围的前向通道的扰动对系统输出量的影响；利用负反馈减小系统误差，减小被控对象参数对输出量的影响。
缺点：结构复杂，降低了开环系统的增益，且需考虑稳定性问题。
1.3解：自动控制系统分两种类型：开环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统的特点是：控制器与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系，系统的被控变量对控制作用没有任何影响。
系统的控制精度完全取决于所用元器件的精度和特性调整的准确度。
只要被控对象稳定，系统就能稳定地工作。
闭环控制系统的特点：（1）闭环控制系统是利用负反馈的作用来减小系统误差的（2）闭环控制系统能够有效地抑制被反馈通道保卫的前向通道中各种扰动对系统输出量的影响。
（3）闭环控制系统可以减小被控对象的参数变化对输出量的影响。
1.4解输入量：给定毫伏信号被控量：炉温被控对象：加热器（电炉）控制器：电压放大器和功率放大器系统原理方块图如下所示：工作原理：在正常情况下，炉温等于期望值时，热电偶的输出电压等于给定电压，此时偏差信号为零，电动机不动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上。
此时，炉子散失的热量正好等于从加热器获取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。
当炉温由于某种原因突然下降时，热电偶的输出电压下降，与给定电压比较后形成正偏差信号，该偏差信号经过电压放大器、功率放大器放大后，作为电动机的控制电压加到电动机上，电动机带动滑线变阻器的触头使输出电压升高，则炉温回升，直至达到期望值。
胡寿松《自动控制原理》课后习题及详解(线性系统的状态空间分析与综合)【圣才出品】
则系统约当型状态方程为
9-8 已知矩阵
试求 A 的特征方程、特征值、特征向量，并求出变换矩阵将 A 对角化。 解：A 的特征方程为 则 A 的特征值为 特征向量为
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使 A 对角化矩阵为
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9-12 已知线性系统状态转移矩阵
试求该系统的状态阵 A 。
解：该系统的状态阵 A 为
9-13 已知系统状态方程 试求系统传递函数 G（s）。
解：由式 G s c sI A1 b 可得系统传递函数为
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第 9 章 线性系统的状态空间分析与综合 9-1 已知电枢控制的直流伺服电机的微分方程组及传递函数为
（1）设状态变量
输出量 y=θm，试建立其动态方程；
（2）设状态变量
试建立其动态方程；
确定两组状态变量间的变换矩阵 T。
6S 4S
8 3
1
2S 5 S2 4S
3
1
3 2
1 1 S 1 2
1 S 3
其可控标准型为
由对偶原理知其可观标准型为
对角型为ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
9-7 已知系统传递函数
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试求约当型（A 为约当阵）动态方程。 解：设传递函数分解为部分分式
解：由系统结构图可知
图 9-3 系统结构图
整理得系统动态方程为
变换形式可得系统动态方程为
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自动控制原理课后习题答案清华大学出版社
2-1 什么是系统的数学模型?在自动控制系统中常见的数学模型形式有哪些? 用来描述系统因果关系的数学表达式，称为系统的数学模型。
常见的数学模型形式有：微分方程、传递函数、状态方程、传递矩阵、结构框图和信号流图。
2-2 简要说明用解析法编写自动控制系统动态微分方程的步骤。
2-3 什么是小偏差线性化？这种方法能够解决哪类问题？在非线性曲线（方程）中的某一个工作点附近，取工作点的一阶导数，作为直线的斜率，来线性化非线性曲线的方法。
2-4 什么是传递函数？定义传递函数的前提条件是什么？为什么要附加这个条件？传递函数有哪些特点？传递函数：在零初始条件下，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。
定义传递函数的前提条件：当初始条件为零。
为什么要附加这个条件：在零初始条件下，传递函数与微分方程一致。
传递函数有哪些特点：1．传递函数是复变量S 的有理真分式，具有复变函数的所有性质；n m ≤且所有系数均为实数。
2．传递函数是一种有系统参数表示输出量与输入量之间关系的表达式，它只取决于系统或元件的结构和参数，而与输入量的形式无关，也不反映系统内部的任何信息。
3．传递函数与微分方程有相通性。
4．传递函数)(s W 的拉氏反变换是系统的单位脉冲响应。
2-5 列写出传递函数三种常用的表达形式。
并说明什么是系统的阶数、零点、极点和放大倍数。
nn n n mm m m a s a s a s a b s b s b s b s W ++++++++=----11101110)(ΛΛ ()()∏∏==++=nj jmi i s T s T K s W 1111)( 其中nma b K =()()∏∏==++=nj jm i i g p s z s K s W 11)( 其中0a b K g =传递函数分母S 的最高阶次即为系统的阶数，i z -为系统的零点，j p -为系统的极点。
K 为传递函数的放大倍数，g K 为传递函数的根轨迹放大倍数。
(完整版)自动控制原理课后习题及答案
第一章绪论1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优弊端.解答： 1 开环系统(1)长处 :构造简单，成本低，工作稳固。
用于系统输入信号及扰动作用能早先知道时，可获得满意的成效。
(2)弊端：不可以自动调理被控量的偏差。
所以系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。
2闭环系统⑴长处：不论因为扰乱或因为系统自己构造参数变化所惹起的被控量偏离给定值，都会产生控制作用去消除此偏差，所以控制精度较高。
它是一种按偏差调理的控制系统。
在实质中应用宽泛。
⑵弊端：主要弊端是被控量可能出现颠簸，严重时系统没法工作。
1-2什么叫反应？为何闭环控制系统常采纳负反应？试举例说明之。
解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反应。
闭环控制系统常采纳负反应。
由1-1 中的描绘的闭环系统的长处所证明。
比如，一个温度控制系统经过热电阻（或热电偶）检测出目前炉子的温度，再与温度值对比较，去控制加热系统，以达到设定值。
1-3试判断以下微分方程所描绘的系统属于何种种类（线性，非线性，定常，时变）？2 d 2 y(t)3 dy(t ) 4y(t ) 5 du (t ) 6u(t )（1）dt 2 dt dt（2） y(t ) 2 u(t)（3）t dy(t) 2 y(t) 4 du(t) u(t ) dt dtdy (t )u(t )sin t2 y(t )（4）dtd 2 y(t)y(t )dy (t ) （5）dt 2 2 y(t ) 3u(t )dt（6）dy (t ) y 2 (t) 2u(t ) dty(t ) 2u(t ) 3du (t )5 u(t) dt（7）dt解答： （1）线性定常（2）非线性定常 （3）线性时变（4）线性时变（5）非线性定常（6）非线性定常（7）线性定常1-4 如图 1-4 是水位自动控制系统的表示图， 图中 Q1，Q2 分别为进水流量和出水流量。
控制的目的是保持水位为必定的高度。
自动控制原理课后参考答案
第一章1-1图1-2是液位自动控制系统原理示意图。
在任意情况下，希望液面高度c维持不变, 试说明系统工作原理并画岀系统方块图。
图1-2 液位自动控制系统解：被控对象：水箱；被控量：水箱的实际水位；给定量电位器设定水位U r(表征液位的希望值C r)；比较元件：电位器；执行元件：电动机；控制任务：保持水箱液位高度不变。
工作原理：当电位电刷位于中点(对应U r)时，电动机静止不动，控制阀门有一定的开度，流入水量与流出水量相等，从而使液面保持给定高度C r，一旦流入水量或流出水量发生变化时，液面高度就会偏离给定高度C r。
当液面升高时，浮子也相应升高，通过杠杆作用，使电位器电刷由中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机，通过减速器带动进水阀门向减小开度的方向转动，从而减少流入的水量，使液面逐渐降低，浮子位置也相应下降，直到电位器电刷回到中点位置，电动机的控制电压为零，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度r。
反之，若液面降低，则通过自动控制作用，增大进水阀门开度，加大流入水量，使液面升高到给定高度C r。
系统方块图如图所示:1-10 下列各式是描述系统的微分方程，其中c(t)为输岀量，r (t)为输入量，试判断哪些是线性定常或时变系统，哪些是非线性系统？2c(t) =5 r2(t) t d2(^(1) dt ；3 2d c(t) 3d c(t) 6dc(t) --- 3 3 ---- 2 6 — dt dt dt xdc(t) dr(t)t c(t) =r(t) 3 dt dtc(t) = r(t)cos t 5 ；dr (t) tc(t) =3r(t)6 5 r(.)d. (5) dt =;(6)c(t)訂 2 ⑴；0, t :：: 6c(t)= “r(t), t 畠 6.(7) -解：(1)因为c(t)的表达式中包含变量的二次项 『(t)，所以该系统为非线性系统。
(2) 因为该微分方程不含变量及其导数的高次幕或乘积项，且各项系数均为常数，所以该 系统为线性定常系统。
自动控制原理 第9章
第九章 状态空间系统响应、可控性与可观性
9.1状态空间描述的基本概念 9.2状态空间表达式的建立 9.3 线性定常系统的响应 9.4 状态转移矩阵 9.5 线性离散系统的响应 9.6 可控性和可观性 9.7 线性定常系统的线性变换 9.8 对偶原理
或 x(t)=［x1(t)，x2(t)，…，xn(t)］T
第九章 状态空间系统响应、可控性与可观性 状态空间 以状态变量x1(t)，x2(t)，…，xn(t)为坐标轴构
成的n维空间称为状态空间。系统在任意时刻的状态x(t)都可
用状态空间中的一个点来表示。已知初始时刻t0的状态x(t0)， 可得到状态空间中的一个初始点。随着时间的推移，x(t)将在 状态空间中描绘出一条轨迹, 称为状态轨迹线。 状态方程 描述系统的状态变量与系统输入量之间关系的
一阶微分方程组，称为系统的状态方程。
第九章 状态空间系统响应、可控性与可观性 【例9-2】 在图9-1所示的电路中，如果选取u2(t)与i(t)
为状态向量，根据电学原理，可得
du 2 (t ) i (t ) C dt L di (t ) Ri(t ) u (t ) u (t ) 2 1 dt
1 x 0 0 x1 1 1 u k x 2 m x2 m m x1 y [1 0] x2
第九章 状态空间系统响应、可控性与可观性
可将上述两个方程写成标准形式
式中
x Ax Bu y Cx du
0 1 0 , B 1 , C [1 0], d 0 A k m m m
自动控制原理课后习题答案
第一章引论1-1 试描述自动控制系统基本组成，并比较开环控制系统和闭环控制系统的特点。
答：自动控制系统一般都是反馈控制系统，主要由控制装置、被控部分、测量元件组成。
控制装置是由具有一定职能的各种基本元件组成的，按其职能分，主要有给定元件、比较元件、校正元件和放大元件。
如下图所示为自动控制系统的基本组成。
开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向作用，而没有反向联系的控制过程。
此时，系统构成没有传感器对输出信号的检测部分。
开环控制的特点是：输出不影响输入，结构简单，通常容易实现；系统的精度与组成的元器件精度密切相关；系统的稳定性不是主要问题；系统的控制精度取决于系统事先的调整精度，对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。
闭环控制的特点是：输出影响输入，即通过传感器检测输出信号，然后将此信号与输入信号比较，再将其偏差送入控制器，所以能削弱或抑制干扰；可由低精度元件组成高精度系统。
闭环系统与开环系统比较的关键，是在于其结构有无反馈环节。
1-2 请说明自动控制系统的基本性能要求。
答：、自动控制系统的基本要求概括来讲，就是要求系统具有稳定性、快速性和准确性。
稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。
稳定性通常由系统的结构决定与外界因素无关。
对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值（例如恒温控制系统）。
对随动系统，被控制量始终跟踪参量的变化（例如炮轰飞机装置）。
快速性是对过渡过程的形式和快慢提出要求，因此快速性一般也称为动态特性。
在系统稳定的前提下，希望过渡过程进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差过大，合理的设计应该兼顾这两方面的要求。
准确性用稳态误差来衡量。
在给定输入信号作用下，当系统达到稳态后，其实际输出与所期望的输出之差叫做给定稳态误差。
显然，这种误差越小，表示系统的精度越高，准确性越好。
当准确性与快速性有矛盾时，应兼顾这两方面的要求。
自动控制原理课后习题与答案
目录1自动控制系统的基本概念1.1内容提要1.2习题与解答2自动控制系统的数学模型2.1内容提要2.2习题与解答3自动控制系统的时域分析3.1内容提要3.2习颗与他答4根轨迹法4.1内容提要4.2习题与解答5频率法5.1内容提要5.2习题与解答6控制系统的校正及综合6.1内容提要6.2习题与解答7非线性系统分析7.1内容提要7.2习题与解答8线性离散系统的理论基础8.1内容提要8.2习题与解答9状态空间法9.1内容提要9.2习题与解答附录拉普拉斯变换参考文献1自动控制系统的基本概念1. 1内容提要基本术语：反馈量，扰动量，输人量，输出量，被控对象；基本结构：开环，闭环，复合；基本类型：线性和非线性，连续和离散，程序控制与随动；基本要求：暂态，稳态，稳定性。
本章要解决的问题，是在自动控制系统的基本概念基础上，能够针对一个实际的控制系统，找出其被控对象、输人量、输出量，并分析其结构、类型和工作原理。
1.2习题与解答题1-1图P1-1所示，为一直流发电机电压白动控制系统示意图。
图中，1为发电机；2为减速器；3为执行电机；4为比例放大器；5为可调电位器。
(1)该系统有哪些环节组成，各起什么作用” (2)绘出系统的框图，说明当 负载电流变化时，系统如何保持发 电机的电压恒定 (3)该系统是有差系统还是无 差系统。
(4)系统中有哪些可能的扰动， 答(1)该系统由给定环节、比较环节、中间环节、执行结构、检测环节、 发电机等环节组成。
给定环节:电压源0U 。
用来设定直流发电机电压的给定值。
比较环节:本系统所实现的被控量与给定量进行比较，是通过给定电 压与反馈电压反极性相接加到比例放大器上实现的中间环节:比例放大器。
它的作用是将偏差信号放大，使其足以带动 执行机构工作。
该环节又称为放大环节执行机构:该环节由执行电机、减速器和可调电位器构成。
该环节的 作用是通过改变发电机励磁回路的电阻值，改变发电机的磁场，调节发 电机的输出电压被控对象:发电机。
自动控制原理完整版课后习题答案
1 请解释下列名字术语：自动控制系统、受控对象、扰动、给定值、参考输入、反馈。
解：自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，由控制装置与被控对象组成；受控对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程扰动：扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。
如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。
外扰是系统的输入量。
给定值：受控对象的物理量在控制系统中应保持的期望值参考输入即为给定值。
反馈：将系统的输出量馈送到参考输入端，并与参考输入进行比较的过程。
2 请说明自动控制系统的基本组成部分。
解：作为一个完整的控制系统，应该由如下几个部分组成：①被控对象：所谓被控对象就是整个控制系统的控制对象；②执行部件：根据所接收到的相关信号，使得被控对象产生相应的动作；常用的执行元件有阀、电动机、液压马达等。
③给定元件：给定元件的职能就是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参考量）；④比较元件：把测量元件检测到的被控量的实际值与给定元件给出的参考值进行比较，求出它们之间的偏差。
常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。
⑤测量反馈元件：该元部件的职能就是测量被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般需要将其转换成为电量。
常用的测量元部件有测速发电机、热电偶、各种传感器等；⑥放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。
如电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大器和功率放大级加以放大。
⑦校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，用以改善系统的性能。
常用的校正元件有电阻、电容组成的无源或有源网络，它们与原系统串联或与原系统构成一个内反馈系统。
3 请说出什么是反馈控制系统，开环控制系统和闭环控制系统各有什么优缺点？解：反馈控制系统即闭环控制系统，在一个控制系统，将系统的输出量通过某测量机构对其进行实时测量，并将该测量值与输入量进行比较，形成一个反馈通道，从而形成一个封闭的控制系统；开环系统优点：结构简单，缺点：控制的精度较差；闭环控制系统优点：控制精度高，缺点：结构复杂、设计分析麻烦，制造成本高。
《自动控制原理》课后习题答案
掌握自动控制系统的一般概念（控制方式，分类，性能要求）6.（1）结构框图：Ug U Udn Uc UUr给定输入量: 给定值Ug 被控制量: 加热炉的温度扰动量： 加热炉内部温度不均匀或坏境温度不稳定等外部因素 被控制对象：加热器控制器： 放大器、发动机和减速器组成的整体 （2）工作原理：给定值输入量Ug 和反馈量Ur 通过比较器输出 U ， 经放大器控制发动机的转速n ，再通过减速器与调压器调节加热器的电压U 来控制炉温。
T Ur U Ud n Uc U T7.（1）结构框图 略给定输入量：输入轴θr 被控制量： 输出轴θc扰动量： 齿轮间配合、负载大小等外部因素 被控制对象：齿轮机构 控制器: 液压马达 （2）工作原理：θc Ue Ug i θm θc比较器 放大器 减速器 调压器 电动机 加热器 热电偶干扰量实际温度掌握系统微分方程，传递函数(定义、常用拉氏变换)，系统框图化简；1.(a)⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=+=+=dtdu C i R u i i u iR u t ct ct t r )(02)(0)(01)()2......()1(.......... 将（2）式带入（1）式得：)()(01)(021)(0t r t t t u dtdu C R u R R u =++拉氏变换可得)()(01)(0221s r s s U CsU R u R R R =+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+整理得 21212)()(0)(R R Cs R R R U U G S r S s ++==1.(b)⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=+=+=dtdi L u R u i i u iR u Lt o t Lt t r )(2)(0)(01)()2........()1......(.......... 将（2)式代入（1）式得)()(0221)(01t r t t u u R R R dt u L R =++⎰ 拉氏变换得)()(0221)(01s r s s U U R R R U Ls R =++ 整理得LsR R R R LsR U U G s r s s )(21212)()(0)(++==2.1）微分方程求解法⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+=-=+=-31224203221211111Rudt du c Ruu R u R u Rudt du c R u u c c c c c c c c r中间变量为1c u，2c u及其一阶导数，直接化简比较复杂，可对各微分方程先做拉氏变换⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+=-=+=-3122423221211111RUU sc R U U RU R U RUU sc R U U c c c c c c c c r移项得⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧++==++=2432432211211)11()111(c c c c rUR R sc RU R RU U U R R sc R U可得11121432432143214320)111()11(RR sc R R R R sc R R R R R R R R sc R R sc Ur U ++++=++++=2）复阻抗法⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧+=+++=++=2211232223234212121111*11*11sc R sc z U sc R sc z U sc R sc R R z sc R sc R R z r解得：1112143243RR sc R R R R sc R R Ur U ++++=3.分别以m 2,m 1为研究对象（不考虑重力作用）⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧--=---=11212121121222222)()()(ky dty y d c dt y d m dty y d cdt dy c t f dt y d m 中间变量含一阶、二阶导数很难直接化简，故分别做拉氏变换⎪⎩⎪⎨⎧--=---=112112112122222)()()(kY Y Y s c Y s m Y Y s c sY c s F Y s m 消除Y1中间变量21211222))1(()(Yk s c s m sc s c s c s m s F s++-++=10.系统框图化简：G 1(s)G 2(s)G 3(s)X i (s)X o (s)+H 1(s)H 3(s)H 2(s)---++G 1(s)G 2(s)G 3(s)X i (s)X o (s)+H 1(s)H 3(s)H 2(s)/G 1(s)G 3(s)---+G 1(s)/(1+G 1(s)H 1(s))G 2(s)G 3(s)/(1+G 3(s)H 3(s))X i (s)X o (s)+H 2(s)/G 1(s)G 3(s)-G 1(s)G 2(s)G 3(s)/(1+G 1(s)H 1(s))(1+G 3(s)H 3(s))X i (s)X o (s)+H 2(s)/G 1(s)G 3(s)- +1.综合点前移，分支点后移G 1(s)G 2(s)G 3(s)X i (s)X o (s)+H 1(s)H 3(s)H 2(s)/G 1(s)G 3(s)---++2.交换综合点，交换分支点3.化简1231133221231133221133()()()()()(1()())(1()())()()()()()1()()()()()()()()()()o i X s G s G s G s X s G s H s G s H s G s H s G s G s G s G s H s G s H s G s H s G s H s G s H s =+++=++++11.系统框图化简：G 1(s)G 2(s)G 3(s)X i (s)X o (s)+H 1(s)-++ 1.综合点前移，分支点后移2.交换综合点，合并并联结构H 4(s)G 4(s)H 2(s)H 3(s)++--G 1(s)G 2(s)G 3(s)X i (s)X o (s)+H 1(s)/G 1(s)G 4(s)-+H 4(s)/G 1(s)G 2(s)G 4(s)H 2(s)/G 4(s)H 3(s)++--+-G 1(s)G 2(s)G 3(s)X i (s)X o (s)+-G 4(s)H 2(s)/G 4(s)-H 3(s)-H 1(s)/G 1(s)G 4(s)+H 4(s)/G 1(s)G 2(s)3.化简G 1(s)G 2(s)G 3(s)G 4(s)X i (s)X o (s)+-H 2(s)/G 4(s)-H 3(s)-H 1(s)/G 1(s)G 4(s)+H 4(s)/G 1(s)G 2(s)12341234243114412123123212343231344()()()()()()1()()()()(()/()()()/()()()/()())()()()1()()()()()()()()()()()()()()(o i X s G s G s G s G s X s G s G s G s G s H s G s H s H s G s G s H s G s G s G s G s G s G s G s G s H s G s G s G s G s H s G s G s H s G s G s H =+--+=+--+)s第三章掌握时域性能指标，劳斯判据，掌握常用拉氏变换-反变换求解时域响应，误差等2.（1）求系统的单位脉冲响应12()()()TsY(s)+Y(s)=KX(s)X(s)=1Y(s)=1()=20e t tTT y t y t Kx t K Ts k w t e T∙--+=+=已知系统的微分方程为：对微分方程进行零初始条件的拉氏变换得当输入信号为单位脉冲信号时，所以系统输出的拉式变换为：进行拉式反变换得到系统的时域相应2.(2)求系统的单位阶跃响应，和单位斜坡响应22()()()TsY(s)+Y(s)=KX(s)X(s)=5Y(s)=1111110()10-10e ;1X(s)=Y(s)=t T y t y t Kx t KTK Ts Ts Ts sK s s s y t s∙-+=+++=-=-=已知系统的微分方程为：对微分方程进行零初始条件的拉氏变换得当输入信号为单位阶跃信号时，所以系统输出的拉式变换为：进行拉式反变换得到系统的时域相应当输入信号为单位阶跃信号时，所以系统输出的拉式变换为：22222110550111()510t+5e ;t K K KT T K Ts s s s Ts s s Ts y t -=-+=-++++=-+进行拉式反变换得到系统的时域相应9.解：由图可知该系统的闭环传递函数为22()(22)2b kG s s k s kτ=+++ 又因为：2122%0.20.512222r n n n e t k kπξξσπβωξξωτω--⎧⎪==⎪-⎪==⎨-⎪=+⎪⎪=⎩ 联立1、2、3、4得0.456; 4.593;10.549;0.104;n K ξωτ==== 所以0.76931.432p ds nt s t sπωξω====10.解：由题可知系统闭环传递函数为210()1010b kG s s s k=++ 221010n nk ξωω=⎧⎪⎨=⎪⎩ 当k=10时，n ω=10rad/s; ξ=0.5;所以有2/12%16.3%0.36130.6p n s n e t s t sπξξσπωξξω--⎧⎪==⎪⎪⎪==⎨-⎪⎪⎪==⎪⎩当k=20时，n ω=14.14rad/s; ξ=0.35;所以有2/12%30.9%0.24130.6pn s n e t s t sπξξσπωξξω--⎧⎪==⎪⎪⎪==⎨-⎪⎪⎪==⎪⎩当0<k<=2.5时，为过阻尼和临界阻尼，系统无超调，和峰值时间；其中调整时间不随k 值增大而变化； 当k>2.5时，系统为欠阻尼，超调量σ%随着K 增大而增大，和峰值时间pt 随着K 增大而减小；其中调整时间s t 不随k 值增大而变化；14.(1)解，由题可知系统的闭环传递函数为32560-1403256000056014014k 00()1440kb k k k s s s ks kG s s s s k->><<∴=+++∴⎧⎨⎩∴劳斯表系统稳定的充要条件为：14.(2)解，由题可知系统的闭环传递函数为320.60.8832430.60.80010.20.80.210.8k 00(1)()(1)k b k k k kk s s s ks k s G s s s k s k-->>>>-∴+=++-+∴⎧⎪⎨⎪⎩∴劳斯表系统稳定的充要条件为：20.解：由题可知系统的开环传递函数为(2)()(3)(1)k k s G s s s s +=+-当输入为单位阶跃信号时，系统误差的拉氏变换为11()111()lim limlim ()0k ss k ssss s s k s ss G s E G s ssE G s e →→→+=+===∞∴=又根据终值定理e 又因为25.解：由题可知系统的开环传递函数为1212()(1)(1)k k k G s T s T s =++当输入为给定单位阶跃信号时1()i X s s=，系统在给定信号下误差的拉氏变换为111211211()111()lim limlim ()11k ss k ss ss s s k s ss G s E G s ssE G s k k e k k →→→+=+===∴=+又根据终值定理e 又因为当输入为扰动信号时1()N s s=，系统扰动信号下误差的拉氏变换为22121122212212121()111()lim limlim ()111k ss k ss ss s s k s ss ss ss ss k G s k T s E G s ssE G s k k k e k k k e e e k k →→→-+-+=+===-∴=+-∴=+=+又根据终值定理e 又因为第四章 根轨迹法掌握轨迹的概念、绘制方法，以及分析控制系统4-2 （2）G(s)=)15.0)(12.0(++s s s K;解：分析题意知：由s(0.2s+1)(0.5s+1)=0得开环极点s 1=0,s 2=-2,s 3=-5。
胡寿松版自动控制原理第九章
其中,Gij(s)=nij(s)/dij(s)描述了第i个输出与第j个输入之 间的动态传递关系,nij(s)和dij(s)分别为其分子与分母 多项式。
Matlab问题(1/2) 1 Matlab问题
本章中涉及的计算问题主要有
控制系统模型的建立、 控制系统模型间的转换、 状态及状态空间模型变换和 组合系统模型的计算。 下面分别介绍基于Matlab的上述问题的程序编制和计 算方法。
控制系统模型种类与转换(1/2)
1.1 控制系统模型种类与转换
对已建立好的SISO系统传递函数模型变量sys,其传递函数的 分子和分母多项式可分别由sys.num{1}和sys.den{1}获得。
如在Matlab程序m2-1执行后有 sys_1.num{1}=[1 2 1]; sys_1.den{1}=[1 5 6];
MIMO系统(1/7)
(2) MIMO系统 MIMO线性定常连续系统的传递函数阵G(s)可以表 示为
SISO系统(5/7)
或直接为 sys=tf([b0 b1 … bn], [a0 a1 … an] , Ts)
其中,Ts为采样周期的值。
当Ts=-1或者Ts=[]时,则系统的采样周期未定 义。 经过上述命令,变量sys即表示上述离散系统传递 函数模型。
SISO系统(6/7)
Matlab问题2-1 试在Matlab中建立离散系统
在Matlab中,有4种数学模型表示线性定常系统(LTI) 的模型,分别是 传递函数模型、
石群自动控制原理(第9章)完整版
第九章线性系统的状态空间分析与综合9-1 线性系统的状态空间描述9-2 线性系统的可控性与可观性9-3 线性定常系统的反馈结构及状态观测器9-4 李雅普诺夫稳定性分析9-5 控制系统状态空间设计9凯莱-哈密顿定理设n 阶矩阵A 的特征多项式：则A 满足其特征方程，即推论1 矩阵A 的次幂可表示为A 的n-1阶多项式：式中与A 阵的元素有关。
1110()n n n f I A a a a λλλλλ−−=−=++++ 1110()n n n f A A a A a A a I−−=++++ ()k k n ≥10 , n k mm m A A k n α−==≥∑m α9秩判据线性定常连续系统：其状态完全可控的充分必要条件是：其中，A 为n 维方阵；称为系统的可控性判别阵。
0()()(), (0), 0xt Ax t Bu t x x t =+=≥ 1n rank B AB A B n −⎡⎤=⎣⎦1 n S B AB A B −⎡⎤=⎣⎦9PBH 秩判据线性定常连续系统：其状态完全可控的充分必要条件是：式中，是矩阵A 的所有特征值。
另一种等价描述为：说明：因为这个判据是由波波夫(Popov ) 和贝尔维奇(Belevitch ) 首先提出，并由豪塔斯(Hautus ) 最先指出其可广泛应用性，故称为PBH 秩判据。
0()()(), (0), 0xt Ax t Bu t x x t =+=≥ (1,2,,)i i n λ= [] ; 1,2,,i rank I A B n i nλ−== [] ; rank sI A B n s C−=∀∈9对角线规范型判据线性定常连续系统：矩阵A 的特征值两两相异，变为对角线规范型：系统完全可控的充要条件不包含元素全为零的行12,,,n λλλ 12 0 0 n x x Bu λλλ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 0()()(), (0), 0xt Ax t Bu t x x t =+=≥ B4. 输出可控性如果系统需要控制的是输出量，而不是状态，则需要研究系统的输出可控性。