自动控制习题答案
(完整版)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。
(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。
自动控制原理习题与答案
1、在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的A.偏差信息B.放大信息C.测量信息D.反馈信息正确答案：D2、反馈控制也称为A.开环控制B.前馈控制C.复合控制D.闭环控制正确答案：D3、什么是保证系统正常工作的先决条件？A.稳定性B.快速性C.鲁棒性D.准确性正确答案：A4、系统输出量不会对系统控制作用发生影响的控制方式是A.反馈控制方式B.开环控制方式C.复合控制方式D.顺馈控制方式5、结构和参数便于调整，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的系统，这类元件称为A.校正元件B.测量元件C.给定元件D.执行元件正确答案：A6、系统和输入已知，求系统输出并对动态特性进行研究，称为A.系统辨识B.系统综合C.系统设计D.系统分析正确答案：D7、当忽略电动机的电枢电感后，以电动机的转速为输出变量，电枢电压为输入变量时，电动机可看作一个A.比例环节B.惯性环节C.积分环节D.微分环节正确答案：B8、若系统的开环传递函数为G(s)=10/(s(5s+2)),则它的开环增益为A.1B.5C.10D.29、在直流电动机调速系统中，霍尔传感器是用作（）反馈传感器A.位移B.速度C.电压D.电流正确答案：D10、把系统输出变量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比称为系统的传递函数A.正确B.无法判断C.部分正确D.不正确正确答案：D11、引出点前移越过一个方块图单元时，应在引出线支路上A.并联越过的方块图单元B.串联越过的方块图单元的倒数C.并联越过的方块图单元的倒数D.串联越过的方块图正确答案：D12、梅森公式是用来A.求系统根轨迹B.判断稳定性C.计算输入误差D.求系统传递函数13、在信号流图中，在支路上标明的是A.比较点B.引出点C.传递函数D.输入正确答案：C14、一阶惯性系统无法跟踪什么信号A.脉冲信号B.阶跃信号C.加速度信号D.斜坡信号正确答案：C解析： D、当输入为加速度信号时，随着时间推移跟踪误差将不断增大，最终趋于无穷大。
自动控制原理 习题解答
3-8
已知系统的闭环传递函数为 GB (s)
=
Y (s) R(s)
=
(s2
15.36(s + 6.25)
，试估算
+ 2s + 2)(s + 6)(s + 8)
系统性能指标。
解：高阶系统可以降阶，系统有一对零极点 − 6.25 和 − 6 ，是对偶极子，可以相消。 系统剩下三个极点 −1 ± j 和-8，显然 −1 ± j 是系统的主导极点，所以系统降阶后，闭环传
解 (1) 当τ = 0时则原系统 的开环传递函数为
G(s) = 10 s(s + 2)
3-2
与G(s) =
ω
2 n
比较可知
s(s + 2ζωn )
由
ω2ζn2ω=n
10 =
2
得
ωn = 10
ζ =
10
10
(2) 当τ ≠ 0时则原系统 的开环传递函数为
G(s) =
10
s(s + 2 +10τ )
3-10 设单位反馈系统的开环传递函数如下，试确定系统稳定时 K 的取值范围。
（1） G(s)H (s) =
K
s(s + 1)(0.2s + 1)
(2) G(s)H (s) = K (0.2s + 1) s(s + 1)(s + 1)
解 (1) 闭环传递函数为
∴GB (s)
=
K s(s + 1)(0.2s + 1) + K
=
0.2s 3
K + 1.2s 2
+s+
K
自动控制原理课后习题
分析稳定性，若稳定计
算性能指标。
G
(
s
)
(
s
1
)
1 (0
0 .
0
1
s
1
)2
1、环节特性分析
2、Bode曲线的绘制 3、性能指标计算 结论：系统稳定。
ωc≈10;
令 得
：：（t gωγ111ω）88014128.02013ltt8ggωg01101c100.0c021tωg11 0.ω10c8101100
0
（-1，j0）
已知：Gk
(s)
k s(Ts 1)
得：P
1, q
1
绘制Nyquist曲线
N p 2(a b) 1 2(0 0.5) 2
结论：不稳定，右半平面有两个特征根。
0
(1)T1>T2 （-1，j0）
0 (2) T1<T2
已知：Gk
(s)
k(T2 s 1) ， s 2 (T1s 1)
其中：( Ta ) 或( Ta )
2）分析两种情况下系统的稳定性.
3、某最小相位系统的如图所示。
1）求传递函数 2）求剪切频率和相角裕量
G k( s )
k(10s 1)2
s2 s 1(Ts 1)
(10s 1)2
s2 s 1(0.003 s
1)
c 100 , 73.76
4、已知单位反馈系统的
（-1，j0）
0
(2)
(1)
0
（-1，j0）
已知：P 2, q 0
已知：G(s) k , p 1，q 0，绘制Nyquist曲线，系统1: k 1;系统2 : k 1。 (Ts 1)
自动控制系统习题答案
2、9 有一V-M 调速系统:电动机参数P N =2、2kW, U N =220V , I N =12、5A, n N =1500 r/min,电枢电阻R a =1、5Ω,电枢回路电抗器电阻RL=0、8Ω,整流装置内阻R rec =1、0Ω,触发整流环节的放大倍数K s =35。
要求系统满足调速范围D=20,静差率S<=10%。
(1)计算开环系统的静态速降Δn op 与调速要求所允许的闭环静态速降Δn cl 。
(2)采用转速负反馈组成闭环系统,试画出系统的原理图与静态结构图。
(3)调整该系统参数,使当U n *=15V 时,I d =I N ,n=n N ,则转速负反馈系数 α应该就是多少？ (4)计算放大器所需的放大倍数。
解:(1)()()/22012.5 1.5/1500201.25/15000.134min/N N a ee n U I R C C V r=-⨯⇒=-⨯==()//12.5 3.3/0.134307.836/minN N eop N e n U I R C n I R C r ∑∑=-⨯⇒∆=⨯=⨯=()()/1150010%/20*90%8.33/min N N n n s D s r ∆=-=⨯=（）所以,min/33.8r n cl =∆(2)(3)(4)()()()()[]()()[]K C R I K KU K C R I U K K ne d n e d n s p +-+=+-=**1/1/1/α()/1307.836/8.33135.955op cl K n n =∆∆-=-=()()()150035.95515/135.95512.5 3.3/0.134135.955α⎡⎤=⎡⨯+⎤-⨯+⎣⎦⎣⎦r V min/0096.0=⇒α可以求得,*35.955*0.13414.34*35*0.0096e p s K C K K α===也可以用粗略算法:n U U n nα=≈*,01.0150015*===n U n α/p e s K KC K α=,()35.9550.134/350.0113.76p K =⨯⨯=2、4 直流电动机为P N =74kW,UN=220V ,I N =378A,n N =1430r/min,Ra=0、023Ω。
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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。
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第一章 习题答案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:d a ↔，c b ↔；(2）系统方框图如图解1—1 所示。
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。
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。
自动控制课后习题答案
所以系统在虚轴右边有0个根，系统稳定。
（7）
所以系统在虚轴右边有0个根，系统稳定。
（8）
所以系统在虚轴右边有0个根，系统稳定。
（9）
所以系统在虚轴右边有1个根，系统不稳定。
（10）
所以系统在虚轴右边有2个根，系统不稳定。
5-21 设单位反馈控制系统的开环传递函数为
试确定相角裕度为45°时参数ａ的值。
第 四 章
4-4 设单位反馈控制系统开环传递函数如下，试概略绘出相应的闭环根轨迹图(要求确定分离点坐标d)：
(1) （2）
解：(1) ，
1n＝3，根轨迹有3条分支；
2起点：p1＝0，p2＝-2，p3＝-5；没有零点，终点：3条根轨迹趋向于无穷远处。
3实轴上的根轨迹：[-2,0],( ];
4渐进线： ， ；
分析：由开环传递函数可知系统在右半平面开环极点个数P，由幅相曲线图可知包围点（ ）的圈数。
解：（1）
所以系统在虚轴右边有2个根，系统不稳定。
（2）
所以系统在虚轴右边有0个根，系统不稳定。
（3）
所以系统在虚轴右边有2个根，系统不稳定。
（4）
所以系统在虚轴右边有0个根，系统稳定。
（5）
所以系统在虚轴右边有2个根，系统不稳定。
第二章
2-3试证明图2-5(ａ)的电网络与(b)的机械系统有相同的数学模型。
分析 首先需要对两个不同的系统分别求解各自的微分表达式，然后两者进行对比，找出两者之间系数的对应关系。对于电网络，在求微分方程时，关键就是将元件利用复阻抗表示，然后利用电压、电阻和电流之间的关系推导系统的传递函数，然后变换成微分方程的形式，对于机械系统，关键就是系统的力学分析，然后利用牛顿定律列出系统的方程，最后联立求微分方程。
自动控制原理习题及答案
1. 采样系统结构如图所示，求该系统的脉冲传递函数。
答案:该系统可用简便计算方法求出脉冲传递函数。
去掉采样开关后的连续系统输出表达式为对闭环系统的输出信号加脉冲采样得再对上式进行变量替换得2. 已知采样系统的结构如图所示，，采样周期=0.1s。
试求系统稳定时K的取值范围。
答案:首先求出系统的闭环传递函数。
由求得，已知T=0.1s，e-1=0.368，故系统闭环传递函数为，特征方程为D(z)=1+G(z)=z2+(0.632K-1.368)z+0.368=0将双线性变换代入上式得+1 4 +( 7 -0.632K)=0要使二阶系统稳定，则有K＞0，2.736-0.632K＞0故得到K的取值范围为0＜K＜4.32。
3. 求下列函数的z变换。
(1). e(t)=te-at答案:e(t)=te-at该函数采样后所得的脉冲序列为e(nT)=nTe-anT n=0，1，2，…代入z变换的定义式可得E(z)=e(0)+P(T)z-1+e(2T)z-2+…+e(n )z-n+…= + e-aT z-1+2Te-2aT z-2+…+n e-naT z-n+…= (e-aT z-1+2e -2aT z-2+…+ne-naT z-n+…)两边同时乘以e-aT z-1，得e-aT z-1E(z)=T(e-2aT z-2+2e-3aT z-3+…+ne-a(n+1)T z-(n+1)+…)两式相减，若|e-aT z-1|＜1，该级数收敛，同样利用等比级数求和公式，可得最后该z变换的闭合形式为(2). e( )=答案 e( )=对e( )= 取拉普拉斯变换．得展开为部分分式，即可以得到化简后得(3).答案:将上式展开为部分分式，得查表可得(4).答案:对上式两边进行z变换可得得4. 求下列函数的z反变换(1).答案:由于所以得所以可得(z)的z反变换为e(nT)=10(2n-1)(2).答案:由于所以得所以E(z)的z反变换为e(nT)=-n-1n+2n=2n-n-1(3).答案:由长除法可得E(z)=2z-1-6z-3+10z-5-14z-7+…所以其反变换为e*( )= δ( -T)- δ( - )+1 δ( -5T)-14δ( -7 )+18δ( -9 )+…(4).答案:解法1：由反演积分法，得解法2：由于所以得最后可得z 反变换为5. 分析下列两种推导过程：(1). 令x(k)=k1(k)，其中1(k)为单位阶跃响应，有答案:(2). 对于和(1)中相同的(k)，有x(k)-x(k-1)=k-(k-1)=1试找出(2)与(1)中的结果为何不同，找出(1)或(2)推导错误的地方。
【推荐】自动控制习题-参考答案
0
0
3－19单位反馈系统的开环传递函数 ，试求：
(1)系统稳定的 值；
(2)系统所有特征根的实部均小于－1之 值；
(3)有根(-1,0)时之 值。
解：
1
16
5
0
1
9
2
0
3－21某单位反馈系统的开环传递函数 ，若系统以 的频率特性持续振荡，试确定相应的 和 值
解:
1
2
0
3－25系统如图所示，N(s)为阶跃干扰信号，哪一个系统对于消除或减少误差更好？
整理得
2-28
解一：
解二：
第三章控制系统的时域分析
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 时，温度计的稳态指示误差有多大？
第一章绪论
第二章控制系统的数学模型
2-2求下列拉氏变换（假定t<0, f(t)=0）
（5）
解：
（6）
解：
（7）
解：
（8）
解：
2-4求所示信号的象函数
ห้องสมุดไป่ตู้解：
解：
2-5求图所示信号的象函数。
解：
解：
解：
解：
2-6求下列函数的拉氏反变换
（2）
解：
(5)
解：
运用性质：
（6）
（8）
解：
2－8设f(t)是以T为周期的周期函数，即f(t+T)=f(t)，试证：
自动控制原理习题答案
第三章 线性系统的时域分析与校正习题及答案3-1 已知系统脉冲响应t e t k 25.10125.0)(-=试求系统闭环传递函数)(s Φ。
解 Φ()()./(.)s L k t s ==+00125125 3-2 设某高阶系统可用下列一阶微分方程T c t c t r t r t ••+=+()()()()τ近似描述，其中，1)(0<-<τT 。
试证系统的动态性能指标为 T T T t d ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛-+=τln 693.0t T r =22. T T T t s ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=)ln(3τ 解 设单位阶跃输入ss R 1)(=当初始条件为0时有：11)()(++=Ts s s R s C τ 11111)(+--=⋅++=∴Ts T s s Ts s s C ττC t h t T Te t T()()/==---1τ 1) 当 t t d = 时h t T Te t td ()./==---051τ12=--T T e t T d τ/ ; Tt T T d-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-τln 2ln ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=∴T T T t d τln 2ln2) 求t r （即)(t c 从1.0到9.0所需时间)当 Tt eTT t h /219.0)(---==τ; t T T T 201=--[ln()ln .]τ 当 Tt eTT t h /111.0)(---==τ; t T T T 109=--[ln()ln .]τ 则 t t t T T r =-==21090122ln ... 3) 求 t sTt s s eTT t h /195.0)(---==τ ]ln 3[]20ln [ln ]05.0ln [ln TT T T T T T T T t s τττ-+=+-=--=∴3-3 一阶系统结构图如图3-45所示。
要求系统闭环增益2=ΦK ，调节时间4.0≤s t s ，试确定参数21,K K 的值。
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(王建辉、顾树生)
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 nm m m m a s a sa s ab s b sb sb s W 11101110)(nj j mi i s T s T Ks W 1111)(其中nm a b Knj jmi igp sz s K s W 11)(其中00a 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。
2-6 自动控制系统有哪几种典型环节？它们的传递函数是什么样的？1．比例环节R 0R 1- +u ru c2．惯性环节R 01/Cs- +u ru cR 03．积分环节R 01/Cs- +u ru c4．微分环节R1/Cs- +u ru c5．振荡环节6．时滞环节2-7 二阶系统是一个振荡环节，这种说法对么？为什么？当阻尼比10时是一个振荡环节，否则不是一个振荡环节。
自动控制习题
第一章自动控制概论一、单项选择题1、采用负反馈形式连接后（)。
（分数:2分）A. 一定能使闭环系统稳定B。
系统动态性能一定会提高C。
一定能使干扰引起的误差逐渐减小,最后完全消除D。
需要调整系统的结构参数,才能改善系统性能正确答案：D2、按系统结构来分，控制系统可分为:开环控制，闭环控制和（）。
（分数：2分) A。
温度控制B。
压力控制C。
流量控制D。
复合控制正确答案：D3、恒值控制系统的参考量为（）。
(分数:2分)A。
常数B. 无规律变化C. 按程序设定变化D. 0 A第二章控制系统的数学模型一、单项选择题1、方框图化简时，串联连接方框总的输出量为各方框输出量的( ）。
（分数：2分）A. 代数和B. 乘积C。
平均值D. 加权平均值正确答案：B2、单位阶跃信号1（t)的拉氏变换为（）。
(分数：2分)A。
1B. 1/sC. sD. 1/（Ts+1）正确答案：B3、如果单回路单位负反馈系统的开环传递函数为G(s)，则其闭环传递函数为:( ）。
(分数：2分）A。
G（s）/[1+G(s)］B. G(s)/[1+G(s）H（s）]C。
1/[1+G(s)]D。
1/［1+G(s）H(s)]正确答案:A4、方框图化简时，并联连接方框总的输出量为各方框输出量的（）。
（分数：2分)A. 代数和B. 乘积C. 平均值D. 加权平均值正确答案：A5、令线性定常系统闭环传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的（ ). (分数：2分）A. 代数方程B. 差分方程C。
特征方程D. 状态方程正确答案：C6、线性定常系统的传递函数是在零初始条件下（ )。
(分数:2分）A。
系统输出信号与输入信号之比B。
系统输入信号与输出信号之比C。
系统输出信号的Z变换与输入信号的Z变换之比D。
系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比正确答案:D7、线性定常系统的传递函数由（）决定。
（分数：2分）A。
输入信号的形式B。
初始条件C。
自动控制原理习题与答案解析
1、绘制该系统以根轨迹增益Kr为变量的根轨迹（求出：分离点、与虚轴的交点等）；（8分）
2、求系统稳定且为欠阻尼状态时开环增益K的取值范围。（7分）
六、（共22分）已知反馈系统的开环传递函数为 ，试：
1、用奈奎斯特判据判断系统的稳定性；（10分）
4、 ； ； ；衰减振荡
5、 ；
6、开环极点；开环零点
7、
8、 ； ；稳态性能
二、判断选择题(每题2分，共 20分)
1、D 2、A 3、C 4、A 5、D 6、A 7、B 8、C 9、B 10、B
三、(8分)建立电路的动态微分方程，并求传递函数。
解：1、建立电路的动态微分方程
根据KCL有 (2分)
即 (2分)
3、在经典控制理论中，可采用、根轨迹法或等方法判断线性控制系统稳定性。
4、控制系统的数学模型，取决于系统和, 与外作用及初始条件无关。
依题意： ， （3分）
得 （2分）
故满足稳态误差要求的开环传递函数为
3、满足稳态误差要求系统的相角裕度 ：
令幅频特性： ，得 ， （2分）
， （1分）
相角裕度 ： （2分）
试题三
一、填空题（每空 1 分，共Байду номын сангаас0分）
1、对自动控制系统的基本要求可以概括为三个方面，即：、快速性和。
2、控制系统的称为传递函数。一阶系统传函标准形式是，二阶系统传函标准形式是。
开环相频特性： （1分）
3、求系统的相角裕度 ：
求幅值穿越频率，令 得 （3分）
（2分）
（2分）
对最小相位系统 临界稳定
4、（4分）可以采用以下措施提高系统的稳定裕度：增加串联超前校正装置；增加串联滞后校正装置；增加串联滞后-超前校正装置；增加开环零点；增加PI或PD或PID控制器；在积分环节外加单位负反馈。
自动控制原理第五版课后习题答案
（2-22题）
(b) 9个单独回路：
L1 G2H1, L2 G4H2 , L3 G6H3 , L4 G3G4G5H4 , L5 G1G2G3G4G5G6H5
L6 G7G3G4G5G6H5 , L7 G1G8G6H5 , L8 G7H1G8G6H5 , L9 G8H4H1
6对两两互不接触回路： 三个互不接触回路1组：
(3) k 0.1 3-16 (1) kp 50
(3) k p
ess 0 ess 20 kv 0 ka 0 kv ka 1
(2) kp
kv
k 200
3-18 (1) essr 0 (2) essn1 0 (3) essn 2 0
ess
ka 0
3-20 R
B
k1
u
R(s) 1 G1H1 H1H2
(c) C(s) (G1 G3 )G2
(d)
R(s) 1 G2H1 G1G2H2
C(s)
G1G 2G 3
R(s) 1 G1H1 G 2H2 G 3H3 G1H1G 3H3
(e) (f) C(s) R(s)
G4
1
G2H1
G1G 2G 3 G1G 2 H1
C(s) le(1 cf ) lehbc leha R2(s) 1 cf eg bcdeh cefg adeh
(f) C(s) [ah(1 fg) aej aegi] (bdh bdej b deg i) (cfdh cfdej ci)
R1(s)
1 f deg fg
2-8 ed Edo (sino )( o )
2-9 (s) s2 4s 2 (s 1)(s 2)
k(t) dc(t) (t) 2e2t et dt
自动控制原理习题及解答
自动控制原理习题及其解答第一章（略） 第二章例2-1 弹簧，阻尼器串并联系统如图2-1示，系统为无质量模型，试建立系统的运动方程。
解：(1) 设输入为y r ，输出为y 0。
弹簧与阻尼器并联平行移动。
(2) 列写原始方程式，由于无质量按受力平衡方程，各处任何时刻，均满足∑=0F ，则对于A 点有021=-+K K f F F F其中，F f 为阻尼摩擦力，F K 1，F K 2为弹性恢复力。
(3) 写中间变量关系式0220110)()(y K F Y Y K F dty y d f F K r K r f =-=-⋅=(4) 消中间变量得 020110y K y K y K dtdy f dt dy f r r=-+- (5) 化标准形 r r Ky dtdyT y dt dy T +=+00 其中:215K K T +=为时间常数，单位[秒]。
211K K K K +=为传递函数，无量纲。
例2-2 已知单摆系统的运动如图2-2示。
(1) 写出运动方程式 (2) 求取线性化方程 解：（1）设输入外作用力为零，输出为摆角θ ，摆球质量为m 。
（2）由牛顿定律写原始方程。
h mg dtd l m --=θθsin )(22其中，l 为摆长，l θ 为运动弧长，h 为空气阻力。
（3）写中间变量关系式)(dtd lh θα= 式中，α为空气阻力系数dtd l θ为运动线速度。
（4）消中间变量得运动方程式图2-2 单摆运动0sin 22=++θθθmg dt d al dtd ml （2-1)此方程为二阶非线性齐次方程。
（5）线性化由前可知，在θ ＝0的附近，非线性函数sin θ ≈θ ，故代入式（2-1）可得线性化方程为022=++θθθmg dt d al dtd ml例2-3 已知机械旋转系统如图2-3所示，试列出系统运动方程。
解：（1）设输入量作用力矩M f ，输出为旋转角速度ω 。
（2）列写运动方程式f M f dtd J+-=ωω式中， f ω为阻尼力矩，其大小与转速成正比。
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第一章例1-1 一个水池水位自动控制系统如图1-1所示。
试简述系统工作原理，指出主要变量和各环节的构成，画出系统的方框图。
进水阀门进水图1-1水池水位控制系统原理图解在这个水位控制系统中，水池的进水量Q来自由电机控制开度的进水阀门，出水量Q2随意变化的情况下，保持水箱水位在希望的高度上不变。
希望水位高度由电位器触头A设定，浮子测出实际水位高度。
由浮子带动的电位计触头B的位置反映实际水位高度。
A、B两点的电位差U AB反映希望水位的偏差。
当实际低于希望水位时，U AB 0。
通过放大器驱动电动机转动，开大进水阀门，使进水量Q增加,从而使水位上升。
当实际水位上升到希望位置时， A B两个触头在同一位置，U AB 0，电动机停止转动，进水阀门开度不变，这时进水量Q1和出水量Q2达到平衡位置。
若实际水位高于希望水位，U AB 0，则电动机使进水阀门关小，使进水量减少，实际水位下降。
这个系统是个典型的镇定系统，在该系统中：控制量希望水位的设定值被控制量实际水位扰动量出水量Q2被控对象水池测量元件浮子比较元件电位器放大元件 放大器执行元件电动机、减速器、进水阀门系统的方框图如图1-2所示。
控制系统中各元件的分类和方框图的绘制不是唯一的, 只要能正确反映其功能和运动规律即可。
例1-2 图1-3所示为发电机电压调节系统， 试分析系统的工作原理， 画出方框图并指出系统的结构特点。
解 发电机在电枢转速和激磁电压恒定不变时，负载变化将引起输出电压和电枢回路电流的改变。
当负载增大时，将引起电枢电压下降和电枢电流增大，因此，电枢回路的电流 在电阻R 上的电压增大，u b 也增大，由于U b 与U i 的极性一致，因而发电机的激磁电压上 升，使输出电压增大。
这种由扰动产生附加控制作用的系统是扰动控制系统（本系统是 将负载变化作为扰动输入的。
图 1-3所示的电压调节方式只能克服负载变化对发电机输出电压的影响）。
系统方框图如图1-4所示。
图1-3发电机电压调节系统希望水位 设定位图1-2水池水位控制系统方框图【解】F(s)的部分分式为求系数k1、k2【例2-3】求下面象函数的原函数图1-4系统方框图第二章【例2-1】求图2-1所示矩形脉冲的象函数【解】图中的矩形脉冲函数可用解析式表示为A 0 t Tf(t)0 T t f(t) A所以，f(t)可以看作两个函数的叠加f (t) A 1(t) A 1(t T) 图2-1例2-1图即可求得其象函数L[f(t)] L[f1(t)] L[f2(t)]sT或直接运用拉氏变换定义式求取L f(t) 0 f(t)e st dt :Ae st dtste A(1s【例2-2】求F (s)s 42 s2 3s1的拉氏反变换。
sF(s)43s 1 (2s 1)(s 1)k12sk2s 1k1(2s 1)(s 1)(2s1)k2s 4(s(2s 1)(s 1)1)f (t) L1 F(s) L12s 13.5e 05t3e tF(s)ss(s s 1)1【解】F(s)的部分分式为 s F(s)站 k 2s k 3 1由等式相等，所以可知 1) 解得 k ik2k 1 (s 2 s 1) (k 2s k 3)ss(s s 1)(k 2s k 3)sk3F (s)的部分分式可求得 _… 1 ss F(s)； s 0.5 2 2 (s 0.5) 0.866 0.578 0.8662 2 (s 0.5) 0.866 注：0.5 0.578 0.866 则F (s)的拉氏反变换为 f(t)1 F(s) 0.5t cos0.866t 0.578e 0.5t sin 0.866t 【例2-4】 求下列象函数的拉氏反变换。
F(s) s(s 1 32) (s 3) 【解】运用部分分式展开法，有 F(s)(skn k 12 (s 2)2k 1 (s 3 2)k 2 k 3s 3求得待定系数 knF (s)(s 2)31 s(s 3)k 12—F(s)(sds2)ds k13丄厶F(s)(s2! ds 2 2)3s(s 3)1 d 2二.2 '(2s 3)s 2(s3)2 2 ds s(s 3)k 2F(s)sk 3 F (s)的部分分式为 s 0(s 32) (s 3)24F(s)(s 3)s(s 1_2)31/2 F(s)(s 2)分别查表可求得F(s)的拉氏反变换为1/4 2(s 2)3/8 1/24 (s 2) s1/3Xf(t) L 1F(s)lt 2e 2t4t 21 12)e2t 3t 12tte 4 1 24 32t1 1 3te e8 24 3【例2-5】解方程y(t) 5y(t) 6y(t)其中，y(0) 2, y(0) 【解】将方程两边取拉氏变换，得 2s Y(s) sy(0) y(0) 5 sY(s) y(0) 6Y(s) 将y(0) 2,y(0) 2代入，并整理，得 …、2 s 2 Y(s)12s 6 所以 【例2-6】将非线性方程y x s(s 2)(s y(t) 1 1 x 2x 2 【解】根据式(2-3 ),线性化后的方程应为 故线性化后的方程为 3)5e 2t 4e 3tx 2在原点附近线性化。
(2 2x分析：本题方程中只有X 2是非线性项, 化的结果是 x 2 2x)x只要将X 2在原点线性化就可以了。
x 2在原点线性x x (2x)x 0所以，线性化后原方程式右边只剩下前三项线性项。
【例2-7】求图2-2所示系统输入为U i ，输出为U o 时的传递函数U i (s)图2-2 无源电网络【解】根据基尔霍夫定律，采用运算阻抗的方法，所以传递函数为【提示】基尔霍夫定律的时域表示式为：对任一结点，i(t) 0 ;对任一回路, 电阻R的运算阻抗就是电阻R本身，电感L的运算阻抗是Ls，电容C的运算阻抗是1 Cs ,其中s为拉氏变换的复参量。
把普通电路中的电阻R、电感L、电容C全换成相应的运算阻抗，把电流i(t)和电压u(t)全换成相应的拉氏变换式I(s)和U(s),因此可得到根据拉氏变换的线性性质而得出基尔霍夫定律的运算形式为：I(s) 0 ;对任一回路，U(s) 0 °于是我们可以采用普通的电路定律，如欧姆定律、基尔霍夫定律和电压定律，经过简单的代数运算，就可求解I (s)、U (s)及相应的传递函数。
采用运算阻抗的方法又称为运算法，相应的电路图称为运算电路。
【例2-8】求图2-3所示有源电网络的传递函数，图中“⑴、U2(t)分别是输入和输出电C(a) (b)(a) Uz(S)U i(s)(b) U^(s)U i(s)R2R i R 2R21CSR iR i1CsR2CS 1(R1 R2)Cs 1Ri R2CS R2Ri R2CS R1 R2CsCsu(t) 0 °(a)(b)图2-3 有源电网络【解】（a ）由图（1）求得，根据理想运算放大器反相输入时的特性，有这也是PID 控制器。
（b ）设电压匕⑴如图所示。
由此可得最后联立上述方程，解得U 2（S ） U 1（s ）这是PID 控制器。
提示：上述传递函数是在理想运算放大器及理想的电阻、电容基础上推导出来的, 对于实际元件来说，它只是在一定的限制条件下才成立。
【例2-9】 如图2-4所示电枢控制式直流电动机，试以 e i （t ）为输入量，。
⑴为输出量的建立微分方程。
U 2（S ）R 2R i1 C i S R iC i 6R 1C 2SR2G s1 C 1sU a （s ） 1C 1SU a（s ） 1 C S U 3（s ） U 2（s ）R 3U 2（s ） R 3C 1S R 2 G s 1R 3C 2S 1 U 3（s ）U 1（s ）U 3（S ）1C 1SU 1（s ） R 1C 1 s R 2C 1 s1U 3（s ）R 2C 1 R 3C 2R 3C 1 R 1C 1R 2R 3C 21 sR 1R 1C 1 sR io(t)是电动机输出转角， R a 是电枢绕组的电阻，L 是电枢绕组的电感，i a (t)是流过电枢绕组的电流，e m (t)是电动机感应电势，T(t)是电动机转矩，J 是电动机及负载折合到电动机轴上的转动惯量， 动机轴上的粘性摩擦系数。
【解】 根据基尔霍夫定律，有根据磁场对载流线圈的作用定律，有其中，K T 是电动机转矩常数。
根据电磁感应定律，有其中，K e 是反电势常数。
根据牛顿第二定律，有当电枢电感L a ，电阻R a 均较小，都忽略时，系统微分方程可进一步简化为3 L J —L a Jdt 3电枢电感L a 通常较小，若忽略不计，系统微分方程可简化为 2R a J — (R a f 心心)4^dtdt(L a f R a J)2d 。
⑴dt 2-J(R a f K T K 。
)—K T © (t)其中：e i (t)是电动机电枢输入电压,是电动机及负载折合到电e(t )R a i a (t)普e m(t)T(t) 2a (t)e m (t)d 。
⑴edt-JT(t) f-dt(t)上面两个方程两边同时进行拉氏变换(初始条件为0)，有 k 1 X(s) X B (S ) sf X B (S ) Y(s) sf X B (S ) Y(s)k 2Y(s)解上述方程组，得K ed 。
⑴ dt&(t)【例2-10】试求图2-5所示机械平动系统输入为x ，输出为y 时的传递函数 Y(S)X(s)【解】(a )根据牛顿第二定律，列写动力学微分方程f d(x y)dtk i (x y) k 2y2d y m —2 d td y m 2d tk 2yf d(x y) dtk 1(x y) 0进行拉氏变换并整理(ms 2fs k 1 k 2)Y(s)(fs k 1)X(s)得Y(s) fs k 1X(s)ms fsk 2k i (X X B )d(X B y) dt对于C 点f d(X Bdty)k 2y (a )图2-5机械平动系统即(b )设B 点位移为X B ，根据B 、C 点力平衡关系列写方程对于B 点Y(s) fsk iX(s) k i k 2 fs(k i k 2)【提示】机械系统的建模可根据牛顿第二定律或达朗伯原理推导。
牛顿第二定律：一物 体的加速度与其所受的合外力成正比，与其质量成反比，而且加速度与合外力同方向。
达朗伯原理：作用在物体上的合外力与该物体的惯性力构成平衡力系。
达朗伯原理用公 式可表示为： mx F i 0,其中， F i 是作用在物体上的合外力；x 是物体的加速度;m 是物体的质量； mx 是物体的惯性力。
对于机械系统的建模，取质量、弹簧、阻尼之间相关的连接点进行受力分析，并根 据牛顿第二定律建立该点处的力平衡方程；当有些连接点处的运动未知时，可认为是中间参考点，联立方程后即可消去。