机械控制工程基础课后答案
机械控制工程课后习题解答
机械控制工程基础答案提示第二章 系统的数学模型2-1 试求如图2-35所示机械系统的作用力)(t F 与位移)(t y 之间微分方程和传递函数。
)(t F )(t y f图2-35 题2-1图解：依题意：()()()()22d y t dy t a m F t f ky t dt b dt⋅=⋅-⋅- 故 ()()()()t F b at ky dt t dy f dt t y d m⋅=+⋅+22 传递函数: ()()()kfs ms b as F s Y s G ++==22-2 对于如图2-36所示系统，试求出作用力F 1(t )到位移x 2(t )的传递函数。
其中，f 为粘性阻尼系数。
F 2(t )到位移x 1(t )的传递函数又是什么？m 2m 1k 1 f k 2F 1(t )F 2(t ) x 2(t )x 1(t )图2-36 题2-2图解：依题意：对1m ： ()()()()212121111dt t x d m dt t dx dtt dx f t x k F =⎥⎦⎤⎢⎣⎡--- 对两边拉氏变换：()()()[]()s X s m s sX s sX f x k s F 12121111=--- ①对2m ： ()()()()()222222212dt t x d m t x k dt t dx dt t dx f t F =-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+ 对两边拉氏变换：()()()[]()()s X s m s x k s sx s sx f s F 22222212=--+ ②故： ()()()()()()()()⎩⎨⎧=+++-=-++S F s x k fs s m s fsx s F s fsx s x k fs s m 222221121121 故得：()()()()()()()()()()()()()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-+++++++=-+++++++⋅=22221212212122222121222211fs k fs s m k fs s m k fs s m s F s fsF s x fs k fs s m k fs s m s fsF k fs s m s F s x 故求()t F 1到()t x 2的传递函数 令：()02=s F()()()()()()()()()2122211122432121212211212x s fsG s F s m s fs k m s fs k fs fsm m s f m m s m k m k s f k k s k k ==++++-=+++++++求()t F 2到()t x 1的传递函数 令：()01=s F()()()()()()()()()1122221122432121212211212x s fsG s F s m s fs k m s fs k fs fsm m s f m m s m k m k s f k k s k k ==++++-=+++++++2-3 试求图2-37所示无源网络传递函数。
机械工程控制基础(版)课后题目答案
个人收集整理勿做商业用途目录第一章自动控制系统地基本原理第一节控制系统地工作原理和基本要求第二节控制系统地基本类型第三节典型控制信号第四节控制理论地内容和方法第二章控制系统地数学模型第一节机械系统地数学模型第二节液压系统地数学模型第三节电气系统地数学模型第四节线性控制系统地卷积关系式第三章拉氏变换第一节傅氏变换第二节拉普拉斯变换第三节拉普拉斯变换地基本定理第四节拉普拉斯逆变换第四章传递函数第一节传递函数地概念与性质第二节线性控制系统地典型环节第三节系统框图及其运算第四节多变量系统地传递函数第五章时间响应分析第一节概述第二节单位脉冲输入地时间响应第三节单位阶跃输入地时间响应第四节高阶系统时间响应第六章频率响应分析第一节谐和输入系统地定态响应第二节频率特性极坐标图第三节频率特性地对数坐标图第四节由频率特性地实验曲线求系统传递函数第七章控制系统地稳定性第一节稳定性概念第二节劳斯判据第三节乃奎斯特判据第四节对数坐标图地稳定性判据第八章控制系统地偏差第一节控制系统地偏差概念第二节输入引起地定态偏差第三节输入引起地动态偏差第九章控制系统地设计和校正第一节综述第二节希望对数幅频特性曲线地绘制第三节校正方法与校正环节第四节控制系统地增益调整第五节控制系统地串联校正第六节控制系统地局部反馈校正第七节控制系统地顺馈校正第一章自动控制系统地基本原理定义：在没有人地直接参与下 , 利用控制器使控制对象地某一物理量准确地按照预期地规律运行 .第一节控制系统地工作原理和基本要求一、控制系统举例与结构方框图例 1．一个人工控制地恒温箱 , 希望地炉水温度为 100C°, 利用表示函数功能地方块、信号线 , 画出结构方块图 .图 1人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度 , 通过大脑分析、比较 , 利用手和锹上煤炭助燃 .图 2例 2．图示为液面高度控制系统原理图 . 试画出控制系统方块图和相应地人工操纵地液面控制系统方块图 .解：浮子作为液面高度地反馈物 , 自动控制器通过比较实际地液面高度与希望地液面高度 , 调解气动阀门地开合度, 对误差进行修正 , 文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途可保持液面高度稳定 .图 3图 4图 5结构方块图说明：1.信号线：带有箭头地直线（可标时间或象函数） U(t),U(s) ；2.引用线：表示信号引出或测量地位置；3．比较点：对两个以上地同性质信号地加减运算环节；4．方框：代表系统中地元件或环节 .方块图中要注明元件或环节地名称, 函数框图要写明函数表达式.二．控制系统地组成1．给定环节：给出输入信号, 确定被控制量地目标值 .2．比较环节：将控制信号与反馈信号进行比较, 得出偏差值 .3．放大环节：将偏差信号放大并进行必要地能量转换.4．执行环节：各种各类 .5．被控对象：机器、设备、过程.6．测量环节：测量被控信号并产生反馈信号.7．校正环节：改善性能地特定环节.三．控制系统特点与要求1．目地：使被控对象地某一或某些物理量按预期地规律变化.2．过程：即“测量——对比——补偿”.或“检测偏差——纠正偏差”.3．基本要求：稳定性系统必须是稳定地,不能震荡；快速性接近目标地快慢程度 , 过渡过程要小；准确性第二节控制系统地基本类型1．开环变量控制系统（仅有前向通道）图 62．闭环变量控制系统开环系统：优点：结构简单、稳定性能好；缺点：不能纠偏 , 精度低 .闭环系统：与上相反 .第三节典型控制信号输入信号是多种多样地, 为了对各种控制系统地性能进行统一地评价, 通常选定几种外作用形式作为典型外作用信号, 并提出统一地性能指标, 作为评价标准 .文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途1 ．阶跃信号x(t)=0 t＜0X(t)=A t≥0图 7当 A=1时 , 称为单位阶跃信号 , 写为 1（t ）.阶跃信号是一种对系统工作最不利地外作用形式 . 例如 , 电源突然跳动 , 负载突然增加等 . 因此 , 在研究过渡过程性能时通常都选择阶跃函数为典型外作用, 相应地过渡过程称为阶跃响应. 文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途2．脉冲函数数学表达式x(t)=A/T 0≤t≤TX(t)=0其它图 8脉冲函数地强度为A, 即图形面积 .单位脉冲函数（δ函数）定义为δ(t)=1(t)性质有 :δ (t)=0t≠ 0δ(t)= ∞t＝0且图 9强度为 A 地脉冲函数 x(t) 也可写为x( t)=A δ(t)必须指出 , 脉冲函数δ(t) 在现实中是不存在地 , 它只有数学上地意义 , 但它又是很重要地很有效地数学工具.3．斜坡函数（恒速信号）x(t)=At t≥0x(t)=0t＜ 0图 10在研究飞机系统时 , 常用恒速信号作为外作用来评价过渡过程.4．恒加速信号x(t)=At2 /2t≥ 0x(t)=0t＜0图 11在研究卫星、航天技术地系统时, 常用恒加速信号作为外作用来评价过渡过程 .5．正弦函数（谐波函数、谐和信号）x(t)=x m.sin(ω t+φ)t≥ 0x(t)=0t＜0-图 126．延时函数（信号）f(t)=x(t-τ)t≥τf(t)=0t＜0图 137．随机信号（使用白噪声信号代替）第四节控制理论地研究内容和方法一．经典控制理论1．主要内容：分析——掌握系统地特性, 进行系统性能地改善；实验——对系统特性和改善措施进行测试；综合——按照给定地静态、动态指标设计系统.2．方法时域法——以典型信号输入, 分析输出量随时间变化地情况；频域法——以谐和信号输入 , 分析输出量随频率变化地情况；根轨迹法——根据系统地特征方程式地根, 随系统参数地变化规律来研究系统（又称图解法） .二．现代控制理论1．引入状态空间概念；2．动态最佳控制；3．静态最优控制；4．自适应和自学习系统 .图 14 瓦特调速器第二章控制系统地数学模型为了确定控制系统内部各物理量之间定量关系 , 必须建立数学模型 . 这一章中心问题是如何从控制系统实体中抽象出数学模型 . 文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途第一节机械系统地数学模型1.机械平移系统（应用牛顿定律）∑ F=0, F=mF(t)-c-kx=m或 F(t)-F c(t)-F k (t)=mF c(t)= 阻尼器产生地阻尼力 , 为 c(t)F k(t)= 弹性恢复力 ,为kx(t)整理： m+c+kx=F(t)2．机械旋转系统J(t)+c(t)+k(t)=M(t)J—转动惯量c—阻尼系数K —刚度系数图 14图 153．机械传动系统参数地归算机械系统地运动形式：旋转运动、直线运动.机械系统地组成元件：齿轮、轴、轴承、丝杠、螺母、滑块等.对一个复杂地大系统 , 必须把各部件参数归算到同一部件上 . 在这个部件地惯性力、阻尼力、弹性恢复力称为当量参数 . 文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途个人收集整理勿做商业用途如何归算？采用单因素法.3—1 惯性参数地归算1．转动惯量地归算将图示系统中地J1、 J2和 J3归算到 a 轴上 .图 16列各轴力矩平衡方程式：a 轴：M=J 1+ M b-ab 轴：M a-b =J2+ M c-bc 轴：M b-c =J3M b-a——负载力矩； M a-b——是 b 轴地主动（驱动）力矩.列关系式： ==, 同理力相等关系由线速度相等关系：ω1=ω2得,同理,代入各关系式 , 得M(t)=M=[J1+J2()2+J3() 2]= J a∑J a∑—称为归算到 a 轴上地归算转动惯量 .推之 , 对于系统有 n 个轴 , 归算到 a 轴时 ,J a∑=U i—是从 a 轴到第 i 轴地总速比 , 即主动齿轮齿数积 / 被动齿轮齿数积 .2．移动质量归算为转动惯量列运动平衡方程式丝杠： M=J+M1滑块 : F=m=F 轴式中： M1是滑块作用于丝杠地力矩；F轴是丝杠作用于滑块地轴向力.为求 M与 F 之间地关系 , 列关系式 , 把丝杠按π D 展成平面 .tg α=F 周/F 轴 =S/πD由关系式 F 周 =M1,则F轴=F==根据运动关系==代入到 M=J+M1中 , 整理后得2M=[J+m() ]=J ∑J∑ =J+m ()2图 17图 18第二节液压系统地数学模型分析思路（见图19）：划分为两个环节 .滑阀：输入量x i (t)输出量θ(t) （中间变量）液压缸：输入量θ(t)输出量x o(t)建立各元件方程式图 191、滑阀流量方程式θ(t)=f[x i (t), ],其中=压强差流量θ(t) 是阀芯位移 x i (t) 函数 , 同时又是负载压强差地函数, 具有非线性关系 .如果把非线性问题线性化, 这是考虑在额定工作点附近可展成泰勒级数办法,则θ (t)=k q x i (t)-k p(1)其中 k q是流量增益系数 ,k p是压力影响系数 . （1）式是根据试验数据修正而来 .2、液压缸工作腔液体流动连续方程式θ (t)=A o(t)+k t +(2)A—工作面积 ,k t—漏损系数 ,V —液体体积压缩率 , —弹性模量 .在不考虑液体地地可压缩性 , 又不考虑泄漏 , （ 2）式可简化为θ (t)=A o(t)（3）文档来源网络及个人整理 ,勿用作商业用途3、液压缸负载平衡方程式(4)A=m(t)+c(t)+kx(t)+F(t)文档来源网络及个人整理 , o o o勿用作商业用途若自由状态 , 即 F(t)=0,则A=m o(t)+c o(t)+kx o (t)（ 5）4、系统地运动方程式消去中间变量和θ(t),得m o(t)+c o(t)+ （k+A2/ ρ (t)=Ak q x i (t)/k(6)p若外部系统阻尼、刚度系数不受影响, 即 c=0,k=0, 惯性力不考虑 .则kx(t)=Ax(t)(7)文档来源网络及个人整q i o理,勿用作商业用途这是来多少油出多少油地关系式.第三节电气系统地数学模型1.阻容感网络系统图 20由基尔霍夫第一定律（封闭系统）U i (t)-U R(t)-U c(t)-U L(t)=0U i (t)-R i (t)--L=0=L+R+ 二阶微分方程 2．放大器网络系统图 211）比例运算放大器由 i j (t)=0i 1(t)=i 2 (t)+i 3(t)因为放大器内阻很大 ,i 3 (t)0, 于是有i (t) i2(t)1即 =i 1(t)=i 2(t)=（引入： U o (t)=- β U A =-(10 4-10 6 )U A 由于 β 很大 ,U A 0）U O (t)=(1+)U A (t)- U i (t)2）积分运算放大器图 22同前分析过程 .i 1(t)=;U0(t)== 由 i 1(t) i 2(t) 而来输出与输入之间存在积分关系 . 3）微分运算放大器图 23由 Ui(t)= 得 i 1 (t)=ci (t)= , 由 i1(t) i (t) 关系式 , 得 U(t)=R 2C22 0输出与输入之间存在微分关系 .第四节 线性控制系统地卷积关系式为建立输出与输入之间地关系 , 常利用卷积关系式 .一. 线性控制系统地权函数图 24设图示系统 , 任意给输入量 x i (t), 输出量为 x o (t).当 x i (t)= δ (t), 即为单位脉冲函数 , 此时地输出（也称为响应） x (t) 记为 h(t).文档来源网络及个人整理 ,勿用作商业用o途h(t) 称为系统地单位脉冲响应或称为权函数 .若输入脉冲发生在 τ时刻 , 则 δ(t) 和 h(t) 曲线都会向右移动 τ, 形状不变 .图 25-1即 x (t)=δ(t ), 对应地 x (t)= h(t1), 其中 t =t- τi1o1定义：δ(t- τ)=τ≤ t≤τ +δ tδ (t- τ)=0其它这里δ(t) ≠δt, δ t= ⊿t二、任意输入响应地卷积关系式当 x i (t) 为任意函数时 , 可划分为 n 个具有强度 A j地脉冲函数地叠加 , 即图 25-2图 25-3Xi （t ）=其中 A j =x i（ j δ t ）.t=面积=强度在某一个脉冲函数A jδ(t-jδt)作用下,响应为A j h(t-jδt).系统有 n 个脉冲函数 , 则响应为：x o(t)==当 n 时,,n δ t,j. δt= τ , δ t=d τx o(t)=卷积关系式上式说明“任意输入 x i (t) 所引起地输出 x o(t) 等于系统地权函数 h(t)和输入 x i (t) 地卷积” .三、卷积地概念与性质定义：若已知函数 f （t ）和 g（ t ） , 其积分存在 ,则称此积分为 f （t ）和 g（t ）地卷积 , 记作 .性质：1、交换律=证明：令 t- τ =t 1 d τ=-dt 1（τ=t-t1）===（左 =右 , 变量可代换）证毕 .2、分配律3、若 t ∠0 时,f （t ）=g（t ）=0, 则=f（t ）—输入； g（t ）—系统； x0（ t ）—输出x 0（t ）=四．卷积积分地图解计算积分上下限地确定：下限取 f （τ ）和 g（t- τ）值中最大一个；上限取 f （τ）和 g（ t- τ）值中最小一个 .图 26第三章拉普拉斯变换第一节傅氏变换（傅立叶变换）一、傅氏级数地复指数形式（对周期函数而言, 略讲）二、非周期函数地傅氏积分非周期函数 f （t ）可以看作是 T 周期函数 f T（t ）, 即f（t ）=, 若 f （ t ）在上满足：1、在任一有限区间上满足狄氏条件（ 10连续或只有有限个第一类间断点； 20只有有限个极值点）；2、在上绝对可积（收敛）.f （t ）=非周期函数地积分式三、傅氏变换1、傅氏变换概念在傅氏积分式中 , 令t是积分变量,积分后是地函数.称 F （ω ）=F[f （ t ） ] ——傅氏变换f（t ）=F-1 [F （ω）] ——傅氏逆变换2、傅氏变换地缺点说明10条件较强 , 要求 f （t ）绝对收敛 . 做不到 .例如 ,1（t ）、Asin ωt, 它们地积分均发散 ,即 F[f （ t ）] 不存在 , 无法进行傅氏变换 .20要求 f （t ）在有意义 , 而在实际中 , t＜0 常不定义 .解决地办法：1 0将 f （ t ）乘以收敛因子 e-σt使积分收敛（σ>0）；20将 f （ t ）乘以 1（t ）, 使当 t ＜0 时, 函数值为零 . 可将积分区间由换成 .于是傅氏变换变形为拉氏变换 L[f （t ）] ：L[f （ t ） ]=其中 S=—复变量 . 成立地条件是 Re （ s） =σ >0经过处理 , 能解决大部分工程上地问题 . 这就是 Laplace 变换 (F.L.Z.H.W.X).第三节拉普拉斯变换 (Laplace)一.定义:1. 若 t0 时,x(t)单值;t<0时,x(t)=02.收敛 ,R e(s)= σ >0则称 X(s)=为x(t)地拉氏变换式,记作X(s)=L[x(t)]X(t)=L-1 [X(s)]拉氏逆变换二. 举例1. 脉冲函数δ (t) 地拉氏变换L[δ (t)]=12.单位阶跃函数 x(t)=1(t)=1 地拉氏变换X(s)=L[1(t)]=,Re(s)>0即σ >03．x（t ）=, —常数=L[]= Re(s)>0即σ>4、x（t ）=sint, —常数=L[sint]==Re(s)>05 ．X（t ）=t n幂函数地拉氏变换利用伽玛函数方法求积分.=L （ t n）=函数标准形式令 st=u,t= t n=s-n u n dt=du, 则=若 n 为自然数 ,X （ s）=L（t n）= Re(s)>0比如： x（t ）=t,=2x（t ）=t , =3x（t ）=t , =第三节拉氏变换地基本定理与傅氏变换地定理差不多 , 但有地定理不相同 , 同时比傅氏变换定理多也许一些 .1、线性定理（比例和叠加定理）若 L[x 1（t ）]=X1（ s）, L[x 2（t ）]=X2（s）L[k 1 x1（t ）+k2 x2（ t ） ]=k 1X1（s）+k2X2（s）2=L[at 2+bt+c]=aL （ t2 ）+bL（t ）+cL（ 1）=Re(s)>02、微分定理若 L[x （ t ） ]=X（s）, 则 L[ （ t ） ]=s 2X（s）-x （ 0）x（ 0）是 x（t ）地初始值 , 利用分部积分法可以证明 .推论： L[、、L[x（ n）n n-1（n-1（ t ） ]=s X（s）-s x（0）- 、、、x（0））注意大小写 ,小写为时间函数 .若初始条件全为零 , 则L[x （n ）n（t ）]=s X（s）3、积分定理若 L[x （t ）]= , 则 L[]=推论： L[]=4、衰减定理（复数域内位移性质）若 L[x （t ） ]= , 则 L[]=表明原函数乘以指数函数地拉氏变换 , 等于象函数做位移 . 例题 x （t ）=因 L[]=, 则=L[]=5、延时定理（时间域内位移性质）若 L[x （ t ） ]= ,t ＜0 时 ,x （t ）=0,则 L[x （ t ） ]= 、在时间域内延迟（位移） , 行动于它地象函数乘以指数因子 .图 276、初值定理若 L[x （ t ） ]=X（s）, 且存在 ,则它建立了 x（t ）在坐标原点地值与象函数 s 在无限远点地值之间地对应关系 . 表明 , 函数 x（t ）在 0 点地函数值可以通过象函数乘以s, 然后取极限值而获得 . 文档来源网络及个人整理 ,勿用作商业用途7、终值定理若 L[x （t ） ]= , 且存在 , 则8、卷积定理若 L[x （t ）]= ,L[y（t）]= ,则L[]=.第四节拉氏逆变换已知象函数 X（s）求原函数 x（ t ）地运算称为拉氏逆变换, 记作x（t）=L-1[]推导过程略.这是复变函数地积分公式 , 按定义计算比较困难 . 其一是查表法（略）；其二是变形法；第三是配换法；第四是分项分式法 . 这里简单介绍第二项 , 着重讲第四项 .文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途一、变形法（要利用好各个性质）例1已知=,求x（t）解： s 变量中有位移量a, 原函数中必有衰减因子e-at , 原本是 1（t ）, 现在是 e-at .1 （t ）= e -at例2 X（s）=, 求 x（t ）解： s 变量中有位移 a,x （ t ）中必有衰减因子 e-at；X（s）中有衰减； x（t ）中地时间 t 必有位移 .对于地逆变换是第一步变形原函数乘以衰减因子e-at , 得x（t ）1 =e -at第二步变形t位移,即（t-）,得X（t ）2=x（ t ） =二、分项分式法若 X（s）为有理分式 , 即= （ n＞ m）分母多项式 Q n（s）具有个重根 s0和个单根 s1s2 , 显然n=+, 则分母多项式Q n（s） =S i是实数也可能是虚数 , 是 Q n（s）地零点 , 又是 X（s）地极点 . 可化成：在分项分式中 ,k 0i、k j均为常数 , 称为地各极点处地留数 .对于各个单项 , 则K如何求得？？？★ ★★留数地求解1、比较系数法例： = s=0,-3,-4为三个单极点.=通分联立方程：1=a+b+c4=7a+4b+3c2=12a解得a=2、极限法（留数规则）10 单极点处地留数（相对比较系数法简单一些）若 S 是 X（ s）地分母多项式 Q n（s）地一个单根 , 称 s= S 为地一个单极点 . 此时可设：=+是余项 , 其中不再含有 S-S 地因子 .可写成：（S-S）=K+（ S-S）令 sS, 对等式两边取极限 , 可得K=例题： ==k1=k2=k3=毕20、重极点处地留数若 s0是地分母多项式 Q n（s）地一个重根 , 则称 s=s0是一个重极点 . 在重极点处有个留数 k01、 k02、、、 , 此时可设文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途=,W（ s）中不含（ s-s 0）.=令 s, 两边取极限 , 得为求 , 可对求阶导数 , 再令 s, 两边取极限 , 得例题：已知=,求其留数.解（ s）是三重极点 , （是两重极点 , （是单极点 .==-1=-2=-3=-2=2=1第四节常系数线性微分方程地拉氏变换解微分方程L变换象函数地代数方程原函数地微分方程L -1逆变换象函数例题：求地解 , 并满足初始条件；解：L变换 =代入初始条件 , 求解代数方程 .L-1逆变换毕第四章传递函数第一节传递函数地概念与性质一、传递函数地概念对于单输入、单输出地线性定常系统 , 传递函数定义为“当输入量和输出量地一切初始值均为零时 , 输出量地拉氏变换和输入量地拉氏变换之比” . 文档来源网络及个人整理 ,勿用作商业用途原函数描述地系统：输入 x i（t ）系统 h（ t ）输出 x0（ t ）以象函数描述地系统：输入 X i（s）系统 G（ s）输出 X0（ s）传递函数为：传递函数是描述系统动态性能地数学模型地一种形式, 是系统地复数域数学模型二、传递函数地一般形式线性定常系统地运动微分方程式地一般形式为：其中 a0、a1... a n, b0、b1... b m均为实常数 . 对上式做拉氏变换即可求得该系统地传递函数 .传递函数具有以下三种常用形式：Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型其中 , Ⅱ型中 ,s b1、s b2、s bm是 G（s）地零根 ,s a1、s a2、s an是 G（s）地极点 , 也是分母多项式地根 . 这些根可以是单根、重根、实根或复根 . 若有复根 , 则必共轭复根同时出现 . 文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途Ⅲ型中 ,k l称为环节增益；是环节地时间常数；是环节地阻尼比. 以上均为实常数 , 且,. 在分子、分母多项式中 , 每个因式代表一个环节 . 其中每个因式确定一个零根；每个因式（）确定一个非零实根；每个因式确定一对共轭复根. 文档来源网络及个人整理 ,勿用作商业用途三、传递函数地性质1、传递函数只决定于系统地内在性能, 而与输入量大小以及它随时间地变化规律无关 .2、传递函数不说明系统地物理结构, 只要动态性能相似 , 不同地系统可具有同形式地传递函数 .3、分母地最高阶次为n 地系统称为 n 阶系统 . 实用上 n≥m.4、s 地量纲为时间地倒数 ,G（ S）地量纲是输出与输入之比.5、所有系数均为实数 , 原因是：“它们都是系统元件参数地函数, 而元件参数只能是实数” .第二节线性控制系统地典型环节控制系统都是由若干个环节组合而成, 无论系统多么复杂 , 但所组成地环节仅有几种 , 举例说明 .一、比例环节传递函数 G（s）=K例：( 机械系统 , 不考虑弹性变形 )图 a( 液压系统 , 不考虑弹性变形 , 可压缩性和泄漏 )图 b图 c图 4-1 比例环节G（s）=g（t ）=A.V（t ）G（s）=u（t ）=R.i （t ）G（s）=二、积分环节传递函数地标准形式： G（s）一阶系统G（s）=二阶系统例：电感电路系统i0（t）= i0（t）—输出；u i （t）—输入L—变换I0（s）= G（s）=这里三、惯性环节一阶惯性环节地传递函数标准形式：例：阻容电路K=1,T=RC四、振荡环节传递函数标准形式：其中 K —比例系数 , —阻尼比 , T—周期,—无阻尼自由振动固有角频率.例 1：质量—弹性—阻尼系统输入 f （t ）, 输出 x（ t ）运动方程：L—变换：=其中 ,例 2：阻容感电路（ R—C—L 电路） *** 引人复阻抗概念L—变换L—变换L—变换复阻抗 , 又称为复数域地欧姆定律.见题图得其中 ,需要注意地是 , 只有当地特征方程具有一对共轭复根时, 系统才能称为振荡环节 . 否则 , 称为二阶惯性环节 . 即五、放大器模拟电路举例（第二章已说过）通式：1、若比例环节2、若积分环节3、若微分环节4 、若一阶惯性环节5 、若二阶导前环节第三节系统框图及其运算系统有很多环节组成 , 相互之间如何运算？框图又如何运算？一、系统框图地联接及其传递函数1、串联2、并联=对于 n 个系统3、反馈联接X i （s）—输入信号X0（s）—输出信号= E（ s） .G1（ s）E（ s）—偏差信号 = X i（ s） B （s）B （ s）—反馈信号 =H（ s） . X 0（s）10、前向传递函数20、开环传递函数30、闭环传递函数整理得：二、框图地变换变换地目地：将复杂联接地框图 , 进行等效变形 , 使之成为仅包含有串、并、反馈等简单联接方式 , 以便求算系统地总传递函数 . 文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途1、汇交点地分离、合并与易位2、汇交点与分支点易位个人收集整理勿做商业用途3、汇交点与方框易位4、分支点与方框易位第四节多变量系统地传递函数一、有干扰作用时系统地输出由于是线性系统 , 可单独考虑输入与干扰地作用.1、仅有输入作用 , 即 =0 时 .前向通道传递函数 =系统传递函数2．仅有干扰作用 , 即=0 时.前向通道传递函数 =系统传递3、输入和干扰同时存在地总输出二、双自由度弹簧、阻尼、质量系统输入和输出和 .按质量可分两个隔离体 .或者写成L—变换或简写成[H]= 两边同左乘 [H] -1[G]是传递矩阵 , 是伴随矩阵 .第五章时间响应分析（时域分析法）第一节概述一、时间响应概念这是设备性能测试地一种方法 , 即在典型信号作用下 , 对系统地输出随时间变化情况进行分析和研究 .二、时间响应地组成（瞬态、稳态）1°、瞬态响应：从是系统进入理想状态地时间. 此过程称为过渡过程 .由于系统内总会有储能元件, 输出量不可能立即跟踪上输入量, 在系统稳定之前 , 总是表现出各种各样地瞬态过程. 文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途2°、稳态响应： t s t 阶段地响应 .三、时间响应分析地目地1°、了解系统地动态性能和质量指标;2°、作为设计 , 校正及使用系统地依据 .四、方法利用传递函数来求算微分方程地解第二节单位脉冲输入地时间响应输入信号： x i =δ, 则=1；输出信号： x0,则 =H=H=G一、一阶惯性环节地单位脉冲响应一阶惯性环节传递函数标准形式: G==输出： = G= G==（提示： L=, 注意符号）时间响应（时域） =L=e 是一个指数函数可根据单位脉冲响应 , 获知被测系统地传递函数（锤击）.由图可知 , 用两点坐标值可定出K 和 T.第五节振荡环节地单位脉冲响应系统传递函数标准形式 =按阻尼比地大小分析四种情况.1、无阻尼状态 , 即=0===时间响应：或者2、欠阻尼状态 , 即 0＜＜1 （复习：衰减定理：；另外：）==时间响应为衰减地正弦函数 . —无阻尼自由振动地角频率；—为有阻尼自由振动地角频率 .3、临界阻尼状态 , 即=1=时间响应： = 是两个相同地一阶惯性环节地串联.当 t ＞0, ＞0, 没有振动现象 , 称为蠕动 .4 、过阻尼状态 , ＞1===时间响应：是两个不同地一阶惯性环节地串联, 图形同上相似 , 蠕动 .第三节单位阶跃输入地时间响应输入信号： =1（t ）, 则=输出信号： =,一、一阶惯性环节地传递函数：=（由分解因式（而来）时间响应： =归一化处理（因输入是单位阶跃函数）,其中通常认为： 0≤t ≤ 4T 为瞬态响应 ,t ＞ 4T 为稳态响应 .二、振荡环节地单位阶跃响应振荡环节地传递函数： ==有无阻尼、欠阻尼、临界阻尼和过阻尼四种状态, 着重分析欠阻尼 .★★★欠阻尼状态：0＜＜1由上式地分母多项式 , 即时间响应：（）===归一化处理：=由于高阶系统常用一个二阶系统来近似 , 故有必要对二阶系统地动态性能指标进行推算和定义 .1、峰值时间来理：令 , 得又由：即当 n=1 时是第一个峰 , 故2、峰值3、稳态响应值4、最大超调量%=%5、调整时间人们定义 , 波动量误差在 0.02 — 0.05 之间 , 系统进入稳态区域 , 在此之前地时段称为过渡过程 , 其时间称为调整时间或过渡过程时间 . 文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途公式为：若系数 , 则上式更能满足要求 . 则若 =0.02,若 =0.05,★★★讨论、与各性能指标间地关系1 0若不变 , ↑不变,↓,↓.此时有利于提高系统地灵敏度. 即系统地快速性能好 .20若不变 , ↑↓,（＜0.707时）↓↓,（＞ 0.707 时）↑若 0.4 ＜＜ 0.8,=0.24 —2.5%＜0.4 时, ↑↑相对稳定性能差 .＞0.8 时, ↑↑、反应迟钝 . 0例题、图为机械系统及其时间响应曲线（是由试验记录所得）, 输入 =8.9N,求弹簧刚度系数k、质量 m和阻尼系数 c. 文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途解：输入是力 , 即=8.9N.L —变换后 ,由左图 , 写出运动方程式 .L—变换式中由稳态响应 K=0、03=解得由超调量 %=%=%==%则由由由第四节高阶系统地时间响应若 n 阶系统传递函数地一般形式为：其中给系统以单位阶跃输入 , 则考虑无重根地情况 , 此时可化为分项分式=K时间响应：K分析：1 、或是一些简单地函数组成 , 即由一些一阶和二阶环节地时间响应组成 . 其中一阶环节数为 , 为地实根数；二阶环节数为 , 为地共轭复根地对数 . 文档来源网络及个人整理,勿用作商业用途2、若系统能正常工作 , 当, 应为零或为有界值 , 为此必须：0n1 、m＜n, 否则分项分式中存在整数项或s 项, 其原函数不存在 .,其中 m=3.n=2,m＞n则（补充说明数学定义：）在数学上有意义 , 实际中不存在 , 地导数及高阶导数不存在.物理意义：系统必然有质量、惯性 , 且能量又是有限地 , 不可能出现 m＞n 超能量系统 .20即在中 ,s 要具有负实根 .在中 , 一对共轭复根 .即 , 要具有负实部地根 .否则 , 当时, 不存在 .举例：本例中具有负实根.,具有负实部.当能恢复到零位 .举例：当不存在 .3 0、在中实部绝对值较大根所在地项 , 对系统影响很小 , 可忽略不计 . 工程上常用此法使系统降低阶数 .举例：则当忽略绝对值较大根所在地项, 得。
机械控制工程基础课后答案董玉红徐莉萍主编
1-1机械工程控制论的研究对象与任务是什么解机械工程控制论实质上是研究机械一r_程技术中广义系统的动力学问题。
具体地讲，机械工程控制论是研究机械工程广义系统在一定的外界条件作用下，从系统的一定初始条件出发，所经历的由内部的固有特性所决定的整个动态历程;研究这一系统及其输入、输出二者之间的动态关系。
机械工程控制论的任务可以分为以下五个方面:(1)当已知系统和输人时，求出系统的输出(响应)，即系统分析。
(2)当已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制。
(3)当已知输入和理想输出，设计系统，即最优设计。
(4)当系统的输人和输出己知，求系统的结构与参数，即系统辨识。
(5)输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，即滤波与预测。
1.2 什么是反馈什么是外反馈和内反馈所谓反馈是指将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端，并与输人信号共同作用于系统的过程，称为反馈或信息反馈。
所谓外反馈是指人们利用反馈控制原理在机械系统或过程中加上一个人为的反馈，构成一个自动控制系统。
所谓内反馈是指许多机械系统或过程中存在的相互藕合作用，形成非人为的“内在”反馈，从而构成一个闭环系统。
1.3 反馈控制的概念是什么为什么要进行反馈控制所谓反馈控制就是利用反馈信号对系统进行控制。
在实际中，控制系统可能会受到各种无法预计的干扰。
为了提高控制系统的精度，增强系统抗干扰能力，人们必须利用反馈原理对系统进行控制，以实现控制系统的任务。
1.4闭环控制系统的基本工作原理是什么闭环控制系统的基本工作原理如下:(1)检测被控制量或输出量的实际值;(2)将实际值与给定值进行比较得出偏差值;(3)用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。
这种基于反馈原理，通过检测偏差再纠正偏差的系统称为闭环控制系统。
通常闭环控制系统至少具备测量、比较和执行三个基本功能。
1.5对控制系统的基本要求是什么对控制系统的基本要求是稳定性、准确性和快速性。
稳定性是保证控制系统正常工作的首要条件。
《机械工程控制基础》课后答案
目录第一章自动控制系统的基本原理第一节控制系统的工作原理和基本要求第二节控制系统的基本类型第三节典型控制信号第四节控制理论的内容和方法第二章控制系统的数学模型第一节机械系统的数学模型第二节液压系统的数学模型第三节电气系统的数学模型第四节线性控制系统的卷积关系式第三章拉氏变换第一节傅氏变换第二节拉普拉斯变换第三节拉普拉斯变换的基本定理第四节拉普拉斯逆变换第四章传递函数第一节传递函数的概念与性质第二节线性控制系统的典型环节第三节系统框图及其运算第四节多变量系统的传递函数第五章时间响应分析第一节概述第二节单位脉冲输入的时间响应第三节单位阶跃输入的时间响应第四节高阶系统时间响应第六章频率响应分析第一节谐和输入系统的定态响应第二节频率特性极坐标图第三节频率特性的对数坐标图第四节由频率特性的实验曲线求系统传递函数第七章控制系统的稳定性第一节稳定性概念第二节劳斯判据第三节乃奎斯特判据第四节对数坐标图的稳定性判据第八章控制系统的偏差第一节控制系统的偏差概念第二节输入引起的定态偏差第三节输入引起的动态偏差第九章控制系统的设计和校正第一节综述第二节希望对数幅频特性曲线的绘制第三节校正方法与校正环节第四节控制系统的增益调整第五节控制系统的串联校正第六节控制系统的局部反馈校正第七节控制系统的顺馈校正第一章 自动控制系统的基本原理定义：在没有人的直接参与下，利用控制器使控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。
第一节 控制系统的工作原理和基本要求 一、 控制系统举例与结构方框图例1． 一个人工控制的恒温箱，希望的炉水温度为100C °,利用表示函数功能的方块、信号线，画出结构方块图。
图1人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度，通过大脑分析、比较，利用手和锹上煤炭助燃。
煤炭给定的温度100 C手和锹眼睛实际的炉水温度比较图2例2． 图示为液面高度控制系统原理图。
试画出控制系统方块图 和相应的人工操纵的液面控制系统方块图。
《机械工程控制基础》课后题答案解析
机械工程控制基础目录第一章自动控制系统的基本原理第一节控制系统的工作原理和基本要求第二节控制系统的基本类型第三节典型控制信号第四节控制理论的内容和方法第二章控制系统的数学模型第一节机械系统的数学模型第二节液压系统的数学模型第三节电气系统的数学模型第四节线性控制系统的卷积关系式第三章拉氏变换第一节傅氏变换第二节拉普拉斯变换第三节拉普拉斯变换的基本定理第四节拉普拉斯逆变换第四章传递函数第一节传递函数的概念与性质第二节线性控制系统的典型环节第三节系统框图及其运算第四节多变量系统的传递函数第五章时间响应分析第一节概述第二节单位脉冲输入的时间响应第三节单位阶跃输入的时间响应第四节高阶系统时间响应第六章频率响应分析第一节谐和输入系统的定态响应第二节频率特性极坐标图第三节频率特性的对数坐标图第四节由频率特性的实验曲线求系统传递函数第七章控制系统的稳定性第一节稳定性概念第二节劳斯判据第三节乃奎斯特判据第四节对数坐标图的稳定性判据第八章控制系统的偏差第一节控制系统的偏差概念第二节输入引起的定态偏差第三节输入引起的动态偏差第九章控制系统的设计和校正第一节综述第二节希望对数幅频特性曲线的绘制第三节校正方法与校正环节第四节控制系统的增益调整第五节控制系统的串联校正第六节控制系统的局部反馈校正第七节控制系统的顺馈校正第一章自动控制系统的基本原理定义：在没有人的直接参与下，利用控制器使控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。
第一节控制系统的工作原理和基本要求一、控制系统举例与结构方框图例1．一个人工控制的恒温箱，希望的炉水温度为100C°,利用表示函数功能的方块、信号线，画出结构方块图。
图1人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度，通过大脑分析、比较，利用手和锹上煤炭助燃。
煤炭给定的温度100 C手和锹眼睛实际的炉水温度比较图2例2．图示为液面高度控制系统原理图。
试画出控制系统方块图和相应的人工操纵的液面控制系统方块图。
《机械工程控制基础》课后答案.docx
目录自动控制系统的基本原理第一章A-/r -4-4-第一e控制系统的工作原理和基本要求第—节控制系统的基本类型弟二e典型控制信号第四节控制理论的内容和方法第一章控制系统的数学模型d -4-4-第e机械系统的数学模型第—卩液压系统的数学模型第二卩电气系统的数学模型第四节线性控制系统的卷积关系式第一章拉氏变换第"P傅氏变换------- M-第—R拉普拉斯变换------- M-第二e拉普拉斯变换的基本定理第四节拉普拉斯逆变换第四章传递函数第一e传递函数的概念与性质第—节线性控制系统的典型环节--------------- H- 弟二e系统框图及其运算第四节多变量系统的传递函数第五章时间响应分析4^7 -4-4-第一e概述第—节单位脉冲输入的时间响应4^7 4-4-弟二"P单位阶跃输入的时间响应第四节高阶系统时间响应第六章频率响应分析第一节谐和输入系统的定态响应第二节频率特性极坐标图第三节频率特性的对数坐标图第四节由频率特性的实验曲线求系统传递函数第七章控制系统的稳定性第一节稳定性概念第二节劳斯判据第三节乃奎斯特判据第四节对数坐标图的稳定性判据第八章控制系统的偏差第一节控制系统的偏差概念第—节输入引起的定态偏差— -M- 弟二e输入引起的动态偏差第九章控制系统的设计和校正第一e综述第—节希望对数幅频特性曲线的绘制— -M- 弟二e校正方法与校正环T第四节控制系统的增益调整第五节控制系统的串联校正A-Ar^A_-4-l-弟八e控制系统的局部反馈校正第七节控制系统的顺馈校正第一章自动控制系统的基本原理走义：在没有人的直接参与下，利用控制器使控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。
第一节控制系统的工作原理和基本要求一、控制系统举例与结构方框图例 1. 一个人工控制的恒温箱，希望的炉水温度为100C。
利用表示函数功能的方块、信号线，画出结构方块图。
人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度，通过大脑分析、比较，利用手和锹上煤炭助燃。
《机械工程控制基础》课后完整答案
封面作者：Pan Hongliang仅供个人学习目录第一章自动控制系统的基本原理第一节控制系统的工作原理和基本要求第二节控制系统的基本类型第三节典型控制信号第四节控制理论的内容和方法第二章控制系统的数学模型第一节机械系统的数学模型第二节液压系统的数学模型第三节电气系统的数学模型第四节线性控制系统的卷积关系式第三章拉氏变换第一节傅氏变换第二节拉普拉斯变换第三节拉普拉斯变换的基本定理第四节拉普拉斯逆变换第四章传递函数第一节传递函数的概念与性质第二节线性控制系统的典型环节第三节系统框图及其运算第四节多变量系统的传递函数第五章时间响应分析第一节概述第二节单位脉冲输入的时间响应第三节单位阶跃输入的时间响应第四节高阶系统时间响应第六章频率响应分析第一节谐和输入系统的定态响应第二节频率特性极坐标图第三节频率特性的对数坐标图第四节由频率特性的实验曲线求系统传递函数第七章控制系统的稳定性第一节稳定性概念第二节劳斯判据第三节乃奎斯特判据第四节对数坐标图的稳定性判据第八章控制系统的偏差第一节控制系统的偏差概念第二节输入引起的定态偏差第三节输入引起的动态偏差第九章控制系统的设计和校正第一节综述第二节希望对数幅频特性曲线的绘制第三节校正方法与校正环节第四节控制系统的增益调整第五节控制系统的串联校正第六节控制系统的局部反馈校正第七节控制系统的顺馈校正第一章自动控制系统的基本原理定义：在没有人的直接参与下，利用控制器使控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。
第一节控制系统的工作原理和基本要求一、控制系统举例与结构方框图例1．一个人工控制的恒温箱，希望的炉水温度为100C°,利用表示函数功能的方块、信号线，画出结构方块图。
图1人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度，通过大脑分析、比较，利用手和锹上煤炭助燃。
图2例2．图示为液面高度控制系统原理图。
试画出控制系统方块图和相应的人工操纵的液面控制系统方块图。
解：浮子作为液面高度的反馈物，自动控制器通过比较实际的液面高度与希望的液面高度，调解气动阀门的开合度，对误差进行修正，可保持液面高度稳定。
机械工程控制基础陈康宁课后习题答案
使轴承下部压力上升。而基于与此相反的理由，轴承上半部压力减小，于是轴承下半部油腔产生
反作用力，与负荷相平衡，以减少偏移量 e，甚至完全消除偏移量 e，即达到“无穷大”的支承
刚度。
图题 1‐1 静压轴承薄膜反馈控制系统
举例 2：以数控机床工作台的驱动系统为例。 开环控制：一种简单的控制方案是根据控制装置发出的一定频率和数量的指令脉冲驱动步进 电机，以控制工作台或刀架的移动量，而对工作台或刀架的实际移动量不作检测，其工作原理如 图 1-5(a)所示。这种控制方式简单，但问题是从驱动电路到工作台这整个“传递链”中的任一环 的误差均会影响工作台的移动精度或定位精度。 闭环控制：为了提高控制精度，采用图 1-1(b)所示的反馈控制，以检测装置随时测定工作台 的实际位置(即其输出信息)；然后反馈送回输入端，与控制指令比较，再根据工作台实际位置与 目的位置之间的误差，决定控制动作，达到消除误差的目的。
当初始条件均为零时，即
f (0) f '(0) f "(0) f (n1) (0) 0 则有
L f '(t) sF (s)
L f "(t) s2F (s)
L f (n) (t) sn F (s)
（3）积分定理
若 f(t)的拉氏变换为 F(s)，则
L
f
(t )dt
F(s) s
解：有时间函数 f(t)，t≥0，则 f(t)的拉氏变换记作：L[f(t)]或 F(s)，并定义为
L[ f (t)] F (s) f (t) est dt 0
(2-1)
s 为复数，s j 。称 f(t)为原函数，F(s)为象函数。若式(2-1)的积分收敛于一确定的函数值，
则 f(t)的拉氏变换 F(S)存在，这时 f(t)必须满足：
机械控制工程基础课后答案
机械控制工程课后答案1-1机械工程控制论的研究对象与任务是什么？解机械工程控制论实质上是研究机械一r_程技术中广义系统的动力学问题。
具体地讲，机械工程控制论是研究机械工程广义系统在一定的7卜界条件作用下，从系统的一定初始条件出发，所经历的由内部的固有特性所决定的整个动态历程；研究这一系统及其输入、输出二者之间的动态关系。
机械工程控制论的任务可以分为以下五个方面：(1)当已知系统和输人时，求出系统的输出(响应)，即系统分析。
(2)当已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制。
(3)当已知输入和理想输出，设计系统，即最优设计。
(4)当系统的输人和输出己知，求系统的结构与参数，即系统辨识。
(5)输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，即滤波与预测。
1.2什么是反馈？什么是外反馈和内反馈？所谓反馈是指将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端，并与输人信号共同作用于系统的过程，称为反馈或信息反馈。
所谓外反馈是指人们利用反馈控制原理在机械系统或过程中加上一个人为的反馈，构成一个自动控制系统。
所谓内反馈是指许多机械系统或过程中存在的相互藕合作用，形成非人为的“内在”反馈，从而构成一个闭环系统。
1.3反馈控制的概念是什么？为什么要进行反馈控制？所谓反馈控制就是利用反馈信号对系统进行控制。
在实际中，控制系统可能会受到各种无法预计的干扰。
为了提高控制系统的精度，增强系统抗干扰能力，人们必须利用反馈原理对系统进行控制，以实现控制系统的任务。
1.4闭环控制系统的基本工作原理是什么？闭环控制系统的基本工作原理如下：(1)检测被控制量或输出量的实际值；(2)将实际值与给定值进行比较得出偏差值；(3)用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。
这种基于反馈原理，通过检测偏差再纠正偏差的系统称为闭环控制系统。
通常闭环控制系统至少具备测量、比较和执行三个基本功能。
1.5对控制系统的基本要求是什么？对控制系统的基本要求是稳定性、准确性和快速性。
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第二节 拉普拉斯变换
第三节 拉普拉斯变换的基本定理
第四节 拉普拉斯逆变换
第四章 传递函数
第一节 传递函数的概念与性质
第二节 线性控制系统的典型环节
第三节 系统框图及其运算
第四节 多变量系统的传递函数
第五章 时间响应分析
第一节 概述
第二节 单位脉冲输入的时间响应
第三节 单位阶跃输入的时间响应
第四节 高阶系统时间响应
X(t)=0
其它
X(t)
一 AT
0
t
图8
脉冲函数的强度为 A，即图形面积。 单位脉冲函数（δ 函数）定义为 δ(t)= d 1(t)
dt
性质有: δ(t)=0 t≠0
δ(t)=∞ t＝0
且
(t)dt = 1
−
5
X(t)
δ(t)
0
t
图9
强度为 A 的脉冲函数 x(t)也可写为 x(
t)=Aδ(t) 必须指出，脉冲函数 δ(t)在现实中是不存在的，它只有数学上的意
第六章
频率响应分析
第一节 谐和输入系统的定态响应
第二节 频率特性极坐标图
第三节 频率特性的对数坐标图
第四节 由频率特性的实验曲线求系统传递函数
第七章
控制系统的稳定性
第一节 稳定性概念
第二节 劳斯判据
第三节 乃奎斯特判据
第四节 对数坐标图的稳定性判据
第八章
控制系统的偏差
第一节 控制系统的偏差概念
1
第二节 输入引起的定态偏差 第三节 输入引起的动态偏差 第九章 控制系统的设计和校正 第一节 综述 第二节 希望对数幅频特性曲线的绘制 第三节 校正方法与校正环节 第四节 控制系统的增益调整 第五节 控制系统的串联校正 第六节 控制系统的局部反馈校正 第七节 控制系统的顺馈校正
《机械工程控制基础》课后答案
目录第一章自动控制系统的基本原理第一节控制系统的工作原理和基本要求第二节控制系统的基本类型第三节典型控制信号第四节控制理论的内容和方法第二章控制系统的数学模型第一节机械系统的数学模型第二节液压系统的数学模型第三节电气系统的数学模型第四节线性控制系统的卷积关系式第三章拉氏变换第一节傅氏变换第二节拉普拉斯变换第三节拉普拉斯变换的基本定理第四节拉普拉斯逆变换第四章传递函数第一节传递函数的概念与性质第二节线性控制系统的典型环节第三节系统框图及其运算第四节多变量系统的传递函数第五章时间响应分析第一节概述第二节单位脉冲输入的时间响应第三节单位阶跃输入的时间响应第四节高阶系统时间响应第六章频率响应分析第一节谐和输入系统的定态响应第二节频率特性极坐标图第三节频率特性的对数坐标图第四节由频率特性的实验曲线求系统传递函数第七章控制系统的稳定性第一节稳定性概念第二节劳斯判据第三节乃奎斯特判据第四节对数坐标图的稳定性判据第八章控制系统的偏差第一节控制系统的偏差概念第二节输入引起的定态偏差第三节输入引起的动态偏差第九章控制系统的设计和校正第一节综述第二节希望对数幅频特性曲线的绘制第三节校正方法与校正环节第四节控制系统的增益调整第五节控制系统的串联校正第六节控制系统的局部反馈校正第七节控制系统的顺馈校正第一章自动控制系统的基本原理定义：在没有人的直接参与下，利用控制器使控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。
第一节控制系统的工作原理和基本要求一、控制系统举例与结构方框图例1．一个人工控制的恒温箱，希望的炉水温度为100C°,利用表示函数功能的方块、信号线，画出结构方块图。
图1人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度，通过大脑分析、比较，利用手和锹上煤炭助燃。
比较图2例2．图示为液面高度控制系统原理图。
试画出控制系统方块图和相应的人工操纵的液面控制系统方块图。
解：浮子作为液面高度的反馈物，自动控制器通过比较实际的液面高度与希望的液面高度，调解气动阀门的开合度，对误差进行修正，可保持液面高度稳定。
机械控制工程基础课后答案-董玉红、徐莉萍主编25239
1-1机械工程控制论的研究对象与任务是什么?解机械工程控制论实质上是研究机械一r_程技术中广义系统的动力学问题。
具体地讲，机械工程控制论是研究机械工程广义系统在一定的外界条件作用下，从系统的一定初始条件出发，所经历的由内部的固有特性所决定的整个动态历程;研究这一系统及其输入、输出二者之间的动态关系。
机械工程控制论的任务可以分为以下五个方面:(1)当已知系统和输人时，求出系统的输出(响应)，即系统分析。
(2)当已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制。
(3)当已知输入和理想输出，设计系统，即最优设计。
(4)当系统的输人和输出己知，求系统的结构与参数，即系统辨识。
(5)输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，即滤波与预测。
1.2 什么是反馈?什么是外反馈和内反馈?所谓反馈是指将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端，并与输人信号共同作用于系统的过程，称为反馈或信息反馈。
所谓外反馈是指人们利用反馈控制原理在机械系统或过程中加上一个人为的反馈，构成一个自动控制系统。
所谓内反馈是指许多机械系统或过程中存在的相互藕合作用，形成非人为的“内在”反馈，从而构成一个闭环系统。
1.3 反馈控制的概念是什么?为什么要进行反馈控制?所谓反馈控制就是利用反馈信号对系统进行控制。
在实际中，控制系统可能会受到各种无法预计的干扰。
为了提高控制系统的精度，增强系统抗干扰能力，人们必须利用反馈原理对系统进行控制，以实现控制系统的任务。
1.4闭环控制系统的基本工作原理是什么?闭环控制系统的基本工作原理如下:(1)检测被控制量或输出量的实际值;(2)将实际值与给定值进行比较得出偏差值;(3)用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。
这种基于反馈原理，通过检测偏差再纠正偏差的系统称为闭环控制系统。
通常闭环控制系统至少具备测量、比较和执行三个基本功能。
1.5对控制系统的基本要求是什么?对控制系统的基本要求是稳定性、准确性和快速性。
机械控制工程基础课后答案
2-1 什么是线性系统？其最重要特性是什么？答：如果系统的数学模型是线性的，这种系统就叫做线性系统。
线性系统最重要的特性，是适用于叠加原理。
叠加原理说明，两个不同的作用函数（输入），同时作用于系统所产生的响应（输出），等于两个作用函数单独作用的响应之和因此，线性系统对几个输入量同时作用而产生的响应，可以一个一个地处理，然后对它们的响应结果进行叠加。
2-2分别求出图（题2-2 ）所示各系统的微分方程。
y ( t )y( t )kk1k2f( t )f ( t )mm(a)(b)k x icx i11xcc i mk1kx o2c2x o k x o2( c)(d)(e)解： (a) my(t ) ky(t) f (t )(b) my(t) (k1k2 ) y(t ) f (t)(c)( x i x0 )c1 mx0c2 x0(d ) X 0 (s)K1csX i (s) c(K1K 2 ) s K1K 2(e)( x i x0 ) K1( x i x0 )c K 2 x02-3求图（题2-3）所示的传递函数，并写出两系统的无阻尼固有频率n 及阻尼比的表达式。
x i x oRk Lmc u C u oi( a )(b)。
解：图 (a) 有： G( s)k mns 2c s km m V i L iR i1 idtC图 (b) 有：1V 0 idt Ck Cm2 mk11R C ∴ G( s)LCR1n2 L2 LCssLCL2-4 求图（题 2-4 ）所示机械系统的传递函数。
图中M 为输入转矩， C m 为圆周阻尼，J 为转动惯量。
（应注意消去 , 及）xkcMmRJ , C m题 2-4解：由已知可知输入量M 与输出量之间的关系为：JC m kM经拉氏变换后为：Js 2( ) C m s ( ) k( )ss M s( s)11/ J2 ∴nG( s)C m s kC mk s 2 2 nn 2M (s) Js2s2 sJ J其中，nk C m J2 Jk2-5 已知滑阀节流口流量方程式为Q c x ( 2p / ) ，式中，Q 为通过节流阀流口v的流量； p 为节流阀流口的前后油压差；x v 为节流阀的位移量； c 为流量系数；为节流口面积梯度；为油密度。
机械工程控制基础课后题答案 zyy
s
Y1 s X s
1
G
1 s G 2 s H s G 1 s G 1 G 1 s G 2 s H s
2 s
B X
s s
1
G 1 s G 2 s H s G 1 s G 2 s H s
E s
1
X s 1 G 1 s G 2 s H s
• (2) 以N(s)为输入时：
Y N
同理， F2(t)到xຫໍສະໝຸດ (t)的传递函数：F x 1 2 s s m 1 m 2 s 4 f m 1 m 2 s 3 m 1 k f 2 m s 2 k 1 s 2 f k 1 k 2 s k 1 k 2
• 2-3 试求图2-37所示无源网络传递函数。
i1(t)
s s
1
G
G 2s 1 s G 2 s H
s
Y 1 s N s
G 1 s G 2 s H s 1 G 1 s G 2 s H s
B N
s s
1
G 2s H s G 1 s G 2 s H
s
E N
s s
1
G
G 2s H s 1 s G 2 s H
s
• 2-9 化简如图2-40所示各系统方块图，并求其传递函 数。
机械工程控制基础 课后题答案
• 2-1 试求如图2-35所示机械系统的作用力F(t)与 位移y(t)之间的微分方程和传递函数。
a F(t)
k b
m y(t)
f
图 2-35 题2-1图
解：设b端对杠杆的力为Fb，则：
mdd2y2ttF tfd adytF tbkytbFb
整理得：
d2yt
m dt2
最终版《机械工程控制基础》课后答案.doc
第三节电气系统的数学模型
1.阻容感网络系统
图20
由基尔霍夫第一定律（封闭系统）
Ui(t)-UR(t)-Uc(t)-UL(t)=0
Ui(t)-Ri(t)- -L =0
=L +R + 二阶微分方程
2．放大器网络系统
图21
1）比例运算放大器
由 ij(t)=0
i1(t)=i2(t)+i3(t)
3．斜坡函数（恒速信号）
x(t)=At t≥0
x(t)=0 t＜0
图10
在研究飞机系统时，常用恒速信号作为外作用来评价过渡过程。
4．恒加速信号
x(t)=At2/2 t≥0
x(t)=0 t＜0
图11
在研究卫星、航天技术的系统时，常用恒加速信号作为外作用来评价过渡过程。
5．正弦函数（谐波函数、谐和信号）
当xi(t)为任意函数时，可划分为n个具有强度Aj的脉冲函数的叠加，即
图25-2
图25-3
Xi（t）=
其中Aj=xi（jδt）. Δt =面积=强度
在某一个脉冲函数Ajδ(t-jδt)作用下，响应为Ajh(t-jδt)。
系统有n个脉冲函数，则响应为：
xo(t)= =
当n 时， ，nδt ，j. δt=τ，δt=dτ
第一章自动控制系统的基本原理
第一节控制系统的工作原理和基本要求
第二节控制系统的基本类型
第三节典型控制信号
第四节控制理论的内容和方法
第二章控制系统的数学模型
第一节机械系统的数学模型
第二节液压系统的数学模型
第三节电气系统的数学模型
第四节线性控制系统的卷积关系式
第三章拉氏变换
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1-1机械工程控制论的研究对象与任务是什么?解机械工程控制论实质上是研究机械一r_程技术中广义系统的动力学问题。
具体地讲，机械工程控制论是研究机械工程广义系统在一定的外界条件作用下，从系统的一定初始条件出发，所经历的由内部的固有特性所决定的整个动态历程;研究这一系统及其输入、输出二者之间的动态关系。
机械工程控制论的任务可以分为以下五个方面:(1)当已知系统和输人时，求出系统的输出(响应)，即系统分析。
(2)当已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制。
(3)当已知输入和理想输出，设计系统，即最优设计。
(4)当系统的输人和输出己知，求系统的结构与参数，即系统辨识。
(5)输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，即滤波与预测。
1.2 什么是反馈?什么是外反馈和内反馈?所谓反馈是指将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端，并与输人信号共同作用于系统的过程，称为反馈或信息反馈。
所谓外反馈是指人们利用反馈控制原理在机械系统或过程中加上一个人为的反馈，构成一个自动控制系统。
所谓内反馈是指许多机械系统或过程中存在的相互藕合作用，形成非人为的“内在”反馈，从而构成一个闭环系统。
1.3 反馈控制的概念是什么?为什么要进行反馈控制?所谓反馈控制就是利用反馈信号对系统进行控制。
在实际中，控制系统可能会受到各种无法预计的干扰。
为了提高控制系统的精度，增强系统抗干扰能力，人们必须利用反馈原理对系统进行控制，以实现控制系统的任务。
1.4闭环控制系统的基本工作原理是什么?闭环控制系统的基本工作原理如下:(1)检测被控制量或输出量的实际值;(2)将实际值与给定值进行比较得出偏差值;(3)用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。
这种基于反馈原理，通过检测偏差再纠正偏差的系统称为闭环控制系统。
通常闭环控制系统至少具备测量、比较和执行三个基本功能。
1.5对控制系统的基本要求是什么?对控制系统的基本要求是稳定性、准确性和快速性。
稳定性是保证控制系统正常工作的首要条件。
稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。
准确性是衡量控制系统性能的重要指标。
准确性是指控制系统的控制精度，一般用稳态误差来衡量。
快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。
dtd t u RC dt d dt d t u RC dt d t u dt t u C t u R t t u idt Ct u i a ii ii )t (u )(1)t (u )t (u )(1)t (u )(R)(1)(i)(u )(1)(.00000000=++=+=∴=+=⎰⎰同时：由电压定律有：设回流电流为dt t d t B K dt t d t K dtt t x d Bt K t dtt t x d B t b ii i )(x )(x )(x )(x ))(x )(()(x F')(x ))(x )((F )(x .00000000=+∴=-∴=-=右端：对左端：对解：)(1)()()u 11()())()(()()()(u )t (u )(u )(u )(u )t (u )(u )()(u )()(u .1021001020RC120202RC1101t u R dt t du C t R R dt t du Cdt t u t u d C R t u t u R t dtd C R t R t R t i dtd C R t i R t u t t u t C R c i i i i RC R RC RC RC i RC +=++∴-+-=+=∴=+=+=及电容并联的电流为又由电压定律有：两端电压为设)()(x B )(x )k (k )(x )(x ))(x )(())(x )(()(x F')(x ))(x )(())(x )((F )(x 10210020100200100t x k dt t d t dt t d B t K t t x k dt t t x d Bt K t t t x k dtt t x d Bt i i i i i i +=++∴=-+-∴=-+-=右端：对左端：对)()(u R )(u R )(u )R ()((R 1)(u R )(u R )(u )R 1())()((R 1))(u )(u (R )(u R )()(1R )()()(u R )()(i 11i )(u )1()()(.201021112012012010120101020102001t u dtt d C dt t d C dt t d CR t u Cdt t d R dt t d R dt t d R t u t u C dt t d dt t d R dt t d dtt u t u C t u t u R t t u t u idt CR t t u i R t u ie i i i i i i i i ii +=+++=++-+-=-+-=∴-=+=+=⎰⎰）由（同时：由电压定律有：设回流电流为)()((t)x )()()()((t)x )(x )(B))(x )(())(x )(()(B ))(x )(()(x )(B 1))(x )(()(x )2()1()2()(x ))(x )(()(x 'F k ))(x )((F k )1())(x )(())(x )(())(x )((F')(x ))(x )((F )(x x k 21102102112101021001021001200212222022k 2220k 22012020001022t x k k dt t dx Bk k k dtt dx Bk k t x k dt t dx k k B k dt t d k k B dtt dx t t x k dt t t x d k k B dt t dx t t x k dt t d B dtt dx t t x k kt t k dt t t x d Bt k dtt t x d Bt t x k dtt t x d Bdtt t x d B t t t x k t i i i i i i i k i k k k k k i k k i k +=+++=++-=---=--=⋅=-∴⋅=-=-=-∴-=-=）代入（有：、由右端：对左端：对右端：对左端：对右端的位移为设2-2Ts sT s s t f L s F 11-1111))(()()1(+=-==位移1444.04.0))(()(4.012cos )4(25515t 255))(()()15t 5sin )35sin()()3(4(12.04(-403.0203.0103.0))(()(t2cos 03.003.0)()2(22152222222+++==+=++==+=+=+=++=+-==-=）（及复位移（））s s t f L s F t s es t f L s F t t f s s s s s s s s s t f L s F t f s ππππ[][][][][])(-)s m )(K s m ()(-)s m )(K s m ()(X )()(X )(-)()s m )(K s m ()()s m )(K s m ()(X )()(2)()s m ()(12)()(K )()(s m )(X )()(1)()()()()(s m )(K -)(X )()()()()(s m )()()()()(s m )()()()()()()()()()()()(5.21112112221211121122221312311312112221312112221233113121221222222123312213313212212232131222232131321212'23231"22'2323131k Bs Bs k k Bs k Bs k Bs K Bs k k Bs k Bs k Bs K s s X s K s X Bs k k Bs s X k Bs k Bs k Bs s X k Bs k Bs s K s BsX s X k k Bs s X k Bs s X s X k s X s BsX s X s K s BsX s X k s BsX s X k s BsX s X k s X s X s K s BsX s BsX s X k s X k s X s BsX s BsX s X k s X k s X t x t x K t x t x B t x t x K t x m t x t x B t x t x K t x m ++++++++=+++++++=∴=+++++++++++++=+++++=+++=+++=+++-+-=+-+-=-+-'+-=-'---=''）（）（）（）代入（）由（）（）（两边进行拉氏变换：3．1 时间响应：在输入作用下，系统的输出（响应）在时域的表现形式。
3.2，脉冲响应的拉氏变换等于传递函数乘以脉冲信号的拉氏变换，由于脉冲信号的拉氏变换为1，所以脉冲响应的拉氏变换等于传递函数。
3.3 一阶系统的阶跃响应为阻尼比及系统的无阻尼固有频率是系统的两个重要参数。
它们决定着系统的时间响应特性。
二阶系统的阻尼比决定了其振荡特性。
,1)(≥-=-t e t x T t o 2222)(4.3n n n s s s G ωξωω++=典型二阶系统3-5 欠阻尼二阶系统单位阶跃响应曲ξ＝1ξ＞14-1欠阻尼二阶系统单位阶跃响应曲线0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.21.41.6 1.8 2 p x o (t ) t0),sin(11)(2≥+--=-t t e t c d t n ϕωξξω21ξωω-=nd ξξξϕarccos 12=-=arctg 0,)1(1)(≥+-=-t e t t c t n n ωω0)11(21)11(211)()1(22)1(2222≥------+-=-+----t e e t c ttn n ，ωξξωξξξξξξξξ2-a (41(2j 1)j (21)1/(11)1/(1)(2ωωϕωωωωrctgA s s s s =+=+==Φ+=+++=Φ））频率特性：系统传递函数：)452sin(35.0)(-=t t c（见PPT ） 4-2ωωωωωω21tana tan a -4112)12)(1(2)1(22rc rc j j -++++相频特性：幅频特性：开环频率特性：时、当t t r 2sin )()1(=2=ω,35.081)(2===ωωφj ο45)22()2(1-=-=-g t j ϕNyquist DiagramReal AxisI m a g i n a r y A x i s图 14-7838.1M )(,.165.8,0)(d )05.0()15.010(10)()05.0()15.010(1010)()(15.0)(05.010)(1015.005.010)(G 1)()(1r 2322322323===-+-=-+-=+++=Φ+++=+=Φ-r A s rad d A A j j j j j s s s s s G s 得代入可求得谐振频率令闭环传递函数为：ωωωωωωωωωωωωωωω5.1什么是系统的稳定性?控制系统稳定的充分必要条件是什么?系统的稳定性是指:系统受到扰动作用时，输出偏离平衡状态，当扰动消除后，若系统在足够长的时间内能恢复到其原来的平衡状态或趋于一个给定的新平衡状态，则该系统是稳定的。