自动控制原理 邢春芳 第3章习题参考答案
自动控制原理第三章课后习题答案
3-1（1） )(2)(2.0t r t c= （2） )()()(24.0)(04.0t r t c t c t c=++ 试求系统闭环传递函数Φ(s),以及系统的单位脉冲响应g(t)和单位阶跃响应c(t)。
已知全部初始条件为零。
解：（1） 因为)(2)(2.0s R s sC =闭环传递函数ss R s C s 10)()()(==Φ 单位脉冲响应：s s C /10)(= 010)(≥=t t g单位阶跃响应c(t) 2/10)(s s C = 010)(≥=t t t c（2）)()()124.004.0(2s R s C s s =++ 124.004.0)()(2++=s s s R s C 闭环传递函数124.004.01)()()(2++==s s s R s C s φ 单位脉冲响应：124.004.01)(2++=s s s C t e t g t 4sin 325)(3-= 单位阶跃响应h(t) 16)3(61]16)3[(25)(22+++-=++=s s s s s s Ct e t e t c t t 4sin 434cos 1)(33----=3-2 温度计的传递函数为11+Ts ，用其测量容器内的水温，1min 才能显示出该温度的98%的数值。
若加热容器使水温按10ºC/min 的速度匀速上升，问温度计的稳态指示误差有多大？解法一 依题意，温度计闭环传递函数11)(+=ΦTs s 由一阶系统阶跃响应特性可知：o o T c 98)4(=，因此有 min 14=T ，得出 min 25.0=T 。
视温度计为单位反馈系统，则开环传递函数为Ts s s s G 1)(1)()(=Φ-Φ= ⎩⎨⎧==11v T K用静态误差系数法，当t t r ⋅=10)( 时，C T Ke ss ︒===5.21010。
解法二 依题意，系统误差定义为 )()()(t c t r t e -=，应有 1111)()(1)()()(+=+-=-==ΦTs TsTs s R s C s R s E s e C T s Ts Ts ss R s s e s e s ss ︒==⋅+=Φ=→→5.210101lim )()(lim 23-3 已知二阶系统的单位阶跃响应为)1.536.1sin(5.1210)(2.1o tt et c +-=-试求系统的超调量σ％、峰值时间ｔp 和调节时间ｔs 。
自动控制原理第三章课后习题答案(最新)汇总
3-1设系统的微分方程式如下:(1)0.2c(t) 2r(t)单位脉冲响应：C(s) 10/s g(t) 103t3 3tc(t) 1 e cos4t e si n4t413-2 温度计的传递函数为 —，用其测量容器内的水温，1min 才能显示出该温度的Ts 198%的数值。
若加热容器使水温按 10(C/min 的速度匀速上升，问温度计的稳态指示误差有多大？解法一 依题意，温度计闭环传递函数由一阶系统阶跃响应特性可知： c(4T) 98 o o ，因此有 4T 1 min ，得出T 0.25 min 。
视温度计为单位反馈系统，则开环传递函数为(s)1K 1TG(s)—1(s) Tsv 1用静态误差系数法，当r(t) 10t 时，e ss10 10T 2.5 C oK(2) 0.04c(t)0.24c(t) c(t)r(t)试求系统闭环传递函数① 部初始条件为零。
解：(s),以及系统的单位脉冲响应 g(t)和单位阶跃响应 c(t)。
已知全(1)因为 0.2sC(s)2R(s) 闭环传递函数(s)C(s) 10R(s) s单位阶跃响应c(t) C(s) 10/s 2c(t) 10t t 0(2) (0.04s 20.24s 1)C(s) R(s)C (s )闭环传递函数(s)C(s) R(s)120.04s0.24s 1单位脉冲响应:C(s)120.04s 2 0.24s 1g(t)25 e 33tsi n4t单位阶跃响应h(t) C(s)25 s[(s 3)216]1 s 6 s (s 3)216(s)1 Ts 1解法二依题意，系统误差疋义为e(t) r(t) c(t)，应有e(s)E(s)1 C(s)R(s)11 TsR(s) Ts 1 Ts 13-3 已知二阶系统的单位阶跃响应为c(t) 10 12.5e 1.2t sin(1.6t 53.1o)试求系统的超调量c%、峰值时间t p和调节时间t'si n( 1n t )t p Jl- 1.96(s■1 2n1.63.5 3.5t s 2.92(s)n 1.2或：先根据c(t)求出系统传函，再得到特征参数，带入公式求解指标。
自动控制原理第3章 习题及解析
自动控制原理（上）习 题3-1 设系统的结构如图3-51所示，试分析参数b 对单位阶跃响应过渡过程的影响。
考察一阶系统未知参数对系统动态响应的影响。
解 由系统的方框图可得系统闭环响应传递函数为/(1)()()111K Ts Ks Kbs T Kb s Ts +Φ==++++ 根据输入信号写出输出函数表达式：111()()()()()11/()K Y s s R s K s T Kb s s s T bK =Φ⋅=⋅=-++++对上式进行拉式反变换有1()(1)t T bKy t K e-+=-当0b >时，系统响应速度变慢；当/0T K b -<<时，系统响应速度变快。
3-2 设用11Ts +描述温度计特性。
现用温度计测量盛在容器内的水温，发现1min 可指示96%的实际水温值。
如果容器水温以0.1/min C ︒的速度呈线性变化，试计算温度计的稳态指示误差。
考察一阶系统的稳态性能分析(I 型系统的，斜坡响应稳态误差)解 由开环传递函数推导出闭环传递函数，进一步得到时间响应函数为：()1t T r y t T e -⎛⎫=- ⎪⎝⎭其中r T 为假设的实际水温，由题意得到：600.961Te-=-推出18.64T =，此时求输入为()0.1r t t =⋅时的稳态误差。
由一阶系统时间响应分析可知，单位斜坡响应的稳态误差为T ，所以稳态指示误差为：lim ()0.1 1.864t e t T →∞==3-3 已知一阶系统的传递函数()10/(0.21)G s s =+今欲采用图3-52所示负反馈的办法将过渡过程时间s t 减小为原来的1/10，并保证总的放大倍数不变，试选择H K 和0K 的值。
解 一阶系统的调节时间s t 与时间常数成正比，则根据要求可知总的传递函数为10()(0.2/101)s s Φ=+由图可知系统的闭环传递函数为000(10()()1()0.211010110()0.21110H HHHK G s K Y s R s K G s s K K K s s K ==++++==Φ++）比较系数有101011011010HHK K K ⎧=⎪+⎨⎪+=⎩ 解得00.9,10H K K ==3-4 已知二阶系统的单位阶跃响应为1.5()1012sin(1.6+53.1t y t e t -=-）试求系统的超调量%σ，峰值时间p t ，上升时间r t 和调节时间s t 。
自控第三章答案
K
p
不稳定
稳定
0
K
d
不稳定
不稳定
临界阻尼轨迹： D （ s ） s 4 K d s 4 K
2 p
0 出现重根时
p
临界阻尼条件为： 即： K
2 d
4 K
2
2 d
4 4K
0 线。
K p , 以纵轴为对称轴的抛物 K K
2 d 2 d
过阻尼区： 欠阻尼区： K
B3.15 分析图B3.15所示的两个系统，引入与不引入反馈时 系统的稳定性 。
解 不引入反馈 显然不稳定。 引入反馈 D ( s ) s ( s 1 )( s 5 ) 10 ( s 1 ) 0 闭环稳定。 (s ) 10 ( s 1 ) s ( s 1 )( s 5 )
3
赫尔维茨判据： 9 100 D2 20 1 100 9 80 0
1 20 4 100
2
1
0
故系统是稳定的。
(3)s4+4s3+13s2＋36s+K=0
解
（1 ） 劳思判据： s s s s s
4
1 4 4 36 K K
13 36 K K
K 0
3
2
1
0
若系统稳定，则
36 K 0 0 K 36 K 0
( 2 )由
G (s )
7(s 1) s ( s 4 )( s 2 s 2 )
2
0 . 875 ( s 1 ) s ( 0 . 25 s 1 )( 0 . 5 s s 1 )
2
可知系统为
1
型的，于是
自动控制第三章习题答案
一、主要内容• 系统时域分析（性能指标的定义、二阶欠阻尼系统计算） • 稳定性（概念、充要条件、劳斯判据） •稳态误差（概念、求解、与系统型别关系）二、基本概念1） 典型输入信号2） 动态过程和稳态过程在典型输入信号作用下，任何一个控制系统的时间响应可以分成动态过程和稳态过程两部分。
1．动态过程动态过程又称过渡过程或瞬态过程，指系统在典型输入倍导作用下，系统输出量从初始状态到最终状态的响应过程。
表现为衰减、发放或等幅振荡形式。
用动态性能描述动态过程的时域性能指标。
2．稳态过程稳态过程又称为稳态响应。
系统在典型输入情号作用下，当时间t 趋于无穷时，系统输出量的表现方式。
反映系统输出量最终复现输入量的程度。
用稳态性能描述稳态过程的时域性能指标。
3） 动态性能指标通常以阶跃响应来定义动态过程的时域性能指标• 延迟时间T d (delay time)：响应曲线第一次达到其终值A(m)的一半所需的时间；• 上升时间T r (rise time)：响应从终值的10％上升到终值的90％所需的时间，对于有振荡的系统，亦可定义为响应从零第一次上升到终值所需的时间；• 峰值时间T p (peak time)：响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间；• 调节时间T s (settle time)：响应到达并保持在终值的5％之内所需的最短时间； •超调量σ％：4） 稳定性• 平衡位置：• 稳定性：指系统和扰动消失后，由初始偏差状态恢复到原平衡状态的性能。
•线性控制系统的稳定性：在初始扰动的影响下，其动态过程随时间的推移逐渐衰减并趋于零(原平衡点)，则称系统浙近稳定。
5） 稳态性能——稳态误差通常用在阶跃函数、斜坡面数或加速度函数作用下系统的稳态误差来报述。
用于衡量系统的控制精度和抗干扰能力。
•误差的基本定义– 在系统输入端定义的误差： – 在系统输出端定义的误差： • 稳态误差：•系统型别：为开环系统在s 平面坐标原点上的极点重数。
自动控制原理 邢春芳 第3章习题参考答案
参考答案3-1. 设温度计需要在一分钟内指示出响应值的98%，并且假设温度计为一阶系统，求时间常数T 。
如果将温度计放在澡盆内，澡盆的温度以10/min C ︒的速度线性变化，求温度计的误差。
解：()()98%c t c =∞⨯，41min t T ==，0.25T =；()10r t t =，()10()t Tc t t T e-=-+，()()()10()tTe t r t c t T e-=-=-，lim ()10 2.5ss t e e t T →∞===3-2．已知单位负反馈系统的开环传递函数为4()5G s s =+ 求系统的单位阶跃响应。
解：24()54s s s φ=++，1()R s s=， 21444133()()()(54)(4)(1)41C s s R s s s s s s s s s s φ=⋅===+-++++++； 414()133t t c t e e --=+-3-3. 已知单位负反馈系统的开环传递函数为1()(1)G s s s =+ 求系统的上升时间r t 、峰值时间p t 、超调量%σ和调整时间s t 。
解：2()1()1G s R s s s =++，2121n n ωωξ⎧=⎪⎨=⎪⎩，10.5n ωξ=⎧⎨=⎩，0.866d ω=，arccos 60βξ︒== 2.42r d t πβω-==s ， 3.63p dt πω==s，%100%16%eσ=⨯=，48s nt ξω==s3-4. 已知系统的单位阶跃响应:为6010()10.2 1.2t t c t e e --=+-，试求：（1）系统的闭环传递函数；（2）系统的阻尼比ξ和无阻尼自然振荡频率n ω。
解：10.2 1.2600()6010(60)(10)C s s s s s s s =+-=++++，1()R s s =， 2()600()70600C s R s s s =++，2600270n nωωξ⎧=⎪⎨=⎪⎩，24.51.43n ωξ=⎧⎨=⎩3-5. 已知单位负反馈系统的开环传递函数为：()(1)KG s s Ts =+当()()r t t ε=时，系统的动态性能指标%30%σ=，0.3(5%)s t s ≤∆=，求系统K 、T 值以满足动态指标。
自动控制原理第三章答案
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 25.1e 0125.0)t (k -=，试求系统闭环传递函数)s (Φ。
解 [])25.1s /(0125.0)t (k L )s (+==Φ3-2 一阶系统结构如图所示。
要求单位阶跃输入时调节时间4.0t s ≤s （误差带为5%），稳态输出为2，试确定参数21k ,k 的值。
解 由结构图写出闭环系统传递函数 1k k s k 1k k s k sk k 1s k )s (212211211+=+=+=Φ 闭环增益2k 1k 2==Φ， 得：5.0k 2= 令调节时间4.0k k 3T 3t 21s ≤==，得：15k 1≥。
3-3 给定典型二阶系统的设计指标：超调量0<%32.4%≤σ，调节时间 s 5.0t s <，峰值时间s 1t p <，试确定系统极点配置的区域，以获得预期的响应特性。
解 依题 %32.4%≤σ， )45(707.0︒≤≥⇒βξ；5.05.3t ns <ωξ=， 7n >ωξ⇒； n p t ωξπ21-=1<， 14.312>-⇒n ωξ综合以上条件可画出满足要求的特征根区域如图所示。
3-4 电子心脏起博器心律控制系统结构如图所示，其中模仿心脏的传递函数相当于一纯积分环节。
解 依题，系统传递函数为2n n 22n 2s 2s 05.0K s 05.01s 05.0K)s (ω+ξω+ω=++=Φ ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧ω⨯=ξ=ωn n 205.0105.0K 令 5.0=ξ可解出 ⎩⎨⎧=ω=2020K n将 s 1t =代入二阶系统阶跃响应公式 ()β+ωξ-ξ--=ξω-t 1sin 1e 1)t (h n 22tn 可得 min 00145.60s 000024.1)1(h 次次==5.0=ξ时，系统超调量 %3.16%=σ，最大心速为min 78.69163.1163.01t (h p 次次）==+=3-5 机器人控制系统结构如图所示, 试确定参数21k ,k 值，使系统阶跃响应的峰值时间5.0t p =s ，超调量%2%=σ。
自动控制原理第三章课后习题 答案(最新)要点
3-1（1） )(2)(2.0t r t c= （2） )()()(24.0)(04.0t r t c t c t c=++ 试求系统闭环传递函数Φ(s),以及系统的单位脉冲响应g(t)和单位阶跃响应c(t)。
已知全部初始条件为零。
解：（1） 因为)(2)(2.0s R s sC =闭环传递函数ss R s C s 10)()()(==Φ 单位脉冲响应：s s C /10)(= 010)(≥=t t g单位阶跃响应c(t) 2/10)(s s C = 010)(≥=t t t c（2）)()()124.004.0(2s R s C s s =++ 124.004.0)()(2++=s s s R s C 闭环传递函数124.004.01)()()(2++==s s s R s C s φ 单位脉冲响应：124.004.01)(2++=s s s C t e t g t 4s i n 325)(3-= 单位阶跃响应h(t) 16)3(61]16)3[(25)(22+++-=++=s s s s s s Ct e t e t c t t 4sin 434cos 1)(33----=3-2 温度计的传递函数为11+Ts ，用其测量容器内的水温，1min 才能显示出该温度的98%的数值。
若加热容器使水温按10ºC/min 的速度匀速上升，问温度计的稳态指示误差有多大？解法一 依题意，温度计闭环传递函数11)(+=ΦTs s 由一阶系统阶跃响应特性可知：o o T c 98)4(=，因此有 min 14=T ，得出 min 25.0=T 。
视温度计为单位反馈系统，则开环传递函数为Tss s s G 1)(1)()(=Φ-Φ=⎩⎨⎧==11v TK 用静态误差系数法，当t t r ⋅=10)( 时，C T Ke ss ︒===5.21010。
解法二 依题意，系统误差定义为 )()()(t c t r t e -=，应有 1111)()(1)()()(+=+-=-==ΦTs TsTs s R s C s R s E s e C T s Ts Ts ss R s s e s e s ss ︒==⋅+=Φ=→→5.210101lim )()(lim 23-3 已知二阶系统的单位阶跃响应为)1.536.1sin(5.1210)(2.1o tt et c +-=-试求系统的超调量σ％、峰值时间ｔp 和调节时间ｔs 。
自动控制原理第三章课后习题 答案(最新)
3-1 设系统的微分方程式如下：（1） )(2)(2.0t r t c =&（2） )()()(24.0)(04.0t r t c t c t c =++&&&试求系统闭环传递函数Φ(s),以及系统的单位脉冲响应g(t)和单位阶跃响应c(t)。
已知全部初始条件为零。
解：（1） 因为)(2)(2.0s R s sC = 闭环传递函数ss R s C s 10)()()(==Φ 单位脉冲响应：s s C /10)(= 010)(≥=t t g单位阶跃响应c(t) 2/10)(s s C = 010)(≥=t t t c（2）)()()124.004.0(2s R s C s s =++ 124.004.0)()(2++=s s s R s C 闭环传递函数124.004.01)()()(2++==s s s R s C s φ 单位脉冲响应：124.004.01)(2++=s s s C t e t g t 4sin 325)(3-= 单位阶跃响应h(t) 16)3(61]16)3[(25)(22+++-=++=s s s s s s Ct e t e t c t t 4sin 434cos 1)(33----=3-2 温度计的传递函数为11+Ts ，用其测量容器内的水温，1min 才能显示出该温度的98%的数值。
若加热容器使水温按10ºC/min 的速度匀速上升，问温度计的稳态指示误差有多大？解法一 依题意，温度计闭环传递函数11)(+=ΦTs s 由一阶系统阶跃响应特性可知：o o T c 98)4(=，因此有 min 14=T ，得出 min 25.0=T 。
视温度计为单位反馈系统，则开环传递函数为Tss s s G 1)(1)()(=Φ-Φ=⎩⎨⎧==11v TK 用静态误差系数法，当t t r ⋅=10)( 时，C T Ke ss ︒===5.21010。
自动控制原理 第3章习题解答
1−ζ 2 = π
ζ
3
2π
tr
=
π −β ωd
=
3 3
=
23 9
π
；t p
=π ωd
=
π 3
=
3π 3
−ζ π
M p = e 1−ζ 2 ×100% = 16.3% ；
t
5% s
=3 ζω n
=
3s,
t
2% s
=4 ζω n
= 4s
3-6 系统结构图如题 3-6 图所示，试求当τ = 0 时，
系统的ζ 和ωn 之值，如要求ζ =0.7，试确定参数τ 。
s2
0.8
1+ K
s1 0.8(2 + K ) − (1 + K ) 0
0.8
s0 1+ K
Q 系统临界稳定
∴ 0.8(2 + K ) − (1 + K ) = 0
即K = 3 即系统的临界增益K = 3
由s 2行构成辅助多项式：0.8s 2 + (1 + K ) = 0
即0.8s 2 + 4 = 0 ∴ s1,2 = ± j 5 = ± j2.24 ∴系统的振荡频率为ωn = 2.24rad / s
= 150.5°
h(t) = 1 − 0.06e−5.76t + 1.07e−0.37t cos(1.27t + 150.5°)
3-4
已知根据主导极点 s1,2 确定的调整时间为 10.82s，考察这一时刻系统单位阶跃响应中
的指数项值 − 0.06e−5.76t |t=10.82 = −5.15 ×10−29 ，可见指数项值在 ts = 10.82 时已经衰减到 微不足道的程度。事实上，在峰值时间 t p = 2.48s ，指数项的值为 − 3.7 ×10−8 ，可见对
自动化控制原理第三章习题参考答案课件
详细描述
根轨迹法是通过绘制根轨迹图来分析系统的稳定性， 通过调整系统参数使根轨迹进入期望的稳定区域。频 率响应法是通过分析系统的频率特性来设计控制系统 ，通过调整系统参数优化系统的性能指标。状态空间 法是基于状态方程的控制系统设计方法，通过选择状 态反馈控制器使系统达到期望的性能指标。离散时间 法是基于差分方程的控制系统设计方法，适用于数字 控制系统。
软件测试与优化
对控制系统软件进行测试和优化，确 保其稳定性和可靠性。
控制系统实现习题解析
解析题目要求
分析解题思路
明确题目要求，理解控制系统实现的具体 任务和要求。
根据题目要求，分析解题思路，确定合适 的控制器、传感器、执行器和控制算法。
计算与仿真
总结与反思
根据分析结果，进行必要的计算和仿真， 验证控制方案的可行性和有效性。
控制系统优化的基本原则
控制系统优化应遵循系统整体性、动态性、最优性、可行性和经济性等原则，以确保系统 性能的全面提升。
控制系统优化方法
解析法 仿真法 人工智能法 混合法
通过数学解析方法对控制系统进行分析和优化，包括线性规划 、非线性规划、动态规划等。
通过建立系统模型进行仿真实验，对控制系统的性能进行评估 和优化，包括系统仿真、过程仿真等。
04
习题四：控制系统实现
控制系统硬件实现
控制器选择
根据控制系统的要求，选择合 适的控制器，如PLC、单片机、
工控机等。
传感器与执行器
根据控制系统的需求，选择合 适的传感器和执行器，确保能 够准确检测和调节被控对象的 状态。
电路设计与连接
根据控制系统的电路原理图， 进行电路板的布局和连接，确 保电路的稳定性和可靠性。
调试与测试
自动控制原理课后答案第3章
第3章 控制系统的时域分析【基本要求】1. 掌握时域响应的基本概念，正确理解系统时域响应的五种主要性能指标；2. 掌握一阶系统的数学模型和典型时域响应的特点，并能熟练计算其性能指标和结构参数；3. 掌握二阶系统的数学模型和典型时域响应的特点，并能熟练计算其欠阻尼情况下的性能指标和结构参数；4. 掌握稳定性的定义以及线性定常系统稳定的充要条件，熟练应用劳斯判据判定系统稳定性；5. 正确理解稳态误差的定义，并掌握系统稳态误差、扰动稳态误差的计算方法。
微分方程和传递函数是控制系统的常用数学模型，在确定了控制系统的数学模型后，就可以对已知的控制系统进行性能分析，从而得出改进系统性能的方法。
对于线性定常系统，常用的分析方法有时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法。
本章研究时域分析方法，包括简单系统的动态性能和稳态性能分析、稳定性分析、稳态误差分析以及高阶系统运动特性的近似分析等。
根轨迹分析法和频域分析法将分别在本书的第四章和第五章进行学习。
这里先引入时域分析法的基本概念。
所谓控制系统时域分析方法，就是给控制系统施加一个特定的输入信号，通过分析控制系统的输出响应对系统的性能进行分析。
由于系统的输出变量一般是时间t 的函数，故称这种响应为时域响应，这种分析方法被称为时域分析法。
当然，不同的方法有不同的特点和适用范围，但比较而言，时域分析法是一种直接在时间域中对系统进行分析的方法，具有直观、准确的优点，并且可以提供系统时间响应的全部信息。
3.1 系统的时域响应及其性能指标为了对控制系统的性能进行评价，需要首先研究系统在典型输入信号作用下的时域响应过程及其性能指标。
下面先介绍常用的典型输入信号。
3.1.1 典型输入信号由于系统的动态响应既取决于系统本身的结构和参数，又与其输入信号的形式和大小有关，而控制系统的实际输入信号往往是未知的。
为了便于对系统进行分析和设计，同时也为了便于对各种控制系统的性能进行评价和比较，需要假定一些基本的输入函数形式，称之为典型输入信号。
自动控制原理第三章答案
K 1 s（0.1s 1) K 10K 0.1s s K s 10s 10K
2 2
对应二阶系统标准形式，取ζ=1,得
问题
1、没有求调节时间 2、临界阻尼，调节时间 计算错误
2 10 5
n n
5 10K K 2.5 10
10K 0 10 10K 0 1 10K H （s） K 0 0.2s 1 10KH 0.2 0.2s 1 10K H 1 s 1 0.2s 1 1 10K H
10
G（s）
10 0.2s 1
据题意
10K 10 （放大倍数不变） 1 10K
0 H
4 3 2
s4
3 10 4.7
5 1 2
2 0 0
劳斯表第一列系数符号改变，系统不稳定。 符号改变两次，在右半s平面根的个数为2
s3 s2
s1
s0
-3.3
2
0
11
（2）D(s) s 2s 24s 48s 25s 50 0
5 4 3 2
1、劳斯表第一列系数符号改变， s4 系统不稳定。 2、符号改变1次，在右半s平面 s3 根的个数为1
根据已知条件一阶系统ts3t60s则t20s输入为速度信号温度计对应的开环传递函数温度计的稳态指示误差ts21317单位反馈系统开环传递函数为1试写出系统的静态位置误差系数静态速度误差系数和静态加速度误差系数2当输入求系统的稳态误差型系统开环增益k2静态位置误差系数静态速度误差系数静态加速度误差系数k22当输入系统的稳态误差8k22318系统结构图如题318图所示
（s）
1 20s 1
（典型系统
自动控制原理第三章课后习题答案(免费)
自动控制原理第三章课后习题答案（免费）3-1 判别下列系统的能控性与能观性。
系统中a,b,c,d 的取值对能控性与能观性是否有关，若有关其取值条件如何？（1）系统如图所示。
题3-1（1）图 系统模拟结构图解: 状态变量:11223123434x ax u x bx x x x cx x x dx =+=-=+-=+输出变量: 3y x =由此写出状态空间:0001000011000010(0010)a b x x u c d Y x⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪- ⎪ ⎪=+ ⎪ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭= 223333[1,0,0,0],[,0,1,0],[,0,,1],[,0,,]T T T B AB a A B a a c A B a a ac c a c d ==-=--=-++---判断能控型:()2323221000001001c a a a U BABA BA B a c a ac c a c d ⎛⎫-- ⎪⎪== ⎪--++ ⎪ ⎪---⎝⎭4c rankU ≠,所以系统不完全能控,讨论系统能控性:判断能观性:022322222001011000C CA c U CA a c b c c CA a ac c b bc c c ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪-⎪ ⎪== ⎪ ⎪---- ⎪ ⎪++++-⎝⎭⎝⎭04rankU ≠,所以系统不能观.（2）系统如图所示。
题3-1（2）图 系统模拟结构图解: 状态变量:()1211101[,]1c x a b x ux c d y xa b U B AB c d -⎛⎫⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭⎝⎭=-+⎛⎫== ⎪--⎝⎭若0,a b c d b ----≠则2c rankU =,系统能控.010C U CA a b ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭若0b ≠,则02rankU =,系统能观.（3）系统如下式：1122331122311021010000200000x x x a ux x b x x y c d x y x ∙∙∙⎛⎫-⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪=-+⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭⎝⎭ ⎪⎝⎭⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭ ⎪⎝⎭解:系统如下:1231122311021010000200000x x x a u x b x y c d x y x -⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪ ⎪=-+ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ ⎪⎝⎭若0,0a b ≠≠,系统能控.若0,0c d ≠≠,系统能观.3-2 时不变系统：311113111111x x u y x ∙-⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭⎛⎫= ⎪-⎝⎭试用两种方法判别其能控性与能观性。
自动控制原理第三章课后习题答案解析(最新)
3-1（1） )(2)(2.0t r t c= （2） )()()(24.0)(04.0t r t c t c t c=++ 试求系统闭环传递函数Φ(s),以及系统的单位脉冲响应g(t)和单位阶跃响应c(t)。
已知全部初始条件为零。
解：（1） 因为)(2)(2.0s R s sC =闭环传递函数ss R s C s 10)()()(==Φ 单位脉冲响应：s s C /10)(= 010)(≥=t t g单位阶跃响应c(t) 2/10)(s s C = 010)(≥=t t t c（2）)()()124.004.0(2s R s C s s =++ 124.004.0)()(2++=s s s R s C 闭环传递函数124.004.01)()()(2++==s s s R s C s φ 单位脉冲响应：124.004.01)(2++=s s s C t e t g t 4sin 325)(3-= 单位阶跃响应h(t) 16)3(61]16)3[(25)(22+++-=++=s s s s s s Ct e t e t c t t 4sin 434cos 1)(33----=3-2 温度计的传递函数为11+Ts ，用其测量容器内的水温，1min 才能显示出该温度的98%的数值。
若加热容器使水温按10ºC/min 的速度匀速上升，问温度计的稳态指示误差有多大？解法一 依题意，温度计闭环传递函数11)(+=ΦTs s 由一阶系统阶跃响应特性可知：o o T c 98)4(=，因此有 min 14=T ，得出 min 25.0=T 。
视温度计为单位反馈系统，则开环传递函数为Ts s s s G 1)(1)()(=Φ-Φ= ⎩⎨⎧==11v T K用静态误差系数法，当t t r ⋅=10)( 时，C T Ke ss ︒===5.21010。
解法二 依题意，系统误差定义为 )()()(t c t r t e -=，应有 1111)()(1)()()(+=+-=-==ΦTs TsTs s R s C s R s E s e C T s Ts Ts ss R s s e s e s ss ︒==⋅+=Φ=→→5.210101lim )()(lim 23-3 已知二阶系统的单位阶跃响应为)1.536.1sin(5.1210)(2.1o tt et c +-=-试求系统的超调量σ％、峰值时间ｔp 和调节时间ｔs 。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
参考答案3-1. 设温度计需要在一分钟内指示出响应值的98%，并且假设温度计为一阶系统，求时间常数T 。
如果将温度计放在澡盆内，澡盆的温度以10/min C ︒的速度线性变化，求温度计的误差。
解：()()98%c t c =∞⨯，41min t T ==，0.25T =；()10r t t =，()10()t Tc t t T e-=-+，()()()10()tTe t r t c t T e-=-=-，lim ()10 2.5ss t e e t T →∞===3-2．已知单位负反馈系统的开环传递函数为4()5G s s =+ 求系统的单位阶跃响应。
解：24()54s s s φ=++，1()R s s=， 21444133()()()(54)(4)(1)41C s s R s s s s s s s s s s φ=⋅===+-++++++； 414()133t t c t e e --=+-3-3. 已知单位负反馈系统的开环传递函数为1()(1)G s s s =+ 求系统的上升时间r t 、峰值时间p t 、超调量%σ和调整时间s t 。
解：2()1()1G s R s s s =++，2121n n ωωξ⎧=⎪⎨=⎪⎩，10.5n ωξ=⎧⎨=⎩，0.866d ω=，arccos 60βξ︒== 2.42r d t πβω-==s ， 3.63p dt πω==s，%100%16%eσ=⨯=，48s nt ξω==s3-4. 已知系统的单位阶跃响应:为6010()10.2 1.2t t c t e e --=+-，试求：（1）系统的闭环传递函数；（2）系统的阻尼比ξ和无阻尼自然振荡频率n ω。
解：10.2 1.2600()6010(60)(10)C s s s s s s s =+-=++++，1()R s s =， 2()600()70600C s R s s s =++，2600270n nωωξ⎧=⎪⎨=⎪⎩，24.51.43n ωξ=⎧⎨=⎩3-5. 已知单位负反馈系统的开环传递函数为：()(1)KG s s Ts =+当()()r t t ε=时，系统的动态性能指标%30%σ=，0.3(5%)s t s ≤∆=，求系统K 、T 值以满足动态指标。
解：22()1()KC s K T KR s Ts s K s s T T ==++++， 30.3s nt ξω=≤，12n Tξω=，10n ξω≥，0.05T ≤%0.3eσ=≤，0.35ξ≥，28.6n ω≥，2817.96n KTω==，40.9K ≥3-6.闭环系统的特征方程如下，试用老四判据判断系统的稳定性。
（1）322091000s s s +++= （2）4328181650s s s s ++++= 解：（1）322091000s s s +++= 列劳斯表如下： 321019201004100s s s s系统稳定（2）4328181650s s s s ++++= 列劳斯表如下： 43211185816165216165s s s s s系统稳定 3-7.已知单位负反馈系统的开环传递函数为()(4)(10)KG s s s s =++ （1）试确定系统稳定时的K 值范围；（2）确定使闭环极点的实部不大于-1的K 值范围。
解：（1）系统的闭环传递函数为32()1440Ks s s s Kφ=+++特征方程为：3214400s s s K +++= 列劳斯表如下：3211401456014s s KK s s K-若使系统稳定，则有5600,014KK ->>，所以0560K <<。
（2）令'1s s =-，代入()(4)(10)KG s s s s =++得：(')('1)('3)('9)KG s s s s =-++闭环传递函数为：32(')'11'15'27Ks s s s Kφ=++-+特征方程为： 32'11'15'270s s s K ++-+= 列劳斯表如下： 32111511271921127s s KKs s K-+--+ 若使系统稳定，则有1920,(27)011KK ->-+>，所以27192K <<。
3-8.已知系统的结构如题图3.1所示，试问τ取值多少，系统才能稳定？题图3.1解：22110(1)10(1)()10(10)s s G s s s s s s s s ττ++==++++32210(1)()101010s s s s s s φτ+=++++ 列劳斯表如下：321310110(110)1010s s s b s τ+若使系统稳定，3110(110)100110b ττ+-=>+，即0τ>。
3-9.已知单位反馈控制系统的开环传递函数如下。
试求各系统的静态位置误差系数p K 、速度误差系数v K 和加速度误差系数a K ，并确定当输入信号为()()r t t ε=，2t ，2t 和212t t ++时系统的稳态误差ss e 。
（1）20()(0.11)(0.21)G s s s =++；（2）200()(2)(10)G s s s s =++；（3）2210(21)()(410)s G s s s s +=++；（4）2()(4200)KG s s s s =++ 解：（1）20()(0.11)(0.21)G s s s =++010202301lim ()()201210,lim ()()0lim ()()0ss p s v ss s ss a s R e K G s H s K K sG s H s e e K s G s H s ν→→→⎧====+⎪⎪====∞⎨⎪=∞==⎪⎩，所以ss e =∞ （2）2002()(2)(10)(0.51)(0.11)G s s s s s s s ==++++ 100202300lim ()()1,lim ()()100.2lim ()()0ss p s v ss s a ss s e K G s H s vK sG s H s e K K s G s H s e ν→→→=⎧==∞⎪⎪=====⎨⎪===∞⎪⎩，所以ss e =∞（3）222210(21)(21)()(410)(0.10.41)s s G s s s s s s s ++==++++ 01202030lim ()()02,lim ()()0lim ()()12p s ss v ss s a ss s aK G s H s e K sG s H s e aK s G s H s e K ν→→→⎧==∞=⎪⎪===∞=⎨⎪==⎪==⎩，所以2ss e =（4）2()(4200)KG s s s s =++ 闭环传递函数为：32()4200Ks s s s Kφ=+++特征方程为：3242000s s s K +++= 列劳斯表如下： 321120048004s s KK s s K-系统稳定的条件为：0800K <<22200()(4200)(0.0050.021)KK G s s s s s s s ==++++ 01020230lim ()()04002,lim ()()200lim ()()0p s ss v ss s a a ss s K G s H s e v K K sG s H s e K K K s G s H s e ν→→→==∞⎧=⎪⎪=====⎨⎪==⎪=∞⎩，所以ss e =∞ 3-10．已知系统的结构图如题图3.2所示，若使系统满足阻尼比0.7ξ=和单位斜坡函数输入时稳态误差ss e =0.25，试确定参数K 和τ的取值。
题图3.2解：22()12(1)2KK K G s s s K s s s K τττ+==++++，所以2()(2)K s s K s K φτ=+++ 222n nK K ωωξτ⎧=⎪⎨=+⎪⎩又因为20.25ss K e K τ+== 解之得：31.6,0.186K τ==3-11.已知系统的结构图如题图3.3所示，其中()()r t t ε=，1()()d t t ε=，2()()d t t ε=。
试求：（1）在()r t 作用下系统的稳态误差；（2）在1()d t 和2()d t 同时作用下系统的稳态误差； （3）在1()d t 作用下，且()p K G s K s =+和1()F s Js=时，系统的稳态误差。
题图3.3解：（1）在()r t 作用下系统的稳态误差011lim 1()()1(0)(0)ssrs s e s G s F s G F →=⋅=++（2）212()()()()1()()()d G s H s E d D s G s G s H s -=⋅+0()11[1()]lim 1()()1()()1(0)(0)ssd s F s F s e s G s F s G s F s s G F →⎡⎤---+=⋅+⋅=⎢⎥+++⎣⎦（3）1(),()p K G s K F s s Js=+= 001()11lim lim 011()()1()ssds s pF s Js e s s KG s F s s sK s Js→→--=⋅⋅=⋅⋅=+++⋅。