第2章控制系统的数学模型习题答案

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《控制工程基础》课程作业习题(含解答)

第一章概论本章要求学生了解控制系统的基本概念、研究对象及任务，了解系统的信息传递、反馈和反馈控制的概念及控制系统的分类，开环控制与闭环控制的区别；闭环控制系统的基本原理和组成环节。

学会将简单系统原理图抽象成职能方块图。

例1 例图1-1a 为晶体管直流稳压电源电路图。

试画出其系统方块图。

例图1-1a 晶体管稳压电源电路图解：在抽象出闭环系统方块图时，首先要抓住比较点，搞清比较的是什么量；对于恒值系统，要明确基准是什么量；还应当清楚输入和输出量是什么。

对于本题，可画出方块图如例图1-1b。

例图1-1b 晶体管稳压电源方块图本题直流稳压电源的基准是稳压管的电压，输出电压通过R和4R分压后与稳压管的电3压U比较，如果输出电压偏高，则经3R和4R分压后电压也偏高，使与之相连的晶体管基极w电流增大，集电极电流随之增大，降在R两端的电压也相应增加，于是输出电压相应减小。

c反之，如果输出电压偏低，则通过类似的过程使输出电压增大，以达到稳压的作用。

例2 例图1-2a为一种简单液压系统工作原理图。

其中，X为输入位移，Y为输出位移，试画出该系统的职能方块图。

解：该系统是一种阀控液压油缸。

当阀向左移动时，高压油从左端进入动力油缸，推动动力活塞向右移动；当阀向右移动时，高压油则从右端进入动力油缸，推动动力活塞向左移动；当阀的位置居中时，动力活塞也就停止移动。

因此，阀的位移，即B点的位移是该系统的比较点。

当X向左时,B点亦向左，而高压油使Y向右，将B点拉回到原来的中点，堵住了高压油，Y的运动也随之停下；当X向右时,其运动完全类似，只是运动方向相反。

由此可画出如例图1-2b的职能方块图。

例图1-2a 简单液压系统例图1-2b 职能方块图1．在给出的几种答案里，选择出正确的答案。

（1）以同等精度元件组成的开环系统和闭环系统，其精度比较为_______ （A ）开环高；（B ）闭环高；（C ）相差不多；（D ）一样高。

（2）系统的输出信号对控制作用的影响（A ）开环有；（B ）闭环有； (C ）都没有；（D ）都有。

《控制理论CAI教程》答案

Δ
k
Pk Δk
而信号流程图的特征式Δ Δ=1-（所有不同回路的增益之和）
+（每两个互不接触回路增益乘积之和）
-（每三个互不接触回路增益乘积之和）
第二章控制系统的数学模型
2.7
1.初始条件为0时，H
(s)
=
s2
1 + 3s
+1
=
C(s) R(s)
现s2c(s) − sc(0) − c' (0) + 3sc(s) − 3c(0) + c(s) = R(s)
5−3 5 2
2.ess = 6
第二章控制系统的数学模型
习题练习
Z1
Uc1
C1
+
Ui
R1
_
L
+ i
R2 Uo Z2
Uc2
C2 _
(1) 列出系统的微分方程； (2) 确定其传递函数 (系统初值为零)
解：由基尔霍夫电压、电流定律的系统微分方程：
ui
=
uc1
+
L
di dt
+
R2i
+ uc2
i
=
C1
第二章控制系统的数学模型
2－2 （a） C
R
-
R
+ ui
R uo
ui + ui − uo = 0 R R+ 1
Cs
传递函数G = uo 而非 ui
ui
uo
第二章控制系统的数学模型
2－2 （b）
2R u3 2R
R ui R
C -
+
uo
ui + u3 = 0 R 2R

自动控制原理C作业(第二章)答案

4 3
0.1
图 3-1 二阶控制系统的单位阶跃响应
解在单位阶跃作用下响应的稳态值为 3，故此系统的增益不是 1，而是 3。系统模型为
(s)
s2
3
2 n
2n s
2 n
然后由响应的 p % 、 t p 及相应公式，即可换算出、 n 。
p%
c(t p ) c() c()
4
3
3
33%
t p 0.1（s）
P1 G1G2
1 1
P2 G2G4
2 1
因此，传递函数为
C(s) P11 P2 2
R(s)
G2G1 G4G2 1 G1G2G3
3
自动控制原理 C 习题答案（第二章）
2.4 用梅森公式求系统传递函数。
R(S)
－
_
＋ G1(s)
－ _
G2(s)
+ C(S)
+
图 2－4 解：单独回路 5 个，即
L1
1 R
1 C1S
1 R1C1S
11
1
L2
R2
C2S
R2C2 S
L3
1 C1S
1 R2
1 R2C1S
回路相互不接触的情况只有 L1 和 L2 两个回路。则
L12
L1L2
1 R1C1R2C2S 2
由上式可写出特征式为：
1
( L1
L2
L3 )
L1 L2
1
1 R1C1S
1 R2C2 S
1 R2C1S
1 R1C1R2C2S 2
益 K1 和速度反馈系数 Kt 。同时，确定在此 K1 和 Kt 数值下系统的延迟时间、上升时间和调节时间。

自控所有答案教材：《现代控制系统》(第八版)谢红卫等译高等教育出版社,2001.6

输入变量：电流
被测变量：功率
控制装置：微处理器
#
P1.7[解]
正反馈占优
时间误差
#
P1.11[解]
利用浮球保持水箱的液面高度，使得滴水孔的流水量均衡，从而使得液面高度与时间成线性关系，保持了水钟的准确度。
#
E2.4[解]
#
E2.5[解]
#
E2.8[解]
#
E2.26[解]
#
P2.7[解]
#
P2.8[解]
subplot(2,1,2),step([2,16],[1,6,16],t),
#
P5.4略
AP5.4略
E6.4[解]
令首列不变号的：
#
E6.6[解]
令s1列全为0得
由
#
P6.6[解]
略
#
AP6.3[解]
略
#
E7.1[解]
(a)>> rlocus([1,4,0] ,[1,2,2])
(b)
令
得：
(c)对应闭环极点（特征根）为
#
P9.2[解]
1)像点映射：
K=4;
num=[K];den =[1,1,4,0];
Gs=tf(num,den);nyquist(Gs);
2)围线与实轴负向的交点为：
令虚部为零得，
此时，频率特性函数的实部为：
所以，K的最大取值为 #
P9.4[解]略#
10.1、已知系统如下所示，，
试设计控制器Gc(s)，要求系统在单位阶跃输入下性能指标如下：
P180
E4.1、E4.4、P4.8
AP4.8
MP4.2
第五章反馈控制系统的性能
P235

第二章控制系统的数学模型习题及答案

第二章控制系统的数学模型习题及答案2-1 试建立下图所示各系统的微分方程。

其中电压)(t u r 和位移)(t x 为输入量；电压)(t u c 和位移)(t y 为输出量；R （电阻），C （电容），k （弹性系数），和f （阻尼系数），均为常数。

解：（a ）应用复数阻抗概念可写出)()(11)(11s U s I csR cs R s U c r ++= （1） 2)()(R s Uc s I =（2）联立式（1）、（2），可解得：CsR R R R Cs R R s U s U r c 212112)1()()(+++=微分方程为:r r c c u CR dt du u R CR R R dt du 121211+=++ （b ）如图解2-1(b)所示，取A,B 两点分别进行受力分析。

对A 点有 )()(111dtdydt dx f x x k -=- （1）对B 点有 y k dtdydt dx f 21)(=- （2）联立式（1）、（2）可得：dtdx k k k y k k f k k dt dy2112121)(+=++ 2-2 试证明下图所示的力学系统(a)和电路系统(b)是相似系统（即有相同形式的数学模型）。

解：(a) 取A 、B 两点分别进行受力分析，如图解所示。

对A 点有)()()(1122y y f y xf y x k -=-+- (1) 对B 点有1111)(y k y yf =- (2) 对式（1）、（2）分别取拉氏变换，消去中间变量1y ，整理后得)()(s X s Y = 21212121221212212121()1()1f f f fs s k k k k f f f f f s s k k k k k +++++++21221221221211221221k k s )k f k f k f (s f f k k s )k f k f (s f f +++++++= (b) 由图可写出sC R s U c 221)(+= sC R s C R sC R s U r 111112111)(+⋅++整理得)()(s U s U r c = 1)(1)(21221122121221122121+++++++s C R C R C R s C C R R s C R C R s C C R R 比较两系统的传递函数，如果设112211221,1,,,R k R k C f C f ====则两系统的传递函数相同，所以两系统是相似的。

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 m s 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。

第2章控制系统的数学模型参考答案

1.已知无源网络如题图2.1所示，其中i ()u t 为输入电压，o ()u t 为输出电压，试列写动态微分方程。

（a ）（b ）（c ）题图2.1 无源网络1.（a ）因为 12i i i =-，1i o u u u =-故 i o 1111o2i o 12d()d d d u u u i R R u i R u u ui C Ct t -⎧==⎪⎪⎪=⎨⎪⎪-==⎪⎩i o o i o 12d()d u u u u u CR R t--∴=- 整理得到o i 1212o 122i d d ()d d u uR R C R R u R R C R u t t++=+（b ）因为i o 1121d i uu i R u R i R i i t C -⎧=⎪⎪⎨⎪=++⎪⎩⎰整理得到o i 12o 2i d d ()d d u uR R C u R C u t t++=+（c ）因为i 1121o 1122o 1o 2()d d d d u u i i i i R u u i i C R t u L u u R t ⎧-=+=⎪⎪⎪⎪==⎨⎪⎪-=⎪⎪⎩得到oi 1112o 1o2()d d d d u u u u C R R t u L u u R t -⎧=+⎪⎪⎨⎪=+⎪⎩2o o oo o i 2111222d d d d d d u u u u u u L CL C R R R R t R t R t --=++ 整理得到2o o 11212o 2i 2d d ()()d d u uR LC R R C L R R u R u t t++++=2.试求题图2.2中各无源网络的传递函数。

)（a ）（b ）)C（c ）（d ）题图2.2 习题2的无源网络2. （a ）因为111111R Z R Cs R Cs ==+ 所以o 2122i 121212()()()U s R R R Cs R G s U s Z R R R Cs R R +===+++ （b ）因为11111111R Z R C s R C s ==+，22222211R C s Z R C s C s +=+= 所以o 211222i 121212112212()(1)(1)()()()1U s Z R C s R C s G s U s Z Z R R C C s R C R C R C s ++===+++++ （c ）因为()()()22122221111R Ls R Ls Cs Z R Ls Cs LCs R Cs R Ls Cs++=+==++++ 所以o 122i 1111212()()()()U s Z Ls R G s U s R Z R LCs R R C L s R R +===+++++ （d ）因为1212112111211()1R R C s R Z R R C s R C s R C s +=+=++，32232211R C s Z R C s C s+=+=所以2o 3121211213222i 121223131211212232()()()1()()()()1U s R R R C C s R C R C R C s Z G s U s Z Z R R R R R R C C s R C R C R C R C s +++++===++++++++ 3. 试求题图2.3中各有源网络的传递函数。

自动控制原理第2章练习题

第二章控制系统的数学模型习题及答案2-1 试建立图2-27所示各系统的微分方程。

其中外力)(t F ，位移)(t x 和电压)(t u r 为输入量；位移)(t y 和电压)(t u c 为输出量；k （弹性系数），f （阻尼系数），R （电阻），C （电容）和m （质量）均为常数。

解（a ）以平衡状态为基点，对质块m 进行受力分析（不再考虑重力影响），如图解2-1(a)所示。

根据牛顿定理可写出22)()(dty d m dt dy f t ky t F =-- 整理得)(1)()()(22t F m t y m k dt t dy m f dt t y d =++（b ）如图解2-1(b)所示，取A,B 两点分别进行受力分析。

对A 点有 )()(111dtdydt dx f x x k -=- （1）对B 点有 y k dtdydt dx f 21)(=- （2）联立式（1）、（2）可得：dtdx k k k y k k f k k dt dy2112121)(+=++(c) 应用复数阻抗概念可写出)()(11)(11s U s I cs R cs R s U c r ++= （3） 2)()(R s Uc s I = （4）联立式（3）、（4），可解得： CsR R R R Cs R R s U s U r c 212112)1()()(+++=微分方程为: r r c c u CR dt du u R CR R R dt du 121211+=++(d) 由图解2-1（d ）可写出[]Css I s I s I R s U c R R r 1)()()()(++= （5） )()(1)(s RI s RI Css I c R c -= （6） []Css I s I R s I s U c R c c 1)()()()(++= （7）联立式（5）、（6）、（7），消去中间变量)(s I C 和)(s I R ，可得：1312)()(222222++++=RCs s C R RCs s C R s U s U r c 微分方程为 r r r c c c u RC dt du CR dt du u R C dt du CR dt du 222222221213++=++2-2 试证明图2-28中所示的力学系统(a)和电路系统(b)是相似系统（即有相同形式的数学模型）。

自动控制原理简明教程第二章控制系统的数学模型习题答案

互不接触回路：L1L3 G1(S )G3 (S ) 2) 系统特征式
1 G1(S) G2 (S) G3(S) G3(S)G2 (S)G1(S)H (S)
G1(S)G2 (S)G3(S) G1(S)G3(S)
3) 前向通道
P1 G1(S )G2 (S )G3 (S ) 1 1
则： (S) C(S) G1G2G3
u(S)
1 SC2
[I1(S )
I2 (S)]
I2 (S )
1 R2
[u(S ) uc (S )]
1 uc (S ) ur (S ) SC1 I2 (S )
其中 R1, R2,C1,C2 为数值恒定的网络参数，要求。
1.以 ur (t) 为输入，uc (t) 为输出，依次选取 i1(t),
1 G1 G2 G3 G1G2G3 G1G2 G1G3 G2G3 G1G2G3
P1 G1G2G3
1 1
P2 G4G5
2 1 G1 G2 G1G2
P3 G4G3 3 1 G1
则：
(S) C(S) G1G2G3 G4G5 (1 G1 G2 G1G2 ) G4G3 (1 G1)
e(t) r(t) C(t)
d (t) m(t) C(t)
1) 绘制以求传递函数 C(S) R(S) 及E(S) R(S)
解：拉氏变换：
(S 3 6S 2 2S )C(S ) D(s) (S 1)E(S) 0.05M (S) E(S) R(S) C(S) D(S) M (S) C(S)
故选A
三.已知描述某电网络动态特性的微分方程组为：
ur (t) R1i1(t) u(t)
i1 (t )
i2 (t)
C2
d dt

控制系统数字仿真第二章习题答案

控制系统数字仿真与CAD第二章习题答案2-1 思考题：（1）数学模型的微分方程，状态方程，传递函数，零极点增益和部分分式五种形式，各有什么特点？（2）数学模型各种形式之间为什么要互相转换？（3）控制系统建模的基本方法有哪些？他们的区别和特点是什么？（4）控制系统计算机仿真中的“实现问题”是什么含意？（5）数值积分法的选用应遵循哪几条原则？答：（1）微分方程是直接描述系统输入和输出量之间的制约关系，是连续控制系统其他数学模型表达式的基础。

状态方程能够反映系统内部各状态之间的相互关系，适用于多输入多输出系统。

传递函数是零极点形式和部分分式形式的基础。

零极点增益形式可用于分析系统的稳定性和快速性。

利用部分分式形式可直接分析系统的动态过程。

（2）不同的控制系统的分析和设计方法，只适用于特定的数学模型形式。

（3）控制系统的建模方法大体有三种：机理模型法，统计模型法和混合模型法。

机理模型法就是对已知结构，参数的物理系统运用相应的物理定律或定理，经过合理的分析简化建立起来的各物理量间的关系。

该方法需要对系统的内部结构和特性完全的了解，精度高。

统计模型法是采用归纳的方法，根据系统实测的数据，运用统计规律和系统辨识等理论建立的系统模型。

该方法建立的数学模型受数据量不充分，数据精度不一致，数据处理方法的不完善，很难在精度上达到更高的要求。

混合法是上述两种方法的结合。

（4）“实现问题”就是根据建立的数学模型和精度，采用某种数值计算方法，将模型方程转换为适合在计算机上运行的公式和方程，通过计算来使之正确的反映系统各变量动态性能，得到可靠的仿真结果。

（5）数值积分法应该遵循的原则是在满足系统精度的前提下，提高数值运算的速度和并保证计算结果的稳定。

2-2.用matlab语言求下列系统的状态方程、传递函数、零极点增益、和部分分式形式的模型参数，并分别写出其相应的数学模型表达式：(1) G（s）=324327242410355024s s ss s s s+++++++(2).X=2.25 -5 -1.25 -0.542.25 -4.25 -1.25 -0.2520.25 -0.5 -1.25 -121.25 -1.75 -0.25 -0.75 0X⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦u y=[0 2 0 2] X（1）解：（1）状态方程模型参数:编写matlab程序如下>> num=[1 7 24 24];>> den=[1 10 35 50 24];>> [A B C D]=tf2ss(num,den)得到结果：A=-10 -35 -50 -241 0 0 00 1 0 00 0 1 0⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦,B=1⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦,C=[]1 7 24 24,D=[0]所以模型为:.X=-10 -35 -50 -241 0 0 00 1 0 00 0 1 0⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦X+1⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦u,y=[]1 7 24 24X(2)零极点增益:编写程序>> num=[1 7 24 24];>> den=[1 10 35 50 24];>> [Z P K]=tf2zp(num,den)得到结果Z= -2.7306 + 2.8531 , -2.7306 - 2.8531i ,-1.5388P= -4, -3 ,-2 ,-1K=1(3) 部分分式形式:编写程序>> num=[1 7 24 24];>> den=[1 10 35 50 24];>> [R P H]=residue(num,den)得到结果R= 4.0000 ,-6.0000, 2.0000, 1.0000P= -4.0000, -3.0000 , -2.0000 ,-1.0000 H=[]G(s)=46214321s s s s -+++++++（2）解：（1）传递函数模型参数：编写程序>> A=[2.25 -5 -1.25 -0.52.25 -4.25 -1.25 -0.250.25 -0.5 -1.25 -1 1.25 -1.75 -0.25 -0.75]；>> B=[4 2 2 0]'; >> C=[0 2 0 2];>> D=[0];>> [num den]=ss2tf(A,B,C,D)得到结果num = 0 4.0000 14.0000 22.0000 15.0000 den =1.0000 4.0000 6.2500 5.2500 2.2500324324 s + 14 s + 22 s + 15()s + 4 s + 6.25 s + 5.25 s + 2.25G s =(2) 零极点增益模型参数:编写程序>> A=[2.25 -5 -1.25 -0.52.25 -4.25 -1.25 -0.25 0.25 -0.5 -1.25 -1 1.25 -1.75 -0.25 -0.75]；>> B=[4 2 2 0]'; >> C=[0 2 0 2];>> D=[0];>> [Z,P,K]=ss2zp(A,B,C,D)得到结果Z =-1.0000 + 1.2247i -1.0000 - 1.2247i -1.5000P= -0.5000 + 0.8660i -0.5000 - 0.8660i -1.5000 -1.5000 K = 4.0000表达式 ()()()()()4s+1-1.2247i s+1+1.2247i ()s+0.5-0.866i s+0.5+0.866i s+1.5G s =（3）部分分式形式的模型参数：编写程序>> A=[2.25 -5 -1.25 -0.52.25 -4.25 -1.25 -0.25 0.25 -0.5 -1.25 -11.25 -1.75 -0.25 -0.75]；>> B=[4 2 2 0]'; >> C=[0 2 0 2];>> D=[0];>> [num den]=ss2tf(A,B,C,D)>> [R,P,H]=residue(num,den)得到结果R = 4.0000 -0.0000 0.0000 - 2.3094i 0.0000 + 2.3094iP = -1.5000 -1.5000 -0.5000 + 0.8660i -0.5000 - 0.8660i H =[]4 2.3094 2.3094() 1.50.50.8660.50.866i iG s s s i s i=-+++-++2-3.用欧拉法求下面系统的输出响应y(t)在0≤t ≤1上，h=0.1时的数值。

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缺点.解答：1开环系统(1) 优点:结构简单,成本低,工作稳定;用于系统输入信号及扰动作用能预先知道时,可得到满意的效果;(2) 缺点：不能自动调节被控量的偏差;因此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优点：不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量偏离给定值,都会产生控制作用去清除此偏差,所以控制精度较高;它是一种按偏差调节的控制系统;在实际中应用广泛;⑵缺点：主要缺点是被控量可能出现波动,严重时系统无法工作;1-2 什么叫反馈为什么闭环控制系统常采用负反馈试举例说明之;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馈;闭环控制系统常采用负反馈;由1-1中的描述的闭环系统的优点所证明;例如,一个温度控制系统通过热电阻或热电偶检测出当前炉子的温度,再与温度值相比较,去控制加热系统,以达到设定值;1-3 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型线性,非线性,定常,时变122()()()234()56()d y t dy t du t y t u t dt dt dt ++=+ 2()2()y t u t =+3()()2()4()dy t du t ty t u t dt dt +=+ 4()2()()sin dy t y t u t t dt ω+= 522()()()2()3()d y t dy t y t y t u t dt dt ++=62()()2()dy t y t u t dt +=7()()2()35()du t y t u t u t dtdt =++⎰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示意图,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一定的高度;试说明该系统的工作原理并画出其方框图;题1-4图水位自动控制系统解答：1 方框图如下：⑵工作原理：系统的控制是保持水箱水位高度不变;水箱是被控对象,水箱的水位是被控量,出水流量Q2的大小对应的水位高度是给定量;当水箱水位高于给定水位,通过浮子连杆机构使阀门关小,进入流量减小,水位降低,当水箱水位低于给定水位时,通过浮子连杆机构使流入管道中的阀门开大,进入流量增加,水位升高到给定水位;1-5 图1-5是液位系统的控制任务是保持液位高度不变;水箱是被控对象,水箱液位是被控量,电位器设定电压时表征液位的希望值Cr 是给定量;题1-5图液位自动控制系统解答:1 液位自动控制系统方框图：2当电位器电刷位于中点位置对应Ur 时,电动机不动,控制阀门有一定的开度,使水箱中流入水量与流出水量相等;从而液面保持在希望高度上;一旦流入水量或流出水量发生变化,例如当液面升高时,浮子位置也相应升高,通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移,从而给电动机提供一事实上的控制电压,驱动电动机通过减速器减小阀门开度,使进入水箱的液位流量减少;此时,水箱液面下降,浮子位置相应下降,直到电位器电刷回到中点位置,系统重新处于平衡状态,液面恢复给定高度;反之,若水箱液位下降,则系统会自动增大阀门开度,加大流入量,使液位升到给定的高度;1-6题图1-6是仓库大门自动控制系统的示意图,试说明该系统的工作原理,并画出其方框图;题1-6图仓库大门自动控制系统示意图解答：（1）仓库大门自动控制系统方框图：2工作原理：控制系统的控制任务是通过开门开关控制仓库大门的开启与关闭;开门开关或关门开关合上时,对应电位器上的电压,为给定电压,即给定量;仓库大门处于开启或关闭位置与检测电位器上的电压相对应,门的位置是被控量;当大门所处的位置对应电位器上的电压与开门或关门开关合上时对应电位器上的电压相同时,电动机不动,控制绞盘处于一定的位置,大门保持在希望的位置上,如果仓库大门原来处于关门位置,当开门开关合上时,关门开关对应打开,两个电位器的电位差通过放大器放大后控制电动机转动,电动机带动绞盘转动将仓库大门提升,直到仓库大门处于希望的开门位置,此时放大器的输入为0,放大器的输出也可能为0;电动机绞盘不动,大门保持在希望的开门位置不变;反之,则关闭仓库大门;1-7题图1-7是温湿度控制系统示意图;试说明该系统的工作原理,并画出其方框图;题1-7图温湿度控制系统示意图解答：1方框图：2被控对象为温度和湿度设定,控制任务是控制喷淋量的大小来控制湿度,通过控制蒸汽量的大小来控制温度;被控量为温度和湿度,设定温度和设定湿度为给定量;第二章控制系统的数学模型2-2 试求图示两极RC 网络的传递函数U c S ／U r S;该网络是否等效于两个RC 网络的串联解答：故所给网络与两个RC 网络的串联不等效;2-4 某可控硅整流器的输出电压U d =KU 2Φcos α式中K 为常数,U 2Φ为整流变压器副边相电压有效值,α为可控硅的控制角,设在α在α0附近作微小变化,试将U d 与α的线性化;解答：.202002020cos (sin )()...sin sin )d u ku ku ku ku φφφφαααααααα=--+∆=-⋅∆=-d d 线性化方程：u 即u （2-9系统的微分方程组为式中1T 、2T 、1K 、2K 、3K 均为正的常数,系统地输入量为()r t ,输出量为()c t ,试画出动态结构图,并求出传递函数()()C s R s ; 解答：2-12 简化图示的动态结构图,并求传递函数()()C s R s ; 解答：ab c d e2-13 简化图示动态结构图,并求传递函数()()C s R s ;解答： a bcde(d)f第三章时域分析法3-1 已知一阶系统的传递函数今欲采用负方馈的方法将过渡过程时间s t 减小为原来的倍,并保证总的放大倍数不变,试选择H K 和0K 的值;题3-1图解答：闭环传递函数：10()0.2110s s θ=+由结构图知：00010()10110()0.21()0.21101110HHh HK k G S k K s K G S s k S K θ+===+++++由00101011011010100.910H H H k k k k k ⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎧⎪⎨⎪⎩=++===3-2已知系统如题3-2图所示,试分析参数b 对输出阶跃过渡过程的影响;题3-2 图解答：系统的闭环传递函数为：由此可以得出：b 的大小影响一阶系统的时间常数,它越大,系统的时间常数越大,系统的调节时间,上升时间都会增大;3-3 设温度计可用1(1)Ts +描述其特性;现用温度计测量盛在容器内的水温,发现1分钟可指示98％的实际水温值;如果容器水温依10℃/min 的速度线性变化,问温度计的稳态指示误差是多少解答：本系统是个开环传递函数系统的闭环传递函数为：系统的传递函数：1()1G s Ts =+则题目的误差传递函数为：3-4 设一单位反馈系统的开环传递函数试分别求110K s -=和120K s -=时系统的阻尼比ζ、无阻尼自振频率n w 、单位阶跃响应的超调量p σ％和峰值时间p t ,并讨论K 的大小对动态性能的影响;解答：开环传递函数为3-8 设控制系统闭环传递函数试在s 平面上给出满足下列各要求的闭环特征根可能位于的区域： 1. 10.707,2n ζω>≥≥ 2. 0.50,42n ζω≥>≥≥ 3. 0.7070.5,2n ζω≥≥≤解答：欠阻尼二阶系统的特征根：1. 由0.7071,arccos ζβζ<<=,得045β︒︒<≤,由于对称关系,在实轴的下半部还有;2. 由00.5,arccos ζβζ<≤=,得6090β︒︒≤<,由于对称关系,在实轴的下半部还有;3. 由0.50.707,arccos ζβζ≤≤=,得出4560β︒︒≤≤,由于对称关系,在实轴的下半部还有;则闭环特征根可能位于的区域表示如下：1． 2． 3．3-10 设单位反馈系统开环传递函数分别为： 1.[]()(1)(0.21)G s K s s s =-+2. ()(1)[(1)(0.21)]G s K s s s s =+-+ 试确定使系统稳定的K 值;解答：1.系统的特征多项式为：()D s 中存在特征多项式中存在负项,所以K 无论取什么值,系统都不会稳定;2.系统的特征多项式为：32()0.20.8(1)D s s s k s k =++-+ 劳斯阵列为：3s k-12s k 0s k系统要稳定则有 0.60.800.80k k ⎧⎪⎨⎪⎩->>所以系统稳定的K 的范围为43k >3-14 已知单位反馈系统开环传递函数如下： 1.]()10(0.11)(0.51)G s s s =++2.2()7(1)(4)(22)G s s s s s s ⎡⎤=++++⎣⎦ 3.2()8(0.51)(0.11)G s s s s ⎡⎤=++⎣⎦ 解答:1.系统的闭环特征多项式为: 可以判定系统是稳定的.则对于零型系统来说,其静态误差系数为:那么当()1()r t t =时, 11111ss p e k ==+当()1()r t t t =⋅时, 1ss ve k ==∞当2()1()r t t t =⋅时, 2ss ae k ==∞2.系统的闭环特征多项式为: 可以用劳斯判据判定系统是稳定的. 则对于一型系统来说,其静态误差系数为:那么当()1()r t t =时, 11ss p e k ==∞+ 当()1()r t t t =⋅时,187ss v e k ==当2()1()r t t t =⋅时, 20ss ae k ==3.系统的闭环特征多项式为: 可以用劳斯判据判定系统是稳定的. 则对于零型系统来说,其静态误差系数为:那么当()1()r t t =时, 11ss p e k ==+ 当()1()r t t t =⋅时, 10ss v e k ==当2()1()r t t t =⋅时, 214ss a e k ==第四章根轨迹法4-2 已知单位反馈系统的开环传递函数,绘出当开环增益1K 变化时系统的根轨迹图,并加以简要说明;1.1()(1)(3)K G s s s s =++2.12()(4)(420)K G s s s s s =+++解答:1 开环极点： p1=0,p2=－1,p3=－3实轴上的根轨迹区间：－∞,－3,－1,0 渐进线：分离点：111013d d d ++=++解得d1、2=－,;d2=－不在根轨迹上,舍去; 与虚轴交点：特征方程321()430D s s s s K =+++= 将s =j ω代入后得解之得 ω= 112K =当 ∞<≤10K 时,按180相角条件绘制根轨迹如图4-21所示;2 开环极点：p1=0,p2=－4,p3、4=－2±j4实轴上的根轨迹区间：－4,0 渐进线：分离点：)8018368(2341++++-=s s s s K 由01=ds dK解得 s1、2=－2,624,3j s ±-= 分离点可由a 、b 、c 条件之一进行判定：a ．∠Gs 3=－129o+51o －90o+90o=－180o,满足相角条件；b ．100)80368()(62234313>=+++-=+-=j s s s s s s KK 1在变化范围 )0[∞→ 内；c ．由于开环极点对于σ=－2直线左右对称,就有闭环根轨迹必定也是对于σ=－2直线左右对称,故s3在根轨迹上;与虚轴交点：特征方程Routh 表s 4 1 36 K 1 s 3 8 80 s 2 26 K 1 s 80－8K1/26 s 0 K 1由 80－8k1/26=0和26s2+ k1=0,解得k1=260,102,1j s ±= ;当 ∞<≤10K 时,按180相角条件绘制根轨迹如图4－22所示;4-3 设单位反馈系统的开环传递函数为（1）试绘制系统根轨迹的大致图形,并对系统的稳定性进行分析;、（2）若增加一个零点1z =-,试问根轨迹有何变化,对系统的稳定性有何影响解答1 K 1>0时,根轨迹中的两个分支始终位于s 右半平面,系统不稳定；2 增加一个零点z=－1之后,根轨迹左移,根轨迹中的三个分支始终位于s 左半平面,系统稳定;4-4 设系统的开环传递函数为12(2)()()(2)K s G s H s s s s a +=++,绘制下列条件下的常规根轨迹;11a =； 2 1.185a = 33a =解答： 11=a实轴上的根轨迹区间：－∞,－1,－1,0 渐进线：分离点：22231+++-=s as s s K解得01=ds dK只取253+-=d ;与虚轴交点：特征方程022)(1123=++++=K s K as s s s D 令jw s =代入上式：得出与虚轴的交点系统的根轨迹如下图： 2185.1=a 零点为2-=z极点为0,43.01j p ±-=实轴上的根轨迹区间：－∞,－1,－1,0 渐进线：分离点：22231+++-=s as s s K解得01=ds dK特征方程022)(1123=++++=K s K as s s s D 令jw s =代入上式：得出与虚轴的交点系统的根轨迹如下图： 33=a 零点为2-=z极点为0,41.11j p ±-=实轴上的根轨迹区间：－∞,－1,－1,0 渐进线：分离点：22231+++-=s as s s K解得01=ds dK特征方程022)(1123=++++=K s K as s s s D 令jw s =代入上式：得出与虚轴的交点系统的根轨迹如下图：4-8 根据下列正反馈回路的开环传递函数,绘出其根轨迹的大致形状;1()()1()()12K G s H s s s =++ 2()()1()()12K G s H s s s s =++3()()()12()()13(4)K s G s H s s s s s +=+++解答：1 2 34-15 设单位反馈系统的开环传递函数为确定a 值,使根轨迹图分别具有：0、1、2个分离点,画出这三种情况的根轨迹;解答：首先求出分离点：分离点：321s s K s a +=-+ 解得2122(31)20()dK s a s as ds s a +++=-=+得出分离点1,2d =当119a <<时,上面的方程有一对共轭的复根当911<>a a 或时,上面的方程有两个不等的负实根当119a a ==或时,上面的方程有两个相等的实根1当1=a 时系统的根轨迹为：可以看出无分离点 ,故排除2当91=a 时系统的根轨迹为：可以看出系统由一个分离点 3当1>a 时比如3=a 时系统的根轨迹为：可以看出系统由无分离点 4当91<a 时比如201=a 时系统的根轨迹为：可以看出系统由两个分离点 5当191<<a 时比如21=a 时系统的根轨迹为：可以看出系统由无分离点第五章频域分析法5-1设单位反馈控制系统开环传递函4()1G s s =+,当将()sin(260)2cos(45)r t t t =+--作用于闭环系统时,求其稳态输出;解答：开环传递函数14)(+=s s G 闭环传递函数54)(+=Φs s闭环频率特性54)()()(+==Φωωωωαj e M j j当ω=2时,M2=,α2=；当ω=1时,M1=,α1=；则闭环系统的稳态输出：5-2 试求110()4G s s =+24()(21)G s s s =+3(1)()(1,)1K s G s K T Ts ττ+=>>+的实频特性()X ω、虚频特性()Y ω、幅频特性()A ω、相频特性()ϕω;解答：⑴4arctan 222216101610164016)4(10410)(wj e w w w j w w jw jw jw G -+=+-+=+-=+=则21640)(w w X +=,21610)(w ww Y +-=⑵)21arctan 180(2331444448)12(4)(wj ew w w w j w w w jw jw jw G ++=+-+-=+=则 w w w w X +-=348)( , w w w Y +-=344)(⑶)]arctan()[arctan(222222222111)(1)1(1)1()(wT w j e w T w k w T w T k j w T Tw k jTw w j k jw G -++=+-+++=++=τττττ则2221)1()(w T Tw k w X ++=τ,221)()(w T wT k w Y +-=τ 5-4 绘制下列传递函数的对数幅频渐近线和相频特性曲线;14()(21)(81)G s s s =++ 2()242()(0.4)(40)s G s s s +=++ 3228(0.1)()(1)(425)s G s s s s s s +=++++ 4210(0.4)()(0.1)s G s s s +=+解答：1转折频率为21,8121==w w2 3 45-10 设单位负反馈系统开环传递函数; 110()(0.51)(0.021)G s s s s =++,21()as G s s +=试确定使相角裕量等于45的α值; 2 3()(0.011)KG s s =+,试确定使相角裕量等于45的K 值;32()(100)KG s s s s =++,,试确定使幅值裕量为20dB 的开环增益K 值;解答：1由题意可得：解得： ⎩⎨⎧==84.019.1αc w2由题意可得：解得： ⎩⎨⎧==83.2100k w c3由题意可得：解得： ⎩⎨⎧==1010k w g5-13 设单位反馈系统开环传递函数试计算系统的相角裕量和幅值裕量;解答：由18002.0arctan 5.0arctan 90)(-=---=g g g w w w γ所以幅值裕量)(14dB h =故16102.0arctan 5.0arctan 90)(-=---=c c c w w w ϕ所以相角裕量19161180)(=-=c w γ系统的幅频特性曲线的渐近线：系统的幅相特性曲线：第六章控制系统的综合与校正6-1 试回答下列问题：1 进行校正的目的是什么为什么不能用改变系统开环增益的办法来实现答：进行校正的目的是达到性能指标;增大系统的开环增益在某些情况下可以改善系统的稳态性能,但是系统的动态性能将变坏,甚至有可能不稳定;2 什么情况下采用串联超前校正它为什么能改善系统的性能答：串联超前校正主要用于系统的稳态性能已符合要求,而动态性能有待改善的场合;串联超前校正是利用校正装置的相位超前特性来增加系统的橡胶稳定裕量,利用校正装置幅频特性曲线的正斜率段来增加系统的穿越频率,从而改善系统的平稳性和快速性;（3）什么情况下采用串联滞后校正它主要能改善系统哪方面的性能答：串联滞后校正主要是用于改善系统的稳态精度的场合,也可以用来提高系统的稳定性,但要以牺牲快速性为代价;滞后校正是利用其在高频段造成的幅值衰减,使系统的相位裕量增加,由于相位裕量的增加,使系统有裕量允许增加开环增益,从而改善稳态精度,同时高频幅值的衰减,使得系统的抗干扰能力得到提高;思考题：1. 串联校正装置为什么一般都安装在误差信号的后面,而不是系统股有部分的后面2. 如果1型系统在校正后希望成为2型系统,但又不影响其稳定性,应采用哪种校正规律6-3 设系统结构如图6-3图所示,其开环传递函数0()(1)KG s s s =+;若要求系统开环截至频率 4.4c ω≥rad/s,相角裕量045γ≥,在单位斜坡函数输入信号作用下,稳态误差0.1ss e ≤,试求无源超前网络参数;解答：1由10.1ss e K =≤可得：10K ≥,取10K =2原系统 3.16c ω= rad/s,017.6γ=,不能满足动态性能指标;3选' 4.4c ω=rad/s,由'0()10lg c L ωα=-即'21020lg10lg cαω=-可得:3.75α=那么0.12T == 无源超前校正网络：10.531()10.121c Ts s G s Ts s α++==++（4）可以得校正后系统的'51.8γ=,满足性能指标的要求;6-4 设单位反馈系统开环传递函数()()()010.51KG s s s s =++;要求采用串联滞后校正网络,使校正后系统的速度误差系数5(1)v K s =,相角裕量40γ≥;解答： ⑴由00lim ()v s K sG s K→==可得：5K =2 原系统 2.15c ω=,22.2γ=-不满足动态要求3 确定新的'c ω由''1804012(90arctan arctan 0.5)c c ωω-++=---可解得：'0.46c ω=⑷由020lg 20lg (')c b G j ω=-得：0.092b =取'111510cbT ω⎛⎫= ⎪⎝⎭='15c ω得：118T =校正网络为：1111()11181c Tbs s G s Ts s ++=≈++校正后系统的相角裕量'42γ=,故校正后的系统满足性能指标的要求;第七章非线性控制系统7-1 三个非线性系统的非线性环节一样,线性部分分别为1.2()(0.11)G s s s =+ 2.2()(1)G s s s =+ 3. 2(1.51)()(1)(0.11)s G s s s s +=++ 解答：用描述函数法分析非线性系统时,要求线性部分具有较好的低通滤波性能即是说低频信号容易通过,高频信号不容易通过; 从上图可以看出：系统2的分析准确度高;7-2 一个非线性系统,非线性环节是一个斜率1N -的饱和特性;当不考虑饱和因素时,闭环系统是稳定的;问该系统有没有可能产生自振荡解答：饱和特性的负倒描述函数如下：当1k =时,1()N A -曲线的起点为复平面上的(1,0)j -点; 对于最小相位系统有：闭环系统稳定说明系统的奈氏曲线在实轴(,1)-∞-段没有交点,因此,当存在1k =的饱和特性时,该系统不可能产生自激振荡7-4 判断图中各系统是否稳定,1()N A -与()G j ω的交点是否为自振点;图中P为()G s的右极点个数;解答：首先标出各图的稳定区用阴影部分表示abc da1N-曲线由稳定区穿入不稳定区,交点a是自激振荡点;b1N-曲线由稳定区穿入不稳定区,交点a是自激振荡点;c 交点,a c为自激振荡点,交点b不时自激振荡点;d 闭环系统不稳定;e 交点a不是自激振荡点;f 交点a是自激振荡点7-5 非线性系统如图所示,试确定其自振振幅和频率;题7-5图解答：由题可得下图：由1()()G j N A ω-=得1()()N A G j ω-=即：()()10*412j j j A ωωωπ++=- 320ωω-=得：ω=2403A ωπ-=-得：24020 2.1233A ππω===振幅为203π7-6非线性系统如图所示,试用描述函数法分析当10K =时,系统地稳定性,并求K 的临界稳定值;题7-6图解答：由题可得下图：K 的临界稳定值为：010653K == 所以,当06K <<时,()G j ω曲线不包围1()N A -曲线,系统闭环稳定;第八章线性离散系统8-1 求函数()x t 的Z 变换;1.()1at x t e -=- 2. ()sin x t t t ω=3. ()sin x t t t ω=4. 2()atx t t e -=解答：1. (1)()1(1)()aT aT aT z e z z X z z z e z z e ----=-=----2.2222(1)sin sin ()()2cos 1(2cos 1)Tz z T d z T X z Tz dz z z T z z T ωωωω-=-=-+-+Z 域微分定理3.22222(cos )cos ()2cos 12cos aT aT aT aT aT aT aTze ze T z ze T X z z e ze T z ze T e ωωωω-----==-+-+复数位移定理4.23(1)()4(1)aT aT aT Tze ze X z ze +=-复数位移定理8-2 已知()X s ,试求对应的()X z ;1.3()(1)(2)s X z s s +=++ 2.2()(1)s X z s s =+3.21()s X z s += 4. 21()(1)s e X z s s --=+解答：1. ()321()12(1)2s X s s s s s +==-++++ 2. 2111()1(1)(1)s X s s s s s s s ===-+++ 3. 22111()s X s s s s +==+4. ()()221111()111s s e X s e s s s s s --⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎣⎦-==--+++()1211(1)T T Tzz z X z z z z e z --⎛⎫⎡⎤⎪⎢⎥⎪⎢⎥⎣⎦⎝⎭=--+---()121(1)1(1)1()T T T T z z z e T T e z z e ----⎛⎫⎡⎤⎪⎢⎥ ⎪⎣⎦⎝⎭-+++-+=--负偏移定理8-3 已知()X z ,试求()X nT ;1. ()()()1012zX z z z =--2. ()()()20.80.1z X z z z =--3. ()2(1)1.250.25z z X z z z -=-+解答：1. ()()()1012zX z z z =--=10()21zz z z ---2. ()()()20.80.1z X z z z =--81770.80.1z zz z =---3.()2(1)1.250.25z zX zz z-=-+(1)(0.25)(1)z zz z-=--(0.25)zz=-8-6 已知系统的结构如图所示,1T s=,试求系统的闭环脉冲传递函数()zφ;解答：211111 ()*(1)1(1)TsTseG s es s ss s s--⎛⎫⎪⎪⎝⎭-==--+++思考题：1. 在单位阶跃输入作用下,试求上题所给系统的输出()c t;2. 系统结构如上题,试求当输入为()1()r t t=、t、2t时的稳态误差;。

【推荐】自动控制习题-参考答案

1
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

自动控制原理知识要点与习题解析第2章控制系统的数学模型数学模型有多种表现形式：传递函数、方框图、信号流图等。

；； )()()()(t e t c t n t r )()()()()()(s s s s s H s G en n e ΦΦΦΦ； P32 (自动控制原理p23)2-17P33解：(e)4232121123211)(G H G G H G G H G G G G s ++-+=Φ；P37 (p73)2-21 试绘制与题2-21图中系统方框图对应的信号流图，并用梅森增益公式求传递函数C (s )/R (s ) 和误差传递函数E (s )/R (s )注：P21(2) 依据系统方框图绘制信号流图首先确定信号流图中应画出的信号节点，再根据方框图表明的信号流向，用支路及相应的传输连接信号节点。

步骤如下，(a)系统的输入为源点，输出为阱点；(b)在方框图的主前向通路上选取信号节点，即相加点后的信号和有分支点的信号，两信号是同一个题2-21图系统方框图题2-1 7图控制系统方框图题2-17解图控制系统简化方框图信号时只作为一个节点；(c)其它通路上，仅反馈结构求和点后的信号选作节点； (d)最后，依据信号关系，用支路连接这些节点。

解：图(a)信号流图如题2-21解图(a)所示。

计算C (s )/R (s )和E (s )/R (s )过程中，关于回路和特征式的计算是完全相同，可统一计算。

回路111H G L -=，232H G L -=，213213H H G G G L -=；特征式 21312132123111H H G G H H G G G H G H G ++++=∆。

计算C (s )/R (s )：前向通路 3211G G G P =，342G G P =；特征子式 11=∆，1121H G +=∆；2131223111134321)1(1)1()()(H H G G G H G H G H G G G G G G s R s C ++++++=；计算E (s )/R (s )：前向通路 11=P ；21342H H G G P -=；特征子式 2311H G +=∆，12=∆；213122311213423)1(11)()(H H G G G H G H G H H G G H G s R s E ++++-+=；P38 (p73)2-22 试用梅森增益公式求题2-22图中各系统信号流图的传递函数)(/)(s R s C 。

自动控制原理答案黄坚习题详解汇总

⾃动控制原理答案黄坚习题详解汇总第⼆章⾃动控制系统的数学模型习题2-1 试建⽴图⽰电路的动态微分⽅程。

解：（a ）解法⼀：直接列微分⽅程组法-==+O i C O C C u u u R u R u dt du C 21i i O O u CR dt du u R CR R R dt du 121211+=++? 解法⼆：应⽤复数阻抗概念求)()(11)(11s U s I Cs R Cs R s U O i ++= （1） 2)()(R s U s I O = （2）联⽴式（1）、（2），可解得： Cs R R R R Cs R R s U s U i o 2 12112)1()()(+++= 微分⽅程为: i ioo u CR dt du u R CR R R dt du 121211+=++ （b ）解法⼀：直接列微分⽅程组法++=+===COC i O L C O L L L u R u dt du C R u u u u R u i dt di L u)(212 (a) (b) + u C -io o o u R u R R dt du C R R L dt u d LC R 22121221)()(=++++?解法⼆：应⽤复数阻抗概念求++=+=)(]1)()([)()()()(2122s U sC s U R s U R s U Ls R R s U s U CC O i OC)()()()()()(2212121s U R s U R R s sU C R R L s U LCs R io o o =++++? 拉⽒反变换可得系统微分⽅程：io o o u R u R R dt du C R R L dt u d LC R 22121221)()(=++++2-7 证明图⽰的机械系统(a)和电⽹络系统(b)是相似系统（即有相同形式的数学模型）。

解：(a)取A 、B 两点分别进⾏受⼒分析。

控制系统的数学模型习题及答案

控制系统的数学模型习题及答案控制系统的数学模型是研究和描述系统的一种数学工具。

通过建立系统的数学模型，可以更好地理解系统的行为，并设计出合适的控制策略。

下面是一些关于控制系统数学模型的习题及答案，帮助读者更好地理解和掌握这一知识点。

习题1：给定一个质量为m的物体，通过一个弹簧与墙壁相连。

弹簧的劲度系数为k，物体的阻尼系数为b。

建立该物体的数学模型，并分析其稳定性。

答案：根据牛顿第二定律，可以建立如下的微分方程来描述该系统：m * x'' + b * x' + k * x = 0其中，x表示物体的位移，x'表示位移的导数，x''表示位移的二阶导数。

该系统的稳定性可以通过判断其特征根的实部是否小于零来确定。

特征根是微分方程的解，可以通过特征方程来求解。

对于上述微分方程，特征方程为：m * s^2 + b * s + k = 0其中，s表示特征根。

如果特征方程的实部都小于零，那么系统是稳定的；如果特征方程存在实部大于零的根，那么系统是不稳定的。

习题2：一个控制系统由比例控制器和一个传递函数为G(s)的过程组成。

比例控制器的增益为Kp。

建立该控制系统的闭环传递函数，并确定系统的稳定性。

答案：该控制系统的闭环传递函数可以通过比例控制器的输出与过程的传递函数相乘得到。

闭环传递函数表示了系统输出与输入之间的关系。

闭环传递函数为：Gc(s) = Kp * G(s)系统的稳定性可以通过判断闭环传递函数的极点是否位于左半平面来确定。

极点是传递函数的零点，可以通过求解传递函数的特征方程来得到。

特征方程为：1 + Kp * G(s) = 0如果特征方程的极点都位于左半平面，那么系统是稳定的；如果特征方程存在极点位于右半平面，那么系统是不稳定的。

习题3：一个控制系统由比例控制器和一个传递函数为G(s)的过程组成。

比例控制器的增益为Kp。

系统的传递函数为：G(s) = 1 / (s^2 + 2s + 1)建立该控制系统的闭环传递函数，并确定系统的稳定性。

控制工程基础第2章答案.

第2章系统的数学模型(习题答案)2.1什么是系统的数学模型？常用的数学模型有哪些？解：数学模型就是根据系统运动过程的物理、化学等规律，所写出的描述系统运动规律、特性、输出与输入关系的数学表达式。

常用的数学模型有微分方程、传递函数、状态空间模型等。

2.2 什么是线性系统？其最重要的特性是什么？解：凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。

线性系统的一个最重要的特性就是它满足叠加原理。

2.3 图( 题2.3) 中三图分别表示了三个机械系统。

求出它们各自的微分方程, 图中x i表示输入位移, x o表示输出位移, 假设输出端无负载效应。

题图2.3解：①图(a)：由牛顿第二运动定律，在不计重力时，可得整理得将上式进行拉氏变换，并注意到运动由静止开始，即初始条件全部为零，可得[]于是传递函数为②图(b)：其上半部弹簧与阻尼器之间，取辅助点A，并设A点位移为x，方向朝下；而在其下半部工。

引出点处取为辅助点B。

则由弹簧力与阻尼力平衡的原则，从A和B两点可以分别列出如下原始方程：消去中间变量x，可得系统微分方程对上式取拉氏变换，并记其初始条件为零，得系统传递函数为③图(c)：以的引出点作为辅助点，根据力的平衡原则，可列出如下原始方程：移项整理得系统微分方程对上式进行拉氏变换，并注意到运动由静止开始，即则系统传递函数为2.4试建立下图（题图2.4）所示各系统的微分方程并说明这些微分方程之间有什么特点，其中电压)(t u r 和位移)(t x r 为输入量；电压)(t u c 和位移)(t x c 为输出量；1,k k 和2k 为弹簧弹性系数；f 为阻尼系数。

+-+-C)(t u r )(t u c )(t r )(t x c f1k 2k CR)(t u r )(u c +-+-f)(t r )(t x c )(a )(b )(c )(d R 2R题图2.4【解】：)(a方法一：设回路电流为i ，根据克希霍夫定律，可写出下列方程组：⎪⎩⎪⎨⎧=+=⎰i R u u dt i C u cc r 1消去中间变量，整理得：dtdu RC u dt du RCrc c =+方法二：dtdu RC u dt du RCRCs RCs CsR R s U s U rc c r c =+⇒+=+=11)()( 由于无质量，各受力点任何时刻均满足∑=0F ，则有：cc r kx dt dxdt dx f =-)(dtdx k f x dt dx k f rc c =+⇒()r r c c r c u dtduC R u dt du C R R Cs R R Cs R Cs R R CsR s U s U +=++⇒+++=+++=221212212)(1111)()( 设阻尼器输入位移为a x ，根据牛顿运动定律，可写出该系统运动方程r rc c aa c a r c r x dtdx k f x dt dx f k k k k dt dx f x x k x x k x x k +=++⇒⎪⎩⎪⎨⎧=--=-22121221)()()( 结论：)(a 、)(b 互为相似系统，)(c 、)(d 互为相似系统。

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第2章自动控制系统的数学模型2.1 学习要点1 控制系统数学模型的概念、描述形式与相互转换；2 物理系统数学模型的编写方法和步骤；3 非线性系统线性化的意义、适用性和具体方法；4 系统方框图等效变换原则与应用；5 信号流图等效变换与梅逊增益公式应。

2.2 思考与习题祥解题2.1思考与总结下述问题。

（1）我们学习的动态物理系统的数学模型有哪些形式？（2）非线性系统线性化的意义、适用性和具体方法。

（3）传递函数的意义、作用和性质；与微分方程模型相比，这种模型有何优点？答：（1）自动控制系统的数学模型指的是描述系统运动特性的数学描述。

我们学习的动态物理系统的数学模型有微分方程、传递函数和频率特性等表达式描述形式，还有方框图和信号流图等图形化描述形式。

（2）实际系统中变量之间的关系都或多或少地具有某种非线性特性。

由于求解非线性微分方程比较困难，因此提出了线性化问题。

如果控制系统的工作状态是在工作点的一个小偏差范围内变化，就可以用一条过工作点的切线代替工作曲线在这个小偏差范围内的变化关系，这样，就把非线性特性线性化了。

应用线性化的数学模型就可以简化系统分析和设计的过程，虽然这是一种近似的处理方法，但却很有实际意义。

只要这样做所造成的误差在允许范围内，不会对控制系统的分析和设计造成本质影响，就可以进行非线性系统线性化。

具体方法是：对任意函数，在某一点（工作点）处对函数进行泰勒级数展开，忽略二阶以上高次项，就可以得到线性化的函数关系。

（3）系统输入和输出在零初始条件下拉氏变换的比)(s G 称为系统的传递函数。

传递函数表示了系统输入输出之间的关系，是控制系统的一种数学模型，可以直接从微分方程导出。

传递函数只与系统结构与参数有关，与外部输入无关，传递函数反映了系统的结构特征和参数特性。

由于传递函数是以复数s 为变量，避免了许多求解微分方程的麻烦。

因此，经典控制论中更常用传递函数这种数学模型形式对控制系统进行分析和设计。

题2.2 试建立题2.2图所示各系统的微分方程。

)(t)t )t(t))(a )(b )(c )(d题2.2图解：（a ）以平衡状态为基点，对质块m 进行受力分析（不考虑重力影响），根据牛顿定理可写出22)()(dty d m dt dy f t ky t F =-- 整理得)(1)()()(22t F m t y m k dt t dy m f dtt y d =++（b ）如图解2-1(b)所示，取A,B 两点分别进行受力分析。

对A 点有)()(111dtdydt dx f x x k -=- （1）对B 点有y k dtdydt dx f 21)(=- （2）联立式（1）、（2）可得：dtdx k k k y k k f k k dt dy2112121)(+=++ (c) 应用复数阻抗概念可写出)()(11)(11s U s I cs R cs R s U c r ++= （3） 2)()(R s Uc s I = （4）联立式（3）、（4），可解得： CsR R R R Cs R R s U s U r c 212112)1()()(+++=微分方程为:r r c c u CR dt du u R CR R R dt du 121211+=++ (d) 由图解2.2（d ）可写出[]Css I s I s I R s U c R R r 1)()()()(++= （5）)()(1)(s RI s RI Css I c R c -= （6）[]Css I s I R s I s U c R c c 1)()()()(++= （7）联立式（5）、（6）、（7），消去中间变量)(s I C 和)(s I R ，可得： 1312)()(222222++++=RCs s C R RCs s C R s U s U r c 微分方程为 r r r c c c u RC dt du CR dt du u R C dt du CR dt du 222222221213++=++题2.3 试证明题2.3图中所示的力学系统(a)和电路系统(b)是相似系统（即有相同形式的数学模型）。

2k )))(t )(a )(b题2.3图解(a) 取A 、B 两点分别进行受力分析，如图解 (a)所示。

对A 点有)()()(1122y y f y xf y x k -=-+- (1) 对B 点有1111)(y k y yf =- (2) 对式（1）、（2）分别取拉氏变换，消去中间变量1y ，整理后得)()(s X s Y = 21212121221212212121()1()1f f f fs s k k k k f f f f f s s k k k k k +++++++(b) 由图可写出sC R s U c 221)(+=sC R s C R sC R s U r 111112111)(+⋅++整理得)()(s U s U r c = 1)(1)(21221122121221122121+++++++s C R C R C R s C C R R s C R C R s C C R R 比较两系统的传递函数，如果设112211221,1,,,R k R k C f C f ====则两系统的传递函数相同，所以两系统是相似的。

题2.4 假设某容器的液位高度h 与液体流入量r Q 满足方程r Q Sh S dt dh 1=+α，式中S 为液位容器的横截面积，α为常数。

若h 与r Q 在其工作点),(00h Q r 附近做微量变化，试导出h ∆关于r Q ∆的线性化方程。

解将h 在0h 处展开为泰勒级数并取一次近似h h h h dt h d h h h ∆⋅+=∆⋅+=00021|0 （1）代入原方程可得)(1)21()(0000r r Q Q S h h h S dt h h d ∆+=∆⋅++∆+α （2）在平衡工作点处系统满足000r Q h dtdh =+α （3）式（2），（3）相减可得h ∆的线性化方程r Q h h dt h d S ∆=∆+∆02α题2.5 试求题2.5图所示各信号)(t x 的象函数)(s X 。

a c1232T T题2.5图解：（a ）)(2)(0t t t x -+=∴)(s X = s t e ss 0212-+（b ）)())(())(()(321t t c t t c b t t a b a t x -------+=∴ )(s X = ])()([1321s t s t s t ce e c b e a b a s -------+（c ）)(t x = )(4)2(4)2(442222T t T T t T T t Tt T -+----∴ )21(4)(222Ts s Te esT s X --+-= 题2.6 求下列各拉氏变换式的原函数。

(1) 1)(-=-s e s X s(2) )3()2(1)(3++=s s s s X (3) )22(1)(2+++=s s s s s X 解：(1) 1)(-=t e t x (2) 原式＝)3(31241)2(83)2(41)2(2123++++-+++-s s s s s∴x （t ）＝ 24131834432222++-+-----t t t t e e e t e t (3) 原式＝1)1(1211)1(12121222121222++⋅++++⋅-=++-s s s s s s ss ∴)(t x ＝ )cos (sin 2121t t e t -+-题2.7 已知系统传递函数232)()(2++=s s s R s C ，且初始条件为1)0(-=c ，0)0(=c，试求系统在输入)(1)(t t r =作用下的输出)(t c 。

解：单位阶跃输入时，有ss R 1)(=，依题意s s s s s s s s C 1)2)(1(2311221)(⋅+++=+++-= ∴ )2)(1(23)()()(+++==s s s s R s C s G []t t e e s s L s G L t k -----=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++-==21142411)()( 题2.8 求题2.8图所示各有源网络的传递函数)()(s U s U r c 。

))(a )(b )(c 题2.8图解：(a) 根据运算放大器 “虚地”概念，可写出12)()(R Rs U s U r c -=(b) 22112211111122)1)(1(111)()(s C C R s C R s C R s C R s C R s C R s U s U r c ++-=+⋅+-=(c) )1(11)()(212122Cs R R R R Cs R Cs R s U s U r c +-=+⋅-= 题2.9 某位置随动系统原理框图如题2.9图所示，已知电位器最大工作角度m Q ＝3300，功率放大器放大系数为3k 。

（1）分别求出电位器的传递函数0k ，第一级和第二级放大器的放大系数1k ，2k ；（2）画出系统的结构图；（3）求系统的闭环传递函数)()(s Q s Q r c 。

+题2.9图解：(1) 电位器的传递函数ππ1118018033030000=⨯==m Q E K根据运算放大器的特性，可分别写出两级放大器的放大系数为310101030331-=⨯⨯-=K ， 210101020332-=⨯⨯-=K (2) 可画出系统结构如图2.1所示：图2.1 题2.9系统结构图(3) )1(11)1()()(3210323210+++++=s T s K K K K K s T K K K K s T s K K K K K s Q s Q m mm t m m mr c11132103223210+++=s K K K K K K K K K s K K K K K T mtm m m题2.10 已知系统方程组如下：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-=-=--=)()()()()]()()([)()]()()()[()()()]()()[()()()(3435233612287111s X s G s C s G s G s C s X s X s X s G s X s G s X s C s G s G s G s R s G s X 试绘制系统结构图，并求闭环传递函数)()(s R s C 。