《自动控制理论 第3版》习题参考答案 第二章 2-1 (a) ()()1 1 2 12 11212212122112+++?+=+++=CS R R R R CS R R R R R R CS R R R CS R R s U s U (b) ()()1 )(1 2221112212121++++= s C R C R C R s C C R R s U s U 2-2 (a) ()()RCs RCs s U s U 112+= (b) ()()1 4 1112+?-=Cs R R R s U s U (c) ()()??? ??+-=141112Cs R R R s U s U 2-3 设激磁磁通f f i K =φ恒定 ()()()? ? ? ???++++=Θφφπφm e a a a a m a C C f R s J R f L Js L s C s U s 2602 2-4 ()() ()φ φφπφ m A m e a a a a m A C K s C C f R i s J R f L i Js iL C K s R s C +?? ? ??++++= 26023 2-5 ()2.0084.01019.23-=?--d d u i 2-8 (a) ()()()()3113211G H G G G G s R s C +++= (b) ()()()()() 31243212143211H G H G G G H G G G G G G s R s C +++++= 2-9 框图化简中间结果如图A-2-1所示。 0.7 C(s) + + _ R(s) 1 13.02++s s s 22.116.0+Ks + 图A-2-1 题2-9框图化简中间结果 ()()()()52 .042.018.17.09.042 .07.023 ++++++=s k s k s s s R s C 2-10 ()()42 32121123211G H G G H G G H G G G G s R s C ++-+= 2-11 系统信号流程图如图A-2-2所示。
4-1 绘制具有下列开环传递函数的负反馈系统的根轨迹 1、()()()() 54* ++=s s s K s H s G 解：（1）3个开环极点为：p 1=0，p 2=-4，p 3=-5。 （2）实轴上的根轨迹（-4，0），（-∞，-5） （3）3030 54011 -=----= --= ∑∑==m n z p n i m j j i σ ()() ,,3 3 1212ππ π π ?±± =+= -+= k m n k a (4) 分离点： 1110d 45 d d ++=++ d=-1.47, d=-4.53(舍) （5）与虚轴的交点： 在交点处，s=j ω，同时也是闭环系统的特征根，必然符合闭环特征方程，于是有： () 020******** =++--=+++*=* K j j K s s s j s ωωωω 整理得： 0203 =-ωω；092 =-* ωK 解得01=ω；203,2±=ω；18092 ==* ωK 最后，根据以上数据精确地画出根轨迹。 2、()()()() 11.02 *++=s s s K s H s G 解：（1）开环极点有3个，分别为：p 1=p 2=-0，p 3=-1，开环零点为z=-0.1 （2）实轴上的根轨迹为：[-1 -0.1] (3) 渐进线有两条， 45.01 31 .010011 -=-+--=--=∑∑==m n z p n i m j j i σ ()() ,2 3,2 1 31212ππ π π ?± ± =-+= -+= k m n k a (4) 分离点： 1111d 10.1 d d d ++=++ d=0, d=--0.4(舍), d=0.25(舍 )
S ] 2, s 2 4 2j ，因此，有 3条根轨迹趋于无穷远，其渐近线倾角为 F 面确定根轨迹的分离点和汇合点 D(s) s(0.05s 2 0.4s 1) K 0 10 3 题 4-1 j A (b) (c) 题4-2 解： 由开环传 递函数容易得到 3,m 0 个极点分别为 (2k 1) 3 5 3 ，渐近线与实轴交点为 n m (P l ) ( Z i ) 11 i 1 ________ A n m Pl 0, P 2 4 2j, P 3 dK 。 0.15s 2 0.8s 1 0
计算根轨迹的出射角与入射角 8 0 $ 2齐2年（舍去）
8 0 $ 2 齐 2年（舍去） P3 p2 63.4° 确定根轨迹与虚轴的交点 由开环传递函数容易得到 n 3,m 0 ,三个极点分别为 p, 0, P 2 2, P 3 4 ，因 令s j ,特征方程D(s) 0.4 2 K 0 0 0.05 3 0.05 2 0.4j 1) K 。 2.5 8 K o K 。 0或 题4-5 解: 此，有3条根轨迹趋于无穷远, 其渐近线倾角为 (2k 1) 3 3,詈，渐近线与实轴 n m (P l ) 交占为 d---------------------- 」 n m (Z i ) 2。 F 面确定根轨迹的分离点和汇合点 D(s) s(s 2)(s 4) 坐 3s 2 12s ds K 。 0 确定根轨迹与虚轴的交点 p2 ( arcta n 63.4°
题4-6 令s j ,特征方程D(s) j (j 2)( j 4) K o 3.1 P ci 要产生阻尼振荡，需要 0且 0。当s. 2、孑3 2 时，K 0 =3.08，所以，当 3 K o 48时，系统呈阻尼振荡。 当K o 48时，系统产生持续等幅振荡，振荡频率为 2,2 =0.5 arccos 0.5 过 s 平面原点，与实轴负方向夹角为 60作射线，与根轨迹 60° 交占 八、、 即为主导 极点 。由图知，主 导极点为 0.7 ji.2 。 又 P c2 P c3 P i P 2 P 3 6 P c3 4.6 所以仲％ K o 2)*( 7.176 4.6 4) K 0 解: (1)由开环传递函数容易得到n 3,m 1 , 三个极点 和一个零点分别为
1-13 对自动控制系统基本的性能要求是什么？最主要的要求是什么？并叙述其内容。 答：稳定性；快速性；准确性。 最主要的要求是稳定性。(叙述其内容在书上第六页。) 1-8 一晶体管稳压电源如图1-3所示。试画出其方框图，说明该电路的工作原理，并说明在该电路图中哪些元件起测量﹑放大﹑执行的作用，以及系统的干扰量和给定量是 什么？ 1-3晶体管稳压电路 答： 是给定量 是放大 是执行 是测量 BG1 BG2 R 1 R 2 BG2 BG1 U sr U w
因为：(当输出电压Usc 下降的时候，通过R1 、R2组成的分压电路的作 用，BG2 的基极电位Ub2也下降了。由于基准电压UW 使BG2 的发射极电位保持不变，Ubc2 ＝Ub2一UW 随之减小。于是BG2 集电极电流Ic2减小，Uc2增高，即BG1 的基极电位Ub1增高，使Icl 增加，管压降Uce1减小，从而导致输出电压Usc ＝Usr 一Uce1保持基本稳定。BG2 的放大倍数越大，调整作用就越强，输出电压就越稳定。如果输出电压Usc 增高时，同样道理，又会通过反馈作用使Usc 减小，保持输出电压基本不变。 ) 方框图如下： 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。 电动机 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1Q 来自由电机控制开度的进水阀门，出水量2Q 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AB U 反映希望水位的偏差。当实际低于希望水位时，0AB U >。通过放大器驱动电动机转动，开大进水阀门，使进水量1Q 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，0AB U =，电动机停止转动，进水阀门开度不变，这时进水量1Q 和出水量2Q 达到平衡位置。若实际水位高于 希望水位，0AB U <，则电动机使进水阀门关小，使进水量减少，实际水位下降。 （5分） 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2Q
(a) (b) (c) (d) (e) (f) 题4-2 解： 由开环传递函数容易得到 3,0n m ==，三个极点分别为1230,42,42p p j p j ==- +=--，因此，有3条根轨迹趋于无穷远，其渐近线倾角为(21)5,, 333 k πππ θπ+= =，渐近线与实轴交点为1 1 ()() 8 3 n m l i l i A p z n m σ==----= =--∑∑。 下面确定根轨迹的分离点和汇合点 2020 12()(0.050.41)00.150.81010 2,3D s s s s K dK s s ds s s =+++=? =---=?=-=- 计算根轨迹的出射角与入射角 2322(arctan())63.4 4 2 63.4 p p p π θππθθ=---=-=-= 确定根轨迹与虚轴的交点
202 03 00,()(0.050.41)0 0.400080.050s j D s j j K K K K ωωωωωωωωω==-+++=??-+==?=±???????==-+=????? 令特征方程或 σ 题4-5 解： 由开环传递函数容易得到3,0n m ==，三个极点分别为1230,2,4p p p -=-=--=-，因此，有3条根轨迹趋于无穷远，其渐近线倾角为(21)5,, 333 k π ππ θπ+= =，渐近线与实轴交点为1 1 ()() 2n m l i l i A p z n m σ==----= =--∑∑。 下面确定根轨迹的分离点和汇合点 确定根轨迹与虚轴的交点 02 0300,()(2)(4)0 60004880 s j D s j j j K K K K ωωωωωωωωω==+++=??-+==?=±??????? ==-+=?????令特征方程或 020 12()(2)(4)0312802,233 D s s s s K dK s s ds s s =+++=? =---=?=-+ =--（舍去）
《自动控制理论 （夏德钤）》习题答案详解 第二章 2-1 试求图2-T-1所示RC 网络的传递函数。 (a)111 11111+=+? =Cs R R Cs R Cs R z ，22R z =，则传递函数为： (b) 设流过1C 、2C 的电流分别为1I 、2I ，根据电路图列出电压方程： 并且有 联立三式可消去)(1s I 与)(2s I ，则传递函数为： 2-2 假设图2-T-2的运算放大器均为理想放大器，试写出以i u 为输入，o u 为输出的传递函数。 (a)由运算放大器虚短、虚断特性可知：dt du C dt du C R u i i 0+-=，0u u u i c -=， 对上式进行拉氏变换得到 故传递函数为 (b)由运放虚短、虚断特性有：02 2=-+--R u R u u dt du C c c i c ，0210=+R u R u c ， 联立两式消去c u 得到 对该式进行拉氏变换得 故此传递函数为 (c)02/2/110=+-+R u R u u dt du C c c c ，且2 1R u R u c i -=，联立两式可消去c u 得到 对该式进行拉氏变换得到 故此传递函数为 2-3 试求图2-T-3中以电枢电压a u 为输入量，以电动机的转角θ为输出量的微分方程式和传递函数。 解：设激磁磁通f f i K =φ 恒定 2-4 一位置随动系统的原理图如图2-T-4所示。电动机通过传动链带动负载及电位器的滑动触点一起移动，用电位器检测负载运动的位移，图中以c 表示电位器滑动触点的位置。另一电位器用来给定负载运动的位移，此电位器的滑动触点的位置（图中以r 表示）即为该随动系统的参考输入。两电位器滑动触点间的电压差e u 即是无惯性放大器（放大系数为a K ）的输入，放大器向直流电动机M 供电，电枢电压为u ，电流为I 。电动机的角位移为θ。
第一章自动控制系统概述 1、组成自动控制系统的基本元件或装置有哪些？各环节的作用？ 控制系统是由控制对象和控制装置组成，控制装置包括：(1) 给定环节给出与期望的输出相对应的系统输入量。(2) 测量变送环节用来检测被控量的实际值，测量变送环节一般也称为反馈环节。(3) 比较环节其作用是把测量元件检测到的实际输出值与给定环节给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。(4) 放大变换环节将比较微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。(5) 执行环节直接推动被控对象，使其被控量发生变化。常见的执行元件有阀门，伺服电动机等。 2、什么是被控对象、被控量、控制量、给定量、干扰量？举例说明。 被控对象指需要给以控制的机器、设备或生产过程。被控量指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量，被控量又称输出量、输出信号。控制量也称操纵量，是一种由控制器改变的量值或状态，它将影响被控量的值。给定值是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据的物理量。给定值又称输入信号、输入指令、参考输入。除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是干扰，干扰又称扰动。比如一个水箱液位控制系统，其控制对象为水箱，被控量为水箱的水位，给定量是水箱的期望水位。 3、自动控制系统的控制方式有哪些？ 自动控制系统的控制方式有开环控制、闭环控制与复合控制。 4、什么是闭环控制、复合控制？与开环控制有什么不同？ 若系统的输出量不返送到系统的输入端（只有输入到输出的前向通道），则称这类系统为开环控制系统。在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控制作用，若能取自被控量的反馈信息（有输出到输入的反馈通道），即根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，这种控制原理被称为反馈控制原理。复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式，既有前馈通道，又有反馈通道。 5、自动控制系统的分类（按元件特性分、按输入信号的变化规律、按系统传输信号的性质）？ 按系统输入信号的时间特性进行分类，可分为恒值控制系统和随动系统。控制系统按其结构可分为开环控制、闭环控制与复合控制等。按元件特性分为线性系统和非线性系统。按系统传输信号的性质来分连续系统离散系统。 6、什么是恒值控制系统？什么是随动控制系统（伺服控制系统）？ 恒值控制系统的输入信号是一个恒定的数值。随动控制系统参考输入量是预先未知的随时间任意变化的函数。 7、什么是连续系统？什么是线性系统？ 系统各部分的信号都是模拟信号的系统叫连续函数。组成系统的元件的特性均为线性的系统叫线性系统。 8、对控制系统的要求可以概括为哪几个字？如何理解？ 对控制系统的要求可以概括为稳、快、准。稳是指稳定性，稳定是自动控制系统最基本的要求，不稳定的控制系统是不能工作的。快是指快速性，在系统稳定的前提下，希望控制过程（过渡过程）进行得越快越好。准是指准确性，即要求动态误差（偏差）和稳态误差（偏差）都越小越好。
自动控制理论复习题 一、名词解释：1、频率响应 2、反馈 3、稳态误差4、最大超调量 5、单位阶跃响应6、相位裕量7、滞后一超前校正；8、稳态响应；9、频率特性；10、调整时间；11、峰值时间；12、截止频率；13、谐振峰值；14、谐振频率15、幅值穿越频率；16、相位穿越频率；17、幅值裕量；18、自动控制、19、状态变量、20、零阶保持器 二、分别建立图示系统的微分方程，求传递函数，并说出图（c ）,(d)属于何种 较正网络。 图中)(t x i ，)(0t x 为输入、输出位移；)(t u i ，)(0t u 为输入、输出电压。 三、已知系统方框图如下，求传递函数 ) (,)(,)(000s X s X s X ) (a )(b )t ) t ) (c ) (t x i 1 ) (0t x ) (d ) (0s ) (b X i ) s X i ) s
四、已知系统的开环的幅相特性（Nyguist ）如图所示，图中P 为开环传递函数G(s)H(s) 五、计算 1、设某二阶系统的单位阶跃响应曲线如图所示，如果该系统为单位反馈型式， 试确定其开环传递函数。 2、某系统如图所示，n p t 调整时间 s t 。（设误差带宽度取± 2％ ） )(c ) (a ) )(a ) (b ) )
六、已知系统的开环传递函数)()(s H s G 的幅频特性曲线如图示，且)()(s H s G 为最小相位系统。试求)()(s H s G = ？ 七、某系统的开环传递函数为 ) 12() 1()()(-+= s s s K s H s G ，试画出其乃奎斯特图，并说明当K 取何值时系统稳定？ 八、已知系统闭环传递函数为) )() (01221101a s a s a s a s a a s a s X s X n n n n i +++???+++=-- 试证明系统对速度输入的稳态误差为零。 十、判断正误 1、各项时域指标（最大超调量，调整时间等）是在斜坡信号作用下定义的。 2、对于结构不稳定系统，可以通过改变某些系统结构参数而使其稳定。 3、对于最小相位系统，增益裕量和幅值裕量为正的系统是稳定的。 4、增加系统开环传递函数中积分环节数目有利于系统稳定,有利于提高系统稳态精度。 5、系统的传递函数是输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比，所以与输入信号有关。 6、稳态误差的大小与系统型号无关。 7、在一个系统中，若K 某些值时，系统稳定。则系统为条件稳定系统。 8、在波德图上，“O ”型与“I ”型系统的幅频特性的低频段斜率不同。 9、右半平面既无零点又无极点的传递函数对应的系统为最小相位系统。 10、相位超前较正有利于提高系统的快速性。 11、在[S]平面上，系统的闭环极点离虚轴越远，则其对应的时间响应分量衰减越快。 12、扰动信号作用下的稳态误差是否为零与其作用点之后积分环节的多少有关。 十一、试求图示系统的稳态误差。 )(s G c 可为比例、比例加 积分或比例加 积分加微分控制器，具体 参数自己假定。 ω ω ω X ) (s
自动控制理论(二) 第五章测试题 一、单项选择题(每小题2分) 1、系统特征方程式的所有根均在根平面的左半部分是系统稳定的( ) A.充分条件 B.必要条件 C.充分必要条件 D.以上都不是 2、下列判别系统稳定性的方法中，哪一个是在频域里判别系统稳定性的判据（ ） A.劳斯判据 B.赫尔维茨判据 C.奈奎斯特判据 D.根轨迹法 3、设单位负反馈系统的开环传函为G(s)= 3 )1s (22+，那么它的相位裕量γ的值为 （ ） A.15o B.60o C.30o D.45o 4、 系统稳定的充分必要条件是其特征方程式的所有根均在根平面的( ) A. 实轴上 B. 虚轴上 C. 左半部分 D. 右半部分 5、下列频域性能指标中，反映闭环频域性能指标的是( ) A.谐振峰值M r B.相位裕量γ C.增益裕量K g D.剪切频率ωc 6、在经典控制理论中，临界稳定被认为是( ) A.稳定 B.BIBO 稳定 C.渐近稳定 D.不稳定 7、奈奎斯特稳定性判据是利用系统的( )来判据闭环系统稳定性的一个判别准则。 A.开环幅值频率特性 B.开环相角频率特性 C.开环幅相频率特性 D.闭环幅相频率特性 8、系统的开环传递函数由 1)s(s K +变为2) 1)(s s(s K ++，则新系统( )。 A.稳定性变好 B.稳定性变坏 C.稳定性不变 D.相对稳定性变好 9、利用奈奎斯特图可以分析闭环控制系统的（ ） A.稳态性能 B.动态性能 C.稳态和动态性能 D.抗扰性能 10、设单位负反馈控制系统的开环传递函数G o (s)=) a s (s K +，其中K>0,a>0，则闭 环控制系统的稳定性与（ ） A.K 值的大小有关 B.a 值的大小有关 C.a 和K 值的大小有关 D.a 和K 值的大小无关 11、已知系统的特征方程为(s+1)(s+2)(s+3)=s+4，则此系统的稳定性为（ ） A ．稳定 B ．临界稳定 C ．不稳定 D ．无法判断
(a) (b) (d) (e) (f) 题4-2 解： 由开环传递函数容易得到3,0n m ==，三个极点分别为1230,42,42p p j p j ==-+=--，因此，有3条根轨迹趋于无穷远，其渐近线倾角为(21)5,,333 k πππ θπ+= =，渐近线与实轴交点为1 1 ()() 8 3 n m l i l i A p z n m σ==----= =--∑∑。 下面确定根轨迹的分离点和汇合点 2020 12()(0.050.41)00.150.81010 2,3D s s s s K dK s s ds s s =+++=? =---=?=-=- 计算根轨迹的出射角与入射角 2322(arctan())63.4 4 2 63.4 p p p π θππθθ=---=-=-= 确定根轨迹与虚轴的交点
20203 00,()(0.050.41)00.400080.050s j D s j j K K K K ωωωωωωωωω==-+++=??-+==?=±???????==-+=????? 令特征方程或 σ 题4-5 解： 由开环传递函数容易得到3,0n m ==，三个极点分别为1230,2,4p p p -=-=--=-，因此，有3条根轨迹趋于无穷远，其渐近线倾角为(21)5,,333 k ππ π θπ+= =，渐近线与实轴交点为1 1 ()() 2n m l i l i A p z n m σ==----= =--∑∑。 下面确定根轨迹的分离点和汇合点 确定根轨迹与虚轴的交点 02 0300,()(2)(4)0 60004880 s j D s j j j K K K K ωωωωωωωωω==+++=??-+==?=±??????? ==-+=?????令特征方程或 020 12()(2)(4)0 312802233D s s s s K dK s s ds s s =+++=? =---=?=-+=--（舍去）
E7.1 Let us consider a device that consists of a ball rolling on the inside rim of a hoop [11]. This model is similar to the problem of liquid fuel sloshing in a rocket. The hoop is free to rotate about its horizontal principle axis as shown in Figure E7.1. The angular position of the hoop may be controlled via the torque T applied to the hoop from a torque motor attached to the hoop drive shaft. If negative feedback is used, the system characteristic equation is 2 (4)122 Ks s s s ++ ++=0. (a) Sketch the root locus. (b) Find the gain when the roots are both equal. (c) Find these equal roots. (d) Find the settling time of the system when the roots are equal. E7.2 A tape recorder has a speed control system so that H(s)=1 with negative feedback an 2 ()(2)(45) K G s s s s s = +++. (a) Sketch a root locus for K, and show that the dominant toots ate s=-0.35±j0.08 when K=6.5. (b) For the dominant roots of part (a), calculate the settling time and overshoot for a step input. E7.3 A control system for an automobile suspension tester has negative unity feedback and a process [12] 2 2(48)()(4) K s s G s s s ++= +. We desire the dominant roots to have a ζ equal to 0.5. Using the root locus, show that K=7.35 is required and the dominant roots are s=-1.3±j2.2.
自动控制原理复习指导 说明:本课程强调基本概念,基本规律及其物理本质的论述,要求学生能够正确理解和运用课程中讲授的基本概念和基本规律,了解和掌握所讲述的控制系统的基本分析和计算方法而不着重于理论的推导和证明. 第一章绪论 一.教学要求 1.有关自动控制的术语及概念:自动控制系统,自动控制系统的组成,开环控制,闭环控制和开环闭环构成的复合控制. 2.正确理解三种控制方式的工作原理及特点. 3.初步了解自动控制系统组成原理方框图的含义. 二.说明 1、有关自动控制的术语及概念 自动控制装置由放大变换部件,反馈比较部件,控制指令生成部件,执行部件,校正装置组成. 1)自动控制就是在没有人直接参与下,利用控制装置使被控对象自动地按预订的规律运动的一种控制. 2)自动控制系统的组成:自动控制系统由被控对象和控制装置组成. 3)控制的目的是使被控对象的输出能按预定的规律运行,并达到预期的目的 4)控制系统的基本特征:控制系统中各个组成部件之间存在着控制和信息的联系. 2、三种控制方式的原理及特点 1)闭环负反馈控制: 信号在系统呈现往复循环的闭环流动,系统接受偏差信
号并用偏差信号产生控制作用.其优点是控制精度高,缺点是较复杂. 2)开环控制:信号从输入到输出单向传递,只接受输入(或干扰)信号并以此 产生控制作用.优点是控制方式简单,缺点是精度低. 3) 开闭环组合的复合控制:具有以上两种控制的优点. 第二章控制系统的数学模型 一.教学要求 1.理解拉氏变换的概念,熟记典型信号1(t), e at, (t) 的拉氏变换. 2.理解传递函数的定义及其性质,能从微分方程及动态结构图求相应的传递函数,熟记几种典型环节的微分方程及传递函数. 3.理解动态结构图的概念及特点,会由微分方程组画出系统的动态结构图. 4.熟练地掌握结构图变换的基本法则，能针对常用的系统结构图进行等效变换，求出给定输入与输出间的传递函数。 5.熟练地利用部分分式展开法对无重根的拉氏变换进行反变换,熟练地用拉氏变换求解线性方程组。 6.熟悉闭环特征方程、特征根、传递函数的零、极点。 二.说明 数学模型是一种数学抽象,采用数学模型可以便于在理论上研究自动控制系统的一般属性. 1、由微分方程画动态结构图是必须掌握的内容,具体步骤为: 1)在已建立系统微分方程条件下,对微分方程进行零初始条件下的拉氏变换 2)对变换方程组的一个子方程能够用结构图的有关符号画出图来.
第5章 线性系统的频域分析法 例 1 单位反馈系统的开环传递函数为1 1 )(+= s s G ，试根据频率特性的物理意义，求在输入信号为t t r 2sin )(=作用下系统的稳态输出ss c 和ss e 。 解： 1. 求系统的稳态输出ss c 。 系统闭环传递函数为 2 1 )(1)()(+=+= s s G s G s Φ 闭环频率特性为 2ω tan 4 121)(1)()(12--∠+=+=+= ωωωωωΦj j G j G j 闭环幅频特性为 4 1 )(2 += ωωΦj 闭环相频特性为 2 ω tan )(1 --=∠ωΦj 输入信号为t t r 2sin )(=作用下，闭环幅频和相频分别为 4 24 21)2(2= += j Φ ?-=-=∠-451tan )2(1j Φ 因此系统的稳态输出 )452sin(4 2 )]2(2sin[)2()(?-= ∠+=t j t j t c ss ΦΦ 2. 求系统的误差稳态输出ss e 。 系统的误差传递函数为
2 1 )(11)(e ++= += s s s G s Φ 误差频率特性为 )2 ωtan ωtan (4121)(1122e ---∠++=++=ωωωωωΦj j j 输入信号为t t r 2sin )(=作用下，误差的幅频和相频分别为 410 )2(e = j Φ 3 1 tan 21tan 1tan )2(111e ---=-=∠j Φ 因此系统误差的稳态输出为 )3 1 tan 2sin(410)]2(2sin[)2()(1e -e ss t j t j t e -= ∠+=ΦΦ 例 2 已知单位反馈系统的开环传递函数为) 1()(+= Ts s K s G ，当系统的输入 t t r 10sin )(=时，闭环系统的稳态输出为)9010sin()(?-=t t c ，试计算参数K 和T 的数值。 解： 系统闭环传递函数为 2 )(1)()(2++=+= s Ts K s G s G s Φ 闭环频率特性为 2 1 2 222ω tan )()(ω ωωω ωωΦT K T K K j T K K j -∠+-= +-= - 输入信号为t t r 10sin )(=，闭环幅频和相频分别为 110 )100()10(2 2 =+-= T K K j Φ （5-1） ?-=-=∠-9010010 tan )10(1 T K j Φ （5-2） 由式（5-1）、（5-2）易求得10=K 、1.0=T 。 例3 试绘制下列开环传递函数的幅相特性，并判断其负反馈闭环时的稳定性。 1. )15)(5(250 )()(++= s s s s H s G 2. ) 15)(5() 1(250)()(2+++=s s s s s H s G
附录A 《自动控制理论 第2版》习题参考答案 第二章 2-1 (a) ()()1 1 2 12 11212212122112+++? +=+++=CS R R R R CS R R R R R R CS R R R CS R R s U s U (b) ()()1 )(1 2221112212121++++=s C R C R C R s C C R R s U s U 2-2 (a) ()()RCs RCs s U s U 1 12+= (b) ()()14 1 112+?-=Cs R R R s U s U (c) ()()?? ? ??+-=141112Cs R R R s U s U 2-3 设激磁磁通f f i K =φ恒定 ()()()? ? ? ???++++= Θφφπφm e a a a a m a C C f R s J R f L Js L s C s U s 2602 2-4 ()() ()φ φφπφ m A m e a a a a m A C K s C C f R i s J R f L i Js iL C K s R s C +?? ? ??++++= 26023 2-5 ()2.0084.01019.23 -=?--d d u i 2-8 (a) ()()()()3 113211G H G G G G s R s C +++= (b) ()()()()() 31243212143211H G H G G G H G G G G G G s R s C +++++= 2-9 框图化简中间结果如图A-2-1所示。
0.7 C(s) + + _ R(s) 113.02 ++s s s 22.116.0+Ks + 图A-2-1 题2-9框图化简中间结果 ()()()()52 .042.018.17.09.042 .07.023++++++=s k s k s s s R s C 2-10 ()()42 32121123211G H G G H G G H G G G G s R s C ++-+= 2-11 系统信号流程图如图A-2-2所示。 图A-2-2 题2-11系统信号流程图 ()()()()2 154214212654212215421421321111H H G G G G G G G H G G G G G s R s C H H G G G G G G G G G G s R s C -++= -++= 2-12 (a) ()()()adgi abcdi agdef abcdef cdh s R s C +++-= 11 (b) ()()()1 2212112 22112++++=s C R C R C R s C R C R R s R s C 2-13 由选加原理,可得 ()()()()()()[]s D H G G s D G s D G s R G G G H G H s C 31212212212 21111 --+++=
题4?2 解： 由开环传递函数容易得到n = 3,m = 0 ,三个极点分别为门=0, “2 = -4 + 2）,戸=一4 — 2八 因此，有3条根轨迹趋于无穷远，其渐近线倾角为&=（ 2斤+ "=兰#竺,渐近线与实 3 3 3 it m 工（-门）-工（-乙）o 轴交点为= ------- -------- ----- = _ _ O n 一 m 3 下面确定根轨迹的分离点和汇合点 D （5）= s （Q.05s 2 + 0.4J +1） + Ko = 0 => = -0.15s 2 - 0.8J -1 = 0 ds 汁算根轨迹的岀射角与入射角 乐=-02 =63.4。 确怎根轨迹与虚轴的交点 J0) CT (a) 10
令$ = 特征方程￡>G) =丿?Q(-0?05/+0?4J Q +1)+K()=0 由开环传递函数容易得到72 = 3,777 = 0,三个极点分别为一门=0,-〃2=-2,—厲=-4?因此，有3条根轨迹趋于无穷远，其渐近线倾角为"字吟兀￥渐近线与实轴 n in 工（-门）-工（-召） 交点为-------- ------ = -2 o n一m 下面确左根轨迹的分离点和汇合点 D（s） = s（s + 2）（$ + 4） + K（）= 0 亠竺!1 = 一3$2一12$一8 = 0 ds =>$】=—2 +冷宀=—2—兰5 （舍去） 3 3 确立根轨迹与虚轴的交点 令$ =丿 e,特征方程D(s) = >O + 2)(;7y + 4) + /C0=0 -6a)2 + = 0 =>< => -d>3 +8ty = 0 血=° 2 ny 乂 3 = ±2 迈 K°=48 解:
第五章 稳定性分析 5—1 解： （1） 系统的特征方程为020) 1(2 12=++?=++ s s s s 。 因为二阶特征方程的所有项系数大于零，满足二阶系统的稳定的充分必要条件，即两个特征根均在S 平面的左半面，所以此系统稳定。 （2） 系统的特征方程为030) 1(3 12=+-?=-+ s s s s 。 因为二阶特征方程的项系数出现异号，不满足二阶系统的稳定的充分必要条件，所以此系统不稳定。 （注：BIBO 稳定意旨控制系统的输入输出（外部）稳定，系统稳定的充分必要条件是输出与输入之间传递函数的极点均在S 平面的左半平面。若传递函数无零极点对消现象时，内部稳定与外部稳定等价。此系统只含极点不含零点，所以传递函数的极点和特征方程的特征根等价，故直接可以用特征根的位置判系统的稳定性。） 5—2 解： （1） 特征方程中所有项系数大于零，满足稳定的必要条件； 又 三阶系统的系数内项乘积大于外项乘积（5011020?>?），满足稳 定的充分条件。 ∴ 该控制系统稳定。 （2） 特征方程中所有项系数大于零，满足稳定的必要条件； 特征方程中所有项系数大于零，满足稳定的必要条件；列写Routh
故系统有两个特征根在S平面的右半部。 （3） 特征方程中所有项系数大于零，满足稳定的必要条件； 又 三阶系统的系数内项乘积小于外项乘积（300 20? ?），不满足 < 8 1 稳定的充分条件。 ∴该控制系统不稳定。 （4） 特征方程中所有项系数大于零，满足稳定的必要条件； 稳定。由于第一列元素符号变化两次，系统特征根有两个在右半平面，其它4个根在左半平面。
（5） 特征方程中所有项系数大于零，满足稳定的必要条件； 不稳定。 由于表中出现全为0的行，为确定特征根的分布可构造辅助方程 012048402324,43324=+?=+?=++=s s s s s s k 利用辅助方程的导数方程的对应项系数代替全零行元素，继续完成表的列写。结果：第一列元素无负数，右半平面无根，有4个根在虚轴上。 5—3 解： （1）系统开环极点为-1、-2、-3，均在S 平面的右半平面，所以开环系统稳定； 闭环系统的特征方程为 0261160) 3)(2)(1(20 123=+++?=++++ s s s s s s 特征方程的系数均大于零，满足系统稳定的必要条件；又有内项系数乘积大于外项系数乘积，满足系统稳定的充分条件。所以该系统闭环稳定。 （2）系统开环极点为0、-1、-2、-3，有一个在原点处，所以开环系统不稳定； 闭环系统的特征方程为 02061160) 3)(2)(1(20 1234=++++?=++++ s s s s s s s s 特征方程的系数均大于零，满足系统稳定的必要条件； 列写
第一章 1.偏差信号指的是什么信号与什么信号的差值？ 给定信号与主反馈信号 2.对自动控制系统的要求可以归纳为哪三点？其中，哪一方面是基础？ 稳定性 快速性和平稳性 准确性 稳定性 3．凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统都叫做闭环控制系统。 （ ） 4．复合控制常见的两种方式 5.用式子解释叠加原理 10．开环控制系统和闭环控制系统各有什么特点？ 开环：1结构简单 成本低 稳定性好 精度低 2无反馈 3一个输入 一个输出 一一对应 4在方框图中信号单向传递 形成开环 5抗干扰能力差 不能自动纠偏 闭环：1结构复杂 成本高 2控制作用不是直接给定 3稳定性比较差 4影响控制作用的大小 5抗干扰能力比较强 11.常见的建立数学模型的方法有哪几种？各有什么特点。 (1) 机理分析法 : 机理明确 应用面广，但需要对象特性清晰 (2) 实验测试法 ： 不需要对象特性清晰，只要有输入输出数据即可，但适用面受限 (3) 上两种结合 ： 通常是机理分析确定结构，实验测试法确定参数，发挥各自优点， 克服相应缺点。 第二章 1.开环传递函数和前向通道传递函数分别是指哪两个信号之比？ 误差信号主反馈信号==)()()(s E s B G s k 误差信号 输出信号前==)()(s E s Y G 2.传递函数是一种数字模型，与系统的微分方程相对应。 （ ） 3.传递函数是系统本身的一种属性，与输入量的大小和性质无关。 （ ） 4.传递函数对系统内部变量的特性不能反映，因此又称为外部描述。 （ ） 5.传递函数极点决定系统固有运动属性。 （ ） 6.传递函数极点的位置决定模态的稳定性与快速性。 （ ） 7.传递函数零点决定模态的比重。 （ ） 8.传递函数的传递系数决定了系统稳态传递性能对。 （ ） 9.信号流图中，后一节点对前一节点没有负载效应。 （ ） 10.图为一个有源四端网络，建立其微分方程数学模型（其中U1为输入变量，U0为输出变量）
自动控制理论第五章习题汇总 填空题 1、系统的频率响应与正弦输入信号之间的关系称为频率响应 2、在正弦输入信号的作用下，系统输入的稳态分量称为频率响应 简答题： 5-2、什么是最小相位系统及非最小相位系统？最小相位系统的主要特点是什么？答在s平面上，开环零、极点均为负实部的系统称为最小相位系统；反之，开环零点或极点中具有正实部的系统称为非最小相位系统。 最小相位系统的主要特点是：相位滞后最小，并且幅频特性与相频特性有惟一的确定关系。如果知道最小相位系统的幅频特性，可惟一地确定系统的开环传递函数。 5-3、什么是系统的频率响应？什么是幅频特性？什么是相频特性？什么是频率特性？ 答对于稳定的线性系统，当输入信号为正弦信号时，系统的稳态输出仍为同频率的正弦信号，只是幅值和相位发生了改变，如图5-3所示，称这种过程为系统的频率响应。 图5-3 称为系统的幅频特性，它是频率的函数；称 为系统的相频特性，它是频率的函数：称为系统的频 率特性。 稳定系统的频率特性可通过实验的方法确定。 计算题 5-1、设某控制系统的开环传递函数为
)()(s H s G =) 10016()12.0(752+++s s s s 试绘制该系统的Bode 图，并确定剪切频率c ω的值。 解：Bode 图如下所示 剪切频率为s rad c /75.0=ω。 5-2、某系统的结构图和Nyquist 图如图(a)和(b)所示，图中 2)1(1)(+=s s s G 23 ) 1()(+=s s s H 试判断闭环系统稳定性，并决定闭环特征方程正实部根的个数。 解：由系统方框图求得内环传递函数为： s s s s s s s H s G s G +++++=+23452 474)1()()(1)( 内环的特征方程：04742345=++++s s s s s
汪旭鸿 电子信息 2013141452116 周一下午 宁芊老师 1.1 (a) The manual steering system of an automobile Reference controller actuator process Signal error the controller output the actuator output the process desired output Current path angel deviation steering wheel angel vehicle wheel angel path Sensor output Desired path (b). Drebbel ’s incubator desired Reference controller actuator process Signal error the controller output the actuator output the process desired output Setting of length deviation the pressure open and close temperature Riser length difference Sensor Sensor output Present Riser length(float position) (c).The water level controlled by a float and valve Reference controller actuator process Signal error the controller output the actuator output the process desired output Desired Water level the pressure open and close height Water level deviation Sensor Sensor output Present Riser length(float position) (d).Watt ’s steam engine with fly -ball governor Reference controller actuator process Signal error the controller output the actuator output the process desired output Desired speed deviation the force steam speed engine speed speed difference Sensor Sensor output Present speed(Ball angel) 1.7 (a) Pressure: Pressure sensor （半导体型压力传感器） Piezoelectric impedance diffusion semiconductor pressure sensor is in the formation of the semiconductor wafer surface deformation, through the external force (pressure) make the chip deformation and piezoelectric impedance effect, so that the change of impedance is transformed into electrical signals. (b) Temperature :DS18B20 temperature sensor DS18B20 digital temperature sensor wiring is convenient, can be applied to a variety of occasions, after encapsulated into fastness touch, small volume, easy to use, packaging forms, suitable for all kinds of small space equipment digital temperature test control field . Three pins: VCC GND and I/O. It is convenient to connect with MCU. Driver ’s mind steering wheel The riser Damper Fire intensity alcohol container Float ball valve Water filling dynamics Float ball The balls valve engine Fly balls