控制工程基础第2章答案

第二章 参考答案2-1 （1） 不是 （2） 是 （3） 不是 （4） 不是 2-2 (a))()()(3)(2222t u t u dtt du RC dt t u d C R i o o o =++ (b) )()()()()()()()(2211222121222111222121t u dtt du C R C R dt t u d C C R R t u dt t du C R C R C R dt t u d C C R R i i i o o o +++=++++ (c ) )()()()()()(33221312221t u R dtt du C R R t u R R dt t du C R R R R R i i o o +=++++(d))()()()()()()()(1211222121211211222121t u dtt du C R C R dt t u d C C R R t u dt t du C R C R C R dt t u d C C R R i i i o o o +++=++++ (e))()()()()()()()(221222121211222222121t u dtt du R C C dt t u d C C R R t u dt t du C R C R C R dt t u d C C R R i i i o o o +++=++++ (f) )()()()()()()(22121221t u R dtt du L t u R R dt t du L C R R dt t u d CL R i i oo o +=++++ 2-3 (a) )]()([)()()(23213121t u R dtt du C R R t u R dt t du C R R R R i i o o +=++－(b) )()()()(4141232022213210t u R R t u R R dt t du C R R R dt t u d C C R R R R i o o o －=++ (c))]()()([)(32321t u R R dtt du C R R t u R i i o ++=－(d) )()()()()(221122212121t u dt t du C R C R dt t u d C C R R dt t du C R i i i o +++=－ (e) )()()()(2412222142t u dtt du C R C R dt t u d C C R R o o o +++ )}()(])([)({21213224223221432132t u dtt du R R C C R R C R dt t u d R R C C R R R R R R i i i +++++++=－ 2-4 (a) dt t dx f dt t dx f f dt t x d m i o o )()()()(12122=++ (b) dt t dx f k t x k k dt t dx f k k i o o )()()()(12121=++ (c) )()()()()(121t x k dt t dx f t x k k dt t dx f i i o o +=++ (d) )()()()()()(112121t x k dtt dx f t x k k dt t dx f f i i o o +=+++2-5 (a))(1)()()()(1)()()(2112212221211*********t u C C dt t du C R C R dt t u d R R t u C C dt t du C R C R C R dt t u d R R i i i o o o +++=++++ (b))()()()()()()()(2112212221211211212221t x k k dtt dx k f k f dt t x d f f t x k k dt t dx k f k f k f dt t x d f f i i i o o o +++=++++ 由(a)(b)两式可以看出两系统具有相同形式的微分方程，所以(a)和(b)是相似系统。

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。

+-+-u )tfC)+-+-f)(a )(b )(c )(d R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。

2.1什么是线性系统？其最重要的特性是什么？下列用微分方程表示 的系统中，x 。

表示系统输出，x 表示系统输入，哪些是线性系统？ (1)X o2 X oX o2x^2 X i⑵X o2 X o 2 tx^ 2 Xi(3)X o2 X o2X ^2 X i⑷x 。

2x ox 。

2tx o= 2x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 一个最重要特性就是它满足叠加原理。

该题中(2)和(3)是线性系 统。

2.2图(题2.2 )中三同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 表示输入位移，X 。

表示输出位移，假设输出端无 负载效应。

图(题2.2)解:(1)对图(a)所示系统，由牛顿定律有7/7刀 (a)7777/ (b)c i( x —x 。

) —C 2X 。

二 mx 。

mx 。

( c iC 2)x 。

二 c iXi(X j-x)k i= c(x-x 。

)c(xx °) = k 2x 。

(1) (2)消除中间变量有c (总- k 2)x 。

- k ik zx 。

二 ckix(3) 对图(c)所示系统，由牛顿定律有c ( X - x 。

) k i( X - x 。

)= k zx 。

1c x°+ ( ki+ k 2)x °=cx+ kix2.3 求出图(题2.3)所示电系统的微分方程。

(a)图(题2.3)解：(1)对图⑻ 所示系统,设j 1为流过R 的电流,j 为总电流，则有1 u 厂 R ?iidtC2□ 一 u 。

二 R i j i对图(b)所示系统，引入一中间变量 x,并由牛顿定律有RiCiUiUnR解：设系统输入为M （即），输出二（即），分别对圆盘和质块进行动 力学分析，列写动力学方程如下:1U i-U 。

（i-i i）dtC1消除中间变量，并化简有C 1R 2U（1RC ） U 。

-= 0^+（肯+ C2）⑵ 对图（b ）所示系统，设i 为电流，则有1CR 2U 。

2.1什么是线性系统？其最重要的特性是什么？下列用微分方程表示 的系统中，x 。

表示系统输出，x 表示系统输入，哪些是线性系统？ (1)X o2 X oX o2x^2 X i⑵X o2 X o 2 tx^ 2 Xi(3)X o2 X o2X ^2 X i⑷x 。

2x ox 。

2tx o= 2x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 一个最重要特性就是它满足叠加原理。

该题中(2)和(3)是线性系 统。

2.2图(题2.2 )中三同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 表示输入位移，X 。

表示输出位移，假设输出端无 负载效应。

图(题2.2)解:(1)对图(a)所示系统，由牛顿定律有7/7刀 (a)7777/ (b)c i( x —x 。

) —C 2X 。

二 mx 。

mx 。

( c iC 2)x 。

二 c iXi(X j-x)k i= c(x-x 。

)c(xx °) = k 2x 。

(1) (2)消除中间变量有c (总- k 2)x 。

- k ik zx 。

二 ckix(3) 对图(c)所示系统，由牛顿定律有c ( X - x 。

) k i( X - x 。

)= k zx 。

1c x°+ ( ki+ k 2)x °=cx+ kix2.3 求出图(题2.3)所示电系统的微分方程。

(a)图(题2.3)解：(1)对图⑻ 所示系统,设j 1为流过R 的电流,j 为总电流，则有1 u 厂 R ?iidtC2□ 一 u 。

二 R i j i对图(b)所示系统，引入一中间变量 x,并由牛顿定律有RiCiUiUnR解：设系统输入为M （即），输出二（即），分别对圆盘和质块进行动 力学分析，列写动力学方程如下:1U i-U 。

（i-i i）dtC1消除中间变量，并化简有C 1R 2U（1RC ） U 。

-= 0^+（肯+ C2）⑵ 对图（b ）所示系统，设i 为电流，则有1CR 2U 。

第二章习题解答a) b)c——II— -------------- oC、1 i\Ro J pa)1必)=i(t)RRC _ %(" + u0(if = RC—曲(f) dt dt- ■Bb)M)=冲务甜("7 G)】} Mf)=fK(t) = Kx o(t)~iR o-i = 1R +4— f/?r二R严肖"吗=心站+u o C)R\R2C ~~ U n(^)+(^1 + R Z)U O0)= R&H 亍气Q) + R/i Q) at atKi f\({\ Bf dXj dx o、dt dt > Mld) d d临也吸临⑷+W)―吋2-^^^_]]_ 纟K （曲= A?2 （X 0 一 X } = B仗严心怡£陀©+“K 州（0=曲Q”K]K 円⑴dtdt10G02町 _9_-cLPQd 一%二遢十汕 itj =也十迢2dxdt17 G(5) =+ 5S 7 + 9$+ 7(Z l)(g +2)加］州2 £早+ (刚裙2 +旳坷+朋2*1 +砒2厉)今¥t/N+ (料《2 + 粮［K \ + BjS 》+ 〃1虽 + B2B3) &三川r+ (隔 + K 岛 + K 2B { + K% 爭 + K 、K 血 di二严 3dtJ + c@+Q )M +卯G(»E + 2捉£+1)? (£+3)3 辭 +25^8占(& +X| X 3"）一3 一场鲁办J dt j83 GM )={$+□)($+帶E _a 1 c —b= ------------------ H ------(a-b)2 s + a a-b (5+6)2 (m —方尸 £+方8&⑷—用◎十2）（2十2f 十4）g(t) = £"[G<s)] = 1-2e~^ 十 e~x casVif, i H 0的4[G （帕和一遇型za~c 1g(z)=£-1[G(i)] = -_小+ -_ +- (d -by L@ ~^r a7 G(s) = ——5(x¥ + l)2 (-S + 3)_ 2 1 J 113 1 ~ 3 S 12 5 + 32(£ + l)2 45 + 1 <31 \—+ —/ e 就2丿2 ig ⑴=£T[G(9]=T 年号e _3r- 丸r>0■< />o 54 1i-2^—-F s £+ 2 s 1 +4\2士十（卄1乎+?1 1~2~ 13（恥吊P 血再1 s<D 2 S 2十血'= £+2 + ———{盼如2)g (t )= A _1[Gf5)] = 4s (r )+ 28(0+ 2k-&亠，r>oat242 x\t) - x(f) = 4sin/ + 5cos2r s x(0) = 1, x*(0) =-2h{7) + 2^(O+5X(0 = 3, X (0) = 0. /(0) = 01V2 2-肮(0)-玖 0) - X(f) = 4—^ + 5—^Z + l E+4 ^-2+4—!—+ 5^—M-U 2+4 s^i(s-2)(s 7 +1)(v 2 十4)十4(2 十4)+5$(W +1)-lXW+l)(/+4)X0)=丄--2 --誉亠l s —1K ?2 +1 Q+4x(f)=L ，+e r -2sin/—cos2/» t>0 3 Q X(s)+2sX(s) + 5X(s)=- s217OV+l)(A+2)0.6--0.6 1S'^ s ($ + 1尸+4M/)=(L6—OWL cos1^0.3e_f sin2c t>0*叫+2$+疔sI M +1= 0,6--0.6—二——03 _s (s+1)' 4 4 G+l”+4fl^+(l+b l^)(一+H Ish (I十 b 賀)(1—fl +^1嘗) ——® O S 丄A)ao3涉十朋+ KJ益(的-§誠⑻=(月弭+ KjXf ($)⑷=(伽+ KjX(R(恥+KXd”K』(s + K^)(B^ s + KJ + K\ R、s6b叱（4予（f）-怎（0-禹（0 .农⑴二恥（f）I馆（0二心比⑴-艾⑴］!如皆加）=陀）xz=乔二耳⑶-%⑸-压戈㈤F K^）=K{X O（S）同=忑［兀（町-*（舟］_ffl$Cl 2-0血⑴1Bs念(f)Rib)o-^附(f)o—1CG021mv2血(f)IId)讹f)-o/脚（f）二浙go-尤;（f）］办⑴二忌⑴-入⑹ 齐2（彳）=屍竝⑴儿⑴二丄［為㈤+耳㈤ms＞耳（刀=銅心）-儿（创&©）=司尤⑷—血⑴］伦㈤=竝A31.心)—*2-10Cl-HI—R\ &RiC,必)o—b)卞C：就f)-------------- od)>□—+= i 护!z jy/7（^f+ b）J —+ 切”=（l）°n31~~|__H[—o―[J G）1?衍i"+ （T + ^3^）（1+訓。

第一章习题解笞U]>U2 U\ U2第二章习题解答2-1a) b)d)f)L^f| 忙d)f\ — fl =^2X O严(f)=$(M+E ⑴虑 如(f) =iQ)RRC^-u o (t)^u o (t) = RC^-u^t) at at fs (r)=B 低[xi (f) -曲(幼 j/B (t)=fK (t) = KXo(t) B dB d 『八10602斤不％()+%©二斤击可()占dR^c —% (0+ (*i + 心)％ ⑴=邛应 ~u i (0+ R 2u t (0 atati =i R +，C u o =IR?：R R 严冃3宙 % =gR\ +u oa)=K ］（旳一兀）+」:dx o ](J?l + J?2)C —«c (!)+ %("■ R Q C — Wj(O + tti (Oat at(K[ + K2)B — x o (t)+ K\K2X o (t)= K\R 〒曲(f)+ 琦心再(f)dt at10602a) b) c) Q © f)U Q —1/?2 + — j icit— Z/?| + iR-f H —J idte)dxK\% K i (兀 _ %) = K 》(兀)—x)=号二dtoB 2+ （®K° ++ B'B? + 场*3 + 水2〃?）& 2+ （K }B 2+K }B 3 + 心汝 + KM 巴2 + K }K 2X 2 dt3J S + 2用 + 8S-丘（$ + 2）（$戈+2$十4）广、■炉+ 5,2+9用+7E （$+恥 + 2）乡一rn\fU2K 2rdx { dx 2< dt dt ；/（O™-坷罕~_叭 dtdxj … 一 —- - K?x^ = m dtdx l dx 2dt dt护d 2x 2 2~d^ k,用典2+ （的+创坷+用2创+加2*3）；?7皿乔对）13173 G($)= --------------- —(£+。

第二章2-1 解：（1）: )](12[)](1[)](5[)]()4[()(t L t t L t L t t L S F ⋅+⋅++=δδ SS S S 215215022++=+++= （2）: )25(253)(2++=s s S F （3）: 11)(2++=-s e S F sπ（4）: )}(1)6(1)]6(2cos 4{[)(5t e t t L S F t ⋅+-⋅-=-ππ5144512426226+++=+++=--S s Se S s Se ss ππ（5）: Se S e S F ss 226600)(--+=+++= （6）: )]4(1)90453cos(6[)(π-⋅--=t t L S F9636)]4(1)4(3cos 6[24224+=+=-⋅-=--S SeS Se t t L S Sππππ（7）: )](18sin 25.0)(18cos [)(66t t e t t e L S F t t ⋅+⋅=--1001288)6(28)6(622222+++=++++++=S S S S S S （8）: 99)20(52022)(262++++++=-s es s S F s π2-2解：（1）: )(1)2()3221()(321t e e S S L t f t t ⋅+-=+++-=--- （2）: )(12sin 21)(t t t f ⋅=（3）: )(1)2sin 212(cos )(t t t e t f t ⋅+=（4）: )1(1)1()(11-⋅=-=---t e S e L t f t s（5）: )(1)22()(2t e e te t f t t t ⋅-+-=---（6）: )(1215sin 15158))215()21(21515158()(2221t t e S L t f t⋅=++⋅=-- （7）: )(1)3sin 313(cos )(t t t t f ⋅+=2-3 解：（1） 对原方程取拉氏变换，得：SS X x S SX x Sx S X S 1)(8)]0()([6)0()0()(2=+-+--⋅∙ 将初始条件代入，得：61)()86(1)(86)(6)(22++=++=+-+-S SS X S S SS X S SX S S X S48724781)86(16)(22+-++=++++=S S S S S S S S S X 取拉氏反变换，得：t t e e t x 42874781)(---+=（2） 当t=0时，将初始条件50)0(=∙x 代入方程，得：50+100x(0)＝300 则x(0)=2.5对原方程取拉氏变换，得： sx(s)-x(0)+100x(s)=300/s 将x(0)=2.5代入，得：S300100X(S)2.5-SX(S)=+1005.03100)S(S 3002.5S X(S)+-=++=s s取拉氏反变换，得：-100t 0.5e -3x(t)=2-4解：该曲线表示的函数为：)0002.0(16)(-⋅=t t u则其拉氏变换为：se s U s 0002.06)(-=2-5 解：)0()0()(3)(2)(2)(30100==+=+i i x y t x dtt dx t y dt t dy 将上式拉氏变换，得：2332)()()()32()()23()(3)(2)(2)(30000++=+=++=+S S S X S Y S X S S Y S S X S SX S Y S SY i i i i23-S 32-S Z p ==∴零点极点又当 时)(1)(t t x i =S S X i 1)(=SS S S X S X S Y S Y i i 12332)()()()(00⋅++=⋅= 3212332)()0(2312332)()(limlim lim lim 000000=⋅++⋅=⋅=∴=⋅++⋅=⋅=∞∴∞→∞→→→S S S S S Y S y S S S S S Y S y s s s s2-6 解：（a ）传递函数：132123233321123233321232333211111H G G G H G G H G G G G H H G G H G G G G H G G H G G G G R C+++=⋅++⋅+++⋅=（b ）传递函数：（ｃ）传递函数：（ｄ）传递函数：32121212211211H G G H H G G H G H G G G R C++++=2-7 解：通过方块图的变换，系统可等价为下图：2-8 解：2-9解：（a）（b）（c）（d）（e）（f）(g)2-10解：（a）（b）（c）2-11解：（a）（b）（c）（d）2-12解：（a）（b）2-13 解：（a）（b）2-14 解：2-15 解：（1（2）2-16解：2-17解：2-18解：以题可画出方块图如下：2-19 解：2-20 解：2-21 解：（1）（2、3、4）缺第三章3-1解：3-23-33-4解：3-53-6解：3-7 解：3-8 解：3-9 解：3-103-113-12 解：3-13 解：3-14解：3-153-163-17 解：3-183-193-203-21 解：3-223-23 解：3-243-25 解：3-26、3-27 缺3-28解：3-29、3-30 缺3-31解：3-32、3-33缺第四章4-1解：4-3 解：4-4 解：4-6解：（a）(b)(c)(d)(e)4-74-8、4-9 缺4-10解：4-11解：4-12解：4-16解：4-17 缺4-18解：4-19、4-20、4-21 缺第五章5-15-2、5-3、5-4 缺5-55-6 缺5-75-85-115-125-13 缺5-145-15 缺5-16解：5-17 缺5-18 5-19解：5-20 5-25解：5-26 缺附题：设单位反馈的开环传递函数为)10)(2()5.0(10)(2+++=S S S S K S G试用乃氏判据确定该系统在K=1和K=10时的稳定性。