自动控制原理课后习题答案,第5章(西南科技大学)

第1章控制系统概述【课后自测】1-1 试列举几个日常生活中的开环控制和闭环控制系统，说明它们的工作原理并比较开环控制和闭环控制的优缺点。

解：开环控制——半自动、全自动洗衣机的洗衣过程。

工作原理：被控制量为衣服的干净度。

洗衣人先观察衣服的脏污程度，根据自己的经验，设定洗涤、漂洗时间，洗衣机按照设定程序完成洗涤漂洗任务。

系统输出量（即衣服的干净度）的信息没有通过任何装置反馈到输入端，对系统的控制不起作用，因此为开环控制。

闭环控制——卫生间蓄水箱的蓄水量控制系统和空调、冰箱的温度控制系统。

工作原理：以卫生间蓄水箱蓄水量控制为例，系统的被控制量（输出量）为蓄水箱水位（反应蓄水量）。

水位由浮子测量，并通过杠杆作用于供水阀门（即反馈至输入端），控制供水量，形成闭环控制。

当水位达到蓄水量上限高度时，阀门全关（按要求事先设计好杠杆比例），系统处于平衡状态。

一旦用水，水位降低，浮子随之下沉，通过杠杆打开供水阀门，下沉越深，阀门开度越大，供水量越大，直到水位升至蓄水量上限高度，阀门全关，系统再次处于平衡状态。

开环控制和闭环控制的优缺点如下表1-2 自动控制系统通常有哪些环节组成？各个环节分别的作用是什么？解：自动控制系统包括被控对象、给定元件、检测反馈元件、比较元件、放大元件和执行元件。

各个基本单元的功能如下：（1）被控对象—又称受控对象或对象，指在控制过程中受到操纵控制的机器设备或过程。

（2）给定元件—可以设置系统控制指令的装置，可用于给出与期望输出量相对应的系统输入量。

（3）检测反馈元件—测量被控量的实际值并将其转换为与输入信号同类的物理量，再反馈到系统输入端作比较，一般为各类传感器。

（4）比较元件—把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的给定值进行比较，分析计算并产生反应两者差值的偏差信号。

常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。

（5）放大元件—当比较元件产生的偏差信号比较微弱不足以驱动执行元件动作时，可通过放大元件将微弱信号作线性放大。

第五章 线性系统的频域分析与校正练习题及答案——25-12 已知)(1s G 、)(2s G 和)(3s G 均为最小相角传递函数，其近似对数幅频特性曲线如图5-79所示。

试概略绘制传递函数 G s G s G s G s G s 412231()()()()()=+的对数幅频、对数相频和幅相特性曲线。

解：(1) ✈L K 11204511()lg .ω== ∴=K 1180则： G s K 11()=(2) G s K s s 22081()(.)=+20201022lg /lg K K ω== , K 21= (3) ✈L K K 333202001110()lg lg .ωω===s s K s G K 9)(,9111.01333====∴(4) ✈G s G G G G 412231()=+ 将G G G 123,,代入得：G s s s 41801251()(.)=+对数频率特性曲线如图解5-12(a)所示,幅相特性曲线如图解5-12(b)所示：图解5-12 (a) Bode图 (b) Nyquist图5-13 试根据奈氏判据，判断题5-80图(1)～(10)所示曲线对应闭环系统的稳定性。

已知曲线(1)～(10)对应的开环传递函数如下（按自左至右顺序）。

题号开环传递函数P N NPZ2-=闭环稳定性备注1G sKT s T s T s()()()()=+++1231110-12不稳定2G sKs T s T s()()()=++1211000稳定3G sKs Ts()()=+210-12不稳定4 G s K T s s T s T T ()()()()=++>12212110 0 0 稳定 5 G s K s ()=30 -1 2 不稳定 6 G s K T s T s s ()()()=++123110 0 0 稳定 7 G s K T s T s s T s T s T s T s ()()()()()()()=++++++5612341111110 0 0 稳定 8 G s KT s K ()()=->1111 1/2 0 稳定 9 G s KT s K ()()=-<1111 0 1 不稳定 10G s Ks Ts ()()=-11-1/22不稳定5-14 已知系统开环传递函数，试根据奈氏判据，确定其闭环稳定的条件：)1)(1()(++=s Ts s Ks G ； )0,(>T K（1）2=T 时，K 值的范围； （2）10=K 时，T 值的范围； （3）T K ,值的范围。

第1章控制系统概述【课后自测】1-1 试列举几个日常生活中的开环控制和闭环控制系统，说明它们的工作原理并比较开环控制和闭环控制的优缺点。

解：开环控制——半自动、全自动洗衣机的洗衣过程。

工作原理：被控制量为衣服的干净度。

洗衣人先观察衣服的脏污程度，根据自己的经验，设定洗涤、漂洗时间，洗衣机按照设定程序完成洗涤漂洗任务。

系统输出量（即衣服的干净度）的信息没有通过任何装置反馈到输入端，对系统的控制不起作用，因此为开环控制。

闭环控制——卫生间蓄水箱的蓄水量控制系统和空调、冰箱的温度控制系统。

工作原理：以卫生间蓄水箱蓄水量控制为例，系统的被控制量（输出量）为蓄水箱水位（反应蓄水量）。

水位由浮子测量，并通过杠杆作用于供水阀门（即反馈至输入端），控制供水量，形成闭环控制。

当水位达到蓄水量上限高度时，阀门全关（按要求事先设计好杠杆比例），系统处于平衡状态。

一旦用水，水位降低，浮子随之下沉，通过杠杆打开供水阀门，下沉越深，阀门开度越大，供水量越大，直到水位升至蓄水量上限高度，阀门全关，系统再次处于平衡状态。

开环控制和闭环控制的优缺点如下表1-2 自动控制系统通常有哪些环节组成各个环节分别的作用是什么解：自动控制系统包括被控对象、给定元件、检测反馈元件、比较元件、放大元件和执行元件。

各个基本单元的功能如下：（1）被控对象—又称受控对象或对象，指在控制过程中受到操纵控制的机器设备或过程。

（2）给定元件—可以设置系统控制指令的装置，可用于给出与期望输出量相对应的系统输入量。

（3）检测反馈元件—测量被控量的实际值并将其转换为与输入信号同类的物理量，再反馈到系统输入端作比较，一般为各类传感器。

（4）比较元件—把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的给定值进行比较，分析计算并产生反应两者差值的偏差信号。

常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。

（5）放大元件—当比较元件产生的偏差信号比较微弱不足以驱动执行元件动作时，可通过放大元件将微弱信号作线性放大。

第五章习题与解答5-1试求题5-1图(a)、(b)网络的频率特性。

u r R1u cR2CR2R1u r u c(a) (b)题5-1图R-C网络解（a)依图：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+==+=++=++=2121111212111111221)1(11)()(RRCRRTCRRRRKsTsKsCRsCRRRsUsUrcττωωτωωωωω11121212121)1()()()(jTjKCRRjRRCRRjRjUjUjGrca++=+++==(b)依图：⎩⎨⎧+==++=+++=CRRTCRsTssCRRsCRsUsUrc)(1111)()(2122222212ττωωτωωωωω2221211)(11)()()(jTjCRRjCRjjUjUjGrcb++=+++==5-2某系统结构图如题5-2图所示，试根据频率特性的物理意义，求下列输入信号作用时，系统的稳态输出)(tcs和稳态误差)(tes（1）tt r2sin)(=（2）)452cos(2)30sin()(︒--︒+=ttt r题5-2图反馈控制系统结构图解 系统闭环传递函数为: 21)(+=Φs s 频率特性:2244221)(ωωωωω+-++=+=Φj j j 幅频特性: 241)(ωω+=Φj相频特性: )2arctan()(ωωϕ-=系统误差传递函数: ,21)(11)(++=+=Φs s s G s e 则 )2arctan(arctan )(,41)(22ωωωϕωωω-=++=Φj j e e（1）当t t r 2sin )(=时,2=ω，r m =1则 ,35.081)(2==Φ=ωωj 45)22arctan()2(-=-=j ϕ4.1862arctan )2(,79.085)(2====Φ=j j e e ϕωω )452sin(35.0)2sin()2(-=-Φ=t t j r c m ss ϕ)4.182sin(79.0)2sin()2(+=-Φ=t t j r e e e m ss ϕ（2） 当 )452cos(2)30sin()(︒--︒+=t t t r 时: ⎩⎨⎧====2,21,12211m m r r ωω5.26)21arctan()1(45.055)1(-=-===Φj j ϕ 4.18)31arctan()1(63.0510)1(====Φj j e e ϕ )]2(452cos[)2()]1(30sin[)1()(j t j r j t j r t c m m ss ϕϕ+-⋅Φ-++⋅Φ=)902cos(7.0)4.3sin(4.0--+=t t)]2(452cos[)2()]1(30sin[)1()(j t j r j t j r t e e e m e e m ss ϕϕ+-⋅Φ-++⋅Φ=)6.262cos(58.1)4.48sin(63.0--+=t t5-3 若系统单位阶跃响应h t e e t tt ()..=-+≥--11808049试求系统频率特性。

第1章控制系统概述【课后自测】1-1 试列举几个日常生活中的开环控制和闭环控制系统，说明它们的工作原理并比较开环控制和闭环控制的优缺点。

解：开环控制——半自动、全自动洗衣机的洗衣过程。

工作原理：被控制量为衣服的干净度。

洗衣人先观察衣服的脏污程度，根据自己的经验，设定洗涤、漂洗时间，洗衣机按照设定程序完成洗涤漂洗任务。

系统输出量（即衣服的干净度）的信息没有通过任何装置反馈到输入端，对系统的控制不起作用，因此为开环控制。

闭环控制——卫生间蓄水箱的蓄水量控制系统和空调、冰箱的温度控制系统。

工作原理：以卫生间蓄水箱蓄水量控制为例，系统的被控制量（输出量）为蓄水箱水位（反应蓄水量）。

水位由浮子测量，并通过杠杆作用于供水阀门（即反馈至输入端），控制供水量，形成闭环控制。

当水位达到蓄水量上限高度时，阀门全关（按要求事先设计好杠杆比例），系统处于平衡状态。

一旦用水，水位降低，浮子随之下沉，通过杠杆打开供水阀门，下沉越深，阀门开度越大，供水量越大，直到水位升至蓄水量上限高度，阀门全关，系统再次处于平衡状态。

开环控制和闭环控制的优缺点如下表1-2 自动控制系统通常有哪些环节组成？各个环节分别的作用是什么？解：自动控制系统包括被控对象、给定元件、检测反馈元件、比较元件、放大元件和执行元件。

各个基本单元的功能如下：（1）被控对象—又称受控对象或对象，指在控制过程中受到操纵控制的机器设备或过程。

（2）给定元件—可以设置系统控制指令的装置，可用于给出与期望输出量相对应的系统输入量。

（3）检测反馈元件—测量被控量的实际值并将其转换为与输入信号同类的物理量，再反馈到系统输入端作比较，一般为各类传感器。

（4）比较元件—把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的给定值进行比较，分析计算并产生反应两者差值的偏差信号。

常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。

（5）放大元件—当比较元件产生的偏差信号比较微弱不足以驱动执行元件动作时，可通过放大元件将微弱信号作线性放大。

五 频域分析法2-5-1 系统单位阶跃输入下的输出)0(8.08.11)(94≥+-=--t e e t c tt ,求系统的频率特性表达式。

【解】： 98.048.11)]([L )(1+++-==-s s s t c s C 闭环传递函数)9)(4(36198.048.11)()()(++=+++-==s s ss s s s R s C s G )9tg 4(tg 2211811636)9)(4(36)(ωωωωωωω--+-+⨯+=++=j ej j j G2-5-2系统时，系统的稳态输出（1）)30sin()(0+=t t r ； （2）)452cos(2)(0+=t t r ；（3）)452cos(2)30sin()(00--+=t t t r 。

【解】：求系统闭环传递函数5tg 21254)5(4)(54)(1)()()()(14)(ωωωω--+=+=+=+==+=j B K K B K ej j G s s G s G s R s C s G s s G根据频率特性的定义，以及线性系统的迭加性求解如下：（1）︒===30,1,11θωr A︒--====-3.1151tg )1(178.0264)1()(1j j j B e eeA j G θωω[])7.18sin(78.0)1(sin )1()sin()(12︒+=++=+=t t A A t A t c r c s θθθ（2）︒===45,2,21θωr A︒--==+=-8.2152tg 274.02544)(1j j B e ej G ωω)2.232cos(48.1)(︒+=t t c s（3）)8.662cos(48.1)7.18sin(78.0)(︒--︒+=t t t c s2-5-3 试求图2-5-3所示网络的频率特性，并绘制其幅相频率特性曲线。

【解】：（1）网络的频率特性1)(111)(212212+++=+++=ωωωωωC R R j C jR C j R R C j R j G（2）绘制频率特性曲线)tg (tg 22212121111)(1)(11)(ωωωωωωωT T j eT T jT jT j G ---++=++= 其中1221221,)(,T T C R R T C R T >+==。

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）?（1)22()()()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+=（5）22()()()2()3()d y t dy t y t y t u t dt dt ++=(6）2()()2()dy t y t u t dt +=（7）()()2()35()du t y t u t u t dt dt =++⎰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。

第 五 章5-2 若系统单位阶跃响应为49()1 1.80.8tth t ee--=-+试确定系统的频率特性。

分析 先求出系统传递函数，用j ω替换s 即可得到频率特性。

解：从()h t 中可求得：(0)0,(0)0h h '==在零初始条件下，系统输出的拉普拉斯变换()H s 与系统输出的拉普拉斯变换()R s 之间的关系为()()()H s s R s =Φ⋅即()()()H s s R s Φ=其中()s Φ为系统的传递函数，又1 1.80.836()[()]49(4)(9)H s L h t s s s s s s ==-+=++++1()[()]R s L r t s ==则()36()()(4)(9)H s s R s s s Φ==++令s j ω=，则系统的频率特性为()36()()(4)(9)H j j R j j j ωωωωωΦ==++5-7 已知系统开环传递函数为)1s T (s )1s T (K )s (G 12++-=;（Ｋ、Ｔ1、Ｔ2＞０）当取ω＝１时， o180)j (G -=ω∠,|Ｇ(ｊω)|＝０.５。

当输入为单位速度信号时，系统的稳态误差为0.1，试写出系统开环频率特性表达式G(ｊω)。

分析：根据系统幅频和相频特性的表达式，代入已知条件，即可确定相应参数。

解： 由题意知：()G j ω=21()90arctan arctan G j T T ωωω∠=---因为该系统为Ⅰ型系统，且输入为单位速度信号时，系统的稳态误差为0.1，即1()lim ()0.1ss s e E s K→∞===所以：10K =当1ω=时，(1)0.5G j ==21(1)90arctan arctan 180G j T T ∠=---=-由上两式可求得1220,0.05T T ==，因此10(0.051)()(201)j G j j j ωωωω-+=+5-14 已知下列系统开环传递函数(参数K 、T 、T ｉ＞０，ｉ＝１，2，…，６)(1))1s T )(1s T )(1s T (K)s (G 321+++=(2))1s T )(1s T (s K)s (G 21++=(3))1Ts (s K )s (G 2+=(4))1s T (s )1s T (K )s (G 221++=(5)3s K )s (G =(6)321s)1s T )(1s T (K )s (G ++=(7))1s T )(1s T )(1s T )(1s T (s )1s T )(1s T (K )s (G 432165++++++=(8)1Ts K)s (G -=(9)1Ts K )s (G +--=(10))1Ts (s K)s (G -=其系统开环幅相曲线分别如图5-6(1)～(10)所示，试根据奈氏判据判定各系统的闭环稳定性，若系统闭环不稳定，确定其s 右半平面的闭环极点数。

《自动控制原理》课后习题答案（5章）5.1 系统的结构图如图5-68所示。

试依据频率特性的物理意义，求下列输入信号作用时，系统的稳态输出ss c 和稳态误差ss e 。

⑴()t t r 2sin =⑵()()()︒︒--+=452cos 230sin t t t r图5-1解 系统的传递函数：()()()21+==Φs s R s C s ()()()21++==Φs s s R s E s e 幅频特性及相频特性：()()2,2122ωωωωarctgj j -=Φ+=Φ()()2,21222ωωωωωωarctgarctg j e e -=Φ++=Φ（1）()2,2sin ==ωt t r 稳态输出：()()︒︒-=-+=452sin 221452sin 441t t c ss()︒-≈452sin 354.0t稳态误差：⎪⎭⎫ ⎝⎛-+++=2222sin 2221222arctg arctg t e ss()()︒︒+≈+=43.182sin 791.043.182sin 225t t（2）()()()()()︒︒︒︒+-+=--+=452sin 230sin 452cos 230sin t t t t t r⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∠+++•-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∠+++=︒︒221452sin 221212130sin 211222j t j t c ss ()t t 2sin 225.3sin 55-+=︒ ()t t 2sin 708.05.3sin 447.0-+≈︒⎪⎭⎫ ⎝⎛-++++•-⎪⎭⎫ ⎝⎛-++++=︒︒222452sin 2221221130sin 12112222222arctg arctg t arctg arctg t e ss ()()︒︒︒︒︒︒-++•--++=4543.63452sin 410257.264530sin 510t t ()()︒︒+-+≈43.632sin 582.143.48sin 632.0t t ()()︒︒--+=57.1162sin 582.143.48sin 632.0t t5.2 若系统的单位阶跃响应：()t t e e t h 948.08.11--+-=()0≥t 试求系统的频率特性。

第五章题5-1：试绘制下列开环传递函数的幅相频率特性曲线。

(1) 10G(s)H(s)(s 1)(0.2s 1)=++ (2) 25(s 1)G(s)H(s)(s 3)(s 2s 2)+=+++(3) 100G(s)H(s)(s 1)(s 3)(s 4)=+++ 题5-6：试绘制题5-1各开环传递函数的对数幅频特性渐近线和半对数相频特性曲线。

(1) 2221010122()()(1)(0.21)(1)(10.04)j G j H j j j ωωωωωωωω--==++++实频特性：)04.01)(1(210)(222ωωωω++-=P虚频特性：)04.01)(1(12)(22ωωωω++-=Q 相频特性：()arctan arctan 0.2ϕωωω=-- Nyqist 曲线：起点：0ω=(0)10P ⇒=，(0)0Q =，(0)0ϕ=终点：ω=∞()0P ⇒∞=，()0Q ∞=，()180ϕ∞=- 与虚轴交点：()0P ω= 2.236ω⇒=() 3.73Q ω⇒=- Nyqist 曲线如下：转折频率1：111T ω==；转折频率2：215T ω==对数幅频特性：()20lg ()20lg10L A ωω==-半对数相频特性：()arctan arctan 0.2ϕωωω=-- Bode 图如下：(2) 25(1)()()(3)(22)j G j H j j j ωωωωωω+=+-+ 222222225(3)(2)202(12)(9)[(2)4]j ωωωωωωωω+-+-+=+-+ 实频特性：]4)2)[(9(20)2)(3(5)(2222222ωωωωωωω+-++-+=P 虚频特性：]4)2)[(9()21(10)(22222ωωωωωω+-++-=Q相频特性：2()arctan arctan arctan 310.5ωωϕωωω=--- Nyqist 曲线：起点：0ω=5(0)6P ⇒=，(0)0Q =，(0)0ϕ=终点：ω=∞()0P ⇒∞=，()0Q ∞=，()180ϕ∞=-与虚轴交点：()0P ω= 2.09ω⇒=()0.66Q ω⇒=- Nyqist 曲线如下：225(1)0.83(1)()()(3)(22)(0.331)[(0.7)1]j j G j H j j j j j j ωωωωωωωωωω++==+-++++ 转折频率1：11 1.414T ω==；转折频率2：213T ω==对数幅频特性：5()20lg ()20lg 6L A ωω==+半对数相频特性：2()arctan arctanarctan310.5ωωϕωωω=---Bode 图如下：(3) 23222100100[128(19)]()()(1)(3)(4)(1)(3)(4)j G j H j j j j ωωωωωωωωωωω-+-==++++++实频特性：)4)(3)(1()812(100)(2222ωωωωω+++-=P虚频特性：)4)(3)(1()19(100)(2223ωωωωωω+++-=Q 相频特性：()arctan arctan 0.33arctan 0.25ϕωωωω=--- Nyqist 曲线：起点：0ω=(0)8.33P ⇒=，(0)0Q =，(0)0ϕ= 终点：ω=∞()0P ⇒∞=，()0Q ∞=，()270ϕ∞=- 与虚轴交点：()0P ω= 1.22ω⇒=() 4.77Q ω⇒=- 与实轴交点：()0Q ω= 4.36ω⇒=()0.71P ω⇒=- Nyqist 曲线如下：8.33()()(1)(0.331)(0.251)G j H j j j j ωωωωω=+++转折频率1：111T ω==；转折频率2：213T ω==；转折频率3：314T ω==对数幅频特性：()20lg ()18.4L A ωω==-半对数相频特性：()arctan arctan 0.33arctan 0.25ϕωωωω=--- Bode 图如下：题5-2：已知某一控制系统的单位阶跃响应为4t 9t c(t)1 1.8e 0.8e --=-+试求该系统的开环频率特性。

自动控制原理课后答案1. 根据反馈控制原理，系统的控制目标是通过比较输出信号与参考信号之间的差异，对系统的输入进行调整，使系统达到期望的状态或行为。

2. 控制系统一般包括传感器、执行器和控制器三个基本组成部分。

传感器用于收集系统的实时数据，执行器用于执行调整系统输入的指令，控制器则根据传感器采集的数据来计算和调整控制信号。

3. 反馈控制系统中，控制器根据系统的输出信号和参考信号之间的差异进行调整。

比例控制器（P控制器）只根据差异的大小，线性比例地调整控制信号；积分控制器（I控制器）不仅考虑差异的大小，还考虑差异的累积量；微分控制器（D控制器）则考虑差异的变化率。

4. P控制器适用于稳态差异较大的系统，可以快速调整系统输出至参考信号附近，但容易产生超调现象；I控制器适用于存在稳态差异的系统，可以逐渐消除稳态差异，但容易产生震荡现象；D控制器适用于存在瞬态差异的系统，可以抑制系统的瞬态响应，但无法消除稳态差异。

5. 比例积分微分控制器（PID控制器）是一种综合了P、I和D控制器的控制器。

通过合理地调整比例、积分和微分系数，可以实现系统的快速响应和稳定。

6. 开环控制系统和闭环控制系统都可以实现对系统的控制，但闭环控制系统更加稳定和鲁棒。

开环控制系统中，控制器不根据系统的反馈信号来调整控制信号，容易受到外部干扰和参数变化的影响。

7. 可以使用根据控制对象的动态特性设计的控制器来提高系统的控制性能。

常见的控制器设计方法包括根据稳态误差的允许范围来选取比例、积分和微分系数，以及根据系统传递函数进行校正和补偿。

8. 多变量控制系统可以同时控制多个输入和多个输出。

常见的多变量控制系统包括串级控制、并联控制和内模控制等。

9. 控制系统的稳定性是指当系统接受一定的输入时，输出是否趋于稳定。

稳定性的判断可以通过判断系统的传递函数的极点位置来确定。

10. 控制系统的仿真和实验可以通过使用计算机软件进行模拟仿真，或搭建实际的物理实验平台进行。

第1章控制系统概述【课后自测】1-1 试列举几个日常生活中的开环控制和闭环控制系统，说明它们的工作原理并比较开环控制和闭环控制的优缺点。

解：开环控制——半自动、全自动洗衣机的洗衣过程。

工作原理：被控制量为衣服的干净度。

洗衣人先观察衣服的脏污程度，根据自己的经验，设定洗涤、漂洗时间，洗衣机按照设定程序完成洗涤漂洗任务。

系统输出量（即衣服的干净度）的信息没有通过任何装置反馈到输入端，对系统的控制不起作用，因此为开环控制。

闭环控制——卫生间蓄水箱的蓄水量控制系统和空调、冰箱的温度控制系统。

工作原理：以卫生间蓄水箱蓄水量控制为例，系统的被控制量（输出量）为蓄水箱水位（反应蓄水量）。

水位由浮子测量，并通过杠杆作用于供水阀门（即反馈至输入端），控制供水量，形成闭环控制。

当水位达到蓄水量上限高度时，阀门全关（按要求事先设计好杠杆比例），系统处于平衡状态。

一旦用水，水位降低，浮子随之下沉，通过杠杆打开供水阀门，下沉越深，阀门开度越大，供水量越大，直到水位升至蓄水量上限高度，阀门全关，系统再次处于平衡状态。

开环控制和闭环控制的优缺点如下表1-2 自动控制系统通常有哪些环节组成各个环节分别的作用是什么解：自动控制系统包括被控对象、给定元件、检测反馈元件、比较元件、放大元件和执行元件。

各个基本单元的功能如下：（1）被控对象—又称受控对象或对象，指在控制过程中受到操纵控制的机器设备或过程。

（2）给定元件—可以设置系统控制指令的装置，可用于给出与期望输出量相对应的系统输入量。

（3）检测反馈元件—测量被控量的实际值并将其转换为与输入信号同类的物理量，再反馈到系统输入端作比较，一般为各类传感器。

（4）比较元件—把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的给定值进行比较，分析计算并产生反应两者差值的偏差信号。

常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。

（5）放大元件—当比较元件产生的偏差信号比较微弱不足以驱动执行元件动作时，可通过放大元件将微弱信号作线性放大。

自动控制原理习题分析第五章5-2====+==++已知位反系函,根据率特性物理意,求系在正弦入的出.1G(s),r(t)sin2t:ω2,R 1s 1G(s)1Φ(s)1G(s)s 2=∴ss 2:A(ω)出:c (t)0.354sin(2t 已知位反系函,根据率特性物理意,求系在正弦入的出.:--==+====++++-⨯==+++++++==-+∴=-+=-=22222222222t ss ωω2,R(s)s ωG(s)11ωΦ(s)法2:C(s)Φ(s)R(s)1G(s)s 2s 2s ω111s 21ω444s 2s 2s 2s 2s 2111c(t)[C(s)]e cos2t sin2t44411出:c (t)cos2t sin2t4411(sin2t cos2t 0.354sin(2t 4-︒45)自动控制原理习题分析第五章5-5(1),5-9(1)--55(1),59(1):已知系函,制幅特性曲(近),求相角裕量,并判系定性.9----==︒-⨯-⨯=︒==︒-⨯-⨯=︒11c 11c 由近:ω0.25,γ180tg 80.25tg 20.258.5;系定.由准确:ω0.1963,γ180tg 80.1963tg 20.1963101.1;自动控制原理习题分析第五章5-5,9(2)==++++⨯⨯++2222100100G (s)s(s s 1)(6s 1)s(1s 20.51s 1)(6s 1)==21,0.511T 5.振荡环节:幅相频率特性从(1,j0)出发,经Ⅳ、Ⅲ象限,最终趋于原点;ω=1/T 时,特性与负虚轴交于(0,-1/2ζ)==++++=-+=⎡⎤⎛⎫⎢⎥-+⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦=⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎢⎥-+⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦5.振荡环节:L(ω)的渐近特性由两段组成,低频段为与横坐标(0dB线)重合;高频段为通过(1/T,0dB)斜率为-40dB/dec的斜线。

ϕ⎧⎪=-=⎨⎛⎫⎪--⎩ ⎪⎝⎭⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎢⎥=--+ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦<<≈>>≈-自动控制原理习题分析第五章5-5,9(2)[180];1ςς-->=︒-︒--︒-===-11c n c n c n2c n 2ω/ω1ωω:γ18090tg 6ωtg ω1,0.5,(ω/ω)T==-︒==-︒c c 由近:ω 2.021,γ141.5;系不定.由准确:ω 2.07,γ143.2;自动控制原理习题分析第五章5-5,9(3)=+++=+⨯⨯++322210G (s)(0.25s 0.4s 1)(0.25s 1)10(0.5s 20.40.5s 1)(0.25s 1)ς==========111222K 10,ν0,20lgK 20dB,T 0.5,0.4,ω1/T 2T 0.25,ω1/T 4自动控制原理习题分析第五章5-5,9(3)ςς1-->=︒--︒-===-11c n c n c n2c n 22ω/ω1ωω:γ180tg 0.25ω[180tg ];ω2,0.4(ω/ω)T==-︒==-︒c c 由近:ω 5.4288,γ34.8168;系不定.由准确:ω 5.19,γ32.4;=++42200G (s)s (s 1)(10s 1)自动控制原理习题分析第五章5-5,9(4)--=︒-⨯︒--11c cγ180290tg ωtg 10ω==-︒==-︒c c 由近:ω 2.115,γ151.99;由准确:ω 2.059,γ151.32;已知L(ω),且系最小相位系,求G(s):-∴==低近斜率[20],ν1;作低近延,与0dB 交于ωK.;=========⨯=+=∴=⨯=1112232322ω0.025,斜率下降[20],性特性,常T 1/ω40(s)ω0.05,斜率提升[20],一微分特性,常τ1/ω20ω0.02,斜率下降[20],性特性,常T 1/ω5K 0.050.10.050.120lg 40lg 20lg 20lg K 0.2,0.0250.0250.050.0250.05K(G(s)++=++++12τs 1)0.2(20s 1)s(Ts 1)(T s 1)s(40s 1)(5s 1)自动控制原理习题分析第五章5-8(b)∴=========∴===++++11122212低近斜率[0],ν01ω4,斜率下降[20],性特性,常T 0.25(s)ω1ω400,斜率下降[20],性特性,常T 0.0025ω20020lgK 20lg20lg50K 50,4K 50G(s)(Ts 1)(T s 1)(0.25s 1)(0.0025s 1)5-8 ©-∴==0低近斜率[40],ν2;作低近延,与0dB 交于ω=======∴======++==++1122211101212ωω,斜率提升[20],一微分特性,常τ1/ωω0.4,斜率下降[20],性特性,常T 1/ω 2.5ω0.4110dB 20lg 20lg ,ω,τ7.91ωω7.91ω10dB 40lg 40lg K 0.05ω1/7.91K(τs 1)0.05(7.91s 1)G(s)s (Ts 1)(T s 1)s +2(2.5s 1)5-8(d)-∴===0低近斜率[20],ν1;由低近延与0dB交ωK 50.========++1111111ωω,斜率下降[20],性特性,常T 1/ω5010120lg40lg ,求出ω2,T 0.5(s)ωωωK 50G(s)s(Ts 1)s(0.5s 1)自动控制原理习题分析第五章5-11(a)作出率特性G(jω)的像.=-=-像包法:率特性G(jω)及其像成的封曲逆包(-1,j0)一圈,即N P 1,定;+-+-→∞-∞-==-==''''穿越法:率特性G(jω)ω:0,(~1)段的正穿越半次,即N 1/2,N 0,N N P/21/2,定.作出率特性G(jω)的像.=-=-像包法:率特性G(jω)及其像成的封曲逆包(-1,j0)一圈,即N P 1,定;+-+-→∞-∞-==-==''''穿越法:率特性G(jω)ω:0,(~1)段的正穿越半次,即N 1/2,N 0,N N P/21/2,定.自动控制原理习题分析第五章5-11(b)作出率特性G(jω)的像.==+=像包法:率特性G(jω)及其像成的封曲包(-1,j0)一圈,即N 1,右半s平面极Z N P 2,不定;-++-+→∞-∞-==-=-≠===+=''''''-穿越法:率特性G(jω)ω:0,(~1)段的穿越半次,即N 1/2,N 0,N N 1/2P/2,N 2(N -N )1,右半s平面极Z NP 2,不定.自动控制原理习题分析第五章5-11©作出率特性G(jω)的像.==+=像包法:率特性G(jω)及其像成的封曲包(-1,j0)一圈,即N 1,右半s平面极Z N P 2,不定; -++-+→∞-∞-==-=-≠===+=''''''-穿越法:率特性G(jω)ω:0,(~1)段的穿越半次,即N 1/2,N 0,N N 1/2P/2,N 2(N -N )1,右半s平面极Z NP 2,不定.自动控制原理习题分析第五章5-11(d)-+→→作出率特性G(jω)的像.并用半限大ω0和ω0的特性曲相,得一封曲.0,=像包法:率特性G(jω)及其像成的封曲不包(-1,j0),即N 定;自动控制原理习题分析第五章5-11(d)+→→=作出半限大1/2,ω0和ω0的特性曲相,并座原沿向ω0作一助,而得一封曲.='正特性包法:率特性G(jω)及助成的封曲不包(-1,j0),即N 0,定;+-+-→∞-∞-==-==''''穿越法:率特性G(jω)ω:0,(~1)段穿越,即N N 0,N N 0P/2,定.自动控制原理习题分析第五章5-11(e)+→→=作出半限大1/4,ω0和ω0的特性曲相,并座原沿向ω0作一助,而得一封曲.=-=-'正特性包法:率特性G(jω)及助成的封曲逆包(-1,j0)一圈,即N 1P/2,定;+-+-→∞-∞-==-==''''穿越法:率特性G(jω)ω:0,(~1)段正穿越1次,即N 1,N 0,N N 1P/2,定.自动控制原理习题分析第五章5-11(f)-+→→作出率特性G(jω)的像.并用半限大ω0和ω0的特性曲相,得一封曲.==+=像包法:率特性G(jω)及其像成的封曲包(-1,j0)圈,即N 2,右半s平面极Z N P 2不定;自动控制原理习题分析第五章5-11(f)+→→=作出半限大1/2,ω0和ω0的特性曲相,并座原沿向ω0作一助,而得一封曲.=≠-=+=+=''正特性包法:率特性G(jω)及助成的封曲包(-1,j0)一圈,即N 1P/2,不定;右半s平面极Z N P 2N P 2-++-+→∞-∞-==-=-≠===+=''''''-穿越法:率特性G(jω)ω:0,(~1)段的穿越1次,即N 1,N 0,N N 1P/2,N 2(N -N )2,右半s平面极Z N P 2,不定.自动控制原理习题分析第五章5-11(g)作出率特性G(jω)的像.=-=-像包法:率特性G(jω)及其像成的封曲逆包(-1,j0)一圈,即N P 1,定;+-+-→∞-∞-==-==''''穿越法:率特性G(jω)ω:0,(~1)段的正穿越半次,即N 1/2,N 0,N N P/21/2,定.自动控制原理习题分析第五章5-11(h)作出率特性G(jω)的像.=-=-像包法:率特性G(jω)及其像成的封曲逆包(-1,j0)二圈,即N P 2,定;自动控制原理习题分析第五章5-11(h)=→∞→座原沿向ω0作一助ω和ω0的特性曲相,得一封曲.=-=-'正特性包法:率特性G(jω)及助成的封曲逆包(-1,j0)一圈,即N 1P/2,定;+-+-→∞-∞-==-==''''穿越法:率特性G(jω)ω:0,(~1)段的正穿越一次,即N 1,N 0,N N P/21,定.自动控制原理习题分析第五章5-11(i)-+→→作出率特性G(jω)的像.并用半限大3/2ω0和ω0的特性曲相,得一封曲.=像包法:率特性G(jω)及其像成的封曲不包(-1,j0),即N 0,定;自动控制原理习题分析第五章5-11(i)+→→=作出半限大3/4,ω0和ω0的特性曲相,并座原沿向ω0作一助,而得一封曲.='正特性包法:率特性G(jω)及助成的封曲不包(-1,j0),即N 0,定;+-+-→∞-∞-==-=''''穿越法:率特性G(jω)及其助ω:0,(~1)段正、穿越各1次,即N N 1,N N 0,定.自动控制原理习题分析第五章5-11(j-+→→作出率特性G(jω)的像.并用半限大1/2ω0和ω0的特性曲相,得一封曲.=≠-=+=像包法:率特性G(jω)及其像成的封曲包(-1,j0)一圈,即N 1P,不定;右半s平面极Z N P 2;-++-+→∞-∞-==-=-≠===+=''''''-穿越法:率特性G(jω)ω:0,(~1)段的穿越半次,即N 1/2,N 0,N N 1/2P/2,不定.N 2(N -N )2,右半s平面极Z N P 2,自动控制原理习题分析第五章5-11(k)-+→→作出率特性G(jω)的像.并用半限大ω0和ω0的特性曲相,得一封曲.=≠-=+=像包法:率特性G(jω)及其像成的封曲包(-1,j0)二圈,即N 2P,不定;右半s平面极Z N P 2;自动控制原理习题分析第五章5-11(k)+→→=作出半限大1/2,ω0和ω0的特性曲相,并座原沿向ω0作一助,而得一封曲.=≠-=+=+=''正特性包法:率特性G(jω)及助成的封曲包(-1,j0)一圈,即N 1P/2,不定;右半s平面极Z N P 2N P 2-++-+→∞-∞-==-=-≠===+=''''''-穿越法:率特性G(jω)ω:0,(~1)段的穿越一次,即N 1,N 0,N N 1P/2,不定.N 2(N -N )2,右半s平面极Z N P 2,5-11(l)=≠-=+=作出率特性G(jω)的像.像包法:率特性G(jω)及其像成的封曲不包(-1,j0),即N 0P,不定;右半平面极Z N P 2;-++-+→∞-∞-==-=≠===+=''''''-穿越法:率特性G(jω)ω:0,(~1)段穿越,即N N 0,N N 0P/2,不定.N 2(N -N )0,右半s平面极Z N P 2.自动控制原理习题分析第五章5-11(l)=→∞→=≠-=+='座原沿向ω0作一助ω和ω0的特性曲相,得一封曲.正特性包法:率特性G(jω)及助成的封曲不包(-1,j0),即N 0P/2,不定;右半平面极Z N P 2;自动控制原理习题分析第五章5-16cp b s 已知位反系函,求γ,ω以及M ,ω,并分以特征量估算出系的σ%和t .ςςςςς-===+==++++==++++=≈=≈==≈=22n 222n n n n s n 14G(s);K 14,T 0.1(s)s(0.1s 1)1414Φ(s)s(0.1s 1)140.1s s 14ω140s 10s 140s 2ωs ωω11.832,ω5,0.4226套用域公式:σ%e100%23.1%3t 0.6(s)ω自动控制原理习题分析第五章5-16(一).由率特性求:1.作法.作L(ω)曲.自动控制原理习题分析第五章5-16 ϕ-≈=︒+≈︒-︒-⨯≈︒c c 1ω11.8322,γ180(ω)18090tg 0.111.832240.2≈=︒c 2.由Matlab仿真曲:ω9.9314,γ45.1971-===︒c n c 4.套用公式(5130):ωω9.9325γ(ω)45.2ς==<≤====⨯===⨯====p p b b s s b s b (二)求域指:1M 1.3055(00.707)ωω9.486ωω11.832 1.35316.013ωt 1.3530.42269.605t ωt /ω9.605/16.010.599(s)。

第1章控制系统概述【课后自测】1-1 试列举几个日常生活中的开环控制和闭环控制系统，说明它们的工作原理并比较开环控制和闭环控制的优缺点。

解：开环控制——半自动、全自动洗衣机的洗衣过程。

工作原理：被控制量为衣服的干净度。

洗衣人先观察衣服的脏污程度，根据自己的经验，设定洗涤、漂洗时间，洗衣机按照设定程序完成洗涤漂洗任务。

系统输出量（即衣服的干净度）的信息没有通过任何装置反馈到输入端，对系统的控制不起作用，因此为开环控制。

闭环控制——卫生间蓄水箱的蓄水量控制系统和空调、冰箱的温度控制系统。

工作原理：以卫生间蓄水箱蓄水量控制为例，系统的被控制量（输出量）为蓄水箱水位（反应蓄水量）。

水位由浮子测量，并通过杠杆作用于供水阀门（即反馈至输入端），控制供水量，形成闭环控制。

当水位达到蓄水量上限高度时，阀门全关（按要求事先设计好杠杆比例），系统处于平衡状态。

一旦用水，水位降低，浮子随之下沉，通过杠杆打开供水阀门，下沉越深，阀门开度越大，供水量越大，直到水位升至蓄水量上限高度，阀门全关，系统再次处于平衡状态。

开环控制和闭环控制的优缺点如下表1-2 自动控制系统通常有哪些环节组成各个环节分别的作用是什么解：自动控制系统包括被控对象、给定元件、检测反馈元件、比较元件、放大元件和执行元件。

各个基本单元的功能如下：（1）被控对象—又称受控对象或对象，指在控制过程中受到操纵控制的机器设备或过程。

（2）给定元件—可以设置系统控制指令的装置，可用于给出与期望输出量相对应的系统输入量。

（3）检测反馈元件—测量被控量的实际值并将其转换为与输入信号同类的物理量，再反馈到系统输入端作比较，一般为各类传感器。

（4）比较元件—把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的给定值进行比较，分析计算并产生反应两者差值的偏差信号。

常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。

（5）放大元件—当比较元件产生的偏差信号比较微弱不足以驱动执行元件动作时，可通过放大元件将微弱信号作线性放大。

第1章控制系统概述【课后自测】1-1 试列举几个日常生活中的开环控制和闭环控制系统，说明它们的工作原理并比较开环控制和闭环控制的优缺点。

解：开环控制——半自动、全自动洗衣机的洗衣过程。

工作原理：被控制量为衣服的干净度。

洗衣人先观察衣服的脏污程度，根据自己的经验，设定洗涤、漂洗时间，洗衣机按照设定程序完成洗涤漂洗任务。

系统输出量（即衣服的干净度）的信息没有通过任何装置反馈到输入端，对系统的控制不起作用，因此为开环控制。

闭环控制——卫生间蓄水箱的蓄水量控制系统和空调、冰箱的温度控制系统。

工作原理：以卫生间蓄水箱蓄水量控制为例，系统的被控制量（输出量）为蓄水箱水位（反应蓄水量）。

水位由浮子测量，并通过杠杆作用于供水阀门（即反馈至输入端），控制供水量，形成闭环控制。

当水位达到蓄水量上限高度时，阀门全关（按要求事先设计好杠杆比例），系统处于平衡状态。

一旦用水，水位降低，浮子随之下沉，通过杠杆打开供水阀门，下沉越深，阀门开度越大，供水量越大，直到水位升至蓄水量上限高度，阀门全关，系统再次处于平衡状态。

开环控制和闭环控制的优缺点如下表1-2 自动控制系统通常有哪些环节组成各个环节分别的作用是什么解：自动控制系统包括被控对象、给定元件、检测反馈元件、比较元件、放大元件和执行元件。

各个基本单元的功能如下：（1）被控对象—又称受控对象或对象，指在控制过程中受到操纵控制的机器设备或过程。

（2）给定元件—可以设置系统控制指令的装置，可用于给出与期望输出量相对应的系统输入量。

（3）检测反馈元件—测量被控量的实际值并将其转换为与输入信号同类的物理量，再反馈到系统输入端作比较，一般为各类传感器。

（4）比较元件—把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的给定值进行比较，分析计算并产生反应两者差值的偏差信号。

常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。

（5）放大元件—当比较元件产生的偏差信号比较微弱不足以驱动执行元件动作时，可通过放大元件将微弱信号作线性放大。