自动控制原理_课后习题及答案
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自动控制原理课后习题与答案
目录1自动控制系统的基本概念1.1内容提要1.2习题与解答2自动控制系统的数学模型2.1内容提要2.2习题与解答3自动控制系统的时域分析3.1内容提要3.2习颗与他答4根轨迹法4.1内容提要4.2习题与解答5频率法5.1内容提要5.2习题与解答6控制系统的校正及综合6.1内容提要6.2习题与解答7非线性系统分析7.1内容提要7.2习题与解答8线性离散系统的理论基础8.1内容提要8.2习题与解答9状态空间法9.1内容提要9.2习题与解答附录拉普拉斯变换参考文献1自动控制系统的基本概念1. 1内容提要基本术语：反馈量，扰动量，输人量，输出量，被控对象；基本结构：开环，闭环，复合；基本类型：线性和非线性，连续和离散，程序控制与随动；基本要求：暂态，稳态，稳定性。
本章要解决的问题，是在自动控制系统的基本概念基础上，能够针对一个实际的控制系统，找出其被控对象、输人量、输出量，并分析其结构、类型和工作原理。
1.2习题与解答题1-1图P1-1所示，为一直流发电机电压白动控制系统示意图。
图中，1为发电机；2为减速器；3为执行电机；4为比例放大器；5为可调电位器。
(1)该系统有哪些环节组成，各起什么作用” (2)绘出系统的框图，说明当 负载电流变化时，系统如何保持发 电机的电压恒定 (3)该系统是有差系统还是无 差系统。
(4)系统中有哪些可能的扰动， 答(1)该系统由给定环节、比较环节、中间环节、执行结构、检测环节、 发电机等环节组成。
给定环节:电压源0U 。
用来设定直流发电机电压的给定值。
比较环节:本系统所实现的被控量与给定量进行比较，是通过给定电 压与反馈电压反极性相接加到比例放大器上实现的中间环节:比例放大器。
它的作用是将偏差信号放大，使其足以带动 执行机构工作。
该环节又称为放大环节执行机构:该环节由执行电机、减速器和可调电位器构成。
该环节的 作用是通过改变发电机励磁回路的电阻值，改变发电机的磁场，调节发 电机的输出电压被控对象:发电机。
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）？（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）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。
(完整版)自动控制原理课后习题答案
第一章引论1-1 试描述自动控制系统基本组成，并比较开环控制系统和闭环控制系统的特点。
答：自动控制系统一般都是反馈控制系统，主要由控制装置、被控部分、测量元件组成。
控制装置是由具有一定职能的各种基本元件组成的，按其职能分，主要有给定元件、比较元件、校正元件和放大元件。
如下图所示为自动控制系统的基本组成。
开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向作用，而没有反向联系的控制过程。
此时，系统构成没有传感器对输出信号的检测部分。
开环控制的特点是：输出不影响输入，结构简单，通常容易实现；系统的精度与组成的元器件精度密切相关；系统的稳定性不是主要问题；系统的控制精度取决于系统事先的调整精度，对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。
闭环控制的特点是：输出影响输入，即通过传感器检测输出信号，然后将此信号与输入信号比较，再将其偏差送入控制器，所以能削弱或抑制干扰；可由低精度元件组成高精度系统。
闭环系统与开环系统比较的关键，是在于其结构有无反馈环节。
1-2 请说明自动控制系统的基本性能要求。
答：自动控制系统的基本要求概括来讲，就是要求系统具有稳定性、快速性和准确性。
稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。
稳定性通常由系统的结构决定与外界因素无关。
对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值（例如恒温控制系统）。
对随动系统，被控制量始终跟踪参量的变化（例如炮轰飞机装置）。
快速性是对过渡过程的形式和快慢提出要求，因此快速性一般也称为动态特性。
在系统稳定的前提下，希望过渡过程进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差过大，合理的设计应该兼顾这两方面的要求。
准确性用稳态误差来衡量。
在给定输入信号作用下，当系统达到稳态后，其实际输出与所期望的输出之差叫做给定稳态误差。
显然，这种误差越小，表示系统的精度越高，准确性越好。
当准确性与快速性有矛盾时，应兼顾这两方面的要求。
《自动控制原理》课后习题章节测试满分答案
绪论单元测试1【判断题】(100 分)自动控制理论经历了经典控制理论、现代控制理论和近代控制理论三个发展阶段。
A.错B.对第一章测试1【单选题】(10 分)下列系统中属于开环控制的为（）。
A.家用空调器B.普通车床C.无人驾驶车D.自动跟踪雷达2【单选题】(10 分)下列系统属于闭环控制系统的为（）。
A.家用电冰箱B.传统交通红绿灯控制C.自动流水线D.普通车床3【单选题】(10 分)下列系统属于定值控制系统的为（）。
A.自动跟踪雷达B.自动化流水线C.家用空调D.家用微波炉4【单选题】(10 分)下列系统属于随动控制系统的为（）。
A.火炮自动跟踪系统B.家用空调器C.自动化流水线D.家用电冰箱5【单选题】(10 分)下列系统属于程序控制系统的为（）。
A.传统交通红绿灯控制B.火炮自动跟踪系统C.家用空调器D.普通车床6【单选题】(10 分)（）为按照系统给定值信号特点定义的控制系统。
A.连续控制系统B.离散控制系统C.线性控制系统D.随动控制系统7【单选题】(10 分)下列不是对自动控制系统性能的基本要求的是（）。
A.准确性B.快速性C.稳定性D.复现性8【单选题】(10 分)下列不是自动控制系统基本方式的是（）。
A.开环控制B.复合控制C.闭环控制D.前馈控制9【单选题】(10 分)下列不是自动控制系统的基本组成环节的是（）。
A.测量变送器B.控制器C.被控变量D.被控对象10【单选题】(10 分)自动控制系统不稳定的过度过程是（）。
A.发散振荡过程B.其余选择都不是C.单调过程D.衰减振荡过程第二章测试1【单选题】(10 分)自动控制系统的数学模型为（）。
A.热学方程B.梅森公式C.微分方程、传递函数、动态结构框图、信号流图D.状态方程、差分方程2【单选题】(10 分)以下关于传递函数的描述，的是（）。
A.传递函数取决于系统和元件的结构和参数，并与外作用及初始条件有关B.传递函数是一种动态数学模型C.传递函数是复变量的有理真分式函数D.一定的传递函数有一定的零极点分布图与之相对应3【单选题】(10 分)系统的传递函数是由系统的（）决定的。
自动控制原理胡寿松主编课后习题答案详解
6
胡寿松自动控制原理习题解答第二章
在该点附近用泰勒级数展开近似为：
y
=
f
(
x0
)
+
df (x) dx
x0
(
x
−
x0
)
即 ed − Ed0 cosα 0 = K s (α − α 0 )
其中 K s
=
ded dα
α =α
= −Ed 0 sinα 0
2-9 若某系统在阶跃输入r(t)=1(t)时，零初始条件下的输出响应 c(t) = 1 − e−2t + e−t ，试求系统的传递函数和脉冲
K 2 x0 = f (x& − x&0 )
消去中间变量 x，可得系统微分方程
f (K1
+
K
2
)
dx0 dt
+
K1K2 x0
=
K1 f
dxi dt
对上式取拉氏变换，并计及初始条件为零，得系统传递函数为
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
X 0 (s) =
fK1s
X i (s) f (K1 + K2 )s + K1K2
③图 2—57(c)：以 x0 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：
K 2 (xi − x0 ) + f 2 (x&i − x&0 ) = f1 (x&0 − x&) （1）
K1x = f1 (x&0 − x&) （2）
所以 K 2 (xi − x0 ) + f 2 (x&i − x&0 ) = K1x （3）
对（3）式两边取微分得
自动控制原理课后习题
已知系统开环传递函数，
分析稳定性，若稳定计
算性能指标。
G
(
s
)
(
s
1
)
1 (0
0 .
0
1
s
1
)2
1、环节特性分析
2、Bode曲线的绘制 3、性能指标计算 结论：系统稳定。
ωc≈10;
令 得
：：（t gωγ111ω）88014128.02013ltt8ggωg01101c100.0c021tωg11 0.ω10c8101100
0
（-1，j0）
已知：Gk
(s)
k s(Ts 1)
得：P
1, q
1
绘制Nyquist曲线
N p 2(a b) 1 2(0 0.5) 2
结论：不稳定，右半平面有两个特征根。
0
(1)T1>T2 （-1，j0）
0 (2) T1<T2
已知：Gk
(s)
k(T2 s 1) ， s 2 (T1s 1)
其中：( Ta ) 或( Ta )
2）分析两种情况下系统的稳定性.
3、某最小相位系统的如图所示。
1）求传递函数 2）求剪切频率和相角裕量
G k( s )
k(10s 1)2
s2 s 1(Ts 1)
(10s 1)2
s2 s 1(0.003 s
1)
c 100 , 73.76
4、已知单位反馈系统的
（-1，j0）
0
(2)
(1)
0
（-1，j0）
已知：P 2, q 0
已知：G(s) k , p 1，q 0，绘制Nyquist曲线，系统1: k 1;系统2 : k 1。 (Ts 1)
分析稳定性，若稳定计
算性能指标。
G
(
s
)
(
s
1
)
1 (0
0 .
0
1
s
1
)2
1、环节特性分析
2、Bode曲线的绘制 3、性能指标计算 结论：系统稳定。
ωc≈10;
令 得
：：（t gωγ111ω）88014128.02013ltt8ggωg01101c100.0c021tωg11 0.ω10c8101100
0
（-1，j0）
已知：Gk
(s)
k s(Ts 1)
得：P
1, q
1
绘制Nyquist曲线
N p 2(a b) 1 2(0 0.5) 2
结论：不稳定，右半平面有两个特征根。
0
(1)T1>T2 （-1，j0）
0 (2) T1<T2
已知：Gk
(s)
k(T2 s 1) ， s 2 (T1s 1)
其中：( Ta ) 或( Ta )
2）分析两种情况下系统的稳定性.
3、某最小相位系统的如图所示。
1）求传递函数 2）求剪切频率和相角裕量
G k( s )
k(10s 1)2
s2 s 1(Ts 1)
(10s 1)2
s2 s 1(0.003 s
1)
c 100 , 73.76
4、已知单位反馈系统的
（-1，j0）
0
(2)
(1)
0
（-1，j0）
已知：P 2, q 0
已知：G(s) k , p 1，q 0，绘制Nyquist曲线，系统1: k 1;系统2 : k 1。 (Ts 1)
自动控制原理_清华大学出版社课后习题答案
第一章习题答案1.自动控制：就是在人不直接参与的情况下，依靠外加装置或设备(称为控制装置或控制器)，使机械、设备或生产过程(称为被控对象)的某个工作状态或参数(称为被控量)自动地按照预定的规律运行，或使某个被控制的参数按预定要求变化。
给定量：它是人们期望系统输出按照这种输入的要求而变化的控制量。
故一般又称给定输入或简称输入。
上例中的调节器的给定值u g 即是给定输入。
扰动量：它是一种人们所不希望的﹑影响系统输出使之偏离了给定作用的控制量。
上例中给水压力变化或蒸汽负荷变化都属于扰动。
开环控制：指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，按这种方式组成的系统称为开环控制系统，其特点是系统的输出量不会对系统的输入量产生影响。
闭环控制：按照偏差进行控制的，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。
复合控制：将闭环控制系统和开环控制系统结合在一起构成的开环-闭环相结合的控制系统，称为复合控制恒值控制：给定量是一定的，控制任务是保持被控量为一不变常数，在发生扰动时尽快地使被控量恢复为给定值。
随动控制：给定量是按照事先不知道的时间函数变化的，要求输出跟随给定量变化。
2.7. 自动控制系统的性能的要求：稳定性、快速性、准确性。
自动控制系统的性能的最基本要求：稳定性第二章习题答案1. (a) 22()()1()()d y t f dy t k y t t dt m dt m m++=F （b ）1211212()()()()k k k dy t y t t dt f k k k k +=++F （c ）42422()2()()dy t k dy t kt dt m dt m+=F2. (a) 22211221122122112()d u du dvR C R C R C R C R C u R C vdt dt dt ++++=+（b ）233112211221232()d u duR C R C R C R C R C u dt dt++++2112211222()d v dvR C R C R C R C vdt dt=+++（c ）222220.25 1.5d u du dv u v dt dt dt++=+3. (a)2111212()(1)()c r U s R R C s U s R R CR R s+=++（b ）222222()21()31c r U s C R s RCs U s C R s RCs ++=++（c ）2211212()()()c r U s R U s R LCs L R R C s R R =++++4. (a)21212121221212212121()1()()()1f f f fs s k k k k Y s f f f f f X s s s k k k k k +++=++++（b ）21212112221212112212()()1()()1c r U s R R C C s R C R C s U s R R C C s R C R C R C s +++=++++5. 0.085d d i u ∆=6. r d h Sh Q dt ∆+=∆7．2232(),()432t ts G s g t e e s s --+==-++8. 2()142tty t ee e--=-+9.（a ）21()()c r U s RU s R =-（b ）112212()(1)(1)()c r U s R C s R C s U s R C s ++=-（c ）212()()(1)c r U s R U s R R Cs =-+10.(1) ；012180,3,211k k k π︒==-=-(2) 略；(3)系统的闭环传递函数22301230123()11()1c M t Mr M MQ s k k k k T Q s s s k k k k k k k k k k =+++11.闭环传递函数32()0.7(6)()(0.90.7)(1.180.42)0.68c r Q s s Q s s K s K s +=+++++12.闭环传递函数12342363451234712348()()1G G G G C s R s G G G G G G G G G G G G G G G G =+++-13.传递函数，21221)()(T s T s s K K s R s C +++=2121)1()()(T s T s T s s s N s C ++-+=14.传递函数。
(完整版)自动控制原理习题及答案.doc
第一章 习题答案1-1 根据题1-1图所示的电动机速度控制系统工作原理图(1) 将a,b 与c ，d 用线连接成负反馈状态；（2） 画出系统方框图。
解 (1)负反馈连接方式为:d a ↔，c b ↔；(2）系统方框图如图解1—1 所示。
1—2 题1—2图是仓库大门自动控制系统原理示意图。
试说明系统自动控制大门开闭的工作原理，并画出系统方框图。
题1-2图 仓库大门自动开闭控制系统解 当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后,驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。
与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。
反之,当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。
系统方框图如图解1—2所示。
1—3 题1-3图为工业炉温自动控制系统的工作原理图。
分析系统的工作原理,指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。
题1-3图 炉温自动控制系统原理图解 加热炉采用电加热方式运行,加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比，c u 增高，炉温就上升，c u 的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。
炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。
f u 作为系统的反馈电压与给定电压r u 进行比较，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。
在正常情况下，炉温等于某个期望值T °C,热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压r u .此时,0=-=f r e u u u ，故01==a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使c u 保持一定的数值.这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。
当炉膛温度T °C 由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以下的控制过程： 控制的结果是使炉膛温度回升,直至T °C 的实际值等于期望值为止。
自动控制原理课后习题答案
R1R2C1C2d2du22(tt)(R1C1R2C2R1C2)dd2u(tt)u2(t) v(t)
R1C1ddV (tt)V(t)
输入
(b) 以电压u3(t)为输出量，列写微分方程为：
u1(t)
C1
R1 R2
C2
R1R2C 1C2d2d u32(tt)(R1C 1R2C2)dd3u (t)t(R1C21)u3(t)
y=x3+x4=G2x2+G4x2=(G2+G4)G1x1
y=(G2+G4)G1x1
G(s)=Y(s)/U(s)=(G2+G4)G1/(1+G3G2G1)
作业：2.59题 把图2.75改画为信号流图，并用Mason公式求u到y传递函数
方框图
u(S)
__
G1(s)
G5(s)
—
y(S)
G2(s)
—
G3(s)
essfls i0m se(s)1K K21K2
(b)当r(t)=1(t),f(t)=1(t)时的ess。 解：求输入误差传递函数，直接代数计算法：
根据电路定律写出单体微分方程式（2.2.2）和 （2.2.3）。把特征受控量uc(t)选作输出量，依 据式（2.2.2）和（2.2.3），消除中间量i(t) ， 则可得到输入输出微分方程（2.2.4）。
3、利用Laplace变换求出传递函数
R
L
+
+
u(t) i(t)
输入
_
+ uc(t) _
y
输出
_
U（t)Ld dtiR i uC
自动控制原理课后习题答案
第二章作业 概念题：传递函数定义：
单输入输出线性定常系统的传递函数，定义为零初始条件下，系统输出 量的拉氏变换像函数与输入量的拉氏变换像函数之比。
《自动控制原理》课后习题解答
-
Xi(s) +
G1(s)/(1+G1(s)H1(s))
G2(s)
G3(s)/(1+G3(s)H3(s))
Xo(s)
Xi(s)
+
H2(s)/G1(s)G3(s) G1(s)G2(s)G3(s)/(1+G1(s)H1(s))(1+G3(s)H3(s))
Xo(s)
Xo(s)
G1(s)G2 (s)G3(s)
G1(s) + +
+ -
-
G2(s)
+
H4(s)
G3(s)
G4(s)
Xo(s)
H1(s) H2(s) H3(s)
1.综合点前移，分支点后移
-
Xi(s)
+
+
+ -+
G1(s)
+ -
G2(s)
H4(s)/G1(s)G2(s) -
G3(s)
G4(s)
Xo(s)
H1(s)/G1(s)G4(s) H2(s)/G4(s) H3(s)
（4）根轨迹的渐近线：由 n=3,m=0
(2l 1)
nm
3
渐近线与实轴的交点
(l 0)
n
m
i0
pi zl
l 1
7
nm
3
（5）根轨迹与实轴的分离点:A(s)=s(0.2s+1)(0.5s+1) B(s)=1
由
A(s)B(s) A(s)B(s) 0
解得：s1= 7
19
7 s2=
Xi (s) (1 G1(s)H1(s))(1 G3(s)H3(s)) G2 (s)H2 (s)
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）？（1）22()()()234()56() d y t dy t du ty t u t dt dt dt++=+（2）()2() y t u t=+（3）()()2()4() dy t du tt y t u t dt dt+=+（4）()2()()sin dy ty t u t t dtω+=（5）22()()()2()3() d y t dy ty t y t u t dt dt++=（6）2()()2() dy ty t u t dt+=（7）()()2()35()du ty 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。
自动控制原理+课后答案
求系统传递函数
由信号流图2-10b可见,从源节点 到阱节点 之间,有一条前向通路,其增益为
有三个相互接触的单独回路,其回路增益分别为
, ,
与 互不接触
流图特征式为
由于前向通路与所有单独回路都接触,所以余因子式
根据梅森增益公式,得系统闭环传递函数为
3-3已知二阶系统的单位阶跃响应为 ,试求系统的超调量 ,峰值时间 与调节时间 。
由题意可得系统得闭环传递函数为
其中 。这就是一个比例－微分控制二阶系统。
比例－微分控制二阶系统的单位阶跃响应为
故显然有
此系统得动态性能指标为
峰值时间
超调量
调节时间
3-7设单位负反馈系统的开环传递函数为 ,试应用劳斯稳定判据确定义为多大值时,特使系统振荡,并求出振荡频率。
解:
由题得,特征方程就是
列劳斯表
解:
＝
由上式可知,此二阶系统的放大系数就是10,但放大系数并不影响系统的动态性能指标。
由于标准的二阶系统单位阶跃响应表达式为
所以有
解上述方程组,得
所以,此系统为欠阻尼二阶系统,其动态性能指标如下
超调量
峰值时间
调节时间
3-4设单位负反馈系统的开环传递函数为 ,试求系统在单位阶跃输入下的动态性能。
解题过程:
②串联等效如图2-8b所示
③根据反馈运算可得传递函数
⑵求传递函数 ,按下列步骤简化结构图:
①令 ,重画系统结构图如图2-8c所示
2将 输出端的端子前移,并将反馈运算合并如图2-8d所示
③ 与 串联合并,并将单位比较点前移如图2-8e所示
④串并联合并如图2-8f所示
⑤根据反馈与串联运算,得传递函数
(b)求传递函数 ,按下列步骤简化结构图:
由信号流图2-10b可见,从源节点 到阱节点 之间,有一条前向通路,其增益为
有三个相互接触的单独回路,其回路增益分别为
, ,
与 互不接触
流图特征式为
由于前向通路与所有单独回路都接触,所以余因子式
根据梅森增益公式,得系统闭环传递函数为
3-3已知二阶系统的单位阶跃响应为 ,试求系统的超调量 ,峰值时间 与调节时间 。
由题意可得系统得闭环传递函数为
其中 。这就是一个比例－微分控制二阶系统。
比例－微分控制二阶系统的单位阶跃响应为
故显然有
此系统得动态性能指标为
峰值时间
超调量
调节时间
3-7设单位负反馈系统的开环传递函数为 ,试应用劳斯稳定判据确定义为多大值时,特使系统振荡,并求出振荡频率。
解:
由题得,特征方程就是
列劳斯表
解:
＝
由上式可知,此二阶系统的放大系数就是10,但放大系数并不影响系统的动态性能指标。
由于标准的二阶系统单位阶跃响应表达式为
所以有
解上述方程组,得
所以,此系统为欠阻尼二阶系统,其动态性能指标如下
超调量
峰值时间
调节时间
3-4设单位负反馈系统的开环传递函数为 ,试求系统在单位阶跃输入下的动态性能。
解题过程:
②串联等效如图2-8b所示
③根据反馈运算可得传递函数
⑵求传递函数 ,按下列步骤简化结构图:
①令 ,重画系统结构图如图2-8c所示
2将 输出端的端子前移,并将反馈运算合并如图2-8d所示
③ 与 串联合并,并将单位比较点前移如图2-8e所示
④串并联合并如图2-8f所示
⑤根据反馈与串联运算,得传递函数
(b)求传递函数 ,按下列步骤简化结构图:
自动控制原理课后习题与答案
目录1自动控制系统的基本概念1.1内容提要1.2习题与解答2自动控制系统的数学模型2.1内容提要2.2习题与解答3自动控制系统的时域分析3.1内容提要3.2习颗与他答4根轨迹法4.1内容提要4.2习题与解答5频率法5.1内容提要5.2习题与解答6控制系统的校正及综合6.1内容提要6.2习题与解答7非线性系统分析7.1内容提要7.2习题与解答8线性离散系统的理论基础8.1内容提要8.2习题与解答9状态空间法9.1内容提要9.2习题与解答附录拉普拉斯变换参考文献1自动控制系统的基本概念1. 1内容提要基本术语：反馈量，扰动量，输人量，输出量，被控对象；基本结构：开环，闭环，复合；基本类型：线性和非线性，连续和离散，程序控制与随动；基本要求：暂态，稳态，稳定性。
本章要解决的问题，是在自动控制系统的基本概念基础上，能够针对一个实际的控制系统，找出其被控对象、输人量、输出量，并分析其结构、类型和工作原理。
1.2习题与解答题1-1图P1-1所示，为一直流发电机电压白动控制系统示意图。
图中，1为发电机；2为减速器；3为执行电机；4为比例放大器；5为可调电位器。
(1)该系统有哪些环节组成，各起什么作用” (2)绘出系统的框图，说明当 负载电流变化时，系统如何保持发 电机的电压恒定 (3)该系统是有差系统还是无 差系统。
(4)系统中有哪些可能的扰动， 答(1)该系统由给定环节、比较环节、中间环节、执行结构、检测环节、 发电机等环节组成。
给定环节:电压源0U 。
用来设定直流发电机电压的给定值。
比较环节:本系统所实现的被控量与给定量进行比较，是通过给定电 压与反馈电压反极性相接加到比例放大器上实现的中间环节:比例放大器。
它的作用是将偏差信号放大，使其足以带动 执行机构工作。
该环节又称为放大环节执行机构:该环节由执行电机、减速器和可调电位器构成。
该环节的 作用是通过改变发电机励磁回路的电阻值，改变发电机的磁场，调节发 电机的输出电压被控对象:发电机。
自动控制原理完整版课后习题答案
1 请解释下列名字术语：自动控制系统、受控对象、扰动、给定值、参考输入、反馈。
解：自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，由控制装置与被控对象组成；受控对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程扰动：扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。
如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。
外扰是系统的输入量。
给定值：受控对象的物理量在控制系统中应保持的期望值参考输入即为给定值。
反馈：将系统的输出量馈送到参考输入端，并与参考输入进行比较的过程。
2 请说明自动控制系统的基本组成部分。
解：作为一个完整的控制系统，应该由如下几个部分组成：①被控对象：所谓被控对象就是整个控制系统的控制对象；②执行部件：根据所接收到的相关信号，使得被控对象产生相应的动作；常用的执行元件有阀、电动机、液压马达等。
③给定元件：给定元件的职能就是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参考量）；④比较元件：把测量元件检测到的被控量的实际值与给定元件给出的参考值进行比较，求出它们之间的偏差。
常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。
⑤测量反馈元件：该元部件的职能就是测量被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般需要将其转换成为电量。
常用的测量元部件有测速发电机、热电偶、各种传感器等；⑥放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。
如电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大器和功率放大级加以放大。
⑦校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，用以改善系统的性能。
常用的校正元件有电阻、电容组成的无源或有源网络，它们与原系统串联或与原系统构成一个内反馈系统。
3 请说出什么是反馈控制系统，开环控制系统和闭环控制系统各有什么优缺点？解：反馈控制系统即闭环控制系统，在一个控制系统，将系统的输出量通过某测量机构对其进行实时测量，并将该测量值与输入量进行比较，形成一个反馈通道，从而形成一个封闭的控制系统；开环系统优点：结构简单，缺点：控制的精度较差；闭环控制系统优点：控制精度高，缺点：结构复杂、设计分析麻烦，制造成本高。
(西安电子科技大学出版社)自动控制原理课后习题答案
.( 西安电子科技大学出版社 )习题2-1试列写题2-1 图所示各无源网络的微分方程。
CR1LR1u i (t )R2u0 (t ) u i (t)C R2u0(t)（ a）（b）题 2-1 图无源网络2-2试列写题2-2 图所示各有源网络的微分方程。
题 2-2图有源网络2-3 机械系统如题2-3 图所示，其中x r(t )是输入位移， x c (t ) 是输出位移。
试分别列写各系统的微分方程。
题 2-3 机械系统题 2-3 图机械系统2-4试证明题2-4（ a）图的电网络系统和（b）图机械系统有相同的数学模型。
.x if 2K 2f1x0K1题2-4图电网络与机械系统2-5用拉氏变换法求解下列微分方程。
（ 1）2c(t )7c(t )5c(t )r ， r (t)R 1(t ) ， c(0)0 ， c(0) 0（ 2）2c(t )7c(t )5c(t )0 ， c(0)c0， c(0) c02-6如题 2-6图所示电路，二极管是一个非线性元件，其电流i d和电压id RU d之间的关系为 i d10 6 (e u d0.026 1) 。
假设系统工作点在u u du 02.39V ,i 0 2.19 10 3 A ，试求在工作点（0，0 ）附近id d)的u i f (u线性化方程。
题2-6图2-7设晶闸管三相桥式全控整流电路的输入量为控制角，输出量为空载整流电压u d，它们之间的关系为u d U d 0 cos式中， U d 0是整流电压的理想空载值，试推导其线性化方程式。
2-8已知一系统由如下方程组组成，其中X r (s) 为输入， X 0 (s) 为输出。
试绘制系统结构图，并求出闭环传递函数。
X1( s)X r (s)G1(s) G1 (s) G7 (s) G8 (s) X0 (s)X 2 (s)G2 (s) X1( s) G6 ( s) X3 ( s)X 3 (s)X 2 (s)X c ( s)G5 ( s) G3 (s)X 0 (s)G4 (s)X 3(s)2-9系统的微分方程组如下. x1 (t )r (t)c(t)x2 (t )dx1(t)K 1 x1 (t) dtx3 (t)K 2 x2 (t )x4 (t )x3 (t )x5 (t )K 5 c(t)dx5 (t )dt K 3 x4 (t)K 4 x5(t) T dc(t )c(t )dt其中、K1、K 2、 K3、K 4、K 5、T均为正常数。
自动控制原理_课后习题答案
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。如电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、
晶闸管等组成的电压放大器和功率放大级加以放大。
（6）执行元件—用于驱动被控对象，达到改变被控量的目的。用来作为执行元件的有 阀、电动机、液压马达等。
图 1-18 水位控制系统
解：被控对象：水池；被控量：水位；控制器：放大器；检测反馈元件：浮子、电位器；执 行元件：电动机，减速器，阀门；给定输入量：给定水位；干扰量：输出流量与输入流量的 变化；输出量：实际水位。
系统工作原理：当输入流量与输出流量相等时，水位的实际测量值和给定值相等，系统 处于相对平衡状态，电动机无输出，阀门位置不变。当输出流量增加时，系统水位下降，通 过浮子检测后带动电位器抽头移动，电动机获得一个正电压，通过齿轮减速器传递，使阀门 打开，从而增加入水流量使水位上升，当水位回到给定值时，电动机的输入电压又会回到零， 系统重新达到平衡状态。反之易然。
（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
系统原理方框图：
水位给定值 h0 电位计
电动机、齿轮阀门Q1源自Q2 水箱水位 h
浮子
1-6 图 1-19 所示为仓库大门控制系统，试说明大门开启和关闭的工作原理。当大门不 能全开或全关时，应该如何调整。
自动控制原理_课后习题答案
当摄像机方向角与光点显示器指示的方向一致时，θ 2 = θ1 ，自整角机输出 e = 0 ，交 流放大器输出电压 u = 0 ，电动机静止，摄像机保持原来的协调方向。当光点显示器转过 一个角度，θ 2 ≠ θ1 时，自整角机输出与失谐角 Δθ = θ1 − θ 2 成比例的电压信号（其大小、 极性反映了失谐角的幅值和方向），经电位器后变成 e ，经放大器放大后驱动伺服电动机旋
系统方框图如图解 1-5 所示。 1-6 摄像机角位置自动跟踪系统如图 1-20 所示。当光点显示器对准某个方向时，摄像 机会自动跟踪并对准这个方向。试分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量及给定量， 画出系统方框图。
图 1-20 摄像机角位置随动系统原理图
解 控制系统的任务是使摄像机自动跟踪光点显示器指示的方向。
器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。
当炉膛温度T °C 由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以
2
下的控制过程：
控制的结果是使炉膛温度回升，直至T °C 的实际值等于期望值为止。 → T ° C ↓ → u f ↓ → ue ↑ → u1 ↑ → ua ↑ →θ ↑ → uc ↑ → T ° C ↑
图(a)系统，当 u 低于给定电压时，其偏差电压经放大器 K 放大后，驱动电机 D 转动， 经减速器带动电刷，使发电机 F 的激磁电流 I j 增大，发电机的输出电压会升高，从而使偏
差电压减小，直至偏差电压为零时，电机才停止转动。因此，图(a)系统能保持 110 伏不变。
图(b)系统，当 u 低于给定电压时，其偏差电压经放大器 K 后，直接使发电机激磁电流
图 2-33 系统原理图
解. （a）以平衡状态为基点，对质块 m 进行受力分析（不再
系统方框图如图解 1-5 所示。 1-6 摄像机角位置自动跟踪系统如图 1-20 所示。当光点显示器对准某个方向时，摄像 机会自动跟踪并对准这个方向。试分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量及给定量， 画出系统方框图。
图 1-20 摄像机角位置随动系统原理图
解 控制系统的任务是使摄像机自动跟踪光点显示器指示的方向。
器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。
当炉膛温度T °C 由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以
2
下的控制过程：
控制的结果是使炉膛温度回升，直至T °C 的实际值等于期望值为止。 → T ° C ↓ → u f ↓ → ue ↑ → u1 ↑ → ua ↑ →θ ↑ → uc ↑ → T ° C ↑
图(a)系统，当 u 低于给定电压时，其偏差电压经放大器 K 放大后，驱动电机 D 转动， 经减速器带动电刷，使发电机 F 的激磁电流 I j 增大，发电机的输出电压会升高，从而使偏
差电压减小，直至偏差电压为零时，电机才停止转动。因此，图(a)系统能保持 110 伏不变。
图(b)系统，当 u 低于给定电压时，其偏差电压经放大器 K 后，直接使发电机激磁电流
图 2-33 系统原理图
解. （a）以平衡状态为基点，对质块 m 进行受力分析（不再
自动控制原理+课后答案.
解：（a）由图得
（1）
（2）
（2）代入（1），整理得传递函数为
（b）由图得
（1）
（2）
整理得传递函数为
（c）由图得
（1）
（2）
（3）
（4）
整理得传递函数为
2-8 试简化图2-6中所示系统结构图，并求传递函数 和 。
解：（a）
⑴求传递函数 ，按下列步骤简化结构图：
1 令 ，利用反馈运算简化如图2-8a所示
求系统传递函数
由信号流图2-10b可见，从源节点 到阱节点 之间，有一条前向通路，其增益为
有三个相互接触的单独回路，其回路增益分别为
， ，
与 互不接触
流图特征式为
由于前向通路与所有单独回路都接触，所以余因子式
根据梅森增益公式，得系统闭环传递函数为
3-3已知二阶系统的单位阶跃响应为 ，试求系统的超调量 ，峰值时间 和调节时间 。
②实轴上根轨迹区间为
③根轨迹的渐近线条数为 ， ，
④分离点方程为
解得分离点
根轨迹如下图4-2d所示：
4-6已知单位反馈系统的开环传递函数为：范围。
解：由题得
开环极点： 和
开环零点：
分离、会合点：从 平面的零点、极点分布可知在区间内 可能有分离、会合点。
解：
(1)对于题5-4的系统，分 和 的两种情况来讨论系统的闭环稳定性。
当 时，系统的开环幅相曲线如图5-4a所示，由图可知，系统的开环幅相曲线不包围 ，根据奈奎斯特判据可得
又由系统得开环传递函数可知
即 ，闭环系统在 右半平面无极点， 时闭环系统稳定。
当 时，系统的开环幅相曲线如图5-4b所示，由图可知，
解：
由题目可知，系统的频率特性如下
（1）
（2）
（2）代入（1），整理得传递函数为
（b）由图得
（1）
（2）
整理得传递函数为
（c）由图得
（1）
（2）
（3）
（4）
整理得传递函数为
2-8 试简化图2-6中所示系统结构图，并求传递函数 和 。
解：（a）
⑴求传递函数 ，按下列步骤简化结构图：
1 令 ，利用反馈运算简化如图2-8a所示
求系统传递函数
由信号流图2-10b可见，从源节点 到阱节点 之间，有一条前向通路，其增益为
有三个相互接触的单独回路，其回路增益分别为
， ，
与 互不接触
流图特征式为
由于前向通路与所有单独回路都接触，所以余因子式
根据梅森增益公式，得系统闭环传递函数为
3-3已知二阶系统的单位阶跃响应为 ，试求系统的超调量 ，峰值时间 和调节时间 。
②实轴上根轨迹区间为
③根轨迹的渐近线条数为 ， ，
④分离点方程为
解得分离点
根轨迹如下图4-2d所示：
4-6已知单位反馈系统的开环传递函数为：范围。
解：由题得
开环极点： 和
开环零点：
分离、会合点：从 平面的零点、极点分布可知在区间内 可能有分离、会合点。
解：
(1)对于题5-4的系统，分 和 的两种情况来讨论系统的闭环稳定性。
当 时，系统的开环幅相曲线如图5-4a所示，由图可知，系统的开环幅相曲线不包围 ，根据奈奎斯特判据可得
又由系统得开环传递函数可知
即 ，闭环系统在 右半平面无极点， 时闭环系统稳定。
当 时，系统的开环幅相曲线如图5-4b所示，由图可知，
解：
由题目可知，系统的频率特性如下
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2-4某可控硅整流器的输出电压
Ud=KU①COSa
式中K为常数，U①为整流变压器副边相电压有效值，a为可控硅 的控制角，设在a在a0附近作微小变化，试将U与a的线性化解答：
2-9系统的微分方程组为式中、、、、均为正的常数，系统地输入量为，输出量为，试画出动态结构图， 并求出传递函数。
解答：
2-12简化图示的动态结构图，并求传递函数。解答：(a)
第一章 绪论
1-
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。
J
►—
bs
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10C/min的速度线性变化，问温度计的稳态指示误差是多少？
1.
2.
解答：
欠阻尼二阶系统的特征根：
1.由，得，由于对称关系，在实轴的下半部还有。
2.由，得，由于对称关系，在实轴的下半部还有。
3.由，得出，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
1.
2.
1.系统的特征多项式为：
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
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：
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
试分别求和时系统的阻尼比Z、无阻尼自振频率、单位阶跃响应 的超调量％和峰值时间，并讨论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:
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-
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。
定。
2.系统的特征多项式为：
劳斯阵列为：k-1 k
k
系统要稳定 则有
所以系统稳定的K的范围为
3-14
1.
2.
3.
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
那么当时，
当时，
当时，
1-
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
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
0
1-4
题1-4图 水位自动控制系统
解答：
（1）方框图如工作原理：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。
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。
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
解答： 故所给网络与两个RC网络的串联不等效。
(b)
(C)
(d)
(e)
2-13简化图示动态结构图，并求传递函数。解答：
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
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减小为原来的倍，并保证 总的放大倍数不变，试选择和的值。
R( s)
题3-1图
解答：
闭环传递函数: 由结构图知：
由
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。
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。
1-
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。
Ud=KU①COSa
式中K为常数，U①为整流变压器副边相电压有效值，a为可控硅 的控制角，设在a在a0附近作微小变化，试将U与a的线性化解答：
2-9系统的微分方程组为式中、、、、均为正的常数，系统地输入量为，输出量为，试画出动态结构图， 并求出传递函数。
解答：
2-12简化图示的动态结构图，并求传递函数。解答：(a)
第一章 绪论
1-
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。
J
►—
bs
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10C/min的速度线性变化，问温度计的稳态指示误差是多少？
1.
2.
解答：
欠阻尼二阶系统的特征根：
1.由，得，由于对称关系，在实轴的下半部还有。
2.由，得，由于对称关系，在实轴的下半部还有。
3.由，得出，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
1.
2.
1.系统的特征多项式为：
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
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：
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
试分别求和时系统的阻尼比Z、无阻尼自振频率、单位阶跃响应 的超调量％和峰值时间，并讨论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:
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-
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。
定。
2.系统的特征多项式为：
劳斯阵列为：k-1 k
k
系统要稳定 则有
所以系统稳定的K的范围为
3-14
1.
2.
3.
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
那么当时，
当时，
当时，
1-
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
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
0
1-4
题1-4图 水位自动控制系统
解答：
（1）方框图如工作原理：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。
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。
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
解答： 故所给网络与两个RC网络的串联不等效。
(b)
(C)
(d)
(e)
2-13简化图示动态结构图，并求传递函数。解答：
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
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减小为原来的倍，并保证 总的放大倍数不变，试选择和的值。
R( s)
题3-1图
解答：
闭环传递函数: 由结构图知：
由
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。
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。
1-
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。