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自动控制原理课后习题答案(王建辉、顾树生___杨自厚审阅__清华大学出版

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自动控制原理2-1 什么是系统的数学模型?在自动控制系统中常见的数学模型形式有哪些? 用来描述系统因果关系的数学表达式，称为系统的数学模型。

常见的数学模型形式有：微分方程、传递函数、状态方程、传递矩阵、结构框图和信号流图。

2-2 简要说明用解析法编写自动控制系统动态微分方程的步骤。

2-3 什么是小偏差线性化？这种方法能够解决哪类问题？在非线性曲线（方程）中的某一个工作点附近，取工作点的一阶导数，作为直线的斜率，来线性化非线性曲线的方法。

2-4 什么是传递函数？定义传递函数的前提条件是什么？为什么要附加这个条件？传递函数有哪些特点？传递函数：在零初始条件下，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。

定义传递函数的前提条件：当初始条件为零。

为什么要附加这个条件：在零初始条件下，传递函数与微分方程一致。

传递函数有哪些特点：1．传递函数是复变量S 的有理真分式，具有复变函数的所有性质；n m ≤且所有系数均为实数。

2．传递函数是一种有系统参数表示输出量与输入量之间关系的表达式，它只取决于系统或元件的结构和参数，而与输入量的形式无关，也不反映系统内部的任何信息。

3．传递函数与微分方程有相通性。

4．传递函数)(s W 的拉氏反变换是系统的单位脉冲响应。

2-5 列写出传递函数三种常用的表达形式。

并说明什么是系统的阶数、零点、极点和放大倍数。

nn n n mm m m a s a s a s a b s b s b s b s W ++++++++=----11101110)( ()()∏∏==++=nj jmi i s T s T K s W 1111)( 其中nma b K =()()∏∏==++=nj jm i i g p s z s K s W 11)( 其中0a b K g =传递函数分母S 的最高阶次即为系统的阶数，i z -为系统的零点，j p -为系统的极点。

K 为传递函数的放大倍数，g K 为传递函数的根轨迹放大倍数。

2-6 自动控制系统有哪几种典型环节？它们的传递函数是什么样的？ 1．比例环节R 0R 1- +u ru c2．惯性环节R 01/Cs- + u ru cR 03．积分环节R 01/Cs- + u ru c4．微分环节R1/Cs- + u ru c5．振荡环节6．时滞环节2-7 二阶系统是一个振荡环节，这种说法对么？为什么？RLCu cu r当阻尼比10<<ξ时是一个振荡环节，否则不是一个振荡环节。

2-8 什么是系统的动态结构图？它等效变换的原则是什么？系统的动态结构图有哪几种典型的连接？将它们用图形的形式表示出来，并列写出典型连接的传递函数。

2-9 什么是系统的开环传递函数？什么是系统的闭环传递函数？当给定量和扰动量同时作用于系统时，如何计算系统的输出量？答：系统的开环传递函数为前向通路传递函数与反馈通路传递函数之积。

系统的闭环传递函数为输出的拉氏变换与输入拉氏变换之比。

当给定量和扰动量同时作用于系统时，通过叠加原理计算系统的输出量。

2-10 列写出梅逊增益公式的表达形式，并对公式中的符号进行简要说明。

2-11 对于一个确定的自动控制系统，它的微分方程、传递函数和结构图的形式都将是唯一的。

这种说法对么吗？为什么？ 答：不对。

2-12 试比较微分方程、传递函数 、结构图和信号流图的特点于适用范围。

列出求系统传递函数的几种方法。

2-13 试求出图P2-1中各电路的传递函数W(s)=Uc(s)/Ur(s)。

RLCu ru c(a)R 1Cu r u c(b )CR 2C 1u ru c(c )C 2RR解：（a ）解法1：首先将上图转换为复阻抗图，由欧姆定律得： I(s)=(U r -U c )/(R+Ls) 由此得结构图：R LS 1/CS U c (s) U r (s)图2-1 (a-s) I （s ）I(s)Ur- Uc1/(R+Ls)Uc=I(s)(1/Cs) 由此得结构图：1/CsI(s)Uc整个系统结构图如下：I(s)Ur-Uc1/(R+Ls)1/Cs根据系统结构图可以求得传递函数为：W B (s)=U c /U r =[[1/(R+Ls)](1/Cs)]/[ 1+[1/(R+Ls)](1/Cs)] =1/[LCs 2+RCs+1]=1/[T L T C s 2+T C s+1] 其中：T L =L/R; T C =RC 解法2：由复阻抗图得到：Cs Ls R s U s I r 1)()(++= 1)(11)(1)()(2++=++==R C s L c s s U Cs Cs Ls R s U Cs s I s U r r c 所以：11)()(2++=RCs Lcs s U s U r c 解：（b ）解法1：首先将上图转换为复阻抗图，R 11/Cs1/CsU r (s)U c (s)(b )R 2I 1(s) I(s) I 2(s)根据电路分流公式如下：I 1 R 1R 2II 22121R R R II += 同理：2112R R R I I +=2)()(R Z s U s I r +=其中：()1///1Z Cs Z = ()111111+=+=Cs R CSCs R Z 代入Z 中，则()()2111111111111++=+++=Cs R Cs R Cs Cs R Cs Cs Cs R Cs Cs Z 21)(111)()(111+=++=Cs R s I CsR Cs Cs s I s I ()()()2121112122111211221221212)(21)(211)(121211)()(121)()(1)()(R CsCs R R Cs R CsCs R s U Cs Cs R R Cs R s U R R Cs R Cs R Cs s U Cs Cs R R Cs R Cs R Cs s U R R Z s U Cs Cs R R Z s U R s I Cs s I s U r r r r r r c ++++++++=++++++++=++++=+=所以：()()()1212212211)()(2122212222112112121+++++=++++++++=Cs R Cs R s C R R Cs R s C R R CsCs R R Cs R Cs Cs R R Cs Cs R R Cs R s U s U r c解法2：首先将上图转换为复阻抗图（如解法1图）11)()()(R s U s U s I c r -=()1)(1)()(11112+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=Cs R s I Cs Cs R s I s I)()()(21s I s I s I +=21)(1)()(R s I Css I s U c += 画出其结构图如下：－1 R 1I 1 R 1Cs+1I 2IR 21 CsU r (s)U c (s)化简上面的结构图如下：－1 R 1I 1 R 1Cs+2IR 21 CsU r (s)U c (s)应用梅逊增益公式：∑=∆∆=nk k k r c T s U s U 11)()( 其中：b a L L --=∆1()2112+-=Cs R R R L a 、CsR L b 11-= 所以()()CsR Cs R Cs R Cs R Cs R Cs R R R 1121111212121+++=+++=∆ ()21121+=Cs R R R T 、11=∆ CsR T 121=、12=∆ 所以：()()()()121212121212)()(212221222211211211211112+++++=+++++=+++++=Cs R Cs R s C R R Cs R s C R R Cs R Cs R Cs R Cs R Cs R CsR Cs R Cs R Cs R Cs R Cs R R R s U s U r c解：(c) 解法与(b)相同，只是参数不同。

2-14 试求出图P2-2中各有源网络的传递函数W(s)=Uc(s)/Ur(s)。

R 1C 1u c(b)R 0u r解：（a ）1)()(Z Zs U s U r c -= 其中：()()1111111111111+=+=+=s T sC s C R s C s C R Z 1111//1000000000000+=+=+==s T R s C R R sC R s C R R s C Z 其中：111C R T =、000C R T =所以：()()111)()(1010++-=s T s T sC R s U s U r c 解：（b ）如图：R 1 R 2 u c(c)R 0C 2C 1u r R 1C 1u c(a)C 0R 0R 1C 1u c(a)C 0R 0将滑动电阻分为2R 和3R ，10I I = 00)(R s U I r =，sC R R R Zs U I c 113311)(++-=，其中()11111111112111211112+++=++=++=s C R R s C R R s C R R R sC R s C R R Z所以：()[]()[]111222131013101133111)()(R s C R R sC R R R s C R R R s C R R R Z s U s U r c ++++-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-=解：（c ）解法与（b ）相同。

2-15 求图P2-3所示各机械运动系统的传递函数。

(1)求图(a)的?)()(=s X s X r c (2)求图(b)的?)()(=s X s X r c (3)求图(c)的?)()(12=s X s X (4)求图(c)的?)()(1=s F s XR 1 C 1u c(b)R 0u rR 2R 3 I 0 I 1X r (t)X c (t) K 1K 2B(a)X r (t)X c (t) B 1 B 2(b)mX 2(t)X 1(t)B 1B 2f(t)(c)2-16如图P2-4所示为一个带阻尼的质量弹簧系统，求其数学模型。

s FK图p2-4Mf2-17 图P2-4所示为一齿轮传动系统。

设此机构无间隙、无变形。

(1)列出以力矩M r 为输入量，转角为输出量的运动方程式，并求其传递函数。

(2)列出以力矩M r 为输入量，转角1θ为输出量的运动方程式，并求出其传递函数。

D 4M r J 1,f 1,ϴ1J 2,f 2,ϴ2 J 3,f 3,ϴ3 D 2D 1D 3M c2-18 图P2-6所示为一磁场控制的直流电动机。

设工作时电枢电流不变，控制电压加在励磁绕组上，输出为电机位移，求传递函数)()()(s U s s W r θ=。

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自动控制原理课后习题答案

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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。

自动控制原理课后习题答案

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• 1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率 响应(对稳态正弦输入) 。
• 20世纪40年代，Evans提出并完善了根轨迹法。
• 20世纪50年代末，最优控制系统设计。
• 20世纪50年代末，基于时域分析的现代控制理 论。
• 60年代～80年代：最优控制、随机系统的最优控 制、复杂系统的自适应控制和学习控制得到了研 究。
5. 干扰量(Disturbance)：引起被控量偏离预定运 行规律的量。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
6.反馈(Feedback)：将系统输出量引回输入端，并 与参考输入进行比较的过程。
7.前向通路 (Forward Channel)：从给定量到被控 量的通道。
缺点: 闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会造成被控量的 较大摆动，甚至系统无法正常工作。
例: 飞机自动驾驶控制
被控对象: 飞机
被控量： 飞机的俯仰角 θ
控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。
仰俯角控制系统方块图
IV 复合控制
开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在 闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用 的顺馈通路，来提高系统的控制精度。
an
d
n n
c(t
)
dt n
+
an-1
d n-1n-1c(t ) dt n-1
+"+
a1
dc(t) dt
+
a0c(t )
=
bm
d m m r (t ) dt m
+ bm-1
d m-1m-1r (t ) dt m-1
+" + b1
自动控制原理课后习题答案

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C1 ( s ) R1 ( s ) （2）求传递函数阵 G(s)，其中，C(s)=G(s)R(s), C(s)= ，R(s)= 。 C 2 ( s ) R2 ( s )
8
图 2.80 习题 2.16 图
解： （1）
G1G2 G3 (1 G5 H 2 ) C1 ( s) G11 ( s) R1 ( s) 1 G5 H 2 G3 H 1 G5 G7 G8 G1G5 G6 G7 C 2 ( s) G21 ( s) R1 ( s) 1 G5 H 2 G3 H 1 G5 G7 G8 G3G4 G5 G9 C1 ( s) G12 ( s) R2 ( s) 1 G5 H 2 G3 H 1 G5 G7 G8 G4 G5 G（ C 2 ( s) 6 1 G3 H 1） G22 ( s) R2 ( s) 1 G5 H 2 G3 H 1 G5 G7 G8
解：
(a)
u u du u u 1 ur uc i2 dt ， 2 c ， i1 ， i1 ( 1 C1 1 ) ， i2 1 ， u 2 R1 R2 dt R3 R4 R5 C2

R1 R3 R4 C1C 2 RRRC c 1 3 4 2 u c u c u r u R5 R2 R5
解：
(a)
G( s)
G( s)
0.5K s 3.5s 2 s 0.5K
3
(b)
G1G2 G3G4 G1G5 G6 (1 G4 H 2 ) 1 G1G2 H 1 G1G2 G3 G1G5 G4 H 2 G1G2 G4 H 1 H 2
2.14 试梅逊公式求图 2.78 所示结构图的传递函数 C(s)/R(s)。
自动控制原理答案王建辉

自动控制原理答案王建辉

自动控制原理答案王建辉【篇一：王建辉版自动控制原理~课后简答题】动控制系统？自动控制系统通常由哪些基本环节组成？各环节起什么作用？1) 在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。

2) 6部分：控制对象：要进行控制的设备或过程；执行机构：直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值；检测装置：检测被控制量；给定环节：设定被控制量的给定值的装置；比较环节：检测的被控制量与给定量比较，确定两者之间的偏差量；中间环节：一般为放大环节，将偏差信号变换成适于控制执行机构执行的信号。

2.试比较开环控制系统与闭环控制系统的优缺点1) 工作原理：开环控制系统不能检测误差，也不能校正误差，控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。

闭环控制系统可以根据检测误差，从而抗干扰性强。

2) 结构组成：开环系统没有检测设备，组成简单。

闭环系统由于添加了纠正偏差的环节，所以成本较高。

3) 稳定性：开环控制系统的稳定性比较容易解决。

闭环系统中反馈回路的引入增加了系统的复杂性。

3.什么是系统的暂态过程？对一般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加到某一个值时，输出量的暂态过程如何？1) 系统从一个稳态过度到另一个稳态的需要经历的过渡过程。

2) 单调过程；衰减振荡过程；持续振荡过程；发散振荡过程。

第二章1.什么是系统的数学模型？在自动控制系统中常见的数学模型形式有哪些？1) 描述系统因果关系的数学表达式2) 微分方程、传递函数、状态方程、传递矩阵、结构框图和信号流图。

2.简要说明用解析法编写自动控制系统动态微分方程的步骤。

1) 确定系统的输入量和输出量；2) 从系统的输入端开始，沿着信号传递方向，逐次依据组成系统各元部件的有关物理规律，列写元件或环节的微分方程；3) 消除中间变量，建立只有输入量和输出量及其各阶导数构成的微分方程。

3.什么是小偏差线性化？这种方法能够解决哪类问题？就是将一个非线性函数在工作点展开成泰勒级数，略去二次以上的高次项，得到线性化方程，用来替代原来的非线性函数。