《控制工程基础》第四章习题解题过程和参考答案
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4-1 设单位反馈系统的开环传递函数为:10
()1
G s s =+。当系统作用有下列输入信号时:()sin(30)r t t =+︒,试求系统的稳态输出。 解:
系统的闭环传递函数为:10
()()
11()()1()1
11
C s G s s s R s G s Φ===++
这是一个一阶系统。系统增益为:1011K =,时间常数为:1
11
T =
其幅频特性为:()A ω=其相频特性为:()arctan T ϕωω=-
当输入为()sin(30)r t t =+︒,即信号幅值为:1A =,信号频率为:1ω=,初始相角为:030ϕ=︒。代入幅频特性和相频特性,有:
1
(1)A ==
=
=
11
(1)arctan arctan
5.1911
T ωϕω==-=-=-︒ 所以,系统的稳态输出为:
[
]()(1)sin 30(1)24.81)c t A A t t ϕ=⋅⋅+︒+=
+︒
4-2 已知系统的单位阶跃响应为:49()1 1.80.8(0)t
t
c t e e t --=-+≥。试求系统的幅频特性和相频特性。
解:
对输出表达式两边拉氏变换:
1 1.80.8361
()49(4)(9)(1)(1)49
C s s s s s s s s s s =-+==
++++++ 由于()()()C s s R s =Φ,且有1
()R s s
=
(单位阶跃)。所以系统的闭环传递函数为: 1()(1)(1)49
s s s Φ=
++
可知,这是由两个一阶环节构成的系统,时间常数分别为:
1211
,49
T T ==
系统的幅频特性为二个一阶环节幅频特性之积,相频特性为二个一阶环节相频特性之和:
12
()()()
A A A
ωωω
===
1212
()()()arctan arctan arctan arctan
49
T T
ωω
ϕωϕωϕωωω
=+=--=--
4-3 已知系统开环传递函数如下,试概略绘出奈氏图。
(1)
1
()
10.01
G s
s
=
+
(2)
1
()
(10.1)
G s
s s
=
+
(3)
)
100
8
(
)1
(
1000
)
(
2+
+
+
=
s
s
s
s
s
G
(4)
2
50(0.61)
()
(41)
s
G s
s s
+
=
+
解:
手工绘制奈氏图,只能做到概略绘制,很难做到精确。所谓“概略”,即计算与判断奈氏曲线的起点、终点、曲线与坐标轴的交点、相角变化范围等,这就可以绘制出奈氏曲线的大致形状。对一些不太复杂的系统,已经可以从曲线中读出系统的部分基本性能指标了。
除做到上述要求外,若再多取若干点(如6-8点),并将各点光滑连线。这就一定程度上弥补了要求A的精度不足的弱点。但因为要进行函数计算,例如求出实虚频率特性表格,工作量要大些。
在本题解答中,作如下处理:
小题(1):简单的一阶惯性系统,教材中已经研究得比较详细了。解题中只是简单套用。
小题(2):示范绘制奈氏图的完整过程。
小题(3)、小题(4):示范概略绘制奈氏图方法。
4-3(1)
1
()
10.01
G s
s
=
+
这是一个一阶惯性(环节)系统,例4-3中已详细示范过(当T=0.5时),奈氏曲线是一个半圆。而表4-2给出了任意时间常数T下的实虚频率特性数据。可以套用至本题。
①系统参数:0型,一阶,时间常数0.01
T=
②起终点
奈氏曲线的起点:(1,0),正实轴
奈氏曲线的终点:(0,0),原点
奈氏曲线的相角变化范围:(0,-90°),第IV象限
③求频率特性。据式(4-29)已知:
实频特性:22
1
()
1
P
T
ω
ω
=
+
虚频特性:
22
()
1
T
Q
T
ω
ω
ω
=-
+
⑤绘图:
4-3(2)1
()(10.1)
G s s s =
+
示范绘制奈氏图的完整过程。
这是一个由一个积分环节和一个一阶惯性环节组成的二阶系统。 ①系统参数:1型系统,n=2, m=0 ②起终点
奈氏曲线的起点:查表4-7,1型系统起点为负虚轴无穷远处;
奈氏曲线的终点:n-m=2>0,查表4-7知终点为原点,入射角为-180°; 奈氏曲线的相角变化范围:(-90°,-180°),第III 象限 ③求频率特性:
21(0.1)
()(10.1)(10.01)
j G j j j ωωωωωω-+=
=++
实频特性:2
0.1
()10.01P ωω-=
+
虚频特性:21
()(10.01)
Q ωωω-=+
当0ω=时,实频曲线有渐近线为-0.1。