自动控制原理C作业答案
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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。
《自动控制原理》试题C 答 案一、1. 传递函数的分子就是系统的特征方程式,分母中s 算子的最高阶次就表示系统的阶次。
分母(3分)2. 传递函数描述系统的固有特性。
其系数和阶次可以是虚数,即与系统内部结构参数有关实数(2分)也与输入量初始条件等外部因素有关。
无关(1分)3. 传递函数是物理系统的数学模型,但不能反映物理系统的性质,因而不同的物理系统不能有相同的传递函数。
能(3分)4. 命题a :阻尼比唯一决定了超调量的大小。
命题b :相位裕量决定了超调量的大小。
命题a 和命题b 是矛盾的不矛盾的(3分)5. Nyquist 稳定性判据描述为:如果开环是不稳定的,且有P 个不稳定极点,那么闭环稳定的条件是:当w 由-∞→∞时,W k (jw )的轨迹应该顺时针绕(-1,j 0)点P/2圈。
逆(2分) P (1分)二、1. 简要画出二阶系统特征根的位置与响应曲线之间的关系。
(5分)2. 设系统的开环传递函数为G (s),该系统单位负反馈闭环系统的闭环传递函数、误差传递函数是什么?它们之间的关系是什么?)(1)(s G s G W b +=(1分))(11s G W e +=(2分)e e b W s G W W )(1=-=(2分)3. 用根轨迹分别说明,对于典型的二阶系统增加一个开环零点和增加一个开环极点对系统根轨迹走向的影响。
1分) 2分)2分)三、系统的微分方程为 :()()()()m y t y t ky t F t μ++=(5分)系统的传递函数为 :221()1()()Y s mG s kF s ms s k s s m mμμ===++++ 因此 221110(()()m G Y s F s k m s s k s s s m mμμ==⨯++++利用拉普拉斯终值定理及图上的稳态值可得:002110()lim ()lim 0.06s s m y sY s s k ss s m mμ→→∞==⨯=++(5分)所以 10/ k =0.06 ,从而求得k = 166.7 N/m (2分)由系统得响应曲线可知,系统得超调量为0.02/0.0633.3%σ==,由二阶系统性能指标的计算公式100%33.3%e ξπσ-==(1分)解得 0.33ξ=(1分) 由响应曲线得,峰值时间为3s ,所以由3p t ==(1分)解得 1.109/n r a d s ω=(1分) 由系统特征方城22220n n ks s s s mmμξωω++=++= 可知2n mμξω=2n k mω= 所以22166.7135.51.109nkm kg ω===(2分) 220.33 1.109135.599.2/(/)n m N m s μξω==⨯⨯⨯=(2分)四、解: 1)6()(1)(1)25G s s s s =++ ⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧><<<==5,52652,262,61)(ωωωωωωωωj G (5分) 可以求得3.5c ω=(1分)频率特性图(4分)2) 3.5 3.5180()18090arctan arctan 4.925c G j γω=+∠=---=-(5分) 令[]Im ()0G j ω=,得10.86()g g h G j ωω=== (5分) 3)加入串联校正后,开环传递函数为216 2.5()(1)(1)12512.5G s s +=+++(4分) 求得 4.8c ω=(5分)4.8 4.8 4.8 4.8180()180arctan 90arctan arctan arctan 20.22.52512.5c G j γω=+∠=+----=(1分)五、1)系统的开环传递函数为:288()(4)(2)68G s s s s s ==++++ 系统的闭环传递函数为28()616G s s s =++(1分)比较 二阶系统的标准形式222()2nn nG s s s ωξωω=++,可得 4n ω=而26n ξω=,所以0.75ξ=1.795p t s ==(3分)100% 2.8%eξπσ-==(3分)31(5%)s nt s ξω==∆=(3分)2)由题意知,该系统是个线性系统,满足叠加原理,故可以分别求取,()21()r t t =⋅和()4sin3n t t =分别作用于系统时的稳态误差1ess 和2ess ,系统的稳态误差就等于12ess ess ess =+。
2-1 2-2 2-3 2-4 2-5(a )01201()i mxf f x f x ++= (b )1212001()i k k k k xx k xf++= (c )01201()i i f xk k x f x k x ++=+ 2-6列写两质量块的微分方程有12()()()()()w w s w w w w s w m yf y y k y y k r y m yf y y k y y =-+-+-=-+-消去中间变量得1212122()()s s w w s w w s w m m y f m m y k m k m k m yfk y k k y fk r k k r +++++++=+ 2-7系统在下平衡位置附近有221121222212()()ml ka mg lF ml ka mg θθθθθθθθ=---+=---消去中间变量得()()()2422222222212m l ka mg ml ka mg m g ka lF θθθ+++++= 2-8电网络的输入输出微分方程为112201122110011221122()()i i i RC R C u RC R C RC u u RC R C u RC R C u u ++++=+++机械系统的输入输出微分方程为120221112012012112212()()i i i f f x f k f k f k x k k x f f xf k f k x k k x ++++=+++ 2-92-102-11 00(sin )d e E αα∆=-∆ 2-12(a )假定B 孔封闭,A 孔打开,水泵流量1q ,流过截流孔A 、C 的流量A q 、C q 间满足11122A A C dh q q A dtdhq q A dt -=-=将A q 和C q 表示成液位差的函数有11122dh q A dtdh A dt-== 静态工作点的增量间满足11112122dh q h A dt dh A dt -==消去中间变量1h 有(221214222dh R A A RA RA h dt++= (b )假定A 孔封闭,B 孔打开,水泵流量1q ,流过截流孔B 、C 的流量B q 、C q 间满足11122B BC dh q q A dtdh q q A dt -=-= 将A q 和C q 表示成液位差的函数有11122dh q A dtdh A dt-== 静态工作点的增量间满足))1112121222dh q h h A dt dh h h A dt -=-=消去中间变量1h 有(2212142222dh R A A RA RA RA h dt +=2-13给流量s q 一扰动,记s s s q q q=+ 、os os os t t t =+ 、w w w t t t =+ ,则有 1()()()1()()os ss s vs is os os os os w w w w w vw iw w w os os w w dt C q qc t t t t t t t dt Rdt C q c t t t t t t t dt R =+---+--=--++--将静态工作点满足条件代入得1()()1()os ss vs os s vs is os os os w w w w vw w os w dt C q c t qc t t t t t dt Rdt C q c t t t dt R =-+----=-+-略去二阶增量s os qt ,有 1()()11os s s vs os vs is os s os w w w w vw w os dt C q c t c t t q t t dt Rdt C q c t t dt R R =-+---⎛⎫=-++⎪⎝⎭消去中间变量os t得到 ()()()2211()w w s w s w vw w s vs s w vs vw s vs w vw w w vs is os s d t dtRC C C Rq c C Rq c Rq q c c q c q c t dt dtc t t q+++++++⎡⎤⎣⎦=-同理,给is t 一扰动,记is is is t t t=+ 、os os os t t t =+ 、w w w t t t =+ ,则有 1()()1()()os ss vs is is os os os os w w w w w vw iw w w os os w w dt C q c t t t t t t t t dt Rdt C q c t t t t t t t dt R =+---+--=--++--将静态工作点满足条件代入得1()()1()os s s vs is os os w w w w vw w os w dt C q c t t t t dt Rdt C q c t t t dt R=---=-+-消去中间变量os t得到 ()()()2211w w s w s s vs w w vw s w vs vw s vs w vw ws vs is d t dtRC C C Rq c C Rq c Rq q c c q c q c t dt dtq c t+++++++⎡⎤⎣⎦= 2-14()()2()()()m f m a m a a a m e f f C s U s J L s J R fL s fR C C L s R -Ω=+++++ 2-15传递函数为()73(s)=()(1)(3)C s s G R s s s +=++ 单位脉冲响为329tte e ---+。
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弊端.解答: 1 开环系统(1)长处 :构造简单,成本低,工作稳固。
用于系统输入信号及扰动作用能早先知道时,可获得满意的成效。
(2)弊端:不可以自动调理被控量的偏差。
所以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长处:不论因为扰乱或因为系统自己构造参数变化所惹起的被控量偏离给定值,都会产生控制作用去消除此偏差,所以控制精度较高。
它是一种按偏差调理的控制系统。
在实质中应用宽泛。
⑵弊端:主要弊端是被控量可能出现颠簸,严重时系统没法工作。
1-2什么叫反应?为何闭环控制系统常采纳负反应?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应。
闭环控制系统常采纳负反应。
由1-1 中的描绘的闭环系统的长处所证明。
比如,一个温度控制系统经过热电阻(或热电偶)检测出目前炉子的温度,再与温度值对比较,去控制加热系统,以达到设定值。
1-3试判断以下微分方程所描绘的系统属于何种种类(线性,非线性,定常,时变)?2 d 2 y(t)3 dy(t ) 4y(t ) 5 du (t ) 6u(t )(1)dt 2 dt dt(2) y(t ) 2 u(t)(3)t dy(t) 2 y(t) 4 du(t) u(t ) dt dtdy (t )u(t )sin t2 y(t )(4)dtd 2 y(t)y(t )dy (t ) (5)dt 2 2 y(t ) 3u(t )dt(6)dy (t ) y 2 (t) 2u(t ) dty(t ) 2u(t ) 3du (t )5 u(t) dt(7)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表示图, 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必定的高度。
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。
自动控制原理习题及解答1. 引言自动控制原理是控制工程中最基础的一门课程,是研究系统的建模、分析和设计的基础。
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2. 习题2.1 系统建模习题1:一个质量为m的弹簧振子的运动方程可以表示为:$$m\\frac{d^2x(t)}{dt^2} + c\\frac{dx(t)}{dt} + kx(t) = 0$$其中,m(m)为振子的位移,m为阻尼系数,m为弹性系数。
请利用拉普拉斯变换求解该系统的传递函数。
解答:对原方程两边进行拉普拉斯变换得:mm2m(m)+mmm(m)+mm(m)=0整理后可得传递函数:$$\\frac{X(s)}{F(s)} = \\frac{1}{ms^2 + cs + k}$$其中,m(m)为输出的拉普拉斯变换,m(m)为输入的拉普拉斯变换。
2.2 系统分析习题2:有一个开环传递函数为$G(s) =\\frac{3}{s(s+2)(s+5)}$的系统,求该系统的阻尼比和自然频率。
解答:该系统的传递函数可以表示为:$$G(s) = \\frac{3}{s(s+2)(s+5)}$$根据传递函数的形式可以得知,该系统是一个三阶系统,有三个极点。
通过对传递函数进行因式分解可以得到:$$G(s) = \\frac{A}{s} + \\frac{B}{s+2} + \\frac{C}{s+5}$$将上述表达式通分并整理后可得:$$G(s) = \\frac{3s^2 + 16s + 5}{s(s+2)(s+5)}$$通过对比系数可以得到:$$A = 1, B = -\\frac{2}{3}, C = \\frac{5}{3}$$根据阻尼比和自然频率的定义,可以得到:$$\\zeta = \\frac{c}{2\\sqrt{mk}}, \\omega_n =\\sqrt{\\frac{k}{m}}$$其中,m为系统的阻尼系数,m为系统的弹性系数,m为系统的质量。
《自动控制原理》部分习题参考答案第1章1-4 有差系统。
1-5 接线端1接地,2与4相连,3接地,5不需连接。
1-8 (1)略;(2)无差系统。
第2章2-1 (a) 1)(1)()()()(G 222111221212211221210+++++++==s C R C R C R sC C R R s C R C R s C C R R s U s U s i(b) 2122112120111)()()(G CC sC LC C LssC sC s C s U s U s i ++=++==(c) sC R s C R C R C R s C C R R s U s U s i 111323122213201)()()()(G ++++-==(d )sC R s C R C R sC C R s U s U s i 2121112212101)()()()(G +++-==2-2 (a )1)(1)()()()(12221122121221122121+++++++==s k f k f k f sk k f f s k f k f sk k f f s Y s Y s G i o(b )k s f f Mss F s Y s G o +++==)(1)()()(2122-3 )()()()()()(1221222122N N l sl s J J l ls M s s G =+++==ββθ2-4 )1)(1()()()(G 221122++==s C R s C R R s Q s H s i ,其中,1R 和2R 分别为在各自工作点的参数(液阻)。
2-5 1)()()()(G 2212112212122++++==s C R C R C R sC C R R R s Q s H s i ,其中,1R 和2R 分别为在各自工作点的参数(液阻)。
yu2-6 )()()(~)(~01t x t Q t P T dtt P d T i τ-=+,其中,0~2P g D γαπτ=,0000~~2P P g Dx T γαπ= ,RTVM T =1,符号∆已略去。
《自动控制原理》(第2版)习题答案1第2章2-1 (1)t e t ett23sin 3123cos122--+- (2)6 + 3t(3))334(322+++---t t e e t t (4)t t ωωωsin 1132-2-2 (1)2351853tt e e --+-(2)t e 2-(3)t e a b t ae n t nnn t n n ωωζωωζωζωsin cos --++(4)t a Aa t a A e b a A atωωωωωωωsin cos 222222++++⎪⎭⎫ ⎝⎛++- 2-3 (a ))()()(2110f f ms f s X s X i ++=(b )212110)()()(k k s k k f fsk s X s X i ++=2-4 (a ))()()(t u t kx t xm =+ (b ))()()(2121t u t x k k k k t x m =++ 2-5 (a ))()()()()(2212121t u R dt t du C R R t u R R dt t du CR R r r c c +=++ (b ))()()()()()(22121221t u R t u R R dt t du C R R L dt t u d LC R r c c c =++++ 2-6 252312)14(100)()(2+++=s s s s R s C 2523125231210)()(22++++⋅=s s s s s R s E 2-7 t t e e t c 2241)(--+-= 2-8 )1)(2(23)(+++=s s s s G t t e e t h ---=24)(22-9 (a )1)(1)()(32213+++⋅-=s R R C s CR R R s U s U r c (b )13221)()()(R R R s R CR s U s U r c ++-= 2-10 (a )))((1)()(432121G G G G G G s R s C -+++=(b ))(1)1()()(21221H H G G G s R s C -++=(c )331311321332123113211)()(H G H G H G G G G H G G H G G H G G G G s R s C ++++++=2-11 (a )32211)()(G G G G s R s C ++=(b )H G H H G s R s C 111)1()()(+--=(c )121223121)()()(H G G H G G G G s R s C +++=2-12 (a )))((1)1()()(23111232123111134321H G H G H H G G G H G H G H G G G G G G s R s C --++++++=))((1)1(1)()(2311123212311123423H G H G H H G G G H G H G H H G G H G s R s E --++++-+⋅=(b )21212121312)()(G G G G G G G G s R s C ++-++-= 21212131)1(1)()(G G G G G G s R s E ++-+⋅=2-13 (a )12121211)()(H G G G G G G s R s C ++= 121211211)1(1)()(H G G G G H G G s R s E +++⋅=12121231211)1(1)()(H G G G G G G H G G s D s C ++++⋅-=12121231211)1(1)()(H G G G G G G H G G s D s E ++-+⋅= (b )434242143421)()(G G G G G G G G G G G s R s C ++++= 434242111)()(G G G G G G G s R s E ++-=434241)()(G G G G G s D s C ++= 434241)()(G G G G G s D s E ++-=32-14 (a )))((1)(23113343321231134321H G H G H G G H G G G H G H G G G G G G s G -+++-++=(b )3541432326543211)(H G G H G G H G G G G G G G G s G +-+=(c ) 15.1 (d )))((1)1()(ch af ehgf ch gb af gb ed abcd s G +----++=45σ % = 56.2% t p = 1.006 t s = 63-13 0 < K < 0.75 3-14 (1)0(2)1 3-16 (1)∞ ∞6分离点:d = -0.8857(4) 渐近线:σa = -1 ϕa = ± 60︒,180︒与虚轴的交点:K = 3 s = ± j1.414分离点:d = -0.423 根迹图略(5) 渐近线:σa = -2/3 ϕa = ± 60︒,180︒与虚轴的交点:K = 4 s = ± j1.414(6)渐近线:σa = -1.5 ϕa = ± 45︒,± 135︒起始角:ϕ1 = -63.4︒根迹图略 (7)(8)894-9 零度根轨迹。
自动控制原理第二章控制系统的教学模型D.非线性系统参考答案:A5.(单选题)参考答案:A6.(单选题)参考答案:D7.(单选题)参考答案:A8.(单选题)参考答案:B9.(单选题) 结构图的四要素不包括下列哪项()。
A.函数方块B.分支点C.综合点D.支路参考答案:D10.(单选题)参考答案:C11.(单选题) 在信号流图中,只有()不用节点表示。
A.输入B.输出C.比较点D.方块图单元参考答案:D12.(单选题) 梅逊公式主要用来()。
A.判断稳定性B.计算输入误差C.求系统的传递函数D.求系统的根轨迹参考答案:C13.(判断题) 在初始条件为零条件下,系统输出量与输入量的拉式变换式之比,称为系统的传递函数。
参考答案:对14.(判断题) 在信号流图中,在支路上标明的是传递函数。
参考答案:对15.(判断题) 微分环节的传递函数只有零点而无极点,可以预示输入信号的变化趋势。
参考答案:对第三章自动控制系统的时域分析1.(单选题) 1.描述系统静态性能的指标有()A.延迟时间td B.调节时间ts C.最大超调量 D.稳态误差ess参考答案:D2.(单选题) 2、如果系统动态性能指标只有调节时间存在,那么其TS=()时,误差范围为2%。
A TB 2TC 3TD 4T参考答案:D3.(单选题) 3、关于控制系统系统的性能指标,以下不属于时域指标的是()。
A.调节时间B.超调量C.静态误差D.中频宽度参考答案:D4.(单选题) 4.某二阶系统特征方程的根为,则其工作在()。
A 无阻尼B 欠阻尼C 临界阻尼D 过阻尼参考答案:A5.(单选题) 5. 已知二阶系统的传递函数是,则该系统属于( )。
A.无阻尼系统B.欠阻尼系统C.临界阻尼系统D.过阻尼系统参考答案:B6.(单选题) 6.右图各曲线对应二阶系统不同阻尼情况下单位阶跃响应曲线,下面结论正确的是()。
A.曲线1为临界阻尼二阶系统的单位阶跃响应B.曲线2为临界阻尼二阶系统的单位阶跃响应C.曲线3为过阻尼二阶系统的单位阶跃响应D.曲线2为过阻尼二阶系统的单位阶跃响应参考答案:B7.(单选题) 7.已知系统的开环传递函数为,则其型别为()。
自动控制原理王雪松答案一、单选题1线性系统的主要特点有()。
[华中科技大学2009年研]A.稳定性B.振荡性C.收敛性D.齐次性【答案】D查看答案【解析】线性系统的重要性质是可以应用叠加原理,叠加原理有两重含义,既具有可叠加性和齐次性。
2对控制作用进行适当的补偿(复合控制),可使系统()。
[湖南大学2006年研]A.由不稳定变成稳定B.减小非线性的影响C.提高无差度D.同时改善快速性和抗干扰能力【答案】D查看答案【解析】复合控制只要参数选择合适,不仅可以改善快速性,还能保持系统稳定,减小稳态误差、抑制几乎所有可测量扰动。
3在通常的闭环控制系统结构中,系统的控制器和控制对象共同构成了()。
[杭州电子科技大学2008年研]A.开环传递函数B.反馈通道C.前向通道D.闭环传递函数【答案】C查看答案【解析】前向通道是指闭环系统中,从系统输入量到系统被控制量之间的通道。
因此控制器和控制对象就组成了通常闭环控制系统的前向通道。
4系统的传递函数与下列因素有关()。
[华中科技大学2009年研] A.系统结构B.初始条件C.系统结构和参数D.系统结构、参数和初始条件【答案】C查看答案【解析】传递函数是一种用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。
5传递函数的概念除了适用于线性定常系统之外,还可用于描述()系统。
[杭州电子科技大学2008年研]A.线性时变B.非线性定常C.非线性时变D.以上都不是【答案】D查看答案【解析】传递函数定义为线性定常系统零初始条件下,系统输出量与输入量的拉氏变换之比,只适用于线性定常系统。
6设f(t)=tet·1(t),则F(s)=()。
[清华大学研]A.-1/(s-1)2B.1/(s-1)C.1/(s-1)2D.1/[s2(s-1)]【答案】C查看答案【解析】由于L(t)=1/s2,由相移定理,F(s)=L(tet·1(t))=1/(s -1)2。
第二章控制系统的数学模型2.1RC无源网络电路图如图2-1所示,试采用复数阻抗法画出系统结构图,并求传递函数U c(s)/U r(s)。
图2-1解:在线性电路的计算中,引入了复阻抗的概念,则电压、电流、复阻抗之间的关系,满足广义的欧姆定律。
即:)()()(sZsIsU=如果二端元件就是电阻R、电容C或电感L,则复阻抗Z(s)分别就是R、1/C s或L s。
(1)用复阻抗写电路方程式:sCSISVRSUSUSIsCSISISURSUSUSIccccCr222221212111111)()(1)]()([)(1)]()([)(1)]()([)(⋅=-=⋅-=⋅-=(2)将以上四式用方框图表示,并相互连接即得RC网络结构图,见图2-1(a)。
2-1(a)。
(3)用梅逊公式直接由图2-1(a)写出传递函数U c(s)/U r(s) 。
∆∆=∑KGG K独立回路有三个:SCRSCRL1111111-=⋅-=SCRSCRL22222111-=⋅-=回路相互不接触的情况只有L 1与L 2两个回路。
则2221121121S C R C R L L L == 由上式可写出特征式为:222111222112132111111)(1S C R C R S C R S C R S C R L L L L L ++++=+++-=∆通向前路只有一条221212*********SC C R R S C R S C R G =⋅⋅⋅=由于G 1与所有回路L 1,L 2, L 3都有公共支路,属于相互有接触,则余子式为Δ1=1代入梅逊公式得传递函数1)(111111121221122121222111222112221111++++=++++=∆∆=s C R C R C R s C C R R s C R C R s C R s C R s C R s C R C R G G 2-2 已知系统结构图如图2-2所示,试用化简法求传递函数C (s )/R (s )。
图2-2解:(1)首先将含有G 2的前向通路上的分支点前移,移到下面的回环之外。
如图2-2(a )所示。
(2)将反馈环与并连部分用代数方法化简,得图2-2(b )。
(3)最后将两个方框串联相乘得图2-2(c )。
SC R R S C L 12213111-=⋅-=图2-2 系统结构图的简化2、3化简动态结构图,求C(s)/R(s)图2-3解: 单独回路1个,即3211G G G L -=两个互不接触的回路没有 于就是,得特征式为3211 1G G G L a +=-=∆∑从输入R 到输出C 的前向通路共有2条,其前向通路传递函数以及余因子式分别为211G G P = 11=∆422G G P = 12=∆因此,传递函数为∆∆+∆=2211)()(P P s R s C 2、4 用梅森公式求系统传递函数。
32124121G G G G G G G ++=图2-4解: 单独回路5个,即11G L -=212G G L =23G L -=214G G L -=215G G L -=两个互不接触的回路没有于就是,得特征式为21211 1G G G G L a+++=-=∆∑从输入R 到输出C 的前向通路共有4条,其前向通路总增益以及余因子式分别为11G P = 11=∆ 22G P = 12=∆ 213G G P = 13=∆214G G P -= 14=∆因此,传递函数为∆∆+∆+∆+∆=44332211)()(P P P Ps R s C 2121211G G G G G G ++++=2-5 试简化图2-5中的系统结构图,并求传递函数C(s)/R(s )与C(s)/N(s)。
图2-5解: 仅考虑输入R(S)作用系统时,单独回路2个,即211G G L -=1212H G G L -=两个互不接触的回路没有,于就是,得特征式为121211 1H G G G G L a++=-=∆∑从输入R 到输出C 的前向通路共有1条,其前向通路总增益以及余因子式分别为211G G P = 11=∆因此,传递函数为∆∆=11)()(P s R s C 12121211H G G G G G G ++=仅考虑输入N(S)作用系统时,单独回路2个,即211G G L -=1212H G G L -=两个互不接触的回路没有,于就是,得特征式为121211 1H G G G G L a++=-=∆∑从输入N 到输出C 的前向通路共有2条,其前向通路总增益以及余因子式分别为11-=P 12111H G G +=∆ 322G G P = 12=∆因此,传递函数为∆∆+∆=2211)()(P P s N s C2-6用梅逊增益公式求传递函数C(s)/R(s)与E(s)/R(s)。
12121322111H G G G G G G H G G ++-+-=图2-6解:C(s)/R(s):单独回路3个,即111H G L -=232H G L -=213213H H G G G L -=1L 2L 两个互不接触的回路,于就是,得特征式为21312132123111 1H H G G H H G G G H G H G L L L cb a ++++=+-=∆∑∑从输入R 到输出C 的前向通路共有1条,其前向通路总增益以及余因子式分别为3211G G G P = 11=∆432G G P = +=∆1211H G因此,传递函数为∆∆+∆=2211)()(P P s R s C 213121321231111433211)1(H H G G H H G G G H G H G H G G G G G G ++++++=E(s)/R(s):单独回路3个,即111H G L -=232H G L -=213213H H G G G L -=1L 2L 两个互不接触的回路,于就是,得特征式为21312132123111 1H H G G H H G G G H G H G L L L cb a ++++=+-=∆∑∑从输入R 到输出E 的前向通路共有2条,其前向通路总增益以及余因子式分别为11=P 2311H G +=∆21432H H G G P -= 12=∆因此,传递函数为∆∆+∆=2211)()(P P s R s E213121321231121432311H H G G H H G G G H G H G H H G G H G ++++-+=第三章 线性系统的时域分析法3-1 设二阶控制系统的单位阶跃响应曲线如图3-1所示。
试确定系统的传递函数。
图3-1 二阶控制系统的单位阶跃响应解 在单位阶跃作用下响应的稳态值为3,故此系统的增益不就是1,而就是3。
系统模型为22223)(nn ns s s ωξωωφ++=然后由响应的%p σ、p t 及相应公式,即可换算出ξ、n ω。
%33334)()()(%=-=∞∞-=c c t c p p σ 1.0=p t (s )由公式得%33%21/==--ξπξσe p1.012=-=ξωπn p t换算求解得: 33.0=ξ、 2.33=n ω110222330623)(2222++=++=s s s s s n n n n ωξωωφ 3-2 设系统如图3-2所示。
如果要求系统的超调量等于%15,峰值时间等于0、8s ,试确定增益K 1与速度反馈系数K t 。
同时,确定在此K 1与K t 数值下系统的延迟时间、上升时间与调节时间。
34 0、1图3-2解 由图示得闭环特征方程为0)1(112=+++K s K K s t即21n K ω=,nnt t K ωωξ212+=由已知条件8.0115.0%21/2=-===--tn p p t et t ξωπσξπξ解得1588.4,517.0-==s n t ωξ于就是05.211=K 178.0211==-K K nt t ωξs t nt t d 297.02.06.012=++=ωξξs t tn t tn r 538.01arccos 122=--=--=ξωξπξωβπs t nt s 476.15.3==ωξ3-3 已知系统特征方程式为0516188234=++++s s s s 试用劳斯判据判断系统的稳定情况。
解 劳斯表为4s 1 18 5 3s 8 16 0R (s )C (s )1+K t sK/s(s+1)2s168161188=⨯-⨯ 580158=⨯-⨯1s 5.1316581616=⨯-⨯ 00s 55.1301655.13=⨯-⨯由于特征方程式中所有系数均为正值,且劳斯行列表左端第一列的所有项均具有正号,满足系统稳定的充分与必要条件,所以系统就是稳定的。
3-4 已知系统特征方程为053222345=+++++s s s s s 试判断系统稳定性。
解 本例就是应用劳斯判据判断系统稳定性的一种特殊情况。
如果在劳斯行列表中某一行的第一列项等于零,但其余各项不等于零或没有,这时可用一个很小的正数ε来代替为零的一项,从而可使劳斯行列表继续算下去。
劳斯行列式为5s 1 2 3 4s 1 2 5 3s 0≈ε 2-2sεε22+ 51s 225442+---εεε0s 5由劳斯行列表可见,第三行第一列系数为零,可用一个很小的正数ε来代替;第四行第一列系数为(2ε+2/ε,当ε趋于零时为正数;第五行第一列系数为(-4ε-4-5ε2)/(2ε+2),当ε趋于零时为2-。
由于第一列变号两次,故有两个根在右半s 平面,所以系统就是不稳定的。
3、5解;在求解系统的稳态误差前必须判定系统就是否稳定;系统特征方程为05055.11.023=+++s s s 由劳斯判据判断劳斯行列式为3s 1.0 5 2s 5.1 501s 350s 50由于特征方程式中所有系数均为正值,且劳斯行列表左端第一列的所有项均具有正号,满足系统稳定的充分与必要条件,所以系统就是稳定的。
)12.0)(11.0(10)5)(11.0(50)(++=++=s s s s s s s G 可知v=1,K=10当 ,当 第五章 线性系统的频域分析法5、1已知系统的开环传函)12.0)(12(10)()(++=s s s s H s G ,用奈氏判据(画出奈氏曲线)判别闭环系统的稳定性。
解: (1) 确定起点与终点1,2)(0=⋅-=∠→νπνωωνj k 初始相角为,故初始相角为-90︒, ∞→→0)(ωνωj k 模值为终点: 0)(=∞→-ωωm n j k 模值为,0027090)()(-=⋅--=∠∞→-m n j k mn ωω终止相角为 (2) 求幅相曲线与负实轴的交点)4.01(2.210)(22ωωωω-+-=j j G ,P=0,N-=1, N+=0,R=2(N+-N-)=-2,Z=P-2N=2 由奈氏判据知,闭环系统就是不稳定的。