习题答案第3章
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t s (2%) 4T
T ,为惯性环节的时间常数。 将已知数据 t s (2%)=15 秒代入上式,求得惯性环节的时间常数 T
则闭环传递函数为
3.75 秒。
WB ( s )
单位反馈系统的开环传递函数为
1 15s 1
WK ( s )
WB ( s) 1 1 WB ( s ) 15s
s0
劳斯表中出现 s 行为全 0 行,且无符号变化,则闭环系统临界稳定,有 2 对对称于原 点的特征根。可通过辅助方程得到。
3
令 F ( s ) 3s 18s 12 0
4 2
解得
3-9 系统如图 P3-4 所示,问 取何值系统方能稳定。
s1, 2 j 0.87 , s 3, 4 j 2.29 10 s ( s 1)
则 令 xc (t ) 0
xc (t ) L1 [ X c ( s )] 1 e t cos(3t )
可得 t m 0.94 s
阶跃响应的最大峰值 根据超调量的定义
x max (t m ) 1.37
%
调节时间 t s (5%)
x max (t m ) xc () 100% 37% x c ( )
0.2 sX c ( s ) 2 X r ( s )
又输入信号为 X r ( s )
1 ,则输出 s
X c ( s ) 10 s2
拉氏反变换后,得单位阶跃响应为
xc (t ) 10t
c (t ) 0.24 x c (t ) (2) 0.04 x
微分方程两侧同时取拉氏变换,得
5 4 3 2
(4) s 4 s 4 s 4 s 7 s 8s 10 0
6 5 4 3 2
(5) s 3s 9 s 18s 22s 12 s 12 0 解答:
6 5 4 3 2
(1) s 20 s 9 s 100 0
3 2
s3 1 9 2 s 20 100 1 s 4 0 s 100
3 4 2
劳斯表在 s 行出现全 0 行,可通过解辅助方程 F ( s ) s s 2 0 得到对称于原点的
s1, 2 1 , s 3.4 2 j 。另在劳斯表左端第一列出现两个负数,符号改变两次,
5 4 3 2
所以在 s 右半平面有两个闭环特征根。 (5) s 3s 9 s 18s 22 s 12 s 12 0 列劳斯表:
WK ( s)
则静态误差系数与稳态误差为
10 5 s( s 2) s(0.5s 1)
K P , e p ( ) 0 ; K v K k 5 , ev () 1 0.2 ; Kk K a 0 , e a ( ) 。
2 ) 1 0 .1 ,
2 n 2 2 n 10
解得
10 10 2 n 10
则系统单位阶跃响应的超调量 % e
100% 35% 3 3 调节时间 t s (5%)
1 2
n
(2) 1 0.1 ,
2 0 时,闭环传递函数为
第 3 章习题解答:
1 , 当输入单位阶跃信号时, 经 15 秒 Ts 1 系统响应达到稳态值的 98% ,试确定系统的时间常数及开环传递函数 Wk ( s ) 。
3-1 设单位反馈系统的闭环传递函数 W B ( s ) 解答: 由题意知,惯性环节在阶跃输入作用下的响应时间(即调节时间 t s (2%)为 15 秒,根 据惯性环节特性知
(3-1)
% e
1 2
100% 1.25 1.0 100% 25% 1.0
系统单位阶跃响应的最大峰值对应的峰值时间为
tm
可得
n 1 2
1 .5
0.404 , n 2.289
将式(3-2)代入式(3-1) ,解得
(3-2)
0.54 , K k 2.83
拉氏反变换后,得单位阶跃响应为
xc (t ) 1 e 3t cos 4t 0.75e 3t sin 4t
3-3 已知二阶系统的单位阶跃响应为
xc (t ) 10 12.56e 1.2t sin(1.6t 53.1 ) 试求系统的超调量 % 、峰值时间 t m 和调节时间 t s 。
3-2 设系统的微分方程式如下,已知全部初始条件为零,试求系统的单位阶跃响应
xc (t ) 。
2 xr (t ) ; c (t ) 0.24 x c (t ) xc (t ) xr (t ) ; (2) 0.04 x c (t ) (1) 0.2 x
解答: (1) 0.2 x c (t ) 2 xr (t ) 微分方程两侧同时取拉氏变换,得
n
Kk , 其单位阶跃响应曲线如 s(s 1)
x c (t )
1.23-1
t
解答: 已知系统闭环特征方程 s
2
1 s K k 0 ,与二阶系统标准特征方程比较,
2 1 n Kk 2 n
由图 P3-1 知,系统单位阶跃响应的超调量
10 s(s + 1)
X c ( s)
2s
图 P3-2 解答: (1) 1 0 ,
2 0.1 时,闭环传递函数为
WB ( s )
10 s ( s 1 10 2 ) 10 2 系统闭环特征方程 s (1 10 2 ) s 10 0 , 2 0.1 ,与二阶系统标准特征方程比较,
s6 s5 s4 s3 s2 s1 s0
特征根
6
4 7 10 1 8 4 4 s 3 行为全 0 行 5(1) 5(1) 10(2) 4 2 4 利用 s 行构建辅助多项式 F ( s ) s s 2 0(2) 0(1) d F ( s) 多项式求导 4s 3 2 s ,将系数写入 s 3 行。 0.5 2 ds 7 2
5 4 3 2
s5 s4 s3 s2 s1 s0
1 12 32 3(1) 24(8) 48(16) 4(1) 16(4) 4(1) 16(4) 0( ) 4
6 5 4 3 2
劳斯表左端第一列出现 0,且上下符号无变化,则系统临界稳定。 (4) s 4 s 4 s 4 s 7 s 8s 10 0 由特征方程的系数出现负数,则不必列劳斯表就可得出闭环系统不稳定。 若需了解特征根的分布情况,则仍需列劳斯表
1 2
由性能指标 % e
100% 16% ,得 0.5 ,
t s (5%) 3 6 s ,得 n 1 rad/s
可得 K T 1 。 3-5 一单位反馈控制系统的开环传递函数为 WK ( s ) 图 P3-1 所示,试确定系统参数 K k 和 值。
(2)较(1)的稳态性能稍好。 3-8 有闭环系统的特征方程式如下,试用劳斯判据判断系统的稳定性,并说明特征根在 复平面的分布情况。 (1) s 20s 9 s 100 0
3 2
(2) s 2 s 10 s 9 s 25 0
4 3 2
(3) s 3s 12 s 24s 32s 48 0
WB ( s)
10(1 1 s ) , 1 0 .1 s ( s 1) 10(1 1 s )
单位阶跃输出
10(1 0.1s) 1 s 1 X c (s) 1 2 2 s 1 1 s s 2s 10 s s 2s 10 s ( s 1) 2 9
s6 s
5 4
1 3
9 18
22 12 12
s 3 行为全 0 行,利用 s 4 行构建辅助多项式 F ( s ) 3s 4 18s 2 12 d F ( s) 多项式求导 12s 3 36s , ds 3 将系数 1,3 写入 s 行。继续计算。
s s3 s2 s
1
3 18 12 0(1) 0(3) 9 5 3 12 12
列劳斯表:
s3 s2 s1 s0
1 1 10 10 10 1 10 10
10 10
若闭环系统稳定,则劳斯表左端第一列元素全部大于 0,即
解答: 由单位阶跃响应的表达式为
n 1.2
n 1 2 1.6 得
1 2
1 2
0.75
则系统超调量 % e 峰值时间 t m
100% 9.4%
n 1 2
1.96 s
调节时间 t s (5%)
n
3 2.5 s
劳斯表左端第一列元素全部大于零,则闭环系统稳定。 (2) s 2 s 10 s 9 s 25 0 列劳斯表:
4 3 2
s4 s s2 s1 s0
3
1 10 25 2 9 5.5 25 0.1 25
劳斯表左端第一列有一元素为负,则闭环系统不稳定,而符号改变两次,在 s 右半平面 有两个闭环特征根。 (3) s 3s 12 s 24 s 32 s 48 0 列劳斯表:
x xc () xc (t ) e t cos 3t 0.05
忽略正弦信号的影响
t s (5%) 3 s
(3)暂态性能比较: 通过上述计算,超调量(1)较(2)稍小,而调节时间变化不明显。 稳态性能比较: 1) 1 0 , 2 0.1 时,系统开环传递函数
3-6 系统的动态结构图如图 P3-2 所示,求 (1) 1 0 , 2 0.1 时,系统的 % 、 t s (5%) ; (2)