1、自动控制理论 第 2 版(夏德钤) 习题答案详解第二章2-1 试求图 2-T-1 所示 RC 网络的传递函数。(a) , ,则传递函数为:11CsRz 2z212112)( RCszsUio (b) 设流过 、 的电流分别为 、 ,根据电路图列出电压方程:12I2)(1)(21sICsUoi并且有 )()122sIRsI联立三式可消去 与 ,则传递函数为:)(1sI2 1)(11)( 2212112 sCRsCRsCRssUio2-2 假设图 2-T-2 的运算放大器均为理想放大器,试写出以 为输入, 为输出的传递函iuo数。(a)由运算放大器虚短、虚断特性可知: , ,dtCtRuii 00
2、ic对上式进行拉氏变换得到 )()()(0sUsCUii故传递函数为 Rsi1)(0(b)由运放虚短、虚断特性有: , ,02udtuCcic 01Ruc联立两式消去 得到cu 022101uRdtuRCi对该式进行拉氏变换得 )()()(0101 sUssUi故此传递函数为 )4()(10RCssi(c) ,且 ,联立两式可消去 得到2/110RudtuCcc 21uci cu0101Rdtii对该式进行拉氏变换得到 )(2)()(2011 sUsURCii故此传递函数为 RCssi4)()(102-3 试求图 2-T-3 中以电枢电压 为输入量,以电动机的转角 为输出量的微分方程式和au传
3、递函数。解:设激磁磁通 恒定fiKmeaaama CfRsJfLJsCsU26022-4 一位置随动系统的原理图如图 2-T-4 所示。电动机通过传动链带动负载及电位器的滑动触点一起移动,用电位器检测负载运动的位移,图中以 c 表示电位器滑动触点的位置。另一电位器用来给定负载运动的位移,此电位器的滑动触点的位置(图中以 r 表示)即为该随动系统的参考输入。两电位器滑动触点间的电压差 即是无惯性放大器(放大系数为eu)的输入,放大器向直流电动机 M 供电,电枢电压为 ,电流为 I。电动机的角位移aK为 。解: mAmeaaa mA CKsfRisJfLiJsi CKRC 260232-5 图 2
4、-T-5 所示电路中,二极管是一个非线性元件,其电流 与 间的关系为diu。假设电路中的 ,静态工作点 ,110026.6dudei 310V39.20。试求在工作点 附近 的线性化方程。Ai309. ),(0iu)(dufi解: 2.84.012dd2-6 试写出图 2-T-6 所示系统的微分方程,并根据力电压的相似量画出相似电路。解:分别对物块 、 受力分析可列出如下方程:1m2)(122 11ykdtvykftF代入 、 得dtyv1t2)(122 11ykdtymykftF2-7 图 2-T-7 为插了一个温度计的槽。槽内温度为 ,温度计显示温度为 。试求传递函i数 (考虑温度计有贮存
5、热的热容 C 和限制热流的热阻 R) 。)(si解:根据能量守恒定律可列出如下方程: dti对上式进行拉氏变换得到 RssCi)()(则传递函数为 1)(si2-8 试简化图 2-T-8 所示的系统框图,并求系统的传递函数 。)(sRC解:(a) 化简过程如下G3G1H1_G2G1R(s) C(s)+ +C(s)R(s) +_G1+G2G1+H1G3R(s) C(s)G1+G2 )(13HG1G2G3H1+_+_+ C(s)R(s)a)+G1H1G2G4H3G3H2+ + + +_R(s) C(s)b)图 2-T-8传递函数为 )(1)(132HGsRC(b) 化简过程如下传递函数为 )(1)
6、( 31243212 GHGsRC2-9 试简化图 2-T-9 所示系统的框图,并求系统的传递函数 。)(sRCC(s)R(s) )(1132GH3C(s)+_G1G4G3H1G2G2H2 1/G1_+R(s)R(s) G4+G2G312GH3+H2/G1+_C(s)(131243212GC(s)R(s)_+0.7 s214.00.5K0.413.02s+_R(s) C(s)图 2-T-9解:化简过程如下系统的传递函数为 52.04.18.7.09223 sksksRC2-10 绘出图 2-T-10 所示系统的信号流程图,并根据梅逊公式求出传递函数 。)(sRC+0.7 6.02s13.20.
7、4Ks_R(s) C(s)+_Ks0.7 08.)6(13.0(.2ssR(s)C(s) 52.0)4.18()7.09(23 sksksC(s)R(s)G1H1G2H2G4G3_+ +R(s) C(s)图 2-T-10系统的传递函数为 42312123GHGHsRC2-11 试绘出图 2-T-11 所示系统的信号流程图,并求传递函数 和 (设)(1sRC)(2) 。0)(2sR解:系统信号流程图如图所示。题 2-11 系统信号流程图215421421652 21542142131 HGGsRCs2-12 求图 2-T-12 所示系统的传递函数 。)(s+_C1(s)+G1G6G4H1G3H2
8、G2G5+_+R2(s)R1(s)C2(s)图 2-T-11解:(a) 系统只有一个回环: ,cdhL1在节点 和 之间有四条前向通道,分别为: , ,)(sRCabcdefP1abcdi2, ,相应的,有:agdefP3agdi4 4321则 cdhagiefabicefPsRnk 1)(b) 系统共有三个回环,因此, ,sCRsRL21211两个互不接触的回环只有一组,因此, 21212 s在节点 和 之间仅有一条前向通道: ,并且有)(sRC 2121CRssCP,则1 1)(1)( 21212112 ssRLsR2-13 确定图 2-T-13 中系统的输出 。)(sC解:采用叠加原理,
9、当仅有 作用时, ,)(sR12211)(HGsC当仅有 作用时, ,)(1sD12212)(GHsCR(s)_+G1 G2H1H2+ + +_D1(s)D3(s)D2(s)C(s)图 2-T-13当仅有 作用时, ,)(2sD122231)(HGsC当仅有 作用时,)(3 12234)(根据叠加原理得出 1223121214321 )()()()()()()( HGsDssDRsCsCs 第三章3-1 设系统的传递函数为 22)(nssRC求此系统的单位斜坡响应和稳态误差。解:当输入为单位斜坡响应时,有,tr)(21)(s所以有 22)(ssCn分三种情况讨论(1)当 时, 2121222,
10、11ttnnn nneetcs(2)当 时,10 22222, 1arctn1sin1tetcjs ntnnn(3)当 时, tetcsntn212)(2,1 设系统为单位反馈系统,有 22nr sRcsE系统对单位斜坡输入的稳态误差为 nnsr sime2120 3-2 试求下列单位反馈控制系统的位置、速度、加速度误差系数。系统的开环传递函数为(1) (2))1(.05)(ssG )5.01)(.)(ssKG(3) (4))()2sK)24()2解:(1) ;0lim,0(li,50lim000 sKssasvsp(2) ;)()( 2GGGKsss(3) ;10li,(li,li 000K
11、sasvsp (4) )(2)( 2 sKsss3-3 设单位反馈系统的开环传递函数为 )1.0()sG若输入信号如下,求系统的给定稳态误差级数。(1) , (2) , (3)0)(RtrtRtr10)(210)(tRttr解:首先求系统的给定误差传递函数 .)()(2ssGsEe误差系数可求得如下 0)10.(2.(102limli ).(lili.)10(32202 201 20 sssdCssesseses(1) ,此时有 ,于是稳态误差级数为0)(Rtr ),)(0trRtrsss ,0)(0trCtessr t(2) ,此时有 ,于是稳态误tRtr10)( 0)(,)(,11 trR
12、Rsss 差级数为,110.0)()(trttesssr t(3) ,此时有 ,210)(Rtr tRtrRss 212)(,,于是稳态误差级数为2Rs, )(1.0)!2)()( 210 ttrCttrCtessssr 03-4 设单位反馈系统的开环传递函数为 )1.0()sG若输入为 ,求此系统的给定稳态误差级数。ttr5sin)(解:首先求系统的给定误差传递函数 501.)()()(2ssGsREe误差系数可求得如下 23220202 2100 5098)501.()1.(limli ).(5lili 01).( ssssdCssesess以及 ttrttss5in2)(coi则稳态误差
13、级数为 ttCCtesr 5cos105sin109.4224 3-6 系统的框图如图 3-T-1a 所示,试计算在单位斜坡输入下的稳态误差的终值。如在输入端加入一比例微分环节(参见图 3-T-1b) ,试证明当适当选取 a 值后,系统跟踪斜坡输入的稳态误差可以消除。解:系统在单位斜坡输入下的稳态误差为: ,加入比例 微分环节后nsre2nsr nnaEeRsRsasCsRGas2lim121102 22可见取 ,可使na2sr3-7 单位反馈二阶系统,已知其开环传递函数为 )2()nsGC(s)as1 )2(nsb)R(s)图 3-T-1+_)2(nsR(s) C(s)a)+_从实验方法求得
14、其零初始状态下的阶跃响应如图 3-T-2 所示。经测量知, ,096.pM。试确定传递函数中的参量 及 。stp2.0n解:由图可以判断出 ,因此有10npptM221%10)ex(代入 , 可求出096.pM2.pt58.190n3-8 反馈控制系统的框图如图 3-T-3 所示,要求(1)由单位阶跃函数输入引起的系统稳态误差为零。(2)整个系统的特征方程为 04623ss求三阶开环传递函数 ,使得同时满足上述要求。)(G解:设开环传递函数为 3213)(kssKRC根据条件(1) 可知: ;0)(1lim32130 kGesr 3k根据条件(2) 可知: , , 。046)(23sD4162
15、4K所以有 2ss3-9 一单位反馈控制的三阶系统,其开环传递函数为 ,如要求)(G(1)由单位斜坡函数输入引起的稳态误差等于 2.0。(2)三阶系统的一对主导极点为 。1,21js求同时满足上述条件的系统开环传递函数 。)(解:按照条件(2)可写出系统的特征方程 02)()2()(2()(1)( 32 assasasasjjsG(s)R(s) C(s)+_图 3-T-3将上式与 比较,可得系统的开环传递函数0)(1sG)2()2()( ass根据条件(1) ,可得 aeKsrv 25.0解得 ,于是由系统的开环传递函数为a432)(ssG3-10 已知单位反馈控制系统的开环传递函数为 )1(
16、)sK试求在下列条件下系统单位阶跃响应之超调量和调整时间。(1) (2) (3)sK1,5.4K,1s,6.0解:系统单位阶跃响应的象函数为 )1()()2sKGsRC(1)将 , s 代入式中可求出 , ,为欠阻尼系统,5.4K1radn/.24.0因此得出, ,%46pM)2(86.7sts %)5(9.s(2)将 , s 代入式中可求出 , , ,为欠阻尼系统,因此1radn/10得出, s,3.16p)2(8ts )5(6(3)将 , s 代入式中可求出 , ,过阻尼,无最16.0Kradn/4.02.1大超调量。因此只有 s。5t3-11 系统的框图如图 3-T-4 所示,试求当 a
17、=0 时,系统的之值。如要求,是确定 a 的值。(1)当 a=0 时, 则系统传传递函数为 ,其中 ,82)(ssG28n,所以有 。2n354.0(2) 不变时,系统传函数为 ,要求 ,则有n8)2()(2sasG7.0,所以可求得求得 。)14(an 5.03-12 已知两个系统的传递函数,如果两者的参量均相等,试分析 z=1 的零点对系统单位脉冲响应和单位阶跃响应的影响。1. 单位脉冲响应(a) 无零点时 0,1sin122 tetcntn(b)有零点 时z 0,11sin12 222 tarctgetc nntnn 比较上述两种情况,可见有零点 时,单位脉冲响应的振幅较无零点时小,而且
18、产生z相移,相移角为 。narctg22单位阶跃响应(a) 无零点时 0,11sin1 222 tarctgetc nt (b)有零点 时z ,si 222 trctetc nntnn加了 的零点之后,超调量 和超调时间 都小于没有零点的情况。1zpMpt3-13 单位反馈控制系统的框图如图 3-T-5 所示。假设未加入外作用信号时,系统处于零初始状态。如果不考虑扰动,当参考输入为阶跃函数形式的速度信号时,试解释其响应为何必然存在超调现象?单位反馈控制系统的框图如图 3-T-5 所示。假设未加入外作用信号时,系统中存在比例-积分环节 ,当误差信号 时,由于积分作用,该环节的输出保持不变,sK1
19、0te故系统输出继续增长,知道出现 时,比例-积分环节的输出才出现减小的趋势。因t此,系统的响应必然存在超调现象。3-14 上述系统,如在 为常量时,加于系统的扰动 为阶跃函数形式,是从环节及物trtn理作用上解释,为何系统的扰动稳态误差等于零?如扰动 为斜坡函数形式,为何扰动稳态误差是与时间无关的常量?在 为常量的情况下,考虑扰动 对系统的影响,可将框图重画如下trtn图 A-3-2 题 3-14 系统框图等效变换sNKsC1122根据终值定理,可求得 为单位阶跃函数时,系统的稳态误差为 0, 为单位斜坡函tn tn数时,系统的稳态误差为 。1K从系统的物理作用上看,因为在反馈回路中有一个积
20、分环节,所以系统对阶跃函数的扰动稳态误差为零。在反馈回路中的积分环节,当输出为常量时,可以在反馈端产生一个与时间成正比的信号以和扰动信号平衡,就使斜坡函数的扰动输入时,系统扰动稳态误差与时间无关。3-15 已知系统的特征方程如下,试用劳斯判据检验其稳定性。 (1)劳斯表有 则系统系统稳定。3064238113ss(2)劳斯表有 劳斯阵列第一列符号改变两次,根据劳斯判据,2810420234ss系统有两个极点具有正实部,系统不稳定。(3)劳斯表有 劳斯阵列第一列符号改变两次,根据劳斯判10261093345ss据,系统系统有两个极点具有正实部,系统不稳定。(4)劳斯表有 系统处于稳定的临界状态,
21、由辅助方程431284693502456sss可求得系统的两对共轭虚数极点 。6224ssA 2;4,32,1jsj3-16 根据下列单位反馈系统的开环传递函数,确定使系统稳定的 K 值的范围。(1)K0 时,系统稳定。 (2)K0 时,系统不稳定。 (3)0K3 时,系统稳定。3-17 已知单位反馈控制系统的开环传递函数为 请在以 K 为横坐)12()(ssG标, 为纵坐标的平面上,确定系统为稳定的区域。系统的特征方程为 0)1()2()(3KssD列写劳斯表 ,得出系统稳定应满足的条件 ksks01232)1(2)(K由此得到和应满足的不等式和条件 2,1,)(20K2 3 4 5 9 1
22、5 30 1006 4 3.3 3 2.5 2.28 2.13 2.04根据列表数据可绘制 为横坐标、 为纵坐标的曲线,闭环系统稳定的参数区域为图KA-3-3 中的阴影部分。图 A-3-3 闭环系统稳定的参数区域3-18 已知单位反馈控制系统的开环传递函数为 试求系统的)10)(245)(3ssKG临界增益 之值及无阻尼振荡频率值。cK根据单位反馈系统的开环传递函数得到特征方程 02452012345 kskss列写劳斯表 ks kkks ks201754. 096.8. 20. 01.24 450 281391 282 4345 根据劳斯判据可得 0201754.96.081. 281329
23、8kk系统稳定的 值范围为 K860.35.K当 、 时,系统有一对共轭虚数极点,此时产生等幅振荡,6102.8210753因此临界增益 以及 。6.1cK817.c根据劳斯表列写 时的辅助方程 . 012.0102.4. ).(075. 6268 s解得系统的一对共轭虚数极点为 ,系统的无阻尼振荡频率即为 。,jssrad/时的辅助方程810753.cK 01753.2010753.4.2).( 8888 s解得系统的一对共轭虚数极点为 ,系统的无阻尼振荡频率为 。4,jssrad/第四章4-2 设已知单位反馈系统的开环传递函数如下,要求绘出当开环增益 变化时系统的根轨1K迹图,并加简要说明
24、。(1) 31sKsG系统开环极点为 0,1,3,无开环零点。实轴 与 上有根轨迹,渐近01,3,线相角 ,渐近线与实轴交点 ,由 可得出分离点为8,6a.a1dSK,与虚轴交点 。常规根轨迹如图 A-4-2 所示。)( ,45.0j12Kj图 A-4-2 题 4-2 系统(1)常规根轨迹(2) 20421ssKG方法步骤同上,实轴 上有根轨迹, , ,分离点,135,4a2a,与虚轴交点 。常规根轨迹如图 A-4-3 所示。5.20,2jj与 2601Kj图 A-4-3 题 4-2 系统(2)常规根轨迹4-3 设单位反馈系统的开环传递函数为 ( 1)试绘制系统根轨迹的大致图形,)1()sKG
25、并对系统的稳定性进行分析。 (2)若增加一个零点 ,试问根轨迹图有何变化,对系z统稳定性有何影响?(1) 21sKG实轴 上有根轨迹, ,由 可得出分离点为, 67.0,aa 01dSK,与虚轴交点为 常规根轨迹如图 A-4-4(a)所示。从根轨迹图可见,0,j0j1当 便有二个闭环极点位于右半 平面。所以无论 取何值,系统都不稳定。1Ks图 A-4-4 题 4-3 系统常规根轨迹(2) 21sKG实轴 上有根轨迹, ,分离点为 ;常规根轨迹如, 5.0,9aa 0,j图 A-4-4(b)所示。从根轨迹图看,加了零点 后,无论 取何值,系统都是稳定1zK的。4-4 设系统的开环传递函数为 试绘
26、制下列条件下系统的常规根)2()(1assHG轨迹(1)a=1 (2) a=1.185 (3) a=3(1)a=1 时,实轴 上有根轨迹, , ,分离点为 ,常02,90aa038.,规根轨迹如图图 A-4-5(1)-2 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0-3-2-10123 Rot LocusReal AxisImaginary Axis图 A-4-5(1)(2)a=1.185 时,实轴 上有根轨迹, , ,根轨迹与虚轴的交点为0,9aa,常规根轨迹如图图 A-4-5(2)j,0-2 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8
27、 -0.6 -0.4 -0.2 0-4-3-2-101234 Root LocusReal AxisImaginary Axis图 A-4-5(2)(3)a=3 时,实轴 上有根轨迹, , ,根轨迹与虚轴的交点为0,9aa,常规根轨迹如图图 A-4-5(3)j,0-2 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0-6-4-20246 Root LocusReal AxisImaginary Axis图 A-4-5(3)4-5 求开环传递函数为 的系统在下列条件下的根轨迹(1))()(2sKHsGa=10(2)a=9(3)a=8 (4)a=3(1)实轴
28、 上有根轨迹, ,分离点为 ,与虚轴交点10, 5.4,90aa 0j,为 。常规根轨迹大致图形如图 A-4-6(1)Kj-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0-10-8-6-4-20246810 Root LocusReal AxisImaginary Axis图 A-4-6(1)(2)实轴 上有根轨迹, ,分离点为 ,与虚轴交点为9, ,aa j,。常规根轨迹大致图形如图 A-4-6(2)01Kj-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0-8-6-4-202468 Root LocusReal AxisImaginary Axis图 A-4-6(2)
29、(3)实轴 上有根轨迹, ,分离点为 ,与虚轴交点为18, 5.3,90aa 0j,。常规根轨迹大致图形如图 A-4-6(3)01Kj-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0-8-6-4-202468 Root LocusReal AxisImaginary Axis图 A-4-6(3)(4)实轴 上有根轨迹, ,分离点为 ,与虚轴交点为13, ,90aa j,。常规根轨迹大致图形如图 A-4-6(4)01Kj-3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0-3-2-10123 Root LocusReal AxisImaginary Axis图 A-4-6(4)4-7 设系统的框
30、图如图 4-T-2 所示,试绘制以 a 为变量的根轨迹,并要求:(1)求无局部反馈时系统单位斜坡响应的稳态误差,阻尼比及调整时间。 (2)讨论 a=2 时局部反馈对系性能的影响。(3)确定临界阻尼时的 a 值。系统特征方程为 012ss以 为可变参数,可将特征方程改写为2s从而得到等效开环传递函数 1)(2Geq根据绘制常规根轨迹的方法,可求得实轴 上有根轨迹 ,0,1,80aa分离点为 ,出射角为 。参数根轨迹如图 A-4-7 所示。0,1j15P图 A-4-7 题 4-7 系统参数根轨迹(1) 无局部反馈时 ,单位速度输入信号作用下的稳态误差为 ;阻尼比为0 1sre;调节时间为5.0%5
31、6st(2) 时, , ,2.1sre.)(st比较可见,当加入局部反馈之后,阻尼比变大,调节时间减小,但稳态误差加大。(3) 当 时,系统处于临界阻尼状态,此时系统有二重闭环极点 。 12,s4-8 根据下列正反馈回路的开环传递函数,绘制其根轨迹的大致图形。(1)实轴 有根轨迹, ,分离点为 , 125.1,90aa 05.,与虚轴交点为 。常规根轨迹大致图形如图 A-4-8(1)30Kj(2)实轴 有根轨迹, ,分离点为 ,120, 2,10aa, 057.1,与虚轴交点为 。常规根轨迹大致图形如图 A-4-8(2)3Kj(3)实轴 有根轨迹, ,虚轴交点为34, ,aa,。常规根轨迹大致
32、图形如图 A-4-8(3)75.91.0j,4-9 绘出图 4-T-3 所示滞后系统的主根轨迹,并确定能使系统稳定的 K 值范围。主根轨迹如图 A-4-9 所示。系统稳定的 值范围是 。K8.140图 A-4-9 题 4-9 系统主根轨迹4-10 若已知一个滞后系统的开环传递函数为 ,试绘制此系统的主根轨sKeHsG迹。由 知sKeHsG时系统的根轨迹从开环极点 出发,实轴 上有根轨迹,主根01K和01p0,轨迹分离点 ;与虚轴交点 ,临界 值 。主根轨迹如图 A-4-10 所示。,j2jK2图 A-4-10 4-11 上题中的开环传递函数可用下列近似公式表示(1) (2) sKHsG1(3)
33、 试绘制以上三种情况的根迹,并和题sKsHG211sKHsG4-10 的根轨迹进行比较,讨论采用近似式的可能性。(1) 的根轨迹如图 A-4-11(1)所示。ss图 A-4-11(1) 根轨迹sKHsG1(2) sKsHG21分离点 ;会合点 ;与虚轴交点 ;0,j0,21j2j临界稳定 值为 。根轨迹如图 A-4-11(2)所示。K2图 A-4-11(2) 根轨迹ssKHG)2/(1(3) 1sKHsG分离点 ,根轨迹如图 A-4-11(3)所示。0,2j图 A-4-11(3) 根轨迹1sKHsG讨论:当 较小时,且 在某一范围内时,可取近似式 。若 较大,取上述近似K式误差就大,此时应取近
34、似式 。9s214-12 已知控制系统的框图如图 4-T-4 所示,图中 ,)5()(11sKsG。试绘制闭环系统特征方程的根轨迹,并加简要说明。sG2)(2系统的根轨迹如图 A-4-12 所示。图 A-4-12 4-13 设单位反馈系统的开环传递函数为 ,确定 a 的值,使根轨迹图分别)()21sKG具有 0,1,2 个分离点,画出这三种情况根轨迹图。当 时,有两个分离点,当 时,有一个分离点,当 时,没有分离点。910a9a91系统的根轨迹族如图 A-4-13 所示。图 A-4-13 第五章5-1 已知单位反馈系统的开环传递函数,试绘制其开环频率特性的极坐标图(1) 1sG解:幅频特性:
35、21)(A相频特性: arctg09列表取点并计算。0.5 1.0 1.5 2.0 5.0 10.0)(A1.79 0.707 0.37 0.224 0.039 0.0095-116.6-135-146.3-153.4-168.7-174.2系统的极坐标图如下:(2) ssG21解:幅频特性: 224)(A相频特性: arctgt列表取点并计算。0 0.2 0.5 0.8 1.0 2.0 5.0)(A1 0.91 0.63 0.414 0.317 0.172 0.01950-15.6-71.6-96.7-108.4-139.4-162.96系统的极坐标图如下:(3) 12ssG解:幅频特性: 224)(A相频特性: 90arctgt列表取点并计算。0.2 0.3 0.5 1 2 5)(A4.55 2.74 1.27 0.317 0.054 0.0039-105.6-137.6-161-198.4-229.4-253系统的极坐标图如下:(4) ssG212解:幅频特性: 2224)(A