自动控制原理 习题解答.doc

第三章习题及答案3-1 已知系统脉冲响应如下，试求系统闭环传递函数(s)。解 3-2 设某高阶系统可用下列一阶微分方程近似描述其中，0(T-)1。试证系统的动态性能指标为 解 设单位阶跃输入当初始条件为0时有:1) 当 时 ; 2) 求（即从0.1到0.9所需时间) 当 ; 当 ; 则 3) 求 3-3 一阶系统结构图如题3-3图所示。要求系统闭环增益，调节时间（s），试确定参数的值。解 由结构图写出闭环系统传递函数令闭环增益， 得：令调节时间，得：。3-4 在许多化学过程中，反应槽内的温度要保持恒定， 题3-4图（a）和（b）分别为开环和闭环温度控制系统结构图，两种系统正常的值为1。 （1） 若，两种系统从开始达到稳态温度值的63.2各需多长时间？（2） 当有阶跃扰动时，求扰动对两种系统的温度的影响。解 （1）对（a）系统： ， 时间常数 （a）系统达到稳态温度值的63.2%需要10个单位时间；对（a）系统：， 时间常数 （b）系统达到稳态温度值的63.2%需要0.099个单位时间。（2）对（a）系统： 时，该扰动影响将一直保持。对（b）系统： 时，最终扰动影响为。3-5 一种测定直流电机传递函数的方法是给电枢加一定的电压，保持励磁电流不变，测出电机的稳态转速；另外要记录电动机从静止到速度为稳态值的50%或63.2%所需的时间，利用转速时间曲线（如题3-5图）和所测数据,并假设传递函数为可求得和的值。若实测结果是：加10伏电压可得每分钟1200转的稳态转速，而达到该值50%的时间为1.2秒，试求电机传递函数。提示：注意=，其中，单位是弧度/秒解 依题意有： （伏） （弧度/秒） （1） （弧度/秒） （2）设系统传递函数 应有 （3） 由式（2），（3） 得 解出 （4）将式（4）代入式（3）得 3-6 单位反馈系统的开环传递函数，求单位阶跃响应和调节时间 。解：依题，系统闭环传递函数 = ， 。3-7 设角速度指示随动系统结构图如题3-7图。若要求系统单位阶跃响应无超调，且调节时间尽可能短，问开环增益应取何值，调节时间是多少？解 依题意应取 ，这时可设闭环极点为。写出系统闭环传递函数 闭环特征多项式 比较系数有 联立求解得 因此有 3-8 给定典型二阶系统的设计指标：超调量%，调节时间 （s），峰值时间（s），试确定系统极点配置的区域，以获得预期的响应特性。解 依题 %， ；， ；， 综合以上条件可画出满足要求的特征根区域如图解3-8所示。3-9 电子心律起博器心率控制系统结构图如题3-9图所示，其中模仿心脏的传递函数相当于一纯积分环节，要求： （1） 若=0.5对应最佳响应，问起博器增益应取多大？（2） 若期望心速为60次/分钟，并突然接通起博器，问1秒钟后实际心速为多少？瞬时最大心速多大？解 依题，系统传递函数为 令 可解出 将 （秒）代入二阶系统阶跃响应公式 可得 （次/秒）=（次/分）时，系统超调量 =16.3% ，最大心速为（次/秒）=（次/分）3-10 机器人控制系统结构图如题3-10图所示。试确定参数值，使系统阶跃响应的峰值时间（s），超调量%。 解 依题，系统传递函数为 由 联立求解得 比较分母系数得 3-11 某典型二阶系统的单位阶跃响应如题3-11图所示。试确定系统的闭环传递函数。 解 依题，系统闭环传递函数形式应为由阶跃响应曲线有： 联立求解得 ，所以有 3-12 设单位反馈系统的开环传递函数为 试求系统在误差初条件作用下的时间响应。解 依题意，系统闭环传递函数为 当时，系统微分方程为 考虑初始条件，对微分方程进行拉氏变换 整理得 （1）对单位反馈系统有 ， 所以 将初始条件代入式（1）得 3-13 设题3-13图（a）所示系统的单位阶跃响应如题3-13图（b）所示。试确定系统参数和a。解 由系统阶跃响应曲线有 系统闭环传递函数为 （1）由 联立求解得 由式（1）另外 3-14 题3-14图是电压测量系统，输入电压伏，输出位移厘米，放大器增益，丝杠每转螺距1毫米，电位计滑臂每移动1厘米电压增量为0.4伏.当对电机加10伏阶跃电压时（带负载）稳态转速为1000转/分钟，达到该值63.2%需要0.5秒。画出系统方框图，求出传递函数，并求系统单位阶跃响应的峰值时间、超调量、调节时间和稳态值。解 依题意可列出环节传递函数如下比较点： 伏放大器： 电动机： (转/秒/伏)丝杠： (厘米转)电位器： (伏厘米)画出系统结构图如图解3-14所示系统传递函数为 3-15 已知系统的特征方程，试判别系统的稳定性，并确定在右半s平面根的个数及纯虚根。（1）=0 （2）=0 （3）=0 （4）解（1）=0 Routh： S5 1 2 11 S4 2 4 10 S3 S2 10 S S0 10第一列元素变号两次，有2个正根。（2）=0 Routh： S5 1 12 32 S4 3 24 48 S3 0 S2 48 S 0 辅助方程 , S 24 辅助方程求导：24s=0 S0 48系统没有正根。对辅助方程求解，得到系统一对虚根 。（3）=0 Routh： S5 1 0 -1 S4 2 0 -2 辅助方程 S3 8 0 辅助方程求导 S2 -2 S S0 -2第一列元素变号一次，有1个正根；由辅助方程可解出： （4）Routh： S5 1 24 -25 S4 2 48 -50 辅助方程 S3 8 96 辅助方程求导 S2 24 -50 S 338/3 S0 -50第一列元素变号一次，有1个正根；由辅助方程可解出： 3-16 题3-16图是某垂直起降飞机的高度控制系统结构图，试确定使系统稳定的值范围。解 由结构图，系统开环传递函数为： Routh： S5 1 4 2K S4 1 4K K S3 -4(1-K) K S2 K S S0 K 使系统稳定的K值范围是： 。3-17 单位反馈系统的开环传递函数为为使系统特征根的实部不大于-1，试确定开环增益的取值范围。解 系统开环增益 。特征方程为： 做代换 有：Routh ： S3 1 2 S2 5 K-8 S S0 K-8 使系统稳定的开环增益范围为： 。3-18 单位反馈系统的开环传递函数为试在满足 的条件下，确定使系统稳定的和的取值范围，并以和为坐标画出使系统稳定的参数区域图。解 特征方程为： Routh ： S3 S2 S S0 综合所得条件，当 时，使系统稳定的参数取值范围如图解3-18中阴影部所示。3-19 题3-19图是核反应堆石墨棒位置控制闭环系统，其目的在于获得希望的辐射水平，增益4.4就是石墨棒位置和辐射水平的变换系数，辐射传感器的时间常数为0.1秒，直流增益为1，设控制器传递函数。（1） 求使系统稳定的功率放大器增益的取值范围；（2） 设，传感器的传递函数（不一定是0.1），求使系统稳定的的取值范围。解 （1）当控制器传递函数时 （2），时 3-20 题3-20图是船舶横摇镇定系统结构图，引入内环速度反馈是为了增加船只的阻尼。（1） 求海浪扰动力矩对船只倾斜角的传递函数；（2） 为保证为单位阶跃时倾斜角的值不超过0.1，且系统的阻尼比为0.5，求、和应满足的方程；（3） 取=1时，确定满足（2）中指标的和值。解 （1）（2）令： 得 。 由 有： ， 可得（3） 时，可解出 。3-21 温度计的传递函数为，用其测量容器内的水温，1min才能显示出该温度的98%的数值。若加热容器使水温按10C/min的速度匀速上升，问温度计的稳态指示误差有多大？解法一 依题意，温度计闭环传递函数由一阶系统阶跃响应特性可知：，因此有 ，得出 。视温度计为单位反馈系统，则开环传递函数为 用静态误差系数法，当 时，。解法二 依题意，系统误差定义为 ，应有 3-22 系统结构图如题3-22图所示。试求局部反馈加入前后系统的静态位置误差系数、静态速度误差系数和静态加速度误差系数。解 局部反馈加入前，系统开环传递函数为 局部反馈加入后，系统开环传递函数为 3-23 已知单位反馈系统的开环传递函数为 试分别求出当输入信号和时系统的稳态误差。解 由静态误差系数法时， 时， 时， 3-24 系统结构图如题3-24图所示。已知，试分别计算作用时的稳态误差，并说明积分环节设置位置对减小输入和干扰作用下的稳态误差的影响。 解 时， ；时， 时， 在反馈比较点到干扰作用点之间的前向通道中设置积分环节，可以同时减小由输入和干扰因引起的稳态误差。3-25 系统结构图如题3-25图所示，要使系统对而言是II型的，试确定参数和的值。 解 依题意应有： 联立求解得 此时系统开环传递函数为 考虑系统的稳定性，系统特征方程为当 ，时，系统稳定。3-26 宇航员机动控制系统结构图如题3-26图所示，其中控制器可以用增益来表示。宇航员及其装备的总转动惯量。（1） 当输入为斜坡信号（m）时，试确定的取值，使系统稳态误差（cm）；（2） 采用（1）中的值，试确定的取值，使系统超调量%限制在10%以内。解 （1）系统开环传递函数为 时，令 ， 可取 。（2）系统闭环传递函数为 由 ，可解出 。取 进行设计。将，代入表达式，可得 3-27 大型天线伺服系统结构图如题3-27图所示，其中=0.707，=15，=0.15(s)。（1） 当干扰，输入时，为保证系统的稳态误差小于0.01，试确定的取值；（2） 当系统开环工作（=0），且输入时，确定由干扰引起的系统响应稳态值。解 （1）干扰作用下系统的误差传递函数为 时， 令 得： （2）此时有 3-28 单位反馈系统的开环传递函数为 （1） 求各静态误差系数和时的稳态误差；（2） 当输入作用10秒时的动态误差是多少？解 （1） 时， 时， 时，由叠加原理 （2） 题意有 用长除法可得 3-29 已知单位反馈系统的闭环传递函数为输入，求动态误差表达式。解 依题意 用长除法可得 。3-30 控制系统结构图如题3-30图所示。其中，。试分析：（1）值变化(增大)对系统稳定性的影响；（2）值变化(增大)对动态性能（%，）的影响；（3）值变化(增大)对作用下稳态误差的影响。解 系统开环传递函数为 （1）由 表达式可知，当时系统不稳定，时系统总是稳定的。（1） 由 可知， （2）3-31 设复合控制系统结构图如题3-31图所示。确定，使系统在作用下无稳态误差。解 系统误差传递函数为由劳斯判据，当 、和均大于零，且时，系统稳定。令 得 3-32 已知控制系统结构图如题3-32图所示，试求：（1） 不加虚线所画的顺馈控制时，系统在干扰作用下的传递函数；（2） 当干扰时，系统的稳态输出；（3） 若加入虚线所画的顺馈控制时，系统在干扰作用下的传递函数，并求对输出稳态值影响最小的适合值。解 （1）无顺馈时，系统误差传递函数为 （2）（3）有顺馈时，系统误差传递函数为 令 =0得 3-33 设复合校正控制系统结构图如题3-33图所示，其中N(s)为可量测扰动。若要求系统输出C(s)完全不受N(s)的影响，且跟踪阶跃指令的稳态误差为零，试确定前馈补偿装置Gc1(s)和串联校正装置Gc2(s)。解 （1）求。令得： 。（2）求。令当作用时，令 明显地，取 可以达到目的。3-34 已知控制系统结构图如题3-34图（a）所示，其单位阶跃响应如题3-34图（b）所示，系统的稳态位置误差。试确定和的值。解 由 时，可以判定： 系统单位阶跃响应收敛，系统稳定，因此必有： 。根据单位阶跃响应曲线，有 当时，有 可得 当时，有 可得 3-35 复合控制系统结构图如题3-35图所示，图中，均为大于零的常数。（1） 确定当闭环系统稳定时，参数，应满足的条件；（2） 当输入时，选择校正装置，使得系统无稳态误差。解 （1）系统误差传递函数 列劳斯表 因 、 均大于零，所以只要 即可满足稳定条件。（2）令 可得 3-36 设复合控制系统结构图如题3-36图所示。图中为前馈补偿装置的传递函数，为测速发电机及分压电位器的传递函数，和为前向通路环节的传递函数，为可量测扰动。如果，试确定Gn(s)、Gc(s)和1，使系统输出量完全不受扰动的影响，且单位阶跃响应的超调量=25，峰值时间tp=2(s)。解 （1）确定。由梅逊公式令 解得 （2）确定。由梅逊公式 比较有 由题目要求 可解得 有 3-37 已知系统结构图如题3-37图所示（1） 求引起闭环系统临界稳定的值和对应的振荡频率；（2） 时，要使系统稳态误差，试确定满足要求的值范围。 解 （1）由系统结构图系统稳定时有 令 联立解出 （2）当 时，令 ，有 ，综合系统稳定性要求，得：。3-38 系统结构图如题3-38图所示。已知系统单位阶跃响应的超调量%，峰值时间（秒）（1） 求系统的开环传递函数；（2） 求系统的闭环传递函数；（3） 根据已知的性能指标%、确定系统参数及；（4） 计算等速输入（度/秒）时系统的稳态误差。 解 （1） （2） （3）由 联立解出 由（2） ，得出 。（4） 3-39 系统结构图如题3-39图所示。（1） 为确保系统稳定，如何取值？（2） 为使系统特征根全部位于平面的左侧，应取何值？（3） 若时，要求系统稳态误差，应取何值？ 解 （1） Routh： 系统稳定范围： （2）在中做平移变换： Routh： 满足要求的范围是： （3）由静态误差系数法当 时，令 得 。综合考虑稳定性与稳态误差要求可得： 56