自动控制原理精品课程第三章习题解(1).doc

长沙理工大学自控控制原理精品课程 第三章习题解答3-1 设系统特征方程式： 试按稳定要求确定T的取值范围。解：利用劳斯稳定判据来判断系统的稳定性，列出劳斯列表如下： 欲使系统稳定，须有 故当T25时,系统是稳定的。 3-2 已知单位负反馈控制系统的开环传递函数如下，试分别求出当输入信号为, 时，系统的稳态误差 解：（1）根据系统的开环传递函数可知系统的特征方程为： 由赫尔维茨判据可知，n=2且各项系数为正，因此系统是稳定的。由G(s)可知，系统是0型系统，且K=10，故系统在输入信号作用下的稳态误差分别为： (2)根据系统的开环传递函数可知系统的特征方程为： 由赫尔维茨判据可知，n=2且各项系数为正，且，因此系统是稳定的。 由G(s)可知，系统式I型系统，且K=7/8,故系统在 信号作用下的稳态误差分别为： (3)根据系统的开环传递函数可知系统的特征方程为： 由赫尔维茨判据可知，n=2且各项系数为正，且因此系统是稳定的。 由G(s)可知，系统是型系统，且K=8,故系统在 信号作用下的稳态误差分别为： 3-3 设单位反馈系统的开环传递函数为 试求当输入信号时，系统的稳态误差.解：由于系统为单位负反馈系统，根据开环传递函数可以求得闭环系统的特征方程为： 由赫尔维茨判据可知，n=2且各项系数为正，因此系统是稳定的。由G(s)可知，系统是型系统，且K=8,故系统在 信号作用下的稳态误差分别为，故根据线性叠加原理有：系统的稳态误差为： 3-4 设舰船消摆系统如图3-1所示，其中n(t)为海涛力矩产生，且所有参数中除外均为已知正值。如果，试求确保稳态误差值的的值（e(t)在输入端定义）。 图3-1 舰船消除摆系统解：根据图可知系统的特征方程为： 由赫尔维茨判据可知，n=2且各项系数为正，因此系统是稳定的。由图可知舰船消摆系统为一负反馈系统，且在扰动N(s)作用下，其前向通道传递函数为 反馈通道传递函数为则由于e(t)在输入端定义，可得 用终值定理来求解系统的稳态误差，有 故确保稳态误差值的。3-5 已知单位负反馈的开环传递函数如下： 试求位置误差系数，速度误差系数和加速度误差系数，并确定输入r(t)=2t时系统的稳态误差。 解：根据静态误差系数的定义式可得 由系统开环函数可知系统为型系统，故在输入r(t)=2t时，系统的稳态误差 3-6 设前馈控制系统如图3-2所示，误差定义为e(t)=r(t)-c(t)。试选择前馈参数和b的值，使系统对输入r(t)成为系统 图3-2前馈控制系统解：由图可知前馈控制系统的闭环系统传递函数为： 根据误差定义：e(t)=r(t)-c(t)，可得： 欲使系统对输入r(t)成为系统，须有：即，则当选择前馈参数时，系统对输入r(t)成为型系统。3-7 设控制系统如图3-3所示，其中为正常；为非负常数。试分析：（1）值对系统稳定性的影响；（2）值对系统阶跃响应动态性能的影响；（3）值对系统斜坡响应稳态误差的影响。 图3-3 控制系统解：根据图可得系统的开环传递函数为 （1）值对系统稳定性的影响 通过系统开环传递函数，可得系统的特征方程为 由赫尔维茨判据可知，n=2,若要求系统是稳定的，须有各项系数为正，因此当时，系统稳定。（2）值对系统动态性能的影响。系统的开环传递函数为 因此，值通过影响阻尼比来影响系统的动态性能。值越小，阻尼比越小，超调量越大，上升时间越短。（3）值对系统斜坡响应稳态误差的影响 根据系统的开环传递函数可知，该系统为型系统，且静态速度误差系数为，则该系统对单位斜坡响应的稳态误差为 因此，值越大，系统在斜坡响应作用下的稳态误差将越大。3-8 已知单位负反馈系统的开环传递函数： （1） （2）试求输入信号分别为r(t)=t和时，系统的稳态误差。解 （1）由于系统为单位负反馈，根据开环传递函数，可以求得闭环系统的特征方程： 由赫尔维茨判据可知，n=3且各项系数为正，且因此系统是稳定的。 由 可知，系统是型系统，且K=2.5。由于型系统在 信号作用下的稳态误差分别为，故根据线性叠加原理有： 当系统输入为r(t)=t时，系统的稳态误差为 当系统输入为时，系统的稳态误差为 （2）由于系统为单位负反馈系统，根据开环传递函数可以求得闭环系统的特征方程为： 由赫尔维茨判据可知，n=3且各项系数为正，且因此系统不稳定，不存在。3-9设电子心律起搏器系统如图3-4所示，其中模仿心脏传递函数相当于一纯积分器。（1） 若对应最佳响应，问起搏器增益K应取多大？（2） 若期望心速为60次/min,。突然接通起搏器，问1s后实际心速多少？瞬时最大是心速多大？ 图3-4 电子心律起搏器系统解：（1）由图可得系统开环传递函数为 经比较可得，若对应最佳响应，则应取起搏器K=20。（2）满足的系统的闭环传递函数为即系统的自然频率和阻尼比分别为则该系统的单位阶跃响应表达式为：若期望心速为60次/min,突然接通起搏器，设1s后实际心速为h(1),则由于，故系统为欠阻尼二阶系统，其动态性能指标为超调量：峰值时间： 设瞬时最大心速为且发生在时，则 故若期望心速为60次/min,突然接通起搏器，则1s后实际心速为60.0015次/min,瞬时最大心速发生在0.18s,为69.78次/min。3-10 已知二阶系统的单位阶跃响应为 试求系统的闭环传递函数，超调量、峰值时间和调节时间 解： 本题二阶系统单位阶跃响应为 由上式可知，该系统的放大系数为10，然而放大系数是不会影响系统的动态性能的。 标准的二阶系统的单位为阶跃响应 于是有解得：故系统的闭环传递函数为 由于，故系统为欠阻尼二阶系统，其动态性能指标为：超调量：峰值时间： 调节时间：3-11 设单位负反馈系统的开环传递函数 试求系统的单位脉冲响应和单位阶跃响应。解：根据题意可得系统的闭环传递函数为 当输入为单位脉冲时，即R(s)=1,此时 由于 所以系统的单位脉冲响应 当输入为阶跃信号，即时，有因此系统的单位阶跃响应为3-12 某控制系统如图3-5所示，如果 试求n(t)=1(t)时，系统的稳态误差 图3-5 控制系统解 当仅有扰动n(t)=1(t),即作用时，系统的误差函数为 利用终值定理来求解稳态误差。3-13 试求如图3-6所示系统r(t)=1(t)和扰动同时作用下的稳态误差。 图3-6 控制系统解：根据图可得系统的开环传递函数为 ，则该系统为