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机械掌握工程基础答案提示
第二章系统的数学模型
2-1试求如图2-35所示机械系统的作用力F(t)与位移y(t)之间微分方程和传递函数。
F(t)
图2-35题2-1图
解:依题意:m?
dy?t?
2
dt
2
2
?
ab
?F?t??f?
dy?t?dt
?ky?t?
故m
dy?t?dt
2
?f?
dy?t?dta
?ky?t??
ab
?F?t?
传递函数:G?s??
Y?s?F?s?
?
ms
2
b
?fs?k
2-2对于如图2-36所示系统,试求出作用力F1(t)到位移x2(t)的传递函数。其中,f为粘性阻尼系数。F2(t)到位移x1(t)的传递函数又是什么?
图2-36题2-2图
解:依题意:
dx1?t??dx1?t?dx2?t??
??F?kxt?f??mm对1:11112?dtdt?dt??
2
对两边拉氏变换:F1?s??k1x1?f?sX
1
?s??sX2?s???2
m1sX1?s?①
dx2?t??dx?t?dx2?t??
对m2:F2?t??f?1????kxt?m2222?dtdtdt??
2
对两边拉氏变换:F2?s??f?sx1?s??sx2?s???k2x2?s??m2s2X2?s?②?m1s2?fs?k1x1?s??fsx2?s??F1?s?故:?2
??fsx1?s??m2s?fs?k2x2?s??F2?S?
??
??
2
?F1?s??m2s?fs?k2?fsF2?s??x1?s??222?m1s?fs?k1m2s?fs?k2??fs?故得:?2
fsF1?s??F2?s?m1s?fs?k2
?x?s??2222???ms?fs?kms?fs?k?fs1122?
??
?
?
故求F1?t?到x2?t?的传递函数令:F2?s??0
G1?s??
x2?s?F1?s?
4
?
fs
?
?ms
1
2
?fs?k1??m2s?fs?k2???fs?
2
2
fs
m1m2s?f?m1?m2?s??m1k2?m2k1?s?f?k1?k2?s?k1k2
3
2
求F2?t?到x1?t?的传递函数令:F1?s??0
G1?s??
x1?s?F2?s?
4
?
fs
?ms
1
2
?fs?k1??m2s?fs?k2???fs?
2
2
?
fs
m1m2s?f?m1?m2?s??m1k2?m2k1?s?f?k1?k2?s?k1k2
3
2
2-3试求图2-37所示无源网络传递函数。
o
图2-37题2-3图
解(a)系统微分方程为
1C
?i?t?dt?i?t?R
1
2
1
ui?i2?t?R1?i?t?R2u0?i?t?R2
i?t??i1?t??i2?t?
拉氏变换得1Cs
I1?s??R1I2?s?
Ui?s??I2?s?R1?I1?s?R2U0?s??I1?s?R2I?s??I1?s??I2?s?
R2
消去中间变量I1?s?,I2?s?,I?s?得:G?s??
U0?s?Ui?s?
?
R2?CsR1?1?R1?R2?CsR1?1?
?
R1?R2
?R1Cs?1?
Cs?1
R1R2R1?R2
(b)设各支路电流如图所示。
系统微分方程为
ui?t??R1i3?t??uR1i3?t??Lu0?t??
1C2
di2?t?
1
?t??1??2??3??4??5??6?
dt
4
?i?t?dt
di5?t?dt
u0?t??L2
u0?t??R2i6?t?
i2?t??i3?t??i4?t??i5?t??i6?t?
由(1)得:Ui?s??R1I3?s??Uo?s?由(2)得:R1I3?s??L1sI2?s?由(3)得:Uo?s??
1C2s
i4?s?
由(4)得:Uo?s??L2sI5?s?由(5)得:Uo?s??R2I6?s?
由(6)得:I2?s??I3?s??I4?s??I5?s??I6?s?
故消去中间变量I1?s?,I2?s?,I3?s?,I4?s?,I5?s?,I6?s?得:L2
?Us??L1s?1?
U?
L?L?
o?12?R1
?
i?s?L1L2LL?R?R?LC2?1212
2ss?1
1?L2?L1?L2?R1R2
2-4证明L?cos?t??
ss2
??
2
证明:设f?t??cos?t
由微分定理有L?d2f??t????s2
F?s??sf?0??(1)
?0??dt2
f?
2
由于f?0??cos0?1,f
?1?
?0????sin0?0,
df?t?2
dt
2
???cos?t将式(2)各项带入式(1)中得
L?2
???cos?t??
?s2F?s??s即??2
F?s??s2
F?s??s
整理得F?s??ss2
??
2
2-5求f(t)?
12
t2的拉氏变换。
解:F?s??L?12?
?2t?????
?12
?st
2
t2e
?st
dt?
1
?12
?0
s
3
?st?e
d?st?
令st?x,得
F?s??
12s
3
?
?2?x
xe
dx
由于伽马函数??n?1???
?
xne?x
dx?n!,在此n?2
所以F?s??
12s
3
2!?
1s
3
2-6求下列象函数的拉氏反变换。(1)X(s)?
5s?3
(s?1)(s?2)(s?3)
1)2)(
(
(2)X(s)?
s?2s?3(s?1)
3
2
(3)X(s)?解:(1)X(s)?
1
s(s?1)(s?2)
3
5s?3
(s?1)(s?2)(s?3)
?
A1s?1
?
A2s?2
?
A3s?3
A1??X(s)(s?1)?s??1?
5??1??3(?1?2)(?1?3)
??1
同理A2?7,A3??6
X(s)??
1s?1
?
7s?2
?
6s?3
拉式反变换得
x(t)??e
?t
?7e
?2t
?6e
?3t
2
(2)X(s)?
s?2s?3(s?1)
3
2
?
?s?1?
?2
3
(s?1)
?
2(s?1)
3
?
1s?1
拉式反变换得
x(t)?te
2
?t
?e
?t
A1(s?1)
3
(3)X(s)?
1
s(s?1)(s?2)
3
??
A2(s?1)
2
?
A3(s?1)
?
A4s
?
A5s?2
A1?
1s(s?2)
s??1
?
1?1(?1?2)
??1
A2?
?d?1
??ds?s(s?2)?1d
2
?
s??1
??2s?2?s(s?2)
2
2s??1
?0
??1
A3??2?
2ds?s(s?2)?
s??1
1d???2s?2????22?2ds?s(s?2)?
?
s??1
s(s?2)?(s?1)
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