《控制工程基础》王积伟-第二版-课后习题解答(完整)
《控制工程基础》第二版课后习题答案
第二章习题解答a) b)c——II— -------------- oC、1 i\Ro J pa)1必)=i(t)RRC _ %(" + u0(if = RC—曲(f) dt dt- ■Bb)M)=冲务甜("7 G)】} Mf)=fK(t) = Kx o(t)~iR o-i = 1R +4— f/?r二R严肖"吗=心站+u o C)R\R2C ~~ U n(^)+(^1 + R Z)U O0)= R&H 亍气Q) + R/i Q) at atKi f\({\ Bf dXj dx o、dt dt > Mld) d d临也吸临⑷+W)―吋2-^^^_]]_ 纟K （曲= A?2 （X 0 一 X } = B仗严心怡£陀©+“K 州（0=曲Q”K]K 円⑴dtdt10G02町 _9_-cLPQd 一%二遢十汕 itj =也十迢2dxdt17 G(5) =+ 5S 7 + 9$+ 7(Z l)(g +2)加］州2 £早+ (刚裙2 +旳坷+朋2*1 +砒2厉)今¥t/N+ (料《2 + 粮［K \ + BjS 》+ 〃1虽 + B2B3) &三川r+ (隔 + K 岛 + K 2B { + K% 爭 + K 、K 血 di二严 3dtJ + c@+Q )M +卯G(»E + 2捉£+1)? (£+3)3 辭 +25^8占(& +X| X 3"）一3 一场鲁办J dt j83 GM )={$+□)($+帶E _a 1 c —b= ------------------ H ------(a-b)2 s + a a-b (5+6)2 (m —方尸 £+方8&⑷—用◎十2）（2十2f 十4）g(t) = £"[G<s)] = 1-2e~^ 十 e~x casVif, i H 0的4[G （帕和一遇型za~c 1g(z)=£-1[G(i)] = -_小+ -_ +- (d -by L@ ~^r a7 G(s) = ——5(x¥ + l)2 (-S + 3)_ 2 1 J 113 1 ~ 3 S 12 5 + 32(£ + l)2 45 + 1 <31 \—+ —/ e 就2丿2 ig ⑴=£T[G(9]=T 年号e _3r- 丸r>0■< />o 54 1i-2^—-F s £+ 2 s 1 +4\2士十（卄1乎+?1 1~2~ 13（恥吊P 血再1 s<D 2 S 2十血'= £+2 + ———{盼如2)g (t )= A _1[Gf5)] = 4s (r )+ 28(0+ 2k-&亠，r>oat242 x\t) - x(f) = 4sin/ + 5cos2r s x(0) = 1, x*(0) =-2h{7) + 2^(O+5X(0 = 3, X (0) = 0. /(0) = 01V2 2-肮(0)-玖 0) - X(f) = 4—^ + 5—^Z + l E+4 ^-2+4—!—+ 5^—M-U 2+4 s^i(s-2)(s 7 +1)(v 2 十4)十4(2 十4)+5$(W +1)-lXW+l)(/+4)X0)=丄--2 --誉亠l s —1K ?2 +1 Q+4x(f)=L ，+e r -2sin/—cos2/» t>0 3 Q X(s)+2sX(s) + 5X(s)=- s217OV+l)(A+2)0.6--0.6 1S'^ s ($ + 1尸+4M/)=(L6—OWL cos1^0.3e_f sin2c t>0*叫+2$+疔sI M +1= 0,6--0.6—二——03 _s (s+1)' 4 4 G+l”+4fl^+(l+b l^)(一+H Ish (I十 b 賀)(1—fl +^1嘗) ——® O S 丄A)ao3涉十朋+ KJ益(的-§誠⑻=(月弭+ KjXf ($)⑷=(伽+ KjX(R(恥+KXd”K』(s + K^)(B^ s + KJ + K\ R、s6b叱（4予（f）-怎（0-禹（0 .农⑴二恥（f）I馆（0二心比⑴-艾⑴］!如皆加）=陀）xz=乔二耳⑶-%⑸-压戈㈤F K^）=K{X O（S）同=忑［兀（町-*（舟］_ffl$Cl 2-0血⑴1Bs念(f)Rib)o-^附(f)o—1CG021mv2血(f)IId)讹f)-o/脚（f）二浙go-尤;（f）］办⑴二忌⑴-入⑹ 齐2（彳）=屍竝⑴儿⑴二丄［為㈤+耳㈤ms＞耳（刀=銅心）-儿（创&©）=司尤⑷—血⑴］伦㈤=竝A31.心)—*2-10Cl-HI—R\ &RiC,必)o—b)卞C：就f)-------------- od)>□—+= i 护!z jy/7（^f+ b）J —+ 切”=（l）°n31~~|__H[—o―[J G）1?衍i"+ （T + ^3^）（1+訓。
《控制工程基础》第二版课后习题答案
第一章习题解笞U]>U2 U\ U2第二章习题解答2-1a) b)d)f)L^f| 忙d)f\ — fl =^2X O严(f)=$(M+E ⑴虑 如(f) =iQ)RRC^-u o (t)^u o (t) = RC^-u^t) at at fs (r)=B 低[xi (f) -曲(幼 j/B (t)=fK (t) = KXo(t) B dB d 『八10602斤不％()+%©二斤击可()占dR^c —% (0+ (*i + 心)％ ⑴=邛应 ~u i (0+ R 2u t (0 atati =i R +，C u o =IR?：R R 严冃3宙 % =gR\ +u oa)=K ］（旳一兀）+」:dx o ](J?l + J?2)C —«c (!)+ %("■ R Q C — Wj(O + tti (Oat at(K[ + K2)B — x o (t)+ K\K2X o (t)= K\R 〒曲(f)+ 琦心再(f)dt at10602a) b) c) Q © f)U Q —1/?2 + — j icit— Z/?| + iR-f H —J idte)dxK\% K i (兀 _ %) = K 》(兀)—x)=号二dtoB 2+ （®K° ++ B'B? + 场*3 + 水2〃?）& 2+ （K }B 2+K }B 3 + 心汝 + KM 巴2 + K }K 2X 2 dt3J S + 2用 + 8S-丘（$ + 2）（$戈+2$十4）广、■炉+ 5,2+9用+7E （$+恥 + 2）乡一rn\fU2K 2rdx { dx 2< dt dt ；/（O™-坷罕~_叭 dtdxj … 一 —- - K?x^ = m dtdx l dx 2dt dt护d 2x 2 2~d^ k,用典2+ （的+创坷+用2创+加2*3）；?7皿乔对）13173 G($)= --------------- —(£+。
《控制工程基础》王积伟第二_课后习题解答完整
第一章3解：1）工作原理：电压u2反映大门的实际位置，电压u1由开（关）门开关的指令状态决定，两电压之差△ u= u1 —u2驱动伺服电动机，进而通过传动装置控制大门的开启。
当大门在打开位置，u2= u上：如合上开门开关，u1 = u 上, △ u = 0,大门不动作；如合上关门开关，u1= u下，△ u<0,大门逐渐关闭，直至完全关闭，使△ u= 0。
当大门在关闭位置，u2 二u 下：如合上开门开关，u1 = u上, △ u>0,大门执行开门指令，直至完全打开，使△ u = 0; 如合上关门开关，u1 = u下，△ u= 0,大门不动作。
2）控制系统方框图解：1）控制系统方框图a）系统方a ）水箱是控制对象，水箱的水位是被控量，水位的给定值 h '由浮球顶杆的长度给定，杠 杆平衡时，进水阀位于某一开度，水位保持在给定值。
当有扰动（水的使用流出量和给水 压力的波动）时，水位发生降低（升高），浮球位置也随着降低（升高），通过杠杆机构是 进水阀的开度增大（减小），进入水箱的水流量增加（减小），水位升高（降低），浮球也随 之升高（降低），进水阀开度增大（减小）量减小，直至达到新的水位平衡。
此为连续控制 系统。
b ）水箱是控制对象，水箱的水位是被控量，水位的给定值 h '由浮球拉杆的长度给定。
杠 杆平衡时，进水阀位于某一开度，水位保持在给定值。
当有扰动（水的使用流出量和给水 压力的波动）时，水位发生降低（升高），浮球位置也随着降低（升高），到一定程度后， 在浮球拉杆的带动下，电磁阀开关被闭合（断开），进水阀门完全打开（关闭），开始进水（断水），水位升高（降低），浮球也随之升高（降低），直至达到给定的水位高度。
随后水 位进一步发生升高（降低），到一定程度后，电磁阀又发生一次打开（闭合）。
此系统是离 散控制系统。
2-1 解：（c ）确定输入输出变量（u1，u2）得到：CR 2dU 1（1 匹）u 2 =CR 2dU 1-R2u 1 dt R 1 dt R一阶微分方程（e ）确定输入输出变量（u1，u2）消去i 得到：（& R 埒汁2牛亡 一阶微分方程第二章2- 2解：1）确定输入、输出变量f （t ） 、X 2□2）工作原理：b ）系统方框图干f(t)-fK1⑴-fB 1⑴-fBMF^d^- - 1 -(s 2) (s 1) (s 1)2M(s)=0, 4) D(s)=0,得到极点：一1, M(s)=0, 得到零点：2) 对各元件列微分方程:2f f f _ d X 2(t)fB3 ~'T K2-'T B 2= m 2K1B3 dt 2=K 1X 1； f B1 = B 1 -- -dt B d (x 1 - x2) =B 3 甬；fK2 = K 2X23)4) 5) 拉氏变换.F(s)—KX(s)—B 1SX1G)—B3$(X 1(s) —X 2(s)] = gs 2X 1(s) 叉'B 3S[X 1(s) -X 2(s)] -K 2X2G)-B 2SX2G ) = m 2S 2X 2(s) 消去中间变量： 拉氏反变换：mi|m 2 d 4X d 3X d 2X$ (B 1m 2 七2口1 B s mh B s mJ $(B 1B 3 B 1B 2 B s B ?心口2 ^心)/dt dt dt 2_3(K 1B 2 K 1B 3 K 2B 1 K 2B 3)等 K 1g 弋詈解:(2) (4)1 1 11 1 1 — 29 s 49 s 13 (s 1)(5)(6)-0.25 2s 0.5 2 22 2.5 s2- 5解：1)D(s)=0, M(s)=0,2) D(s)=0, M(s)=0,得到极点：0,0,-2,-5得到零点：一 1 , ' 得到极点：一 2, — 1, —2 得到零点：0 , 0 , — 1+ □0 +oci3) D(s)=O, 得到极点：0,得到零点：一2,2- 8解：1) a )建立微分方程b) 拉氏变换 c) 画单元框图(略) d) 画系统框图mx o (t) = f k (t) f Bl (t) - f B2(t) f k (t)二 k(X i (t) —x °(t))ms 2X o (s) = F k (s) F BI (S ) -F B 2(S )b) 拉氏变换：F k (s )=k (X i (s )-X o (s))F Bi (s)=B i S (X j (s)—X o (s))F B 2(S )工 B 2S X O (S )c) 绘制单元方框图(略)4)绘制系统框图Fi ( s )2)a)建立微分方程:f B1(t) B id (N (t)-")) dtf B2 (t)=B 2 dX o (t) dt由于扰动产生的输出为:要消除扰动对输出的影响，必须使 X o2(S )=0 得到：QK 2K 3G o (s) -K 3K 4S =0第三章3- 1解：1)法一：一阶惯性环节的调整时间为 4T ,输出达稳态值的98%故: 4T = 1min ,得到：T = 15s法二：求出一阶惯性环节的单位阶跃时间响应，代入，求出。
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d)画系统框图
2)a)建立微分方程:
b)拉氏变换:
c)绘制单元方框图(略)
4)绘制系统框图
2-11
解:a)
b)
2-14
解:(1)
(2)由于扰动产生的输出为:
要消除扰动对输出的影响,必须使
得到:
得到:
第三章
3-1
解:1)法一:一阶惯性环节的调整时间为4T,输出达稳态值的98%,故:
3-8
解:闭环传递函数
1)K＝200:
最大超调量
峰值时间
调整时间
上升时间
振动次数
2)K＝150,得到:
依次得到的动态性能指标:0、54,0037s,0、175s,0、02s,2、34。
3)K＝13、5,得到:
此时,系统为过阻尼系统,为两个惯性环节串联。
4)对于二阶系统传递函数化为标准形式后,只要 不变,系统调整时间ts不变;随着 增大,过渡过程在缩短(tp,tr),但总过渡时间(调整时间ts)不变;而随着 的减小,振动幅度在加剧,振动次数N、超调量Mp都在加大。
3)单位加速度输入稳态误差;
法二:
3-11
解:开环传递函数 ,此系统为 型系统。
1)稳态误差系数
2)输入信号为阶跃信号、速度信号与加速度信号的组合,它们的系数分别为:
根据信号线性叠加的原理,系统的稳定误差为:
a)当 时,
b)当 时,
c)当 时,
3-12
解:
1)仅有输入信号作用下的稳态误差
偏差传递函数
4T＝1min,得到:T＝15s
法二:求出一阶惯性环节的单位阶跃时间响应,代入,求出。
2)法一:输入信号 ,就是速度信号;
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劳思阵列中第一列元素的符号全为正，系统是稳定的。
法二：a0=1,a1=4,a2=5,a3=10;
因为三阶系统，a0,a1,a2,a3均大于0，且a1×a2=20>a0×a3=10，
所以该三阶系统稳定。
（5）：法一：劳思阵列：
辅助多项式：
劳思阵列第一列中无负号，但有一列的元素全为0，所以系统是临界稳定的。
3-8
解：闭环传递函数
1)K＝200：
最大超调量
峰值时间
调整时间
上升时间
振动次数
2)K＝150，得到：
依次得到的动态性能指标：0.54,0037s,0.175s,0.02s,2.34。
3)K＝13.5，得到：
此时，系统为过阻尼系统，为两个惯性环节串联。
4)对于二阶系统传递函数化为标准形式后，只要 不变，系统调整时间ts不变；随着 增大，过渡过程在缩短（tp,tr），但总过渡时间（调整时间ts）不变；而随着 的减小，振动幅度在加剧，振动次数N、超调量Mp都在加大。
第一章
3
解：1)工作原理：电压u2反映大门的实际位置，电压u1由开（关）门开关的指令状态决定，两电压之差△u＝u1－u2驱动伺服电动机，进而通过传动装置控制大门的开启。当大门在打开位置，u2＝u上：如合上开门开关，u1＝u上，△u＝0，大门不动作；如合上关门开关，u1＝u下，△u<0，大门逐渐关闭，直至完全关闭，使△u＝0。当大门在关闭位置，u2＝u下：如合上开门开关，u1＝u上，△u>0，大门执行开门指令，直至完全打开，使△u＝0；如合上关门开关，u1＝u下，△u＝0，大门不动作。
4)解：传递函数标准形式
a）典型环节：放大环节：20
二阶积分：
惯性环节：转折频率
一阶积分环节：转折频率
b）在博德图上标出w1，w2
c）对数幅频特性：
d）低频渐近线（w<w1）：斜率为-40dB/dec，
取 ，
e）w1～w2渐近线：斜率为－60dB/dec
f）w2～渐近线：斜率为－40dB/dec
4-14
M(s)=0,得到零点：－1， ， ，
2) D(s)=0,得到极点：－2，－1，－2
M(s)=0,得到零点：0，0，－1
3) D(s)=0,得到极点：0， ，
M(s)=0,得到零点：－2， ，
4) D(s)=0,得到极点：－1，－2，
M(s)=0,得到零点：
2-8
解：1）a）建立微分方程
b)拉氏变换
c)画单元框图（略）
d)画系统框图
2)a)建立微分方程：
b)拉氏变换：
c)绘制单元方框图（略）
4)绘制系统框图
2-11
解：a)
b)
2-14
解：(1)
(2)由于扰动产生的输出为：
要消除扰动对输出的影响，必须使
得到：
得到：
第三章
3-1
解：1)法一：一阶惯性环节的调整时间为4T，输出达稳态值的98%，故：
法二：a0=1,a1=10,a2=16,a3=160;
因为三阶系统，a0,a1,a2,a3均大于0，且a1×a2=160=a0×a3=160，
所以该三阶系统临界稳定。
3-16
（2）解：劳思阵列
系统稳定的条件，劳思阵列第一列元素全为正号，即：
由式1)得：k>0
式2)得：k>10/99
式3)得：k<99/10
尼氏判据的关键：含零极点（积分环节）的，需作辅助线（从起点（w＝0）逆时针延伸到正实轴），包围或穿越时，逆时针为正，顺时针为负。
解：
1)正实部根数q＝0，包围（－1，j0）点次数P＝－1，穿越（－1，j0）右负实轴次数N＝－1，P≠ q或≠q/2，闭环系统不稳定。
2)正实部根数q＝0，作辅助线后，包围（－1，j0）点次数P＝0，穿越（－1，j0）右负实轴次数N＝0，P＝q或N＝q/2，闭环系统稳定。
K的取值无法同时满足上述三个条件，所以劳思阵列第一列中一定有负号，所以系统是不稳定的。
（4）解：劳思阵列
系统稳定的条件，劳思阵列第一列元素全为正号，即：
由式1)、2)得：k>1
式3)可化为：
显然，上式无法满足，即：无论k取何值，式1)、2)、3)条件都无法同时满足，所以劳思阵列第一列中一定有负号，所以系统是不稳定的。
，解得：Байду номын сангаас
根据幅频特性可得： ＝0.1
解得：K＝1.1
4-21
解：先求出各转折频率，画出频率段和各频率段的幅频博德图；分各个典型环节，分别画出各典型环节的博德图，然后相频图相加，得到开环系统的相频博德图。在幅频博特图上找出幅值穿越频率，并对应在相频博德图上找出相角裕量；在相位博德图上找出相角穿越频率，并对应在幅频博德图上找出幅值裕量。
2)控制系统方框图
4
解：1)控制系统方框图
2)工作原理：
a)水箱是控制对象，水箱的水位是被控量，水位的给定值h’由浮球顶杆的长度给定，杠杆平衡时，进水阀位于某一开度，水位保持在给定值。当有扰动（水的使用流出量和给水压力的波动）时，水位发生降低（升高），浮球位置也随着降低（升高），通过杠杆机构是进水阀的开度增大（减小），进入水箱的水流量增加（减小），水位升高（降低），浮球也随之升高（降低），进水阀开度增大（减小）量减小，直至达到新的水位平衡。此为连续控制系统。
2-1解：
（c）确定输入输出变量（u1，u2）
得到：
一阶微分方程
（e）确定输入输出变量（u1，u2）
消去i得到：
一阶微分方程
第二章
2-2
解：
1）确定输入、输出变量f(t)、x2
2）对各元件列微分方程：
3）拉氏变换：
4）消去中间变量：
5）拉氏反变换：
2-3
解：
（2）
（4）
（5）
（6）
2-5
解：1)D(s)=0,得到极点：0,0,-2,-5
拉氏反变换：
3-4
解：闭环传递函数为：
（1）单位阶跃函数的拉氏变换：
部分分式展开：
系数比较得到：4A+3B=0
A-3C=0
A=1
得到：A=1，B=-4/3,C=1/3
拉氏反变换：
（2）法一、利用微分关系，把结果（1微分）
法二、单位脉冲函数的拉氏变换：
部分分式展开：
系数比较得到：A+B=0
4A+B=4
4T＝1min，得到：T＝15s
法二：求出一阶惯性环节的单位阶跃时间响应，代入，求出。
2)法一：输入信号 ，是速度信号；
法二：利用误差信号E（s）
3-3
解：
部分分式展开：
系数比较得到：A+B+C=0
11A+6B+5C=0
30A=13
得到：A=13/30=0.433;B=-13/5=-2.6;C=13/6=2.1667
3）单位加速度输入稳态误差；
法二：
3-11
解：开环传递函数 ，此系统为 型系统。
1)稳态误差系数
2)输入信号为阶跃信号、速度信号和加速度信号的组合，它们的系数分别为：
根据信号线性叠加的原理，系统的稳定误差为：
a)当 时，
b)当 时，
c)当 时，
3-12
解：
1)仅有输入信号作用下的稳态误差
偏差传递函数
b)水箱是控制对象，水箱的水位是被控量，水位的给定值h’由浮球拉杆的长度给定。杠杆平衡时，进水阀位于某一开度，水位保持在给定值。当有扰动（水的使用流出量和给水压力的波动）时，水位发生降低（升高），浮球位置也随着降低（升高），到一定程度后，在浮球拉杆的带动下，电磁阀开关被闭合（断开），进水阀门完全打开（关闭），开始进水（断水），水位升高（降低），浮球也随之升高（降低），直至达到给定的水位高度。随后水位进一步发生升高（降低），到一定程度后，电磁阀又发生一次打开（闭合）。此系统是离散控制系统。
3-9
解：开环传递函数为：
单位反馈系统的：H(s)=1
位置稳态误差系数为：
速度稳态误差系数为：
加速度稳态误差系数为：
单位阶跃输入的稳态误差：
单位速度输入的稳态误差：
单位加速度输入的稳态误差：
3-10
解：开环传递函数 ，此系统为 型系统。
稳态误差系数：
1)单位阶跃输入稳态误差：
2)单位速度输入稳态误差：
得到：A=4/3,B=-4/3
拉氏反变换：
3-6
解：闭环传递函数为：
得到： rad/s;
相位移：
时间响应各参数：
3-7
解：1)求闭环传递函数
二阶振动环节：
得到：
2)求结构参数
最大超调量
得到：
峰值时间
得到：
3)求K，Kh
代入1)得到：
4)利用结构参数求其它时域指标
调整时间
上升时间
3-8
解：闭环传递函数
误差信号
稳态误差
2）仅有干扰信号作用下的稳态误差
干扰偏差传递函数
干扰误差信号
干扰稳态误差
3)系统总稳态误差：
3-13
解：特征根分别为：-8,-9,-4+j5,-4-j5。闭环系统的所有特征根均具有负实部，所以系统是稳定的。
3-14
解：单位反馈系统的闭环传递函数：
特征根为：
要使系统稳定，上述特征根的实部必须为负实部：
3)正实部根数q＝0，作辅助线后，包围（－1，j0）点次数P＝－1，穿越（－1，j0）右负实轴次数N＝－1，P≠ q或≠q/2，闭环系统不稳定。
4)正实部根数q＝0，作辅助线后，包围（－1，j0）点次数P＝0，穿越（－1，j0）右负实轴次数N＝0，P＝q或N＝q/2，闭环系统稳定。