自动控制原理(梅晓榕)习题答案
自动控制原理梅晓榕习题答案
习题参考答案1-1工作原理当水位达到规定值时，浮子使电位器活动端处于零电位，放大器输出电压和电机电枢电压是零，电机停转，进水阀门开度不变。
水位高于规定值时，浮子使电位器活动端电位为正，放大器输出电压和电机电枢电压是正，电机正转，阀门开度减小，进水量减小，水位下降。
而水位低于规定值时，浮子使电位器活动端电位为负，电机反转，阀门开度变大，水位上升。
参考输入是电位器中的零电位，扰动量包括出水量和进水管压力的变化等，被控变量是水位，控制器是放大器，控制对象是水箱。
1- 2 当水位处于规定值时，阀门开度正好使进水量和出水量相等，水位不变。
当水位高于规定值，浮子通过杠杆使阀门开度减小，进水减小，水位下降。
当水位低于规定值，浮子通过杠杆使阀门开度变大，进水增加，水位上升。
1-3系统的目的是使发射架转到希望的角度。
电压 5代表希望的角度，电位器输出电压U2表示发射架的实际转角。
它们的差值称为偏差电压，放大后加到电机电枢绕组上成为电压U a。
当发射架没有转到希望的角度时，偏差电压和电机电枢电压不是零，它们使电机转动，转动方向是使偏差角减小至零。
该系统是伺服系统。
参考输入信号是电压比，被控变量是发射架转角。
反馈信号是电位器活动端电压U2，控制变量是放大和补偿环节的输出电压U3。
测量元件是电位器，执行元件是直流电动机。
1-4 程序控制系统，控制器是计算机，执行元件是步进电动机，被控变量是刀具位移x。
1-5 （1）线性定常系统；（2）线性时变系统；（3）非线性系统；（4）线性时变系统；（5）线性定常系统；（6）线性时变系统c ）对X o 的引出点列方程。
k 1 (X iX o ) k 2X o f (X iX o )0 fX o(k 1k 2)x °权 KxX o (s) fs K2-1 a) m3 kx(t)dtF(t)X(s) F(s)1 ms2 kb ）取m 的平衡点为位移零点，列微分方程。
2d x(t) m A dt 2f 警kX （t ）卡⑴X(s) F(s)I 1/I 2ms 2 fs k2-2 设A B 点及位移X 见图中（b ）,（d ）-AA图机械系统a ）对质量m 列方程。
自动控制原理课后习题答案
第1章控制系统概述【课后自测】1-1 试列举几个日常生活中的开环控制和闭环控制系统，说明它们的工作原理并比较开环控制和闭环控制的优缺点。
解：开环控制——半自动、全自动洗衣机的洗衣过程。
工作原理：被控制量为衣服的干净度。
洗衣人先观察衣服的脏污程度，根据自己的经验，设定洗涤、漂洗时间，洗衣机按照设定程序完成洗涤漂洗任务。
系统输出量（即衣服的干净度）的信息没有通过任何装置反馈到输入端，对系统的控制不起作用，因此为开环控制。
闭环控制——卫生间蓄水箱的蓄水量控制系统和空调、冰箱的温度控制系统。
工作原理：以卫生间蓄水箱蓄水量控制为例，系统的被控制量（输出量）为蓄水箱水位（反应蓄水量）。
水位由浮子测量，并通过杠杆作用于供水阀门（即反馈至输入端），控制供水量，形成闭环控制。
当水位达到蓄水量上限高度时，阀门全关（按要求事先设计好杠杆比例），系统处于平衡状态。
一旦用水，水位降低，浮子随之下沉，通过杠杆打开供水阀门，下沉越深，阀门开度越大，供水量越大，直到水位升至蓄水量上限高度，阀门全关，系统再次处于平衡状态。
开环控制和闭环控制的优缺点如下表1-2 自动控制系统通常有哪些环节组成各个环节分别的作用是什么解：自动控制系统包括被控对象、给定元件、检测反馈元件、比较元件、放大元件和执行元件。
各个基本单元的功能如下：（1）被控对象—又称受控对象或对象，指在控制过程中受到操纵控制的机器设备或过程。
（2）给定元件—可以设置系统控制指令的装置，可用于给出与期望输出量相对应的系统输入量。
（3）检测反馈元件—测量被控量的实际值并将其转换为与输入信号同类的物理量，再反馈到系统输入端作比较，一般为各类传感器。
（4）比较元件—把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的给定值进行比较，分析计算并产生反应两者差值的偏差信号。
常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。
（5）放大元件—当比较元件产生的偏差信号比较微弱不足以驱动执行元件动作时，可通过放大元件将微弱信号作线性放大。
自动控制原理梅晓榕习题答案
第5章5-121arctan arctan T T ωωΦ=∠Φ=-21()arctan arctan )ss c t t T T ωωω=+-5-2 （1）()arctan -arctan G j T ωτωω∠=（2）1212()arctan arctan -arctan -arctan G j aT bT T T ωωωωω∠=+ 5-3 （1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）5-4（1）（3）（4）（6）（7）（8）（1）（2）（3）（4）（6）（7）（8）（10）5-6 （a ）12100()11(1)(1)G s s s ωω=++ （b ）231221(1)()1(1)s G s s s ωωω+=+（c ）112211()11c s G s s s ωωωω⎛⎫+⎪⎝⎭=⎛⎫+ ⎪⎝⎭（d ）123()11(1)(1)s G s s s ωωω=++ 5-7 （a ）稳定 （b ）稳定 （c ）稳定 （d ）不稳定 （e ）不稳定 （f ）不稳定 （g ）不稳定 （h ）稳定5-8 （a ）不稳定 （b ）稳定 （c ）稳定 （d ）稳定 （e ）稳定 5-9 （a ）不稳定 （b ）稳定 （c ）稳定 5-10 稳定5-11 1：稳定 2：不稳定 3：稳定 4：不稳定 5-12 不稳定5-13 o 73γ= 此题传递函数改为(0.561)()(1)(0.11)(0.0281)K s G s s s s s +=+++或 幅值穿越频率 5.13rad/s c ω=，o 46.5γ=。
5-14（1）(j )48.2c G ω∠=-，o 131.8γ=（2）(j )155.4c G ω∠=-，o 24.6γ=5-15 o o o (1)55 20dB/dec (2)-15.840dB/dec (3)-52.860dB/dec --- ，，， 5-16s2s1s3p1p2p3t t t σσσ<<=< ，5-17 （1）o 54.9 20lg g K γ==∞，，系统稳定。
(完整版)自动控制原理课后习题及答案
第一章绪论1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优弊端.解答： 1 开环系统(1)长处 :构造简单，成本低，工作稳固。
用于系统输入信号及扰动作用能早先知道时，可获得满意的成效。
(2)弊端：不可以自动调理被控量的偏差。
所以系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。
2闭环系统⑴长处：不论因为扰乱或因为系统自己构造参数变化所惹起的被控量偏离给定值，都会产生控制作用去消除此偏差，所以控制精度较高。
它是一种按偏差调理的控制系统。
在实质中应用宽泛。
⑵弊端：主要弊端是被控量可能出现颠簸，严重时系统没法工作。
1-2什么叫反应？为何闭环控制系统常采纳负反应？试举例说明之。
解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反应。
闭环控制系统常采纳负反应。
由1-1 中的描绘的闭环系统的长处所证明。
比如，一个温度控制系统经过热电阻（或热电偶）检测出目前炉子的温度，再与温度值对比较，去控制加热系统，以达到设定值。
1-3试判断以下微分方程所描绘的系统属于何种种类（线性，非线性，定常，时变）？2 d 2 y(t)3 dy(t ) 4y(t ) 5 du (t ) 6u(t )（1）dt 2 dt dt（2） y(t ) 2 u(t)（3）t dy(t) 2 y(t) 4 du(t) u(t ) dt dtdy (t )u(t )sin t2 y(t )（4）dtd 2 y(t)y(t )dy (t ) （5）dt 2 2 y(t ) 3u(t )dt（6）dy (t ) y 2 (t) 2u(t ) dty(t ) 2u(t ) 3du (t )5 u(t) dt（7）dt解答： （1）线性定常（2）非线性定常 （3）线性时变（4）线性时变（5）非线性定常（6）非线性定常（7）线性定常1-4 如图 1-4 是水位自动控制系统的表示图， 图中 Q1，Q2 分别为进水流量和出水流量。
控制的目的是保持水位为必定的高度。
自动控制原理(梅晓榕)习题答案第八章
习题答案88-1 1）二阶系统，2个状态变量。
设 2121212)(2)()( )()(x x t y t y t yx t y x x t y x --=--==⇒=== ， []⎥⎦⎤⎢⎣⎡==⎥⎦⎤⎢⎣⎡--==00 01 2110 B y A A ，，，x x x 2)[]x x x 001 100322100010=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=y u 3)[]x x x 121 100321100010=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=y u 提示：本题利用了可控规范型与微分方程系数的关系。
8-2 1)23101)()(ss s U s Y += []x x x 001 1001000100010=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=y u 2)815611171181891)()(23+⋅++⋅-⋅=++=s s s s s s s U s Y []x x x 001 100980100010=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=y u 或 x x x ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=5617181111800010000y u 3) []x x x 145 1006116100010=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=y u 提示：本题利用了状态空间的规范型与传递函数系数的关系。
8-38659122+++s s s8-4 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+---==⎥⎦⎤⎢⎣⎡----------t t t t tt t t t t Att x t x e e 11e 2e e2e 2e e e e 2)0(e )()(222221x 8-5 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+-=-==------t t t t s BU A sI t 3232113e 4e 1e e 21)]()[(L )()0(x 0x ， 8-6 [])(120)( )(100)(321100010)1(k k y k u k k x x x =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=+ 或 [])(100)( )(120)(310201100)1(k k y k u k k x x x =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=+ 或 [])(001)( )(111)(321100010)1(k k y k u k k x x x =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=+ 提示：利用状态空间的规范型与差分方程系数的关系。
自动控制元件及线路 第五版 梅晓榕 课后答案
自动控制元件及线路第五版梅晓榕课后答案第一章简介1.1 自动控制的定义自动控制是指利用设备和线路来实现对系统或过程的自动管理和控制。
通过引入传感器、执行器和控制器等元件，可以使系统实现自动运行、自动调节和自动控制。
1.2 自动控制系统的组成自动控制系统主要由以下几个部分组成：•传感器：用于感知被控对象的状态或变量。
•执行器：用于执行控制信号，控制被控对象的状态或变量。
•控制器：通过对传感器的反馈信息进行处理，并生成控制信号，实现对被控对象的控制。
•信号调理电路：用于处理传感器信号，使其符合控制系统的输入要求。
•电源电路：为控制系统提供稳定的电源。
•通信线路：用于传输控制信号和传感器信号。
•被控对象：即需要被控制的系统或过程。
1.3 自动控制系统的分类自动控制系统可以按照不同的标准进行分类。
常见的分类方法包括按照控制方式、按照控制对象、按照控制任务等等。
按照控制方式可以分为开环控制和闭环控制。
开环控制是指控制器仅根据系统输入信号的设定值进行控制，不考虑被控对象的实际输出信号。
闭环控制则是根据系统输出信号与设定值的偏差来调节控制器的输出信号，实现对被控对象的精确控制。
按照控制对象可以分为连续控制系统和离散控制系统。
连续控制系统是指被控对象的输入与输出变量是连续变化的，如温度、压力等。
离散控制系统则是指被控对象的输入与输出是离散的，如开关等。
按照控制任务可以分为调节控制和跟踪控制。
调节控制是指对被控对象的输出变量进行调节，使其达到设定值。
跟踪控制则是指控制系统需要根据某个参考输入信号来跟踪输出信号，如跟踪轨迹等。
第二章传感器2.1 传感器的基本原理传感器是通过物理、化学、生物等效应来实现将被测量物理量转换为电信号的装置。
传感器的基本原理可以分为以下几种：•电阻性原理：根据被测量物理量对电阻的影响，如热敏电阻、应变电阻等。
•电容性原理：根据被测量物理量对电容的影响，如电容式湿度传感器等。
•压阻性原理：根据被测量物理量对压阻的影响，如压力传感器等。
自动控制原理(梅晓榕)习题答案
第5章5-1 222212211 arctan arctan 1K T T T T ωωωω+Φ=∠Φ=-+222212211()sin(arctan arctan )1ss K T c t Rt T T T ωωωωω+=+-+5-2 （1）()arctan -arctan G j T ωτωω∠=（2）1212()arctan arctan -arctan -arctan G j aT bT T T ωωωωω∠=+ 5-3 （1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）5-4（1）（3）（4）（6）（7）（8）（1）（2）（3）（4）（6）（7）（8）（10）5-6 （a ）12100()11(1)(1)G s s s ωω=++ （b ）231221(1)()1(1)s G s s s ωωω+=+（c ）112211()11c s G s s s ωωωω⎛⎫+⎪⎝⎭=⎛⎫+ ⎪⎝⎭（d ）123()11(1)(1)s G s s s ωωω=++ 5-7 （a ）稳定 （b ）稳定 （c ）稳定 （d ）不稳定（e ）不稳定 （f ）不稳定 （g ）不稳定 （h ）稳定5-8 （a ）不稳定 （b ）稳定 （c ）稳定 （d ）稳定 （e ）稳定 5-9 （a ）不稳定 （b ）稳定 （c ）稳定 5-10 稳定5-11 1：稳定 2：不稳定 3：稳定 4：不稳定 5-12 不稳定5-13 o 73γ= 此题传递函数改为(0.561)()(1)(0.11)(0.0281)K s G s s s s s +=+++或 幅值穿越频率 5.13rad/s c ω=，o 46.5γ=。
5-14（1）(j )48.2c G ω∠=-，o 131.8γ=（2）(j )155.4c G ω∠=-，o 24.6γ=5-15 o o o (1)55 20dB/dec (2)-15.840dB/dec (3)-52.860dB/dec --- ，，， 5-16s 2s1s3p1p 2p3t t t σσσ<<=< ，5-17 （1）o 54.9 20lg g K γ==∞，，系统稳定。
自动控制原理(梅晓榕)5-A
2.积分环节
1 1 1 j2 G ( j ) j e j 1 幅频特性 20lgG ( j ) 20lg 20lg 1 G(s) s
y 20lgG ( j ) ，x lg y 20x 幅频特性是直线， 斜率是 20dB/dec。 频率增加到 10倍，幅值增加： 1 1 20lg 20lg 20lg10 20lg 20dB 10 相频特性 G ( j ) 90
例5-2-1开环传递函数为
G(s) K s(T s 1)
绘制开环频率特性极坐标图 K KT 解 G( j )
j ( jT 1)
T 2 2 1 K G( j ) 90 arctanT , G( j ) T 2 2 1
T 2 2 1
2
U ( ) U 1 1/ 2 0
T 1 V 0 1/ 2 0
1 1/ 2 0
2
1 1 2 U V 2 2
极坐标图是半圆。
2.积分环节
1 G (s) s 1 1 1 j G (j ) j e 2 j
G ( s) G1 ( s )G2 ( s )
0
G1 90 90
G2 0 180
G 90 270
G 0
5.2.2 对数频率特性图
伯德(Bode)图。容易绘制，分析直观，应用最广。包括幅频 特性图和相频特性图。横轴坐标实际是lgω，但标注的是角 频率ω(rad/s)，对数分度，可展现很宽的频率范围。 ω→2ω的频带宽度称2倍频程，ω→10ω的频带宽度称10倍 频程或10倍频，记dec。ω为0.1、1、10、100、1000的各 点间横轴间的距离相等。Lg0=-∞,横轴上画不出ω=0的点。 幅频特性图纵坐标表示20lg│G(jω)│,单位dB（分贝），线性 分度。0dB表示│G(jω)│=1，无│G(jω)│=0点。 相频特性图纵坐标∠│G(jω)│，单位是（º ）或rad,线性分度。 Bode图绘制在半对数坐标纸上。 传递函数可写成基本环节传递函数相乘的形式，幅频特性由 相应的基本环节幅频特性的代数和锝到。
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第5章
5-1 2222122
1
1 arctan arctan 1
K T T T T ωωωω+Φ=
∠Φ=-+
2222122
1
1()sin(arctan arctan )1
ss K T c t R
t T T T ωωωωω+=+-+
5-2 （1）()arctan -arctan G j T ωτωω∠=
（2）1212()arctan arctan -arctan -arctan G j aT bT T T ωωωωω∠=+ 5-3 （1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
5-4（1）
（3）（4）
（6）（7）（8）
（1）（2）（3）（4）
（6）（7）（8）
（10）
5-6 （a ）12100
()11
(1)(1)
G s s s ωω=++ （b ）23122
1
(
1)()1(1)s G s s s ωωω+=+
（c ）11221
1()11c s G s s s ωωωω⎛⎫
+
⎪
⎝⎭=⎛⎫+ ⎪
⎝⎭
（d ）123
()11(1)(1)s G s s s ωωω=++ 5-7 （a ）稳定 （b ）稳定 （c ）稳定 （d ）不稳定
（e ）不稳定 （f ）不稳定 （g ）不稳定 （h ）稳定
5-8 （a ）不稳定 （b ）稳定 （c ）稳定 （d ）稳定 （e ）稳定 5-9 （a ）不稳定 （b ）稳定 （c ）稳定 5-10 稳定
5-11 1：稳定 2：不稳定 3：稳定 4：不稳定 5-12 不稳定
5-13 o 73γ= 此题传递函数改为(0.561)
()(1)(0.11)(0.0281)
K s G s s s s s +=
+++
或 幅值穿越频率 5.13rad/s c ω=，o 46.5γ=。
5-14（1）(j )48.2c G ω∠=-，o 131.8γ=（2）(j )155.4c G ω∠=-，o 24.6γ=
5-15 o o o (1)55 20dB/dec (2)-15.840dB/dec (3)-52.860dB/dec --- ，
，， 5-16
s 2s1s3p1p 2p3t t t σσσ<<=< ，
5-17 （1）o 54.9 20lg g K γ==∞，，系统稳定。
（2）o -46.5 20lg -g K γ==∞，，系统不稳定。
5-18 o 100(0.11)
()1045(1)(0.011)
c s G s s s s ωγ+=
==++ ，，
r r 2n 1 2 3ζζθζθ1-ζζωM M 曲线说明 * * 大 由图 * * 小 大， 小 * * 大 小， 大 * * 大 由 n n n 22n ζωζωζωζω1-ζω1-ζs p p * 大 * 由图 * 大 小 由 及t * 小 大 与反比σ * * 大 小，σ 大 * 大 大 由及
说明：以下各设计题目，一般都有多种解。
5-19 超前补偿法。
固有部分（待补偿系统） 0100
()(0.041)
G s s s =
+
超前补偿 c 0.041
()0.0081
s G s s +=
+；设计后 e 100()(0.0081)G s s s =+
滞后补偿法。
固有部分 010
()(0.041)
G s s s =
+
滞后补偿 c 1
10()10101
s G s s +=+；设计后 e 100(1)()(0.041)(101)s G s s s s +=++
5-20 K =10，c 0.51
()0.151
s G s s +=+ 等等。
提示：可利用二阶系统公式。
5-21 c e 2
(21)(0.21)100(21)
()()(66.71)(0.11)(66.71)(0.11)s s s G s G s s s s s s +++=
=++++ ；等等
5-22 11(1)100(1)
1616()()11(1)(0.11)(1)160160c e s s G s G s s s s s ++==
+++； 等等 5-23 (101)10(101)
() ()(1001)(1001)(1)(0.251)
c e s s G s G s s s s s s ++=
⇒=++++等等
5-24 11
(
1)(1)
0.37.6()11(1)(1)0.067143
c s s G s s s ++=++
2111000(1)(1)
0.37.6()1(1)(0.91)(0.0071)0.067
e s s G s s s s s ++=
+++ 等等 5-25 根据二阶系统的计算公式。
0.00635h K =，反馈补偿后的开环传递函数为16000
()(141.6)
G s s s =
+。
5-26反馈补偿后系统的开环传递函数为 215150
()0.1(115)(10150)
G s s h s s s h =
=++++
0.0967h =
5-27 110200K K ==，，c ()200(0.11)
s
H s s =
+
5-28 1171(
1)710(1)3535()()11(1)(0.11)(1)(0.0011)400400
c e s s G s G s s s s s s s ++==++++，等 5-29 0 1.41()11(1)(1)1010000G s s s =++；11(1)(1)
2.510()10011(1)(1)0.26100
c s s G s s s s ++=++等 5-30 补偿装置的对数频率特性见图。
)120
1
)(121()141
(20)(+++=s s s s s G e 0201arctan 41arctan 120
1)
141
(10)()()(0>-=∠++==ωωc e c G s s s G s G s G ，
补偿装置是超前网络，本身相位角为正，可提高相位裕度。
图 对数频率特性
5-31 K =2000，)14.01)(12001()
131.0)(191
()(++++=s s s s s G c 等等
5-32 11
(1)(1)
1.510()411(1)(1)0.36200
c s s G s s s ++=++ 等等
5-33 K =200，1
(1)
10()1
(1)3
c s G s s +=+
5-34 11(1)(1)350310()11300(1)(1)0.4140
c s s G s s s ++=⋅++ 等等 5-35 2
0.0167()0.21
c s H s s =+ 5-36 2
0.0020.91 ()0.005 ()0.11
c c c s H H s s H s s =-==+；； 5-37 20.63(0.11)() 3.51
c s s H s s +=+ 等等 5-38 0.283()0.251
c s H s s =
+ 5-39 →→→→123222111ω 0 1/ 1/ 1/ (s) s T s T s T T ∞
T T T KT KT K K G 2322221113 s
20lg (j ω) 20lg 20lg 20lg 20lg ωωωωKT KT K K G T T T T
5-40
（1）2n
222n n n 2222n n n n 22n n
2()()()212s s Y s G s X s s s Ks Ks s s ωζωωωωζωωωζωω++===++++++ 2n 22n n n 2(1)2K s s ωωζωωζ=+++
阻尼比 n (1)2K ωζζζ
+>，可见微分反馈可增加系统阻尼比。
（2）2n
2n n 2222n n n n n (2)()()()21(1)(2)
s s Y s G s X s s s K s Ks s s ωζωωωζωωωζω+===++++++ 2n 22n n n 2(1)2K s s ωωζωωζ=+++
阻尼比 n (1)2K ωζζζ
+
>，可见微分反馈补偿系数K 可增加系统阻尼比。
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