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i -1水箱液im高度控制系统的3种原理方案如图2-i-i所示。
在运行中,希望液面高度H维持不变。
M w W解:(a) ⑶工作原理:当电位器电刷位于中点(对应电压为零)时,电动机静止不动,控制阀门有一定的开度,流入水量与流出水量相等,从而使液面保持给定高度H。
当液面升高时(H>Ho),浮子也相应升高,通过杠杆作用,使电位器电刷由中点位置下移,从而给电动机提供一定的控制电压,驱动电动机,通过减速器带动进水阀门向减小开度的方向转动,从而减少流入的水量,使液面逐渐降低,浮子位置也相应下降,直到液面恢复给定高度Ho(H=Ho),电动机的停止转动。
反之,若液面降低(H〈H°),则通过自动控制作用,增大进水阀门开度,加大流入水量,直到液面恢复给定高度Ho(H=Ho) o被控对象:水箱;被控量:水箱的实际水位H;给定量:液位的希望值H。
;干扰量:用水量系统是按偏差调节的闭环控制系统。
系统方块图如图所示:工作原理:当流出水量匾变小时,液面的实际水位H升高(H>Ho),浮子也相应升高,通过杠杆调节阀门从而减小流入的水量Q.使液面逐渐降低,浮子位置也相应下降,直到液面恢复给定高度Ho(H=Ho)o反之,当流出水量Q2变大时,液面的实际水位H降低(IKHo),浮子也相应降低,通过杠杆调节阀门L,从而增大流入的水量Q,使液面逐渐升高,浮子位置也相应升高,直到液面恢复给定高度Ho(H=Ho)o被控对象:水箱;被控量:水箱的实际水位H;给定量:液位的希望值H。
;手排曷.田永昼m系统是按偏差调节的闭环控制系统。
系统方块图如图所示:(c)工作原理:当输出阀门12改变时,通过杠杆调节输入阀门L,改变输入流量Q,使液面高度维持不变(H=H。
)。
被控对象:水箱;被控量:水箱的实际水位H;给定量:液位的希望值H。
;干扰量:输出阀门b系统是按干扰补偿的开环控制系统。
系统方块图如图所示:I - 2仓库大门|'|动控制系统的原理如图 2 - I - 5所示。
自动控制原理习题答案详解

自动控制原理习题答案详解自动控制原理习题详解(上册)第一章习题解答1-2日常生活中反馈无处不在。
人的眼、耳、鼻和各种感觉、触觉器官都是起反馈作用的器官。
试以驾车行驶和伸手取物过程为例,说明人的眼、脑在其中所起的反馈和控制作用。
答:在驾车行驶和伸手取物过程的过程中,人眼和人脑的作用分别如同控制系统中的测量反馈装置和控制器。
在车辆在行驶过程中,司机需要观察道路和行人情况的变化,经大脑处理后,不断对驾驶动作进行调整,才能安全地到达目的地。
同样,人在取物的过程中,需要根据观察到的人手和所取物体间相对位置的变化,调整手的动作姿势,最终拿到物体。
可以想象蒙上双眼取物的困难程度,即使物体的方位已知。
1-3 水箱水位控制系统的原理图如图1-12所示,图中浮子杠杆机构的设计使得水位达到设定高度时,电位器中间抽头的电压输出为零。
描述图1-12所示水位调节系统的工作原理,指出系统中的被控对象、输出量、执行机构、测量装置、给定装置等。
图1-12 水箱水位控制系统原理图答:当实际水位和设定水位不相等时,电位器滑动端的电压不为零,假设实际水位比设定水位低,则电位器滑动端的电压大于零,误差信号大于零(0e >),经功率放大器放大后驱动电动机M 旋转,使进水阀门开度加大,当进水量大于出水量时(12Q Q >),水位开始上升,误差信号逐渐减小,直至实际水位与设定水位相等时,误差信号等于零,电机停止转动,此时,因为阀门开度仍较大,进水量大于出水量,水位会继续上升,导致实际水位比设定水位高,误差信号小于零,使电机反方向旋转,减小进水阀开度。
这样,经反复几次调整后,进水阀开度将被调整在一适当的位置,进水量等于出水量,水位维持在设定值上。
在图1-12所示水位控制系统中,被控对象是水箱,系统输出量水位高,执行机构是功率放大装置、电机和进水阀门,测量装置浮子杠杆机构,给定和比较装置由电位器来完成。
1-4 工作台位置液压控制系统如图1-13所示,该系统可以使工作台按照给定电位器设定的规律运动。
自编自控教材习题解答

自编自控教材习题解答第一章1-2 图1-17 是液位自动控制系统原理示意图。
图中SM为执行电动机。
试分析系统的工作原理,指出该系统参考输入、干扰量、被控对象、被控量、控制器,并画出系统的方框图。
图1-17 习题1-2 液位自动控制系统【解】系统参考输入:预期液位;被控对象:水箱;被控量:水箱液位;控制器:电动机减速器和控制阀门;干扰量:用水流量Q2。
系统的方块图如下1-3在过去,控制系统常常以人作为闭环控制系统的一部分,图1-18是人在回路中的水位控制示意图,试画出该控制系统的方框图。
图1-18 习题1-3 阀门控制系统【解】略1-4图1-19是仓库大门自动控制系统原理图。
试说明系统自动控制大门开闭的工作原理,并画出系统的方块图。
图1-19 习题1-4 仓库大门自动系统【解】1-5 图1-20为水温控制系统示意图。
冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热,从而得到一定温度的热水。
冷水流量变化用流量计测量。
试绘制系统方块图,并说明为了保持热水温度为期望值,系统是如何工作的?指出该系统的参考输入、干扰量、被控对象和控制装置各是什么?图1-20 习题1-5 水温控制系统示意图【解】该系统的参考输入:给定温度;干扰量:冷水流量的变化;被控对象:热交换器;被控量:交换器的水温;控制装置:温度控制器,此时控制器的输出不仅与实际水温有关而且和冷水的流量有关,所以该系统不仅是反馈控制而是反馈+前馈的复合控制方式。
它的主要目的是一旦冷水流量增大或减少时,及时调整蒸汽流量,不用等到水温降低会升高后再调节,所以可提高系统对扰动的能力。
实际给定第二章2-2 若某系统在阶跃输入r(t)=1(t)时,零初始条件下的输出响应c(t)=1-e -2t +e -t ,试求系统的传递函数和脉冲响应。
【解】根据传递函数的定义,其传递函数为零初始条件下,输出信号的拉氏变换与输入信号拉氏变换之比,即()1111()()/()21C s G s R s s s s s ==-+++ 242(1)(2)s s s s ++=++ 2-3 设系统传递函数为342)(2++=s s s G初始条件0/)0(,1)0(=-=dt dc c 。
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(西安电子科技大学出版社)习题2-1试列写题2-1图所示各无源网络的微分方程.M 0= 2.39VJ 11= 2.19X 10∙A ,试求在工作点(w 0, i 0}附近方=/(〃,的 规性化方程。
2-7设晶网管三相桥式全控整漉电路的怆入房为控制角α,输出r 为空战整流电压口,它们之间的 关系为 式中,U ⑷是整流电压的理想空竣(«•试推导其线性化方程式.2-8 ∙系统由如下方程祖组成,其中Xr(S)为输入,XKS)为输出,试绘制系统构造图,并求出闭 环传递函数。
2-9系统的微分方程组如下其中r 、K l . K- K 、、/、K 、、T 均为正常数,试建设系统构造图,并求系统的传递函数C(S)/R(s).图2-2图有双M 冷 ⑵(W <»U.之间的关系为i* =l0P(e""∕0.026-l),假设系统工作点在 2-6如题2∙6图所示电路,.极耳啦J4非钻盛曲F ,其电流L 和电压2-10试化简即2-10图所示的系统构造图.并求传递函数C(S)11R(S), K(S) C(S)/ C(S) R(S) 筑书规图所材 Gl C(S) G,卡G 5佛与函数 国S) C(S) G) 5 “七; Hl 弟统 £(S) M(S)2-16零初 设某 2-17 g (t) = 7-5e 6f . 咫2∙ 15图求系统 的传速函数, 始条件下的输出响试求该系统的传递 2-18系统的 W'> I 控制系统构造t f 1*1 2-16 W 系统构造图 R(S) ΛU) 2-15 E(S) C (Λ I I - L_rτ∏J ∙13图 系统G:" r ,(5) E(S)凤 F) R ⑸M ⑸松) ⅛4和脉冲响应函数, 单位脉冲响应为。
自控课后答案

2-1 什么是系统的数学模型?在自动控制系统中常见的数学模型形式有哪些? 用来描述系统因果关系的数学表达式,称为系统的数学模型。
常见的数学模型形式有:微分方程、传递函数、状态方程、传递矩阵、结构框图和信号流图。
2-2 简要说明用解析法编写自动控制系统动态微分方程的步骤。
2-3 什么是小偏差线性化?这种方法能够解决哪类问题?在非线性曲线(方程)中的某一个工作点附近,取工作点的一阶导数,作为直线的斜率,来线性化非线性曲线的方法。
2-4 什么是传递函数?定义传递函数的前提条件是什么?为什么要附加这个条件?传递函数有哪些特点?传递函数:在零初始条件下,输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。
定义传递函数的前提条件:当初始条件为零。
为什么要附加这个条件:在零初始条件下,传递函数与微分方程一致。
传递函数有哪些特点:1.传递函数是复变量S 的有理真分式,具有复变函数的所有性质;n m ≤且所有系数均为实数。
2.传递函数是一种有系统参数表示输出量与输入量之间关系的表达式,它只取决于系统或元件的结构和参数,而与输入量的形式无关,也不反映系统内部的任何信息。
3.传递函数与微分方程有相通性。
4.传递函数)(s W 的拉氏反变换是系统的单位脉冲响应。
2-5 列写出传递函数三种常用的表达形式。
并说明什么是系统的阶数、零点、极点和放大倍数。
nn n n mm m m a s a s a s a b s b s b s b s W ++++++++=----11101110)(ΛΛ ()()∏∏==++=nj jmi i s T s T K s W 1111)( 其中nma b K =()()∏∏==++=nj jmi i g p s z s K s W 11)( 其中0a b K g =传递函数分母S 的最高阶次即为系统的阶数,i z -为系统的零点,j p -为系统的极点。
K 为传递函数的放大倍数,g K 为传递函数的根轨迹放大倍数。
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自控习题及解答第五章5-1问答题:(1) 在Bode 图中采用对数坐标的优点是什么? (2) 如何定义分贝?(3) 截止频率是如何定义的? (4) 如何定义相位裕度(PM )? (5) 如何定义幅值裕度(GM )?(6) 伯德图上什么特征最能体现闭环系统阶跃响应的超调量? (7) 伯德图上什么特征最能体现闭环系统阶跃响应的上升时间? (8) 伯德图上的性能度量上,超前补偿的主要作用是什么? (9) 伯德图上的性能度量上,滞后补偿的主要作用是什么? (10) 怎样从伯德图上找出Ⅰ型系统的K v ?(11) 为什么我们在从奈奎斯特图上确定系统稳定时,要预先知道开环系统不稳定极点的数目?(12) 要求某控制系统能跟踪正弦波,它的频率范围是0≤ω≤450/rad s ,且幅值是5个单位,要求(正弦的)稳态误差不超过0.01,画出(描述)对应的性能函数G (s)。
5-1 设单位负反馈控制系统的开环传递函数为1()21G s s =+ 当下列输入信号作用在闭环系统上时,求系统的稳态输出C ss 。
(1)r(t)=sin2t(2)r(t)=sin(t+300)-2cos(2t -450) 【解】解: 由图可得闭环传递函数为系统稳定,其频率特性为由式(5-8)频率特性的意义,求出ω=2 rad/s 时频率特性的幅值和相角可得系统的稳态输出0()0.22sin(263.4)ss c t t =-由线性系统的叠加性,可得系统的稳态输出00()0.35sin(15)0.44sin(2108)ss c t t t =---5-2 若系统的单位阶跃响应为49()1 1.80.8t t h t e e --=-+(t ≥0)试求系统的频率特性。
5-3 作出下列传递函数的对数幅频特性L (ω)和相频特性φ(ω)。
(1)1()G s Ts=,T =10及T =0.1 (2)211()1T s G s T s +=+,T 1>T 2及T 1<T 2(3) 20()(101)G s s s =+,210(0.51()(0.11)s G s s s +=+(3)123()(1)(1)(1)KG sT s T s T s =+++,T 1>T 2>T 3【解】(1)频率特性为对数幅频表达式幅频特性,当10T =时,为过0.1c ω=,斜率为-20的直线。
自动控制第一章习题答案

自动控制第一章习题答案自动控制第一章习题答案自动控制是一门研究如何对动态系统进行控制的学科。
它涉及到数学、物理、工程等多个领域的知识,在现代工业和科学中扮演着重要的角色。
在学习自动控制的过程中,习题是检验理论掌握程度和加深理解的重要方式。
本文将为大家提供自动控制第一章习题的答案,帮助读者更好地理解和应用自动控制的基础知识。
1. 什么是自动控制?自动控制是指通过某种控制器对一个系统进行调节,以使系统的输出能够按照预定的要求进行变化。
它可以通过测量系统的输出信号,并与期望的输出信号进行比较,从而产生控制信号,使系统能够自动地调整自身的状态。
2. 什么是控制系统?控制系统是由若干个组成部分组成的整体,用于控制一个或多个物理过程或设备。
它包括输入、输出、控制器和被控对象等组成部分。
输入是指控制系统接收的外部信号,输出是指控制系统产生的控制信号,控制器是指用于处理输入信号并产生输出信号的设备,被控对象是指受到控制系统控制的物理过程或设备。
3. 什么是开环控制?开环控制是指控制器的输出信号不受被控对象的反馈信号影响的控制方式。
在开环控制中,控制器根据预先设定的输入信号生成输出信号,而不考虑被控对象的实际状态。
开环控制的优点是简单、快速,但缺点是对于被控对象的变化无法进行实时调整。
4. 什么是闭环控制?闭环控制是指控制器的输出信号受到被控对象的反馈信号影响的控制方式。
在闭环控制中,控制器根据被控对象的实际状态和预期状态之间的差异来生成输出信号。
闭环控制的优点是能够实时调整控制器的输出信号,使系统能够更加稳定和准确地达到预期状态。
5. 什么是负反馈?负反馈是指将被控对象的输出信号与期望的输出信号进行比较,并将比较结果作为控制器的输入信号的一种控制方式。
负反馈控制的目的是通过调整控制器的输出信号,使被控对象的输出信号逐渐趋近于期望的输出信号。
负反馈控制能够有效地抑制系统中的干扰和噪声,提高系统的稳定性和准确性。
6. 什么是正反馈?正反馈是指将被控对象的输出信号与期望的输出信号进行比较,并将比较结果作为控制器的输入信号的一种控制方式。
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自控习题及解答第六章6-1 问答题(1)系统的非线性通常分为哪两大类?在数学上分别有什么特征? (2)典型的本质非线性特性有哪几种? (3)什么叫描述函数?如何求取描述函数?(4)如何应用描述函数法来分析一个非线性控制系统?(5)什么是相平面?什么是相轨迹?在相平面上有时间信息吗?是以什么方式来表示的? (6)什么叫相平面的奇点?在数学上应满足什么条件?几何解释是什么? (7)说出对非线性系统进行相平面分析的一般步骤。
6-2 某单位负反馈控制系统的开环传递函数为3)(+=s Ks G 若校正装置为sas s G c +=)( 试确定a 和K 的取值,使系统阶跃响应的稳态误差为零,超调量为5%,调节时间为1秒(Δ=2%)。
答案: K =5,a =6.46-3 某单位负反馈系统的开环传递函数为)4)(2()(++=s s s Ks G若引入的校正装置为4.16)2.2(53.7)(++=s s s G c试确定K 的取值,使系统具有n ω=0.5和=ξ0.5的主导极点,且K v ≥2.7。
答案 K=226-4 某控制系统如图6-43所示,为了使系统对阶跃输入响应有合适的稳态误差,我们先选取控制器参数K 2=4。
试确定参数K 1的取值,使系统的相角裕度为600,并求出此时的阶跃响应的峰值时间和超调量。
图6-43 习题6-2 图6-5 设有单位反馈的火炮指挥仪伺服系统,其开环传递函数为)15.0)(12.0()(++=s s s Ks G若要求系统最大输出速度为120/s ,输出位置的容许误差小于20,试求:(1)满足上述指标的最小K 值,计算该K 值下系统的相角裕度和幅值裕度; (2)在前向通路中串联超前校正网络108.014.0)(++=s s s G c计算校正后系统的相角裕度和幅值裕度,说明超前校正对系统动态性能的影响。
6-6 设单位反馈系统的开环传递函数)1()(+=s s Ks G试设计一串联超前校正装置,使系统满足如下指标:(1)相角裕度γ≥450;(2)在单位斜坡输入下的稳态误差e ss (∞)<1/15rad 。
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自控习题及解答第二章2-2 若某系统在阶跃输入r(t)=1(t)时,零初始条件下的输出响应c(t)=1-e -2t +e -t ,试求系统的传递函数和脉冲响应。
【解】根据传递函数的定义,其传递函数为零初始条件下,输出信号的拉氏变换与输入信号拉氏变换之比,即()1111()()/()21C s G s R s s s s s==-+++ 242(1)(2)s s s s ++=++2-3 设系统传递函数为342)(2++=s s s G初始条件0/)0(,1)0(=-=dt dc c 。
求单位阶跃输入r (t)=1(t)时,系统的输出响应c (t)。
【解】系统传递函数与微分方程是一一对应的,故通过传递函数先求出微分方程,然后通过拉氏变换的方法求解微分方程。
系统对应的微分方程为 4()3()2()c c t c t r t ++=&&&在给定的非零初始条件下,进行拉氏变换22(43)()(0)(0)4(0)s s C s sc c c s++---=& 整理后2221()(43)(43)s C s s s s s s +=-++++部分分式展开后,拉氏反变换111223242/35/25/6()[()][][](43)(43)13255326t t s c t L C s L L s s s s s s s s e e -----+==-=-+++++++=-+2-4 在图2-48中,已知G (s) 和H (s)两方框对应的微分方程分别为()2()5()4()3()6()c t c t e t b t b t c t +=+=&&图2-48 习题2-4系统结构框图且初始条件为零,试求传递函数C (s)/R (s)。
【解】求出每个方框的传递函数,利用反馈等效的方法求C(s)/R(s)。
根据定义可得5()2G s s =+,6()43H s s =+ 255()5()25(43)10075(2)56()1()()(2)(43)30411361(2)(43)C s G s s s s R s G s H s s s s s s s +++====+++++++++2-5 图2-49是由电阻、电容和运算法放大器组成的无源网络和有源网络,试列写以V in (t)为输入量,V out (t)为输出量的传递函数。
(a) (b )(c) (d)图2-49 习题2-5电路图【解】(a) 1211211,1R Z R Z C s RC s C s===+P 22112121211()1()11Z C s RC s G s R Z Z R C C s RC s C s +===+++++(b ) 21122211R Z R Z R Cs R Cs ===+P 2222111211()1R Z R Cs R G s Z R R R Cs +=-==-+gRC(c) 32321123232321()(1)1()1()1R R R R Cs Cs Z R Z R R Cs R R Cs R R Cs++==+==++++P 323232211132(1)()11()()1R R Cs R R Cs R Z R Cs G s Z R R R R Cs ++++=-=-=-++g(d) 本题和(b)、(c)做法图通,因为反馈通路有接地的部分。
根据理想运放的假定,负端输入为虚地和虚开。
设R 2和R 3中间节点的电压为V ,则有122301/in out V V R R V V V V R R Cs ⎧=-⎪⎪⎨--⎪=+⎪⎩ 由此,得2123311()in out R V V R V V Cs R R R ⎧=-⎪⎪⎨⎪++=⎪⎩ 在两式中消去V ,可得到V in 与V out 的关系式232311()out in V R R R R Cs V R =-++ 2-6设弹簧特性由下式描述1.165.12y F =其中,F 是弹簧力,y 是变性位移。
若弹簧在变性位移0.25附近做微小变化,试推导△F 的线性化方程。
【解】001.1,,12.65 1.1(0.25)12.11y y y y y F F F dF F y F y ydy=∆=-∆=-∆=∆∆=⨯⨯∆=∆2-7 试简化图2-50中的系统结构图,并求传递函数C (s)/R (s)和C (s)/N (s)。
图2-50 习题2-7结构图【解】 (1)求C(s)/R(s), 由于N(s)=0,所以很简单1212122()()1G GC sR s G G H G H=++(2) 求C(s)/N(s),等效反馈内回路和相关串联通路,有下列图化简移动相加点后,1223121221()()1G G G GC sN s G G H G H++=++2-8 已知系统结构图如图2- 51所示,试通过结构图等效变换求系统的传递函数C(s)/R(s)。
(c) (d))(sC)(sN11222()()()1()()G s H s G sG s H s+2322()()1()()G s G sG s H s+11()()G s H s)(3sG)(sC)(sN222()1()()G sG s H s+)(2sG)(sH)(sR)(sC)(1sG)(sG)(sH)(sR)(sC)(sB10(e)(f)(g)图2-51 习题2-8 结构图【解】(a)121234()()1()()G G C s R s G G G G +=++-, (b) 122212()()1()G G G C s R s G H H +=+-)(2s G )(s H )(s R )(s C )(1s G )(s G )(s H )(s R )(s C )(s B 10)(3s G )(1s H )(s R )(s C )(1s G )(2s H )(2s G )(2s H )(3s G )(1s H )(s R )(s C )(1s G )(2s G )(3s G )(s H )(s (s C )(1s G )(2s G©()10(1)()1C s GH R s H GH-=+-,(d)122()()1G G C s R s G H-=+(e)1323133()()1G G G G C s R s G G G H+=++ 2-9 图2-52介绍了一种非常灵活的电路结构,它的传递函数可以化为两个二阶或一个四阶系统。
通过选择R a , R b , R c , R d 的不同值,电路可以实现低通、高通或带阻滤波器功能。
(a ) 证明如果R a =R ,R b =R c =R d =∞,则从V in , 到V out 的传递函数可以写成以下的低通滤波器的形式1222++=Ts s T AV V in out ξ 其中,212,,R RRC T R R A out ===ξ)(s C)(b) 若R a=R,R d=R1,R b=R c=∞,求出电路描述的传递函数inoutVV。
图2-52 习题2-9电路图2-10 画出图2-53中各系统结构图对应的信号流图,并用梅逊增益公式求各系统的传递函数C(s)/R(s)和C(s)/N(s)。
【解】(a) 信号流图如下132314241323()()1G G G G G G G GC sR s G G G G+++=++()1()C sN s=(b) 信号流图如下11G2G1R C1N3G41-1)(tuoC1R2RbRcRCRRinVdRRRoutVRaR112233441234112212343434,1,,,1,,1,i p G G p p G G p G G G G L G G L G G G G L L G G =-=-==-∆==-===-12341234121234341()()G G G G G G G G C s R s G G G G G G G G -+-=++ (c) 信号流图如下`求C(s)/R(s)112225345112,,L G G H L G G L G G p G G =-=-==,1231314511L L L L L G G ∆=---+∆=-12451225451245(1)()()1G G G G C s R s G G H G G G G G G HG G -=++-- 求C(s)/N(s)1122253451322145245,,,,1,1L G G H L G G L G G p G p G G G G G =-=-===∆=-∆=-23451225451245()(1)()()1G G G G C s N s G G H G G G G G G HG G +-=++-- 11G 2G 1R C1N3G 4G H-1-5G 134G G 1R C1E1-G G 1-111-1-2-11 试用梅逊增益公式求图2-54中各系统信号流图的的传递函数C (s)/R (s)。
【解】 (a) 四条回路,3,4不接触,两条前向通路,第二余项1+G 3123453123421231352352(1)()()1G G G G G G C s R s G G G G H G G G H G G H G G H ++=+++++(b) 三条回路,两条回路不接触,两条前向通路,两个余项匀不为112341232331223312312313(1)1(1)()()1G G G G f G G f G f C s R s G G f G f f G G f f G f f -+⨯-+=-+-+-© ()(1)()1C s abcd f ch agdR s ae ch aech+-+=--+)s)s)s。