机械控制工程基础第二章答案
机械控制工程课后习题解答
机械控制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)(t F 与位移)(t y 之间微分方程和传递函数。
)(t F )(t y f图2-35 题2-1图解：依题意：()()()()22d y t dy t a m F t f ky t dt b dt⋅=⋅-⋅- 故 ()()()()t F b at ky dt t dy f dt t y d m⋅=+⋅+22 传递函数: ()()()kfs ms b as F s Y s G ++==22-2 对于如图2-36所示系统，试求出作用力F 1(t )到位移x 2(t )的传递函数。
其中，f 为粘性阻尼系数。
F 2(t )到位移x 1(t )的传递函数又是什么？m 2m 1k 1 f k 2F 1(t )F 2(t ) x 2(t )x 1(t )图2-36 题2-2图解：依题意：对1m ： ()()()()212121111dt t x d m dt t dx dtt dx f t x k F =⎥⎦⎤⎢⎣⎡--- 对两边拉氏变换：()()()[]()s X s m s sX s sX f x k s F 12121111=--- ①对2m ： ()()()()()222222212dt t x d m t x k dt t dx dt t dx f t F =-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+ 对两边拉氏变换：()()()[]()()s X s m s x k s sx s sx f s F 22222212=--+ ②故： ()()()()()()()()⎩⎨⎧=+++-=-++S F s x k fs s m s fsx s F s fsx s x k fs s m 222221121121 故得：()()()()()()()()()()()()()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-+++++++=-+++++++⋅=22221212212122222121222211fs k fs s m k fs s m k fs s m s F s fsF s x fs k fs s m k fs s m s fsF k fs s m s F s x 故求()t F 1到()t x 2的传递函数 令：()02=s F()()()()()()()()()2122211122432121212211212x s fsG s F s m s fs k m s fs k fs fsm m s f m m s m k m k s f k k s k k ==++++-=+++++++求()t F 2到()t x 1的传递函数 令：()01=s F()()()()()()()()()1122221122432121212211212x s fsG s F s m s fs k m s fs k fs fsm m s f m m s m k m k s f k k s k k ==++++-=+++++++2-3 试求图2-37所示无源网络传递函数。
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习 题2.1 什么是线性系统?其最重要的特性是什么?下列用微分方程表示的系统中,x o 表示系统输出,x i 表示系统输入,哪些是线性系统? (1) x x x x x ioooo 222=++ (2) x tx x xiooo222=++ (3) x x x xio 222oo=++ (4) x tx x x xiooo222o=++ 解: 凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。
线性系统的一个最重要特性就是它满足叠加原理。
该题中（2）和（3）是线性系统。
2.2 图（题2.2）中三同分别表示了三个机械系统。
求出它们各自的微分方程，图中x i 表示输入位移，x o 表示输出位移，假设输出端无负载效应。
图(题2.2) 解: (1)对图(a)所示系统，由牛顿定律有xm x c x x c ioo2o1)(=-- 即x c x c c xm i121oo )(=++ (2)对图(b)所示系统，引入一中间变量x,并由牛顿定律有)1()()(1x xc k x x oi-=-)2()(2x k x xc oo=-消除中间变量有x ck x k k xk k c io121o21)(=-- (3)对图(c)所示系统，由牛顿定律有 x k x x k x xc ooioi21)()(=-+-即x k x c x k k xc iioo121)(+=++ 2.3求出图(题2.3)所示电系统的微分方程。
图（题2.3）解:(1)对图(a)所示系统,设i 1为流过R 1的电流,i 为总电流,则有⎰+=idt Ci R u o122i R u u o i 11=-dti i Cu u oi)(111⎰-=-消除中间变量,并化简有u R C u CC R R uR C u R C u C C R R u R C iiiooo12211221222121211)()1(1+++=-+++(2)对图(b)所示系统，设i 为电流，则有⎰++=idtC i R u u oi111⎰+=i R idt Cu o221 消除中间变量,并化简有u Cu R u C C u R R iioo2221211)11()(+=+++2.4 求图(题2.4)所示机械系统的微分方程。
2机械控制工程基础第二章答案
习 题2.1 什么是线性系统其最重要的特性是什么下列用微分方程表示的系统中,x o 表示系统输出,x i 表示系统输入,哪些是线性系统 (1) x x x x x ioooo 222=++&&& (2) x tx x xiooo222=++&&& (3) x x x x io222oo=++&&& (4) x tx x x xiooo222o=++&&& 解: 凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。
线性系统的一个最重要特性就是它满足叠加原理。
该题中（2）和（3）是线性系统。
2.2 图（题2.2）中三同分别表示了三个机械系统。
求出它们各自的微分方程，图中x i 表示输入位移，x o 表示输出位移，假设输出端无负载效应。
图(题2.2) 解: (1)对图(a)所示系统，由牛顿定律有 即xc x c c x m i&&&&121oo )(=++ (2)对图(b)所示系统，引入一中间变量x,并由牛顿定律有 消除中间变量有(3)对图(c)所示系统，由牛顿定律有 即x k x c x k k x c iioo121)(+=++&&2.3求出图(题2.3)所示电系统的微分方程。
图（题2.3）解:(1)对图(a)所示系统,设i 1为流过R 1的电流,i 为总电流,则有 消除中间变量,并化简有u R C u CC R R u R C u R C u C C R R u R C iiiooo12211221222121211)()1(1+++=-+++&&&&&&&(2)对图(b)所示系统，设i 为电流，则有 消除中间变量,并化简有2.4 求图(题2.4)所示机械系统的微分方程。
图中M 为输入转矩,C m 为圆周阻尼，J 为转动惯量。
机械控制工程基础第二章答案
习 题什么是线性系统其最重要的特性是什么下列用微分方程表示的系统中,x o 表示系统输出,x i 表示系统输入,哪些是线性系统 (1) x x x x x ioooo222=++&&& (2) x tx x xiooo222=++&&& (3)x x x x io222oo=++&&& (4) x tx x x xiooo222o=++&&& 解: 凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。
线性系统的一个最重要特性就是它满足叠加原理。
该题中（2）和（3）是线性系统。
图（题）中三同分别表示了三个机械系统。
求出它们各自的微分方程，图中x i 表示输入位移，x o 表示输出位移，假设输出端无负载效应。
图(题 解: (1)对图(a)所示系统，由牛顿定律有xm x c x x c i&&&&&oo2o1)(=--即xc x c c x m i&&&&121oo )(=++ (2)对图(b)所示系统，引入一中间变量x,并由牛顿定律有)1()()(1xx c k x x oi&&-=- )2()(2x k xx c oo=-&&消除中间变量有x ck x k k xk k c io&&121o21)(=-- (3)对图(c)所示系统，由牛顿定律有 x k x x k xx c ooioi21)()(=-+-&&即x k x c x k k x c iioo121)(+=++&&求出图(题所示电系统的微分方程。
图（题）解:(1)对图(a)所示系统,设i 1为流过R 1的电流,i 为总电流,则有⎰+=idtCi R u o122i R u u o i 11=-dti i Cu u oi)(111⎰-=-消除中间变量,并化简有u R C u CC R R u R C u R C uCC R R u R C iiiooo12211221222121211)()1(1+++=-+++&&&&&&&(2)对图(b)所示系统，设i 为电流，则有⎰++=idtC i R u u oi111⎰+=i R idt Cu o221 消除中间变量,并化简有uCu R u C C u R R iioo2221211)11()(+=+++&&求图(题所示机械系统的微分方程。
《机械工程控制基础》课后答案
目录第一章自动控制系统的基本原理第一节控制系统的工作原理和基本要求第二节控制系统的基本类型第三节典型控制信号第四节控制理论的内容和方法第二章控制系统的数学模型第一节机械系统的数学模型第二节液压系统的数学模型第三节电气系统的数学模型第四节线性控制系统的卷积关系式第三章拉氏变换第一节傅氏变换第二节拉普拉斯变换第三节拉普拉斯变换的基本定理第四节拉普拉斯逆变换第四章传递函数第一节传递函数的概念与性质第二节线性控制系统的典型环节第三节系统框图及其运算第四节多变量系统的传递函数第五章时间响应分析第一节概述第二节单位脉冲输入的时间响应第三节单位阶跃输入的时间响应第四节高阶系统时间响应第六章频率响应分析第一节谐和输入系统的定态响应第二节频率特性极坐标图第三节频率特性的对数坐标图第四节由频率特性的实验曲线求系统传递函数第七章控制系统的稳定性第一节稳定性概念第二节劳斯判据第三节乃奎斯特判据第四节对数坐标图的稳定性判据第八章控制系统的偏差第一节控制系统的偏差概念第二节输入引起的定态偏差第三节输入引起的动态偏差第九章控制系统的设计和校正第一节综述第二节希望对数幅频特性曲线的绘制第三节校正方法与校正环节第四节控制系统的增益调整第五节控制系统的串联校正第六节控制系统的局部反馈校正第七节控制系统的顺馈校正第一章自动控制系统的基本原理定义：在没有人的直接参与下，利用控制器使控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。
第一节控制系统的工作原理和基本要求一、控制系统举例与结构方框图例1．一个人工控制的恒温箱，希望的炉水温度为100C°,利用表示函数功能的方块、信号线，画出结构方块图。
图1人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度，通过大脑分析、比较，利用手和锹上煤炭助燃。
比较图2例2．图示为液面高度控制系统原理图。
试画出控制系统方块图和相应的人工操纵的液面控制系统方块图。
解：浮子作为液面高度的反馈物，自动控制器通过比较实际的液面高度与希望的液面高度，调解气动阀门的开合度，对误差进行修正，可保持液面高度稳定。
《机械工程控制基础》课后题答案解析
机械工程控制基础目录第一章自动控制系统的基本原理第一节控制系统的工作原理和基本要求第二节控制系统的基本类型第三节典型控制信号第四节控制理论的内容和方法第二章控制系统的数学模型第一节机械系统的数学模型第二节液压系统的数学模型第三节电气系统的数学模型第四节线性控制系统的卷积关系式第三章拉氏变换第一节傅氏变换第二节拉普拉斯变换第三节拉普拉斯变换的基本定理第四节拉普拉斯逆变换第四章传递函数第一节传递函数的概念与性质第二节线性控制系统的典型环节第三节系统框图及其运算第四节多变量系统的传递函数第五章时间响应分析第一节概述第二节单位脉冲输入的时间响应第三节单位阶跃输入的时间响应第四节高阶系统时间响应第六章频率响应分析第一节谐和输入系统的定态响应第二节频率特性极坐标图第三节频率特性的对数坐标图第四节由频率特性的实验曲线求系统传递函数第七章控制系统的稳定性第一节稳定性概念第二节劳斯判据第三节乃奎斯特判据第四节对数坐标图的稳定性判据第八章控制系统的偏差第一节控制系统的偏差概念第二节输入引起的定态偏差第三节输入引起的动态偏差第九章控制系统的设计和校正第一节综述第二节希望对数幅频特性曲线的绘制第三节校正方法与校正环节第四节控制系统的增益调整第五节控制系统的串联校正第六节控制系统的局部反馈校正第七节控制系统的顺馈校正第一章自动控制系统的基本原理定义：在没有人的直接参与下，利用控制器使控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。
第一节控制系统的工作原理和基本要求一、控制系统举例与结构方框图例1．一个人工控制的恒温箱，希望的炉水温度为100C°,利用表示函数功能的方块、信号线，画出结构方块图。
图1人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度，通过大脑分析、比较，利用手和锹上煤炭助燃。
煤炭给定的温度100 C手和锹眼睛实际的炉水温度比较图2例2．图示为液面高度控制系统原理图。
试画出控制系统方块图和相应的人工操纵的液面控制系统方块图。
机械工程控制基础第二章习题答案
2007机械工程控制基础第二章习题答案第二章 系统的数学模型第2讲2.1 什么是线性系统，其最重要的特性是什么？答：线性系统：系统的运动状态可以用线性微分方程来表示。
线性系统有一个重要的特性即满足叠加原理：⎩⎨⎧=+=+)()(:)()()(:2121x af ax f x f x f x x f 齐次性可加性 2.2(b)、对图(b)所示系统,由牛顿定律有 )()()('t y m t y k t f=- 其中2121'k k k k k +=，所以)(t y m +2121k k k k +)(t y =)(t f2.3 图(题2.3)中三图分别表示了三个机械系统。
求出它们各自的微分方程，图中ix 表示输入位移，x 表示输入位移，假设输出端无负载效应。
解：（2）对图（b ）所示系统，引入一中间变量x ,并由牛顿定律有{)()()(01020x xc k x x x k x xc i -=-=-消除中间变量有：i x ck x k k xk k c 1021021)(=++ 2.4解：（1）对图（a ）所示系统，设1i 为流过1R 的电流，i 为总电流，则有⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-=-=-+=⎰⎰dt i i C u u i R u u idt C i R u i i )(11110110220消除中间变量，并化简有：ii i u R C u C C R R u R C u R C u C C R R uR C 1221122101201120211)(1)21(+++=++++（2）对图（b ）所示系统，设i 为电流，有：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=++=⎰⎰i R idt C u idt C i R u u i22011011消除中间变量，并化简有：ii u C u R u C C uR R 22010211)211()(+=+++第3讲1、传递函数的定义答：系统的传递函数记作)(s G ，其定义为：在零初始条件下，系统输出的拉氏变换与引起该输出的输入量的拉氏变换之比。
2机械控制工程基础第二章答案
习题2.1 什么是线性系统?其最重要的特性是什么?下列用微分方程表示的系统中,表示系统输出,表示系统输入,哪些是线性系统? xx io(1) (2) xxxxtxxxxx222222????????????oooiooooi (4) (3) xxtxxxxxxx222222????????????ooioooooi解: 凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。
线性系统的一个最重要特性就是它满足叠加原理。
该题中（2）和（3）是线性系统。
2.2 图（题2.2）中三同分别表示了三个机械系统。
求出它们各自的微分方程，图中表示输入位移，表示输出位移，假设输出端无xx oi 负载效应。
图(题2.2)所示系统，由牛顿定律有(a)对图: (1)解．)(?????xcxxmxc???1io2oo()???即?xccmcx???x o o121i(2)对图(b)所示系统，引入一中间变量x,并由牛顿定律有x)(xx)kc(x(1)?????oi1??)?kxc(x(2)?xo2o消除中间变量有()??xkckkxckxk???12o12o1i(3)对图(c)所示系统，由牛顿定律有)()(??xxxxxckk????o2ioio1()??即cxcxxkkkx????o12oi1i 2.3求出图(题2.3)所示电系统的微分方程。
图（题2.3）解:(1)对图(a)所示系统,设为流过的电流,为总电流,则有i iR111i? idtuR??2o C2iuu?R?11oi1(i?i)dt?u?u?oi1C1消除中间变量,并化简有CR1()uCuuR?1??????11CCRR2ooo122221CR)(uuuCR????????12CCRR2ii1i1122(2)对图(b)所示系统，设i为电流，则有1i?idt?uuR??1oi C11?i?uRidt?2o C2消除中间变量,并化简有111())(??uuuu??R?RR??CCC122ioio1222.4 求图(题2.4)所示机械系统的微分方程。
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习 题2.1 什么是线性系统?其最重要的特性是什么?下列用微分方程表示的系统中,x o 表示系统输出,x i 表示系统输入,哪些是线性系统? (1) x x x x x ioooo222=++ (2) x tx x xiooo222=++ (3)x x x x io222oo=++ (4) x tx x x xiooo222o=++ 解: 凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。
线性系统的一个最重要特性就是它满足叠加原理。
该题中（2）和（3）是线性系统。
2.2 图（题2.2）中三同分别表示了三个机械系统。
求出它们各自的微分方程，图中x i 表示输入位移，x o 表示输出位移，假设输出端无负载效应。
图(题2.2) 解: (1)对图(a)所示系统，由牛顿定律有xm x c x x c ioo2o1)(=-- 即x c x c c xm i121oo )(=++ (2)对图(b)所示系统，引入一中间变量x,并由牛顿定律有)1()()(1x xc k x x oi-=-)2()(2x k x xc oo=-消除中间变量有x ck x k k xk k c io121o21)(=-- (3)对图(c)所示系统，由牛顿定律有x k x x k x xc ooioi21)()(=-+-即 x k x c x k k xc iioo121)(+=++ 2.3求出图(题2.3)所示电系统的微分方程。
图（题2.3）解:(1)对图(a)所示系统,设i 1为流过R 1的电流,i 为总电流,则有i R u u oi11=-dti i Cu u oi)(111⎰-=-消除中间变量,并化简有u R C u CC R R u R C u R C u CC R R u R C iiiooo12211221222121211)()1(1+++=-+++ (2)对图(b)所示系统，设i 为电流，则有⎰++=idtCi R u u oi111消除中间变量,并化简有u Cu R u C C u R R iioo2221211)11()(+=+++ 2.4 求图(题2.4)所示机械系统的微分方程。
图中M 为输入转矩,C m 为圆周阻尼，J 为转动惯量。
解：设系统输入为M （即），输出θ(即)，分别对圆盘和质块进行动力学分析，列写动力学方程如下：)(x R Rk C J M m-++=θθθxc x m x R k +=-)(θ 消除中间变量x ,即可得到系统动力学方程KM M c Mm C R c k KJ c C km R cJ mC mJ mmm++=++-++++ θθθθ）（22)()()4(2.5 输出y(t)及输入x(t)的关系为y(t)= 2x(t)+0.5x 3(t)。
（1）求当工作点为x o =0,x o =1,x o =2时相应的稳态时输出值； （2）在这些工作点处作小偏差线性化模型，并以对工作的偏差来定义x 和y ，写出新的线性化模型。
解: (1) 将 x o =0,x o =1,x o =2分别代入y(t)= 2x(t)+0.5x 3(t)中,即当工作点为xo=0,xo=1,xo=2时相应的稳态输出值分别为0=y o,5.20=y , 8=y o。
(2) 根据非线性系统线性化的方法有，在工作点)(,y x oo附近,将非线性函数展开成泰勒级数,并略去高阶项得xx x x y y x x oooo∇•=+++=∇+|)5.12(5.0223∴xx y xx o∇•=+=∇|)5.12(2若令x x∇=,有 x x y )5.12(20+=当工作点为0=x o 时,xx x y 2)5.12(20=+= 当工作点为1=x o 时, x x x y 5.3)5.12(20=+=当工作点为2=x o 时,x x x y 8)5.12(2=+=2.6已知滑阀节流口流量方程式为，式中．Q 为通过节流阀流口的流量；p 为节流阀流口的前后油压差；x v 为节流阀的位移量；c 为疏量系数；w 为节流口面积梯度；ρ为油密度。
试以Q 及p 为变量（即将Q 作为P 的函数）将节流阀流量方程线性化。
解：利用小偏差线性化的概念，将函数Q=F(x v ，p)在预定工作点F(x o ，p o )处按泰勒级数展开为+∇•÷∇•∂∂+=∂∂p p x x p x x F p x F Q o vo PFv o vo vo vo ),()(),()(),(消除高阶项，有pp x x p x x F p x F Q o vo PFv o vo vo vo ∇•+∇•∂∂+=∂∂),()(),()(),(∴),(),(p x F p x F Q ovo v -=∇),(),()(),()(),(p x F p p x x p x x F p x F o vo o vo PFv o vo vo vo -∇•+∇•∂∂+=∂∂pp x x p x x F o vo PFv o vo v∇•+∇•∂∂=∂∂),()(),()(若令）（p x x F K ovo v,|)(1∂∂=，）（p x F K o vo ,|)p (2∂∂=， pKx K Qv∇•∇•∇+=21将上式改写为增量方程的形式pK x K Q v••+=212.7 已知系统的动力学方程如下,试写出它们的传递函数Y(s)/R(s)。
（1）)(2)()(500)(50)(15)(t r t r t y t y t y t y+=+++（2）)(5.0)(25)(5t r t yt y =+ （3）)(5.0)(25)(t r t yt y =+ （4）)(4)(4)(6)(3)(t r dt t y t y t yt y=+++⎰ 解：根据传递函数的定义，求系统的传递函数，只需将其动力学方程两边分别在零初始条件下进行拉式变换，然后求Y(s)/R(s)。
(1))(2)()(500)(50)(15)(223s sR s R s s Y s sY s Y s s Y s +=+++∴50050152)(/)(222++++=s s s s s s R s Y(2) )(5.0)(25)(52s sR s sY s Y s=+∴ss s s R s Y 2555.0)(/)(2+=(3))(5.0)(25)(2s R s SY S Y s =+∴ss s R S Y 255.0)(/)(2+=(4))(4)(14)(6)(3)(2s Y s Y ss Y S sY s Y s =+++∴4634)(/)(23+++=s s s ss R s Y2.8 如图（题2.8）为汽车或摩托车悬浮系统简化的物理模型，试以位移x 为输入量，位移y 为输出量，求系统的传递函数Y(s)/X(s)。
2.9 试分析当反馈环节H(s)=1,前向通道传递函数G(s)分别为惯性环节、微分环节、积分环节时，输入、输出的闭环传递函数。
解：由于惯性环节、微分环节、积分环节的传递函数分别为 ,Ts s G =)(,,而闭环传递函数为)()(1)()(s H s G s G s G B •±=,则(1)当反馈环节H(s)=1,前向通道传递函数G(s)为惯性环节时，K Ts K Ts K Ts KsH s G s G s G B ±+=+±+=•±=1111)()(1)()((2)当反馈环节H(s)=1,前向通道传递函数G(s)为微分环节时，TsTss H s G s G s G B±=•±=1)()(1)()((3)当反馈环节H(s)=1,前向通道传递函数G(s)为积分环节时，K s K sK s Ks H s G s G s G B ±=±=•±=1)()(1)()(2.10 证明图（题2.10）及图（题2.3（a ）所示系统是相似系统（即证明两系统的传递函数具有相同形式）。
解：对题2.4(a)系统，可列出相应的方程。
)1(122⎰+=idtCR u o)2(11iR u u oi=-)3()(111dti i Cu u oi⎰-=-对以上三式分别作Laplce 别换，并注意到初始条件为零,即0)0()0(0)0()0(21====II II则）（4)()1()()()(2222s I sC R sC s I s I R s U O+=+= ）（5)()()(1s I R S U s U iOi=- ）（6)()()()(11sC s I s C s I S U s U Oi-=- ,得)7()()()(111110s I sC R s U s U sC i =-⎥⎦⎤⎢⎣⎡R ⨯)6(1, 得 )8()()()()(111111s I sC R s C s I R s U s U R i -=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡)8()7(+, 得 )()()()1(11110s I sC R s U s U R sC i=-+⎥⎦⎤⎢⎣⎡即 )(1)(1)()(11111111s I C R R s I sC R s C s C R s U s U Oi+=+⨯=-则 )9()(1)()(1110s I C R R s U s U i ++=将(4)式中的)(0s U 代入(9)式)(1)()1()(11122s I C R R s I sC R s U i+++=)()11(11122s I sC R R s C R +++=再用(4)式及上式相比以消去)(s I ,即得电系统的传递函数为)())1(1()()1()()()(111222210s I s C R R s C R s I s C R s U s U s G ++++==)1(111112222s C R R s C R sC R ++++=而本题中，引入中间变量x,依动力学知识有cx x c x x k x x o i i)-()()-(12o2=-+x k c x xi =-11o)(对上二式分别进行拉式变换有[]scs X s X s s X sc s X X k O ii12)()()(X -)()(02-=+-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡sc k s X s c s X +=1101)()(消除)(s X 有skc c s k c s k c s c k s c k s c k s c k s X s X s G i 11122221111222201)()()(++++=++++==比较两系统的传递函数有R c22⇔R c 11⇔故这两个系统为相似系统。
2.11 一齿轮系如图（题2.11）所示。
图中，z 1、z 2、z 3和z 4分别为各齿轮齿数；J 1、J 2、和J 3表示各种传动轴上的转动惯量，θ1、θ2和θ3为各轴的角位移；M m 是电动机输出转矩。