控制工程基础第三版课后答案董景新赵长德等

控制工程基础习题解答（答案来自：）第一章1-1．控制论的中心思想是什么？简述其发展过程。维纳（N.Wiener）在“控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学”中提出了控制论所具有的信息、反馈与控制三个要素，这就是控制论的中心思想控制论的发展经历了控制论的起步、经典控制理论发展和成熟、现代控制理论的发展、大系统理论和智能控制理论的发展等阶段。具体表现为：1．1765年瓦特（JamsWatt）发明了蒸汽机，1788年发明了蒸汽机离心式飞球调速器，2．1868年麦克斯威尔（J.C.Maxwell）发表“论调速器”文章；从理论上加以提高，并首先提出了“反馈控制”的概念；3．劳斯（E.J.Routh）等提出了有关线性系统稳定性的判据4．20世纪30年代奈奎斯特（H.Nyquist）的稳定性判据，伯德（H.W.Bode）的负反馈放大器；5．二次世界大仗期间不断改进的飞机、火炮及雷达等，工业生产自动化程度也得到提高；6．1948年维纳（N.Wiener）通过研究火炮自动控制系统，发表了著名的“控制论—关于在动物和机器中控制和通讯的科学”一文，奠定了控制论这门学科的基础，提出了控制论所具有的信息、反馈与控制三要素；7．1954年钱学森发表“工程控制论”8．50年代末开始由于技术的进步和发展需要，并随着计算机技术的快速发展，使得现代控制理论发展很快，并逐渐形成了一些体系和新的分支。9．当前现代控制理论正向智能化方向发展，同时正向非工程领域扩展（如生物系统、医学系统、经济系统、社会系统等），1-2．试述控制系统的工作原理。控制系统就是使系统中的某些参量能按照要求保持恒定或按一定规律变化。它可分为人工控制系统（一般为开环控制系统）和自动控制系统（反馈控制系统）。人工控制系统就是由人来对参量进行控制和调整的系统。自动控制系统就是能根据要求自动控制和调整参量的系统，系统在受到干扰时还能自动保持正确的输出。它们的基本工作原理就是测量输出、求出偏差、再用偏差去纠正偏差。1-3．何谓开环控制与闭环控制？开环控制：系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。系统特点：系统简单，容易建造、一般不存在稳定性问题，精度低、抗干扰能力差。闭环控制：系统的输出端和输入端存在反馈回路，输出量对控制作用有直接影响。闭环的反馈有正反馈和负反馈两种，一般自动控制系统均采用负反馈系统，闭环控制系统的特点：精度高、抗干扰能力强、系统复杂，容易引起振荡。1-4．试述反馈控制系统的基本组成。反馈控制系统一般由以下的全部或部分组成（如图示）：1．给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号2．反馈元件：测量被控量或输出量3．比较元件：比较输入信号和反馈信号之间的偏差4．放大元件：对偏差信号进行放大和功率放大5．执行元件：直接对控制对象进行操作6．校正元件：或称校正装置，用于改善系统的控制性能，有反馈校正和串联校正7．控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的被控制量1-5．反馈控制原理是什么？反馈控制的基本原理可简单的表述为：a)测量、反馈：由传感器检测系统的输出变化，通过反馈回路将此信号的部分或全部反馈到输入端。b)求偏差：将反馈回来的信号和输入信号进行比较，可得它们之间的偏差大小，即实际输出值与给定值的偏差。c)纠正偏差：根据偏差的大小和方向对系统进行控制，以改变系统的输出，使偏差减小的过程。经过以上三个过程，最终使系统的输出满足要求。1-6．试述自动控制系统的基本类型。自动控制系统可按不同的分类方法，分成不同的类型，主要有：1．按控制作用的特点分：a)恒值系统：系统的输入变化很少，主要要求系统输出能保持恒定。b)程序控制系统：系统的输入是预先知道的，要求系统能在预定的输入时能使输出也能按照预定的规律变化。c)随动系统：输入信号是一种随机信号，要求系统能快速跟踪随机输入信号的变化。2．按系统反应特性分：a)连续系统：系统中的所有参量都是连续变化的。有线性系统和非线性系统。b)离散系统：亦称数字控制系统，系统中的所有参量都是数字量，数值不连续，时间上也是离散的。c)混合系统：系统中的参量既有连续量，也有离散量，一般系统的输出多为连续量，给定元件典型的反馈控制系统框图串联校正元件执行元件控制对象反馈元件放大变换元件并联校正元件输入信号xi主反馈信号xb偏差信号e局部反馈主反馈输出信号扰动比较元件+-+-x0而信号的处理、控制采用数字量。3．按数学描述分：a)线性系统：可由线性微分方程描述的系统。线性微分方程是指微分方程是定常和线性的。线性系统可应用叠加原理，将多输入及多输出的系统转化为单输入和单输出的系统进行处理分析，最后进行叠加。另外线性系统还有一个重要的性质，就是均匀性，即当输入量的数值成比例增加时，输出量的数值也成比例增加，而且输出量的变化规律只与系统的结构、参数及输入量的变化规律有关，与输入量数值的大小是无关的。b)非线性系统：研究非线性系统的运动规律和分析方法的一个分支学科。系统是由非线性微分方程和非线性差分方程给出的。非线性系统理论的研究对象是非线性现象，它反映出非线性系统运动本质的一类现象，不能采用线性系统的理论来解释，主要原因是非线性现象有频率对振幅的依赖性、多值响应和跳跃谐振、分谐波振荡、自激振荡、频率插足、异步抑制、分岔和混沌等。1-7．试述对控制系统的基本要求。控制系统的基本要求可由稳、准、快三个字来描述。1．稳即稳定性：由于系统存在惯性，当系统的各个参数匹配不妥时，将会引起系统的振荡而失去工作能力。稳定性是系统工作的首要条件。2．准即准确性：输出量与给定量之间的偏差，随时间变化的程度，称动态精度偏差；调整过程结束后的偏差，称静态精度偏差。3．快即快速性：在系统稳定的前提下，消除偏差过程的快速程度。控制工程基础习题解答第二章2-1．试求下列函数的拉氏变换，假定当t0时，f(t)=0。(1).()()ttf3cos15−=解：()[]()[]9553cos152+−=−=ssstLtfL(2).()tetft10cos5.0−=解：()[][]()1005.05.010cos25.0+++==−ssteLtfLt(3).()⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=35sinπttf解：()[]()252355cos235sin2135sin2++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=ssttLtLtfLπ2-2．试求下列函数的拉氏反变换。（答案来自：）(1).()()11+=sssF解：()[]()⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=−−−11121111skskLssLsFL()10111==⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=ssssk()()111112−=−=+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=ssssk()[]tessLsFL−−−−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−=111111(2).()()()321+++=ssssF解：()[]()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=−−−3232121111skskLsssLsFL()()()1223211−=−=+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=sssssk()()()2333212=−=+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=sssssk()[]tteessLsFL231123221−−−−−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++−=(3).()()()2222522+++++=ssssssF解：()[]()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++++=−−−22222225232112211sskskskLsssssLsFL()()()22222225221−=−=+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++++=sssssssk()()()3331331222222513223222232==−=−−−=−+−−−=++⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++++=−−=+kkjjjjkkkjssssssssjsksk()[]()()teesssLssssLsFLttcos32111322223322221211−−−−−+−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++++−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++++−=2-3．用拉氏变换法解下列微分方程（1）()()()()ttxdttdxdttxd18622=++，其中()()00,10===tdttdxx解：对方程两边求拉氏变换，得：()()()()()()()()()()()()()()()()()[]()0,8747818747814242168616181618060042132132122222≥−+==−===++++=++++=++++==+−+−=+−+=−−−−−teesXLtxkkksksksksssssssssssXssXssXssXsssXxssXtdttdxsxsXstt（2）()()210=+txdttdx，其中()00=x解：对方程两边求拉氏变换，得：()()()()()()()()()[]()0,515151511010221021001012121≥−==−==++=+==+=+−−−tesXLtxkksksksssXssXssXssXxssXt（3）()()300100=+txdttdx，其中()500=x解：对方程两边求拉氏变换，得：()()()()()()()()()[]()0,4734731001003005030010050300100010012121≥+====++=++==+−=+−−−tesXLtxkkskskssssXssXssXssXxssXt2-4．某系统微分方程为()()()()txdttdxtydttdyii322300+=+，已知()()0000==−−ixy，其极点和零点各是多少？解：对方程两边求拉氏变换，得：()()()()()()()()()()()233223323022030000−=−=++==+−=+−zpiiiisssssXsYsGsXxssXsYyssY2-5．试求图2-25所示无源网络传递函数。解：a).⎪⎩⎪⎨⎧+=+=∫idtCiRuuiRui12001()()()()111212002012001+++==−+=⎪⎩⎪⎨⎧+=+=CsRRCsRUUsGUUCsRCsURCsIIRUUIRUiiib).⎪⎩⎪⎨⎧=++=∫idtCuudtdiLiRui100i(t)CR1R2ui(t)uo(t)a)ui(t)i(t)CRuo(t)b)Luo(t)c)i1(t)i2(t)R2L2C1L1R1C2i3(t)i4(t)i5(t)()()111200200++==++=⎪⎩⎪⎨⎧=++=RCsLCsUUsGULCsRCsUCsIUULsIIRUiiic).22222222222211111111RsLscLRsLRsCsLRZRsLsLRZ++=++=+=()()()212121212212212211220111122222222222222220LLRRsLLRRsLLCRRLRRsLLRUUsGURsLsLRRsLscLRsLRRsLscLRsLRUii+++++==++++++=2-6．试求图2-26所示机械系统传递函数。解：mf1mxix0ff2a)k1k2fb)xix0k1k2fc)xix0k1k2fe)x0k1k2Md)xix0k1f1f2MFiY0xik2f1f2MFik1k2x0f)g)x1x1()()02001XkXXfsXXkii=−+−()()02020101sXfXkXXsfXXkii+=−+−a).微分方程为：()00201xmxfxxfi=−−拉氏变换得：()020201XmssXfXXsfi=−−传递函数为：()211ffmsfsG++=b).微分方程组为：()()()⎩⎨⎧=−−=−02010111xkxxfxxfxxki拉氏变换得：()()()0202102010111XkXfskfsXkXkXXfsXXfsXXkii=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=−−=−传递函数为：()()21211kkfskkfsksG++=c).微分方程为：()()02001xkxxfxxkii=−+−拉氏变换得：传递函数为：()2