4.华电本科《自动控制原理》练习题与答案(于希宁等编写).doc 100页

'第二部分古典控制理论基础习题详解一概述第二部分古典控制理论基础习题详解一概述2-1-1试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。【解】：控制系统优点缺点开环控制简单、造价低、调节速度快调节精度差、无抗多因素干扰能力闭环控制抗多因素干扰能力强、调节精度高结构较复杂、造价较高2-1-2试列举几个日常生活中的开环和闭环控制系统的例子，并说明其工作原理。【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。2-1-3试判断下列微分方程所描述的系统属何种类型（线性、非线性；定常、时变）。（1）；（2）；（3）；（4）。【解】：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（1）线性定常系统；（2）线性时变系统；（3）非线性定常系统；（4）线性定常系统。题2-1-3图2-1-4根据题2-1-1图所示的电动机速度控制系统工作原理图：（1）将a，b与c，d用线连接成负反馈系统；（2）画出系统方框图。【解】：（1）a-d连接，b-c连接。（2）系统方框图题2-1-4解图题2-1-5图2-1-5下图是水位控制系统的示意图，图中,分别为进水流量和出水流量。控制的目的是保持水位为一定的高度。试说明该系统的工作原理并画出其方框图。【解】：当输入流量与输出流量相等时，水位的测量值和给定值相等，系统处于相对平衡状态，电动机无输出，阀门位置不变。当输出流量增加时，系统水位下降，通过浮子检测后带动电位器抽头移动，电动机获得一个正电压，通过齿轮减速器传递，使阀门打开，从而增加入水流量使水位上升，当水位回到给定值时，电动机的输入电压又会回到零，系统重新达到平衡状态。反之易然。题2-1-5解图100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述2-1-6仓库大门自动控制系统如图所示，试分析系统的工作原理，绘制系统的方框图，指出各实际元件的功能及输入、输出量。【解】：当给定电位器和测量电位器输出相等时，放大器无输出，门的位置不变。假设门的原始平衡位置在关状态，门要打开时，“关门”开关打开，“开门”开关闭合。给定电位器与测量电位器输出不相等，其电信号经放大器比较放大，再经伺服电机和绞盘带动门改变位置，直到门完全打开，其测量电位器输出与给定电位器输出相等，放大器无输出，门的位置停止改变，系统处于新的平衡状态。系统方框图如解图所示。题2-1-6解图元件功能电位器组——将给定“开”、“关”信号和门的位置信号变成电信号。为给定、测量元件。放大器、伺服电机——将给定信号和测量信号进行比较、放大。为比较、放大元件。绞盘——改变门的位置。为执行元件。门——被控对象。系统的输入量为“开”、“关”信号；输出量为门的位置。二控制系统的数学模型100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述题2-1-1图2-2-1试建立下图所示各系统的微分方程并说明这些微分方程之间有什么特点，其中电压和位移为输入量；电压和位移为输出量；和为弹簧弹性系数；为阻尼系数。【解】：方法一：设回路电流为，根据克希霍夫定律，可写出下列方程组：削去中间变量，整理得：方法二：由于无质量，各受力点任何时刻均满足，则有：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述设阻尼器输入位移为，根据牛顿运动定律，可写出该系统运动方程结论：、互为相似系统，、互为相似系统。四个系统均为一阶系统。2-2-2试求题2-2-2图所示各电路的传递函数。题2-2-2图【解】：可利用复阻抗的概念及其分压定理直接求传递函数。(a)(b)(c)(d)100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述2-2-3工业上常用孔板和差压变送器测量流体的流量。通过孔板的流量与孔板前后的差压的平方根成正比，即，式中为常数，设系统在流量值附近作微小变化，试将流量方程线性化。【解】：取静态工作点，将函数在静态工作点附近展开成泰勒级数，并近似取前两项设（R为流动阻力），并简化增量方程为2-2-4系统的微分方程组为：式中均为正的常数，系统的输入为，输出为，试画出动态结构图，并求出传递函数。【解】：对微分方程组进行零初始条件下的Laplace变换得：绘制方框图题2-2-4图100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述传递函数为题2-2-5图2-2-5用运算放大器组成的有源电网络如题2-2-5图所示，试采用复阻抗法写出它们的传递函数。【解】：利用理想运算放大器及其复阻抗的特性求解。2-2-6系统方框图如题2-2-6图所示，试简化方框图，并求出它们的传递函数。(a)(b)(c)100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述(d)题2-2-6图【解】：(1)(2)(3)(4)（b）(1)100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述(2)(3)(4)（c）(1)(2)100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述(3)(4)(d)(1)(2)(3)(4)题2-2-7图2-2-7系统方框图如题2-2-7图所示，试用梅逊公式求出它们的传递函数。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述【解】：（a）（1）该图有一个回路（2）该图有三条前向通路所有前向通路均与回路相接触，故。（3）系统的传递函数为（b）（1）为简化计算，先求局部传递函数。该局部没有回路，即，有四条前向通路：所以（2）题2-2-8图2-2-8设线性系统结构图如题2-2-8图所示，试（1）画出系统的信号流图；（2）求传递函数及。【解】：（1）系统信号流图如图：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（2）①求传递函数。令。有三个回路：和互不接触：因此有三条前向通路：②求传递函数。令。求解过程同①，不变。2-2-9系统的动态结构图如图所示，试求题2-2-9图（1）求传递函数和；（2）若要求消除干扰对输出的影响，求【解】：（1）根据梅森增益公式得100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（2）根据题意2-2-10某复合控制系统的结构图如图所示，试求系统的传递函数。题2-2-10图【解】：根据梅森增益公式得：2-2-11系统微分方程如下：试求系统的传递函数及。其中r，n为输入，c为输出。均为常数。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述【解】：（1）对微分方程组进行零初始条件下的Laplace变换,并加以整理得（2）画出系统结构图题2-2-11解图（3）求传递函数，令（4）求传递函数，令2-2-12已知系统方框图如图所示，试求各典型传递函数。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述题2-2-12图【解】：（1）求。令（2）求。令（3）求。令三时域分析法2-3-1若某系统，当零初始条件下的单位阶跃响应为试求系统的传递函数和脉冲响应。【解】传递函数：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述单位脉冲响应：2-3-2二阶系统单位阶跃响应曲线如图所示，试确定系统开环传递函数。设系统为单位负反馈式。题2-3-2图【解】系统的开环传递函数为：2-2-3已知系统的结构图如图所示（1）当时，求系统的阻尼比，无阻尼振荡频率和单位斜坡输入时的稳态误差；（2）确定以使，并求此时当输入为单位斜坡函数时系统的稳态误差。题2-3-3图【解】（1）时系统为Ⅰ型（2）时100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述Ⅰ型系统，3-4若温度计的特性用传递函数描述，现用温度计测量盛在容器内的水温，发现需30s时间指出实际水温的95%的数值。试求：（1）把容器的水温加热到100°C，温度计的温度指示误差；（2）给容器加热，使水温依6°C/min的速度线性变化时，温度计的稳态指示误差。【解】：根据题意得单位反馈系统的开环传函数为（1）阶跃输入时系统稳态无差。（2）斜坡输入时，输入信号速率为（注：也可以用给定输入下输出响应的终值与给定值之间的偏差计算。）2-3-5闭环传递函数，试在S平面绘出满足下列要求的闭环特征方程根的区域：（1）（2）（3）【解】：根据阻尼比和无阻尼自然振荡角频率与特征根在平面上位置的关系可知（1）。满足要求的闭环特征根的区域如解图（1）所示。（2）。满足要求的闭环特征根的区域如解图（2）所示。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（1）（2）（3）题2-3-5解图（3）。满足要求的闭环特征根的区域如解图（3）所示。2-3-6单位负反馈系统的开环传递函数，试求：（1）系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应；（2）峰值时间、调节时间和超调量。【解】：（1）典型二阶系统欠阻尼情况，可以利用公式直接计算。单位阶跃响应为：单位斜坡响应为：（2）系统性能指标为：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述题2-3-7图2-3-7系统方框图如题2-3-7图所示，若系统的。试求：（1）、值；（2）时：调节时间、上升时间。【解】：（1）利用方框图等效变换化系统为单位反馈的典型结构形式后得开环传递函数为根据题意：（2）2-3-8已知闭环系统特征方程式如下，试用劳斯判据判定系统的稳定性及根的分布情况。（1）（2）（3）（4）【解】：（1）劳斯表为100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述劳斯表第一列符号没有改变，且特征方程各项系数均大于0，因此系统稳定，该系统三个特征根均位于s的左半平面。（2）劳斯表为劳斯表第一列符号改变二次，该系统特征方程二个根位于右半平面，一个根位于左半平面，系统不稳定。（2）劳斯表为劳斯表第一列符号没有改变，且特征方程各项系数均大于0，因此系统稳定，该系统四个特征根均位于s的左半平面。（3）劳斯表为劳斯表第一列符号没有改变，且特征方程各项系数均大于0，因此系统稳定，该系统五个特征根均位于s的左半平面。2-3-9已知闭环系统特征方程式如下（1）（2）试确定参数K的取值范围确保闭环系统稳定。【解】：（1）根据特征方程列写出劳斯表为：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述系统稳定的充分必要条件为（2）由三阶系统稳定的充分必要条件得2-3-10具有速度反馈的电动控制系统如题2-3-10图所示，试确定系统稳定的的取值范围。题2-3-10图【解】：系统的特征方程为系统稳定的条件是。题2-3-11图2-3-11已知系统的结构图如图所示，分别求该系统的静态位置误差系数、速度误差系数和加速度误差系数。当系统的输入分别为（1），（2），（3）时，求每种情况下系统的稳态误差。【解】：系统的开环传递函数为为开环增益。在系统稳定的前提条件下有100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（1）；（2）；（3）2-3-12已知系统的结构图如图所示。（1）确定和满足闭环系统稳定的条件；（2）求当和时，系统的稳态误差；（3）求当和时，系统的稳态误差。题2-3-12图【解】：（1）系统的特征方程为系统稳定时（2）方法一系统开环传递函数为为开环增益。Ⅰ型系统，，根据题意100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述方法二（3）方法一。由得方法二题2-3-13图2-3-13控制系统如图所示，输入信号和扰动信号均为单位斜坡输入。试计算时的稳态误差，并选择适当的使。（e=r-c）【解】：特征方程为均大于0时系统稳定。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述题2-3-14图2-3-14具有扰动输入的控制系统如图所示，求：当时系统的稳态误差。【解】：系统特征方程为该系统不稳定，所以稳态误差没有意义。题2-3-15图2-3-15系统如图所示，已知试求：（1）系统的稳态误差。（2）要想减小扰动产生的误差，应提高哪一个比例系数？（3）若将积分因子移到扰动作用点之前，系统的稳态误差如何变化？【解】：系统稳定的充分必要条件是K1，K2>0。（1）方法一开环传递函数为Ⅰ型系统方法二100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（2）由可知，若要减小则应增大K1。（3）扰动输入时，系统型别为1，所以阶跃扰动时静态无差。2-3-16单位负反馈系统的开环传递函数为，若系统单位阶跃响应的超调量；若误差，当输入时其稳态误差。试求：（1）K值；（2）单位阶跃响应的调节时间；（3）当时的稳态误差。【解】：（1）又∴时符合题意（2）（3）时100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述题2-3-17图2-3-17已知系统结构如图所示：（1）确定当和满足什么条件时，闭环系统是稳定的。（2）求当时系统的稳态误差。【解】：（1）系统稳定的充分必要条件是（2）方法一输入时，Ⅰ型系统：输入时，方法二100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述2-3-18设控制系统结构图如图所示，要求：（1）计算当测速反馈校正（）时，系统的动态性能指标（）和单位斜坡输入作用下的稳态误差；题2-3-18图（2）计算当比例-微分校正（）时，系统的动态性能指标（）和单位斜坡输入作用下的稳态误差。【解】：（1）（2）根据题意，系统的闭环传递函数为100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述根据题意2-3-19系统结构如图3-46所示，试求当同时作用下的稳态误差（）。题2-3-19图【解】：单独作用时，单独作用时2-3-20已知闭环系统的传递函数为近似分析系统的动态响应性能指标：超调量和调节时间。【解】：零点和极点100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述可视为一对偶极子，对系统动态性能的影响可以抵消；极点远离原点，其作用也可以忽略。为化简后不改变系统的开环增益得四根轨迹分析法2-4-1设系统的开环零、极点分布如题2-4-1图所示，试绘制相应的根轨迹草图。题2-4-1图【解】：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述题2-4-1解图2-4-2设负反馈系统的开环传递函数分别如下：（1）（2）（3）（4）试绘制由变化的闭环根轨迹图。【解】：（1）系统有三个开环极点。①，有三条根轨迹，均趋于无穷远。题2-4-2（1）解图②实轴上的根轨迹在区间。③渐近线④分离点。方法一由得不在根轨迹上，舍去。分离点为。分离点处K值为方法二特征方程为：重合点处特征方程：令各项系数对应相等求出重合点坐标和重合点处增益取值。⑤根轨迹与虚轴的交点。系统的特征方程为100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述方法一令，得方法二将特征方程列劳斯表为令行等于0，得。代入行，得辅助方程⑥系统根轨迹如题2-4-2（1）解图所示。题2-4-2（2）解图（2）①根轨迹方程开环零点，开环极点。②实轴上的根轨迹区间。③分离会合点方法一均在根轨迹上，为分离点，为会合点。方法二系统特征方程：重合点处特征方程：联立求解重合点坐标：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述题2-4-2（3）解图④可以证明复平面上的根轨迹是以为圆心，以为半径的圆（教材已证明）。根轨迹如题2-4-1（2）解图所示。（3）①开环零点开环极点。②实轴上的根轨迹区间为③分离点题2-4-2（3）解图为分离点，不在根轨迹上，舍去。分离点K值④出射角⑤复平面上的根轨迹是圆心位于、半径为的圆周的一部分，如题2-4-1（3）解图所示。题2-4-2（4）解图（4）①四个极点。②渐近线③实轴上的根轨迹区间为。④分离点得，均为分离点，。分离角正好与渐近线重合。⑤出射角100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述①根轨迹与虚轴的交点②系统根轨迹如题2-4-1（4）解图所示。2-4-3已知单位负反馈系统的开环传递函数为：试绘制由变化的闭环根轨迹图，并求出使系统闭环稳定的值范围。【解】：系统有两对重极点。①渐近线②实轴上的根轨迹为两点，也为分离点。分离角均为。题2-4-3解图③根轨迹与虚轴的交点坐标系统特征方程即令代入特征方程，得令上式实部虚部分别等于0，则有④该系统根轨迹如题2-4-3解图所示。由图可知，当时，闭环系统稳定。2-4-4已知单位负反馈系统的开环传递函数为（1）试绘制由变化的闭环根轨迹图；（2）用根轨迹法确定使系统的阶跃响应不出现超调时的值范围；题2-4-4解图（3）为使系统的根轨迹通过两点，拟加入串联微分校正装置，试确定的取值。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述【解】：（1），根据一般根轨迹绘制法则求得①渐近线与实轴的交点：渐近线倾角：。②实轴上的根轨迹在区间。③分离点：。④根轨迹与虚轴的交点坐标：。⑤该系统根轨迹如题2-4-4解图所示。（2）系统的阶跃响应不出现超调的条件是特征根在左半平面的实轴上。根轨迹在实轴上的分离点的K值已由（1）求得，所以在时系统不产生超调。（3）串联微分校正环节后系统的开环传递函数变为系统特征方程为若是根轨迹上的点，则必满足特征方程。代入特征方程，得：2-4-5已知单位负反馈系统的闭环传递函数为（1）试绘制参数由变化的闭环根轨迹图；（2）判断点是否在根轨迹上；（3）由根轨迹求出使闭环系统阻尼比时a的值。【解】：（1）系统的特征方程为等效开环传递函数为：，a由变化为一般根轨迹。题2-4-5解图①开环零点，开环极点。②实轴上的根轨迹在区间。③分离点由得100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述解得为分离点，不在根轨迹上，舍去。。①共轭复根的出射角②复平面的根轨迹是圆心位于、半径为的圆周的一部分，如题2-4-5解图所示。（2）把代入相角条件中，若满足则是根轨迹上的点，反之则不是。点不在根轨迹上。（3）求等超调线与根轨迹的交点方法一，设等超调线与根轨迹交点坐标实部为，则，有令等式两边s各次项系数分别相等，得方法二由特征方程，按照典型二阶系统近似计算得：另外，把代入特征方程也可求得同样结果。2-4-6已知单位负反馈系统的开环传递函数为100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（1）试绘制参数由变化的闭环根轨迹图；（2）求出临界阻尼比时的闭环传递函数。【解】：（1）系统特征方程为等效开环传递函数为：题2-4-6解图a由变化为一般根轨迹。①开环极点。②渐近线与实轴的交点：，渐近线倾角：。③实轴上的根轨迹在区间。④分离点由得解得为起点，为分离点。。⑤根轨迹与虚轴的交点令，代入特征方程得⑥该系统根轨迹如题2-4-6解图所示。（2）时，对应实轴上根轨迹的分离点，。因为，可由开环极点之和等于闭环极点之和求得另一实轴上的极点坐标系统闭环传递函数为题2-4-7解图2-4-7已知单位负反馈系统的开环传递函数为：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（1）试绘制由变化的闭环根轨迹图；（2）求出使系统产生相重实根和纯虚根时的值。【解】：（1）根轨迹方程为由变化，为根轨迹。①开环零点，开环极点。②实轴上的根轨迹在区间。③分离点和会合点解得为会合点，为分离点。④根轨迹与虚轴的交点特征方程为令，代入特征方程得⑤该系统根轨迹如题2-4-7解图所示。（2）实轴上根轨迹的分离点和会合点即为相重实根，其K值分别为纯虚根时的K值即为根轨迹与虚轴交点的K值，由（1）所求得之。（1）（2）题2-4-8图2-4-8系统方框图如题2-4-8图所示，试绘制由变化的闭环根轨迹图。【解】：（1）根轨迹方程为由变化为零度根轨迹。①开环极点。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述①实轴上的根轨迹在区间。②该系统根轨迹如题2-4-8解（1）图所示。（2）根轨迹方程为由变化为一般根轨迹。①开环极点。②渐近线与实轴的交点：，渐近线倾角：。③实轴上的根轨迹在区间。题2-4-8解图④分离点（1）（2）题2-4-8解图⑤复平面上的根轨迹与渐近线重合，如题2-4-8解图（2）所示。2-4-9单位负反馈系统开环传递函数为，绘制由变化的闭环根轨迹图。【解】：等效根轨迹方程为当由时为零度根轨迹。①开环零点，开环极点。，有一个无穷远的极点。②实轴上的根轨迹在区间。③分离点和会合点解得为分离点，为会合点。。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述题2-4-9解图①根轨迹与虚轴的交点特征方程为令，代入特征方程得②复平面上的根轨迹是圆，如题2-4-9解图所示。2-4-10系统方框图如题2-4-10图所示，试求：（1）当闭环极点为时的值；（2）在上面所确定的值下，当由变化的闭环根轨迹图。题2-4-10图【解】：（1）特征方程为闭环极点为时的系统特征方程为两方程联立求解得：题2-4-10解图（2）系统开环传递函数为等效根轨迹方程为：当由时为一般根轨迹。①开环零点，开环极点。②实轴上的根轨迹在区间。③会合点解得为起点，为会合点，。④复平面上的根轨迹是圆，如题2-4-10解图所示。2-4-11系统闭环特征方程分别如下，试概略绘制由变化的闭环根轨迹图。（1）（2）题2-4-11（1）解图【解】：（1）由系统闭环特征方程得等效根轨迹方程为由变化为一般根轨迹。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述①开环零点，开环极点。②实轴上的根轨迹在区间。③分离点和会合点解得（起点），（分离点），（会合点），（舍去）。④根轨迹与虚轴的交点根据特征方程列劳斯表令行等于零，得，代入行辅助方程，得⑤该系统根轨迹如题2-4-11（1）解图所示。（2）由系统闭环特征方程得等效根轨迹方程为由变化为一般根轨迹。①开环零点，开环极点。②渐近线与实轴的交点渐近线倾角③实轴上的根轨迹在区间。④分离点解得（分离点），（舍去），（舍去）。⑤根轨迹与虚轴的交点根据特征方程列劳斯表100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述题2-4-11（2）解图令行等于零，得，代入行辅助方程，得①该系统根轨迹如题2-4-11（2）解图所示。2-4-12已知单位负反馈系统的开环传递函数为（1）试概略绘制由和变化的闭环根轨迹图；（2）求出其单位阶跃响应为单调衰减、振荡衰减、等幅振荡、增幅振荡、单调增幅时的值。【解】：（1）特征方程为，等效根轨迹方程为：（a）由变化时为一般根轨迹。①开环零点，开环极点②实轴上的根轨迹在区间。③会合点题2-4-12解图解得（舍去），（会合点）。。④出射角⑤复平面的根轨迹是圆心位于、半径为的圆周的一部分，如题100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述2-4-12解图实线部分所示。（b）由变化为零度根轨迹。①实轴上的根轨迹在区间。②会合点计算同上。会合点为，。③复平面的根轨迹是圆心位于、半径为的圆周的另一部分，如题2-4-12解图虚线部分所示。（2）由根轨迹看出，根轨迹与虚轴的交点在原点，。根轨迹在实轴上重合时，。根轨迹在复平面上时。结论：系统无等幅和增幅振荡。在取值时,为衰减振荡；时为单调衰减；时为单调增幅。2-4-13系统方框图如题2-3-13图所示，绘制由的闭环根轨迹图，并要求：（1）求无局部反馈时系统单位斜坡响应的稳态误差、阻尼比及调节时间；（2）讨论时局部反馈对系统性能的影响；（3）求临界阻尼时的值。题2-4-13图【解】：系统开环传递函数为题2-4-13解图系统特征方程为等效根轨迹方程为由变化为一般根轨迹。①开环零点，开环极点。②实轴上的根轨迹在区间。③会合点100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述解得（舍去），（会合点）。会合点时的a值④复平面的根轨迹是圆心位于、半径为的圆周的一部分，如题2-4-13解图所示。（1）稳态误差系统开环传递函数为，Ⅰ型系统，。阻尼比和调节时间方法一：根据题意，对应根轨迹起点方法二：对应开环传递函数有（2）由根轨迹看出，此时系统特征根为两个不相等的实根，，系统无超调，稳定性变好。但由于其中一个实根更靠近虚轴，使调节时间增长。系统仍为Ⅰ型，开环增益减小，斜坡信号输入时稳态误差增大。（3）系统闭环根轨迹在实轴上出现会合点时为临界阻尼情况，此时。从特征方程上也可以直接看出。2-4-14设单位负反馈系统的开环传递函数为确定值，使根轨迹分别具有：0，1，2个分离点，画出这三种情况的根轨迹。【解】：根轨迹分离点由下式确定，为原点处重极点的分离点，实轴上其他的分离点和汇合点。（1）0个分离点只要原点处有两个极点，无论何种情况，至少有一个分离点，所以令100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述，则开环传递函数为当由变化，即零度根轨迹时没有分离点。其根轨迹如题2-2-14解图（1）所示。（2）1个分离点对于一般根轨迹，是一个分离点。所以当不存在，即，时，根轨迹具有一个分离点。设渐近线倾角和渐近线与实轴的交点分别为实轴上的根轨迹在区间。其根轨迹如题2-2-14解图（2）所示。（3）2个分离点当或时，有两个分离点。其中对应零度根轨迹的情况。设渐近线倾角和渐近线与实轴的交点分别为实轴上的根轨迹在区间。分离点会合点（1）（2）（3）题2-2-14解图其根轨迹如题2-2-14解图（3）所示。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述五频域分析法2-5-1系统单位阶跃输入下的输出,求系统的频率特性表达式。【解】：闭环传递函数2-5-2单位负反馈系统的开环传递函数为,试求当下列输入信号作用于闭环系统时，系统的稳态输出（1）；（2）；（3）。【解】：求系统闭环传递函数根据频率特性的定义，以及线性系统的迭加性求解如下：（1）（2）100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（3）2-5-3试求图2-5-3所示网络的频率特性，并绘制其幅相频率特性曲线。题2-5-3图【解】：（1）网络的频率特性（2）绘制频率特性曲线题2-5-3解图其中。起始段，。中间段，由于，减小，先减小后增加，即曲线先顺时针变化，再逆时针变化。终止段，。网络幅相频率特性曲线如题2-5-3解图所示。2-5-4已知某单位负反馈系统的开环传递函数为，在正弦信号作用下，闭环系统的稳态响应，试计算的值。【解】：系统闭环传递函数为时系统频率特性为由已知条件得，则有100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述2-5-5已知系统传递函数如下，试分别概略绘制各系统的幅相频率特性曲线。（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）【解】：对于开环增益为K的系统，其幅相频率特性曲线有两种情况：和。下面只讨论的情况。时，比例环节的相角恒为，故相应的幅相频率特性曲线可由其的曲线绕原点顺时针旋转得到。（1）题2-5-5（1）解图时，；时，。特性曲线与虚轴的交点：令，即代入中，该系统幅相频率特性曲线如题2-5-5（1）解图所示。（2）100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述题2-5-5（2）解图时，；求渐近线时，。该系统幅相频率特性曲线如题2-5-5（2）解图所示。（3）题2-5-5（3）解图时，；求渐近线时，。该系统幅相频率特性曲线如题2-5-5（3）解图所示。题2-5-5（4）解图（4）时，；（时，曲线始于负实轴之上；时，曲线始于负实轴之下。）时，。该系统幅相频率特性曲线如题2-5-5（4）解图所示。（5）100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述题2-5-5（5）解图时，。求渐近线时，，曲线顺时针穿过负实轴。求曲线与负实轴的交点令，得。该系统幅相频率特性曲线如题2-5-5（5）解图所示。题2-5-5（6）解图（6）时，；求渐近线该系统传递函数分母上有一个振荡环节，其，。所以当时有最大值。频率特性的最大值时，，曲线顺时针穿过负实轴。求曲线与负实轴的交点令，得。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述该系统幅相频率特性曲线如题2-5-5（6）解图所示。题2-5-5（7）解图（7）时，；求渐近线时，，传递函数分母上有一个不稳定环节，曲线逆时针变化，不穿越负实轴。该系统幅相频率特性曲线如题2-5-5（7）解图所示。（8）时，；随着的增加，分子上的不稳定环节先起作用，幅值增大，相角减小。之后，分母上的稳定环节再起作用，幅值增加速度减慢，相角继续减小。时，。特性曲线与虚轴的交点：令，即代入中题2-5-5（8）解图该系统幅相频率特性曲线如题2-5-5（8）解图所示。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述2-5-6系统开环传递函数如下，试分别绘制各系统的对数幅频特性的渐近线和对数相频特性曲线。（1）（2）（3）（4）【解】：（1）①，。②转折频率，一阶惯性环节；，一阶惯性环节。③，低频渐近线斜率为0。④系统相频特性按下式计算得w0.010.050.10.20.5110q(w)-5.7°-27.5°-50.0°-79.8°-121.0°-146.3°-176.4°系统的对数幅频特性的渐近线和对数相频特性曲线如题2-5-6解图（1）所示。（2）①，。②转折频率，一阶微分环节。③，低频渐近线斜率为，且过（1，20dB）点。④系统相频特性按下式计算得w0.10.20.512510q(w)-174.3°-168.7°-153.4°-135°-116.6°-101.3°-95.7°100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（1）（2）题2-5-6（1）（2）解图系统的对数幅频特性的渐近线和对数相频特性曲线如题2-5-6解图（2）所示。（3）①典型环节的标准形式②，。③转折频率，一阶惯性环节；，一阶微分环节。④，低频渐近线斜率为，且其延长线过（1，26dB）点。⑤系统相频特性按下式计算得w0.010.050.10.1250.20.51q(w)-182.8°-192.5°-198.4°-199.3°-198.4°-190.5°-185.6°系统的对数幅频特性的渐近线和对数相频特性曲线如题2-5-6解图（3）所示。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（3）（4）题2-5-6（3）（4）解图（4）①典型环节的标准形式②，。③转折频率，一阶惯性环节；，不稳定的一阶微分环节。④，低频渐近线斜率为，且过（1，34dB）点。⑤系统相频特性按下式计算得w125102050100200q(w)83.1°76.4°57.7°33.7°4.8°-33.7°-57.7-73.1系统的对数幅频特性的渐近线和对数相频特性曲线如题2-5-6解图（4）所示。2-5-7试概略绘制下列传递函数相应的对数幅频特性的渐近线。（1）（2）（3）（4）【解】：（1）100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述①典型环节的标准形式②，。题2-5-7（1）解图③转折频率，一阶微分环节；，二阶振荡环节；二阶振荡环节。④，低频渐近线斜率为，且过点。该传递函数相应的对数幅频特性的渐近线如题2-5-7（1）解图所示。题2-5-7（2）解图（2）①，。②转折频率，不稳定的一阶惯性环节；，一阶惯性环节。题2-5-7（3）解图③，低频渐近线斜率为，且过点。该传递函数相应的对数幅频特性的渐近线如题2-5-7（2）解图所示。（3）①，。②转折频率，一阶惯性环节；，一阶惯性环节。③，低频渐近线斜率为，且其延长线过（1，46dB）点。该传递函数相应的对数幅频特性的渐近线如题2-5-7（3）解图所示。（4）①典型环节的标准形式②，。题2-5-7（4）解图③转折频率，一阶微分环节；，二阶振荡环节。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述④，低频渐近线斜率为，且过（1，14dB）点。该传递函数相应的对数幅频特性的渐近线如题2-5-7（4）解图所示。2-5-8已知系统的传递函数为试绘制系统的开环幅相频率特性曲线并求闭环系统稳定的临界增益K值。【解】：时，。求时的渐近线时，，曲线顺时针穿过负实轴。题2-5-8解图求曲线与负实轴的交点令，得。该系统幅相频率特性曲线如图所示。当即时，闭环系统临界稳定。2-5-9已知系统开环幅相频率特性如图5-66所示，试根据奈氏判据判别系统的稳定性,并说明闭环右半平面的极点个数。其中为开环传递函数在s右半平面极点数，为开环积分环节的个数。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述题2-5-9解图（1）【解】：（a），，系统不稳定，s右半平面有2个闭环极点。（b）作辅助线如解图（1）所示，曲线经过（-1，j0）点一次，虚轴上有2个闭环极点，s右半平面没有闭环极点。系统临界稳定。（c）作辅助线如解图（2）所示，，，系统稳定，s右半平面没有闭环极点。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（2）（3）（4）（5）题2-5-9解图（d）作辅助线如解图（3）所示，，，系统不稳定，s右半平面有2个闭环极点。（e）作辅助线如解图（4）所示，，，系统稳定，s右半平面没有闭环极点。（f）作辅助线如解图（5）所示，，，系统不稳定，s右半平面有2个闭环极点。（g），，系统稳定，s右半平面没有闭环极点。（h），，系统稳定，s右半平面没有闭环极点。（i），，系统稳定，s右半平面没有闭环极点。2-5-10设单位负反馈系统开环传递函数（1），试确定使相角裕量等于的a值。（2），试确定使相角裕量等于的K值。（3），试确定使幅值裕量等于20dB的K值。【解】：（1）令由（2）令由（3）令100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述2-5-11已知最小相位系统的开环对数幅频特性渐近线如图5-67所示，试求相应的开环传递函数。【解】：（a）①②③，，④100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（b）①②③，④（c）①②③④（d）①②③④100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（e）①②③④(1)(2)题2-5-12解图2-5-12已知系统的传递函数为（1）绘制系统的伯德图，并求系统的相位裕量；（2）在系统中串联一个比例微分环节（s+1），绘制系统的伯德图，并求系统的相位裕量；（3）说明比例微分环节对系统稳定性的影响；（4）说明相对稳定性较好的系统，中频段对数幅频应具有的形状。【解】：（1）其伯德图如解图（1）所示。剪切频率相角裕量100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述系统不稳定（特征方程漏项），相角裕量为负数。（2）系统传递函数为其伯德图如解图（2）所示。剪切频率相角裕量系统稳定。（3）一阶微分环节的介入，增加了剪切频率附近的相位，即增加了相位裕量，提高了系统的稳定性。（4）希望中频段折线斜率为-20db/十倍频程，且该斜线的频宽越大越好。2-5-13某系统，其结构图和开环幅相曲线如图（a）、（b）所示，图中，K、T为给定正数试判定系统闭环稳定性，并求在复平面左半平面、右半平面、虚轴上的闭环极点数。题2-5-13图【解】：方法一二阶系统，有一个右半平面的开环极点，。由开环幅相曲线可知。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述系统稳定，复平面左半平面有两个闭环极点，右半平面、虚轴上均无闭环极点数。方法二利用动态结构图等效变换方法，将第二个比较点移至的输入端，有结论同方法一。题2-5-14图2-5-14单位反馈系统的开环传递函数为期望对数幅频特性如图所示，试求串联环节的传递函数，并比较串联前后系统的相位裕量。【解】：期望传递函数串联环节的传递函数串联前系统不稳定。串联后100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述系统稳定。2-5-15某控制系统方框图如图所示（1）绘制系统的奈氏曲线；（2）用奈氏判据判断闭环系统的稳定性，并说明在s平面右半面的闭环极点数。题2-5-15图【解】：（1）题2-5-15解图时，；时，。曲线逆时针穿过负实轴。求曲线与负实轴的交点令，得奈氏曲线如解图所示。（2）做辅助线如解图所示，，，。s平面右半面的闭环极点数系统不稳定。（可以用时域分析法验证）2-5-16已知三个最小相位系统(1)、(2)、(3)开环传递函数的对数幅频特性的渐近线如图所示。（1）定性分析比较这三个系统对单位阶跃输入响应的上升时间和超调量；（2）计算并比较这三个系统对斜坡输入的稳态误差；100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述题2-5-16图（3）分析并比较系统(1)、(2)相位裕量和增益裕量。【解】：（1）对于系统（1）（2），。一般情况。系统（3）不稳定。（2）因为，且（1）（2）均为Ⅰ型系统，所以。系统（3）不稳定，稳态误差无意义。（3）因为系统（1）的中频（-20db/十倍频程）带宽于系统（2），所以。但增益裕量均为无穷。2-5-17设单位负反馈系统的开环传递函数为（1）求系统相角裕量为时的K值；（2）求系统幅值裕量为20dB时的K值；（3）估算谐振峰值时的K值。【解】：（1）（2）100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（3）2-5-18小功率随动系统动态结构图如题2-5-18图所示，试用两种方法判别其闭环稳定性。题2-5-18图【解】：方法一：时域分析法得特征方程为系统不稳定。方法二：采用频域分析法计算。开环传递函数为计算幅值穿越频率100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述计算相角裕量题2-5-19图结论：系统不稳定。2-5-19设最小相位系统开环对数幅频特性如图所示（1）写出系统开环传递函数；（2）计算开环截止频率；（3）计算系统的相角裕量；（4）若给定输入信号时，系统的稳态误差为多少？【解】：（1）（2）方法一，利用开环对数幅频特性近似计算穿越频率方法二，根据定义计算穿越频率（3）计算相角裕量或100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（4）系统稳态误差。，Ⅰ型系统，。2-5-20设单位负反馈系统的开环传递函数为，若要求开环截止频率提高a倍，相角裕量保持不变，问K、T应如何变化？【解】：设穿越频率在频段，则，若使扩大a倍，则K扩大a倍，且保持不变，显然T需要缩小a倍。设穿越频率在频段，则，若使扩大a倍，且同时保持不变，则T应缩小a倍，只有当K扩大a倍才能满足要求，即变化后的开环截止频率为两种情况的讨论结论一致，即K扩大a倍，T缩小a倍。2-5-21设单位反馈系统开环传递函数为依据下述两种曲线判断闭环系统的稳定性：（1）概略幅相频率特性曲线；（2）对数频率特性曲线。【解】：（1）开环传递函数各环节的相位变化规律如下w0（起点）∞（终点）△q两个积分环节相位-180°-180°0°一阶微分环节0°90°90°100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述一个不稳定的惯性环节-180°-90°90°开环系统相位变化-360°-180°180°Nyquist曲线起点在第一象限，终点在第二象限，全频程幅值衰减，相位增加。曲线逆时针变化，如题2-5-21解图（1）所示。（1）（2）题2-5-21解图由开环传递函数可知，有一个右半平面的开环极点，即。做辅助线得，。闭环系统在右半平面的极点数闭环系统不稳定。（2）①对数幅频特性，。对数幅频特性低频渐近线斜率为，且经过点（20，1）。对应一阶微分环节的转折频率，斜率变化为。对应不稳定惯性环节的转折频率，斜率变化为。所以数幅频特性渐近线斜率不变。②对数相频特性将开环传递函数各环节相频特性叠加得：时，，时，。开环对数相频特性以的点斜对称。对数频率特性曲线如题2-5-21解图（2）所示。从对数相频特性左端向上开始向下做辅助线，与特性曲线相连，在的频率范围内，，。已知。闭环系统在右半平面的极点数闭环系统不稳定。2-5-22已知带有比例—积分调节器的控制系统，其结构图如图5-74所示，图中，参数为定值，且。试证明该系统的相位裕量有最大值，并计算当相位裕量为最大值时，系统的开环截止频率和增益。【解】：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述绘制Bode草图如解图所示，由相频特性曲线可以看出相角裕量有极大值。相位裕量为最大值时，系统的开环截止频率代入相角裕量计算公式得最大相位裕量题2-5-22解图代入对数幅频渐近线幅值计算公式得或由幅值定义得2-5-23设单位反馈系统开环传递函数为,试求：（1）根据相位裕量和幅值裕量分析闭环系统的稳定性；（2）应用经验公式估算系统的时域指标：超调量和调节时间。【解】：（1）计算相角裕量方法一，由对数幅频渐近线近似计算穿越频率相角裕量100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述方法二，按定义计算穿越频率相角裕量计算幅值裕量：令方法一，由对数幅频渐近线近似得得方法二，由定义得∴系统闭环稳定。（2）注：由于所用经验公式的适用范围为，显然本题不在适用范围内，所得误差可能较大。六线性控制系统的设计与校正2-6-1在根轨迹校正法中，当系统的动态性能不足时，通常选择什么形式的串联校正网络？网络参数取值与校正效果之间有什么关系？工程应用时应该注意什么问题？【解】：（1）可以采用的校正装置的形式为100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述单零点校正：，零点在s平面的负实轴上；零极点校正：，零极点均在负实轴上，零点比极点靠近原点（即：超前校正）。（2）零点越靠近原点、极点越远离原点校正作用越强。（3）在工程应用时，应考虑校正装置的可实施性，零极点分布最好在左半平面的中部，因为零点太靠近原点，微分作用太强，可能使执行机构进入饱和状态而达不到预期的效果。2-5-2在根轨迹校正法中，当系统的静态性能不足时，通常选择什么形式的串联校正网络？网络参数取值与校正效果之间有什么关系？工程应用时应该注意什么问题？【解】：（1）校正装置的形式为，即滞后校正装置。零极点均在负实轴上，零极点非常靠近虚轴，且与受控对象的其他零极点相比可以构成一对偶极子。由于增加一对偶极子基本不改变系统的动态性能，但可以增大系统的开环增益，从而达到减小系统静态误差的目的。（2）零极点之比的取值越大，系统开环增益增加幅度越大，因为校正后的开环增益是校正前开环增益的倍。（3）在工程实施时，考虑到系统的稳定性，极点不能太靠近原点。2-6-3对于最小相位系统而言，采用频率特性法实现控制系统的动静态校正的基本思路是什么？静态校正的理论依据是什么？动态校正的理论依据是什么？【解】：设校正装置的形式为。根据开环传递函数的形式以及对系统静态指标的具体要求，确定校正装置中积分环节的个数，以及比例环节的取值；然后再根据对系统的动态指标的要求，根据受控对象的结构特征，选择超前校正网络、滞后校正网络或滞后超前校正网络，实施动态校正。静态校正的理论依据：通过改变低频特性，提高系统型别和开环增益，以达到满足系统静态性能指标要求的目的。动态校正的理论依据：通过改变中频段特性，使穿越频率和相角裕量足够大，以达到满足系统动态性能要求的目的。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述2-6-4复合校正中的动静态全补偿方法在工程应用中有哪些困难？【解】：由于复合校正中的前馈校正装置中，往往出现传递函数分子的阶数高于分母的阶数，因而难以工程实施。2-6-5局部反馈校正在控制系统的设计过程中起什么作用？【解】：局部反馈校正在控制系统中的应用可以减小系统的惯性，加快系统的反映速度，从而提高系统的调节品质。题2-6-6解图2-6-6某闭环系统有一对闭环主导极点，若要求该系统的动态性能指标满足过渡过程时间，超调量，试在复平面画出闭环主导极点允许区域。【解】：根据动态性能指标的计算公式解图中阴影部分为闭环主导极点的取值区域。2-6-7试回答下列问题，着重从物理概念说明：（1）有源校正装置与无源校正装置有何不同特点？在实现校正规律时，它们的作用是否相同？（2）如果Ⅰ型系统经过校正之后希望成为Ⅱ型系统，应该采用哪种校正规律才能保证系统的稳定性？（3）串联超前校正为什么可以改善系统的动态性能？（4）从抑制噪音的角度考虑，最好采用哪种校正形式？【解】：（1）无源校正装置的输出信号的幅值总是小于输入信号的幅值。即传递过程只能衰减不能放大。而有源校正装置则可以根据用户要求放大或缩小。在实现校正规律时，它们的作用是相同的。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（2）为保证加入积分环节后，特征方程不出现漏项，一般选择校正装置的形式为（3）适当选取校正装置的参数，可以有效改变开环系统中频段的特性：提高系统的稳定裕量，以减小超调；提高穿越频率，以加快调节速度。（4）选择滞后校正装置，可以减小系统高频段的幅值，从而削弱高频干扰信号对系统的影响。2-6-8单位负反馈系统开环传递函数，若采用串联最小相位校正装置，图1（a）、（b）、（c）分别为三种推荐的串联校正装置。试问：（1）写出校正装置所对应的传递函数，绘制对数相频特性草图；（2）这些校正装置哪一种可以使校正后的系统稳定性最好？（3）哪一种校正装置对高频信号的抑制能力最强？题2-6-8图【解】：（1）题2-6-8解图（1）校正装置对数相频特性草图如题2-6-8解图（1）所示。（2）100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述解题方法有两种，一是画出校正后的Bode曲线后，直接进行比较；二是计算校正后的穿越频率和相角裕量。方法一校正后的Bode曲线如解图2和解图3所示。由图可知，装置（c）使校正后的系统稳定性最好。方法二（a）（b）题2-6-8解图2（c）题2-6-8解图3100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述结论：（c）校正装置可以使校正后的系统稳定性最好。（3）（a）校正装置对高频段信号是衰减的，因此，从抑制高频干扰的角度出发其效果最好。2-6-9已知最小相位系统的开环对数幅频特性曲线如图所示。（1）写出开环传递函数；（2）确定使系统稳定的K的取值区间；（3）分析系统是否存在闭环主导极点，若有，则利用主导极点的位置确定是否通过K的取值，使动态性能指标同时满足，说明理由。题2-6-9图（4）若系统动态性能指标满足要求，但KV较小,试考虑增加什么校正环节,可以在保证系统动态性能的前提条件下,满足对的要求,说明理由。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述【解】：（1）开环传递函数（2）系统特征方程系统稳定的条件题2-6-9解图（3）改变开环传递函数为零极点分布形式则根轨迹方程为绘制根轨迹草图如下所示：计算实轴上的分离点：系统存在两个主导极点。按照此条件在根轨迹图上画出主导极点允许区域。可见有部分根轨迹在允许区域内，选择K的取值，能使动态性能指标满足要求。（4）增加一个滞后校正环节，传递函数为，使其在负实轴上靠近原点处构成一对偶极子。偶极子对系统动态性能影响较小，但可使速度误差系数扩大倍。2-6-10已知某系统的根轨迹草图如题2-6-10图所示。（1）写出开环传递函数；（2）确定使系统稳定的K的取值区间，确定使系统动态过程产生衰减振荡的K的取值区间；100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述题2-6-10图（3）利用主导极点的位置，确定是否通过K的取值使动态性能指标同时满足。（4）若该系统的统动态性能指标不能满足设计要求，试考虑增加什么校正环节，可以改善系统的动态性能？写出校正环节形式（不需要具体数据），绘校正后根轨迹草图，说明理由。【解】：（1）（2）确定实轴上的分离点处的K值：，；确定与虚轴交点处的值：利用Routh稳定判据得；使系统稳定K的取值区间为，使系统产生衰减振荡的K的取值区间为。（3）可以。理由同第9题。（4）（1）（2）题2-6-10解图①串联一个比例微分环节。由于增加了一个开环零点，使根轨迹左移，调整零点位置，可使根轨迹在要求的区域内。根轨迹如解图（1）所示。②串联一超前校正环节。由于零点更靠近原点，零点的作用强于极点的作用，渐近线交点左移，根轨迹整体趋势左移。调整零极点位置，可使根轨迹在要求的区域内。根轨迹如解图（2）所示。2-6-11超前校正装置的传递函数分别为（1）；（2）。绘制Bode图，并进行比较。【解】：校正装置Bode图如解图所示。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述题2-6-11解图两个校正装置都是超前校正装置。但装置（1）超前频段较（2）要宽，则（1）的超前幅度比（2）的超前幅度要大。2-6-12滞后校正装置的传递函数分别为（1）；（2），绘制Bode图，并进行比较。【解】：校正装置Bode图如解图所示。题2-6-12解图，；。因为，所以装置（2）的滞后校正作用比装置（1）强。2-6-13控制系统开环传递函数（1）绘制系统Bode图，并求取穿越频率和相角裕量；（2）采用传递函数为的串联超前校正装置，绘制校正后的系统Bode图，并求取穿越频率和相角裕量，讨论校正后系统性能有何改进。【解】：系统Bode图如解图（1）所示。校正前性能指标计算：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述校正后性能指标计算：题2-6-13解图校正后的系统Bode图如解图（2）所示。加入超前校正网络后，在不改变系统的静态指标的前提下，系统的动态性能指标有了明显的改善，相角裕量增加，穿越频率增大，因此系统的超调量减小，调节时间缩短。2-6-14设一单位负反馈系统的开环传递函数为，现有三种串联最小相位校正装置，它们的Bode图如图（a）、（b）、（c）所示。试问：（1）若要使系统的稳态误差不变，而减小超调量，加快系统的动态响应速度，应选取哪种校正装置？为什么？系统的相位裕量最大可以增加多少？题2-6-14图（2100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述）若要减小系统的稳态误差，并保持系统的超调量和动态响应速度不变，应选取哪种校正装置？为什么？系统的稳态误差可以减小多少？【解】：（1）计算没加校正前性能指标：装置（b）为滞后校正网络，它在提高系统稳定性的同时，会使调节时间增加，所以不符合校正要求。装置（a）、（c）为超前校正网络。原系统的穿越频率正好在装置（a）的超前频段范围，故装置（a）对此系统的校正效果应该最好。校正效果计算如下：（2）三个校正环节都不能改变系统的低频特性，因此对系统的静态性能无影响。七非线性系统分析2-7-1非线性元件的输入输出特性如图所示。其中x为输入，y为输出。试求各元件的描述函数。【解】：（a）100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述因为非线性环节的对称性，得；因为非线性函数为单调奇函数，得。描述函数（b）100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述因为该非线性环节的对称性，得；又因其为单调奇函数，得。描述函数2-7-2非线性系统如题2-7-2图（a）(b)所示。试确定其稳定性。若产生自振荡，试确定自振荡的振幅和频率。[图（b）的描述函数为]。（a）（b）题2-7-2图【解】：（a）线性部分的开环传递函数为：理想继电器的描述函数为，100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（a）（b）题2-7-2解图则负倒描述函数为。在同一坐标系绘制线性环节的Nyquist曲线和非线性部分的负倒描述函数曲线如题2-7-2解图（a）所示。当时，；时，。可以看出在A处产生交点，且交点处具有稳定的自持振荡的特性。计算A点处的自持振荡频率：计算A点处的自持振荡幅值：（b）线性部分的开环传递函数为：理想继电器的描述函数为，则负倒描述函数为。在同一坐标系绘制线性环节的Nyquist曲线和非线性部分的负倒描述函数曲线如题2-7-2解图（b）所示。可以看出在A处产生交点，且交点处呈不稳定特性。这种振荡随时间可能发散或可能收敛。2-7-3非线性系统如题2-7-3图所示。试求：题2-7-3图（1）K在何范围取值使系统稳定。（2）K=10100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述时系统产生自振荡的振幅和频率。【解】：（1）非线性环节的描述函数题2-7-3解图负倒描述函数为当时，；时，。在同一坐标系绘制线性环节的Nyquist曲线和非线性部分的负倒描述函数曲线如题2-7-3解图所示。显然，当线性部分的开环增益足够小时，即在与实轴交点处的幅值小于1，则两条曲线不产生交点。根据稳定判据系统稳定。K值的计算过程如下：系统稳定时，即。（利用时域稳定判据可以检验其正确性）（2）当时，显然两条曲线相交，且交点处产生稳定的自持振荡，振荡频率为，振荡幅值为令100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述得。题2-7-4图2-7-4试用相平面分析法，分析图4所示非线性系统分别在情况下，相轨迹的特点。【解】：在平面上的开关线。对应的相轨迹方程为相轨迹为两簇抛物线。时，开关线方程为。根据相轨迹方程在不同线性区域内绘制相平面图如题2-7-4解图（1）所示。自持振荡特性，振荡频率和周期由初始条件确定。时，开关线方程为，即原开关线顺时针方向转动了度。相轨迹方程仍为根据相轨迹方程在不同线性区域内绘制相平面图如题2-7-4解图（2）所示。无论初始条件如何，增幅振荡特性，系统不稳定。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述（1）（2）（3）题2-7-4解图时，开关线方程为，即原开关线逆时针方向转动了度。根据相轨迹方程在不同线性区域内绘制相平面图如题2-7-4解图（3）所示。无论初始条件如何，衰减振荡特性，系统稳定。题2-7-5图2-7-5非线性系统如图所示。试概略绘制平面的相轨迹族，并分析系统的特性，假定系统输出为零初始条件，输入。题2-7-5解图（1）【解】：对上述方框图实施等效变换得下列方框图对应的相轨迹方程为时，，平面相轨迹方程为100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述开关线为：,根据微分方程特征根的分布规律得相轨迹的形式为1区：相轨迹是以（1，0）为中心点的稳定节点。3区：相轨迹是以（-1，0）为中心点的稳定节点。2区：相轨迹是直线。显然，系统是稳定的，对于不同的初始条件，系统的稳态误差不同。当时，稳态误差等于1。题2-7-6图题2-7-5解图（2）2-7-6系统方框图如图所示，试绘制标幺化相平面。题2-7-6图【解】：由系统方框图可知：其中非线性特性表达式为100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述开关线为：由微分方程地标幺化的相轨迹方程为：标幺化的开关线为：1区的奇点是（-1，0），相轨迹是以（-1，0）为圆心（中心点）的圆弧；3区的奇点是（1，0），相轨迹是以（1，0）为圆心（中心点）的圆弧；2区的奇点是（0，0），相轨迹是以（0，0）为稳定节点的抛物线。相轨迹图如解图所示。题2-7-6解图2-7-7线性系统如图所示。若已知A/J=0.1，r（t）=30×1（t），，试在平面绘制相轨迹图，求系统到达稳态所需要的时间，分析系统的稳态性能，系统阶跃响应过程是否出现振荡？题2-7-7图【解】：由系统方框图可知∴非线性特性100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述系统运动方程∵∴开关线为：根据方程形式得相轨迹方程为抛物线方程初始条件为：相轨迹起点为，在1区。将初始条件代入1区方程确定其待定参数：。则1区起始段的相轨迹方程为确定抛物线与开关线的交点坐标：依据点坐标确定2区方程的待定参数：。确定抛物线与开关线的交点坐标C：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述依据C点坐标确定2区方程的待定参数：。确定抛物线与开关线的交点坐标D：系统相轨迹如解图所示。系统稳定，阶跃响应过程为衰减振荡。题2-7-7解图计算整个调节过程所需要的时间：计算：相轨迹方程为计算：相轨迹方程为计算：相轨迹方程为整个动态过程的调节时间为：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述八线性离散控制系统的分析与综合2-8-1试求的变换。【解】：2-8-2已知，试求。【解】：2-8-3已知。试求。【解】：2-8-4已知。试求。【解】：2-8-5根据下列求取相应的脉冲传递函数。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述1）；2）；3）【解】：1)2)3)题2-8-6图2-8-6离散系统见题2-8-6图所示，其中传递函数为，，采样周期。试分析系统的稳定性。【解】：开环脉冲函数特征方程解得，。结论：系统不稳定。2-8-7应用劳斯稳定判据分析习题2-8-6中，当系统，，，且系统稳定时、的取值。【解】：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述时，特征方程为令，代入特征方程，得系统稳定的条件是2-8-8试求题2-8-8图所示离散系统的输出表达式。（a）（b）（c）题2-8-8图【解】：离散化后得（1）（2）离散化后得（3）由（1）（2）（3）式Z变换后代入消元得100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述离散化后得（1）离散化后得（2）由（1）（2）式Z变换后代入消元得离散化、Z变换后得（1）（2）离散化、Z变换后得（3）由（1）（2）（3）式代入消元得2-8-9离散系统如题2-8-9图所示。求：题2-8-9图（1）当时分析系统的稳定性；（2）系统临界稳定时的取值。【解】：（1）时特征方程令，代入特征方程100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述系统稳定的条件为结论：当时，系统不稳定。（2）时，系统临界稳定。2-8-10系统结构如题2-8-10图所示，其中，，输入函数，求系统的稳态误差。【解】：题2-8-10图特征方程，且，∴系统稳定。由，系统型别。系统静态误差系数：，，。系统在输入下的稳态误差为：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述。2-8-11系统结构图如题2-8-11图所示。求当时和时，系统的临界值。题2-8-11图【解】：特征方程时，令代入特征方程系统稳定的条件是：。临界值为。时，令代入特征方程系统稳定的条件是：。临界值为。2-8-12离散系统如题2-8-12图，图中试确定使系统稳定时，的取值范围，并确定采样周期对系统稳定性的影响。题2-8-12图【解】：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述特征方程系统稳定的条件是特征根的模小于1结论：采样周期T越小，使系统稳定时K的取值范围越小。2-8-13系统结构如题2-8-13图所示，其中为连续部分的传递函数。试根据下列给出的及数据，确定满足最小拍性能指标的脉冲传递函数。1），；2），；3），。题2-8-13图【解】：1)100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述根据最小拍系统的设计特点，阶跃输入时的误差传递函数和闭环传递函数分别是：系统控制器的脉冲传递函数为：设计以后的闭环系统在阶跃输入时，系统输出和误差响应函数为：从闭环传递函数可以看出，系统只有一个原点处的闭环极点，故为最大稳定度系统，整个调节时间是在一个周期内完成。2）因为仍然是单位阶跃输入，所以解题方法和设计效果完全同（1）。只是需要确定控制器的脉冲传递函数。100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述根据最小拍系统的设计特点，阶跃输入时的误差传递函数和闭环传递函数分别是：系统控制器的脉冲传递函数为：3）根据最小拍系统的设计特点，阶跃输入时的误差传递函数和闭环传递函数分别是：系统控制器的脉冲传递函数为：题2-8-14图2-8-14系统结构图如题2-8-14图所示，其中，采样周期，试求系统无稳态误差时，过渡过程在最小拍结束的。【解】：根据最小拍系统的设计特点，阶跃输入时的误差传递函数和闭环传递函数分别是：100 第二部分古典控制理论基础习题详解一概述系统控制器的脉冲传递函数为：2-8-15系统结构图如题2-8-15图所示。其中，，试求输入，系统无稳态误差、过渡过程在最小拍结束时的。题2-8-15图【解】：根据最小拍系统的设计特点，阶跃输入时的误差传递函数和闭环传递函数分别是：系统控制器的脉冲传递函数为：100'