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自動控制原理第2章習(xí)題解

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自動控制原理第2章習(xí)題解

習(xí) 題 2 2-1 試證明圖2-77(a)所示電氣網(wǎng)絡(luò)與圖2 77(b)所示的機(jī)械系統(tǒng)具有相同的微分方程。 圖2-77習(xí)題2-1圖 證明:首先看題2-1圖中(a) 2-2試分別寫出圖2-78中各有源網(wǎng)絡(luò)的微分方程。 圖2-78 習(xí)題2-2圖 解: (a) (b) (c) 2-3某彈簧的力一位移特性曲線如圖2-79所示。在僅存在小擾動的情況下,當(dāng)工作點分別為x0=-1.2,0,2.5時,試求彈簧在工作點附近的彈性系數(shù)。 解:由題中強(qiáng)調(diào)“僅存在小擾動”可知,這是一道非線性曲線線性化處理的問題。于是有,在x0=-1.2,0,2.5這三個點處對彈簧特性曲線做切線,切線的導(dǎo)數(shù)或斜率分別為: 1) 2) 3) 2- 4圖2-80是一個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),其中電壓u為輸入量,負(fù)載轉(zhuǎn)速ω為輸出量。試寫出該系統(tǒng)輸入輸出間的微分方程和傳遞函數(shù)。 解:根據(jù)系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)圖可列動態(tài)如下: (1) (2) (3) 將方程(3)整理后得: (4) 將方程(4)代入方程(1)后得: (5) 將方程(5)整理后得: (6) 2-5 系統(tǒng)的微分方程組如下 式中,r,K-,K2,K。,Kn,Kj,T均為常數(shù)。試建立系統(tǒng)r(f)對c(f)的結(jié)構(gòu)圖,并求系統(tǒng)傳遞函數(shù) C(s)/R(s)。 解:首先畫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,根據(jù)動態(tài)方程有: X1(s) X2(s) X2(s) X3(s) X4(s) X5(s) C(s) τs+K1 K2 K3/s K4/(Ts+1) K5 然后,根據(jù)梅遜公式得: 2 6 圖2-8l是一個模擬調(diào)節(jié)器的電路示意圖。 ① 寫出輸入ui,與輸出uo之間的微分方程; ② 建立該調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖; ③ 求傳遞函數(shù)Uo(s)/Ur(s)。 解:根據(jù)電路分析需要,引入中間變量vo1(t),vo2(t),然后,由電路圖可知: (1) (2) (3) 采用代入法,將上述3個方程聯(lián)立求解得: -Kx1 mgsinα -Bdx1/dt mg mgcosα N 2-7某機(jī)械系統(tǒng)如圖2-82所示。質(zhì)量為m、半徑為R的均質(zhì)圓筒與彈簧和阻尼器相連(通過軸心),假定圓筒在傾角為α的斜面上滾動(無滑動),求出其運動方程。 解:首先,對圓輥進(jìn)行受力分析;根據(jù)分析結(jié)果可知: 2 8 圖2-83是一種地震儀的原理圖。地震儀的殼體固定在地基上,重錘M由彈簧K支撐。當(dāng)?shù)鼗舷抡饎訒r,殼體隨之震動,但是由于慣性作用,重錘的運動幅度很小,這樣它與殼體之間的相對運動幅度就近似等于地震的幅度,而由指針指示出來?;钊鸅提供的阻尼力正比于運動的速度,以便地震停止后指針能及時停止震動。 ①寫出以指針位移y為輸出量的微分方程; ②核對方程的量綱。 解:首先,對重錘進(jìn)行受力分析;根據(jù)分析結(jié)果可知: 2 9 試簡化圖2-84中各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,并求傳遞函數(shù)c(s)/R(s)。 圖2-84習(xí)題2-9圖 解:(a),根據(jù)梅遜公式得: 前向通道傳遞函數(shù)Pk:; 回路通道傳遞函數(shù)Li:; 特征方程△: 由于回路傳遞函數(shù)都與前向通路相“接觸”,所以。余子式: 系統(tǒng)傳遞函數(shù)為: (b),根據(jù)梅遜公式得: 前向通道傳遞函數(shù)Pk:; 回路通道傳遞函數(shù)Li:; 特征方程△: 由于回路傳遞函數(shù)L2與前向通路相“不接觸”,所以。余子式: 系統(tǒng)傳遞函數(shù)為: (c),根據(jù)梅遜公式得: 前向通道傳遞函數(shù)Pk:; 回路通道傳遞函數(shù)Li:; 特征方程△: 由于回路傳遞函數(shù)都與前向通路相“接觸”,所以。余子式: 系統(tǒng)傳遞函數(shù)為: 2-10試用梅遜公式求解習(xí)題2-9所示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)C(s)/R(s)。 2-11 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-85所示。 ① 求傳遞函數(shù)C1(s)/RI(s),C1(s)/R2(s),C2(s)/RI(s),C2(s) R2(s), 圖2-85 習(xí)題2-11圖 ② 求傳遞函數(shù)陣G(s)C(s)= G(s)R(s),其中 ,。 解:C1(s)/RI(s),根據(jù)梅遜公式得: 前向通道傳遞函數(shù)Pk: ;; 回路通道傳遞函數(shù)∑Li:; 相互“不接觸”回路∑LiLj: 特征方程△: 由于回路傳遞函數(shù)都與前向通路相“接觸”,所以。余子式: 系統(tǒng)傳遞函數(shù)為: 圖2-86 習(xí)題2 12圖 2-12 試求圖2-86所示結(jié)構(gòu)圖的傳遞函數(shù)C(s)/R(s)。 解:C1(s)/RI(s),根據(jù)梅遜公式得: 前向通道傳遞函數(shù)Pk: ; ;; ; 回路通道傳遞函數(shù)∑Li:;;;; 特征方程△: 特征方程余子式△k: 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為: 2-13 已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-87所示,試將其轉(zhuǎn)換成信號流圖,并求出c(s)/R(s)。 解:(a) 根據(jù)梅遜公式得: (b) 根據(jù)梅遜公式得: 2-14 系統(tǒng)的信號流圖如圖2-88所示,試求C(s)/R(s)。 圖2-88 習(xí)題2-14圖 圖2-89 習(xí)題2-15圖 解:(a) 根據(jù)梅遜公式得: (b) 根據(jù)梅遜公式得: 2-15 某系統(tǒng)的信號流圖如圖2-89所示,試計算傳遞函數(shù)C2(s)/R1(s)。若進(jìn)一步希望實現(xiàn)C2(s)與R1(s)解耦,即希望C2(s)/R1(s)=0。試根據(jù)其他的Gi(s)選擇合適的G5(s)。 解: 若希望C2(s)/R1(s)=0,則有 2-16 已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-90所示。 ①求傳遞函數(shù)C(s)/R(s)和C(s) /N(s)。 ②若要消除干擾對輸出的影響(即C(s) /N(s)=0,問G0(s)=? 解:①由結(jié)構(gòu)圖可知C(s)/R(s) ② 由結(jié)構(gòu)圖可知C(s)/N(s) 若使C(s)/N(s)=0,則意味著 最終求得G0(s): 2-17考慮兩個多項式p(s)=s2+2s+1,q(s)=s+1。用Matlab完成下列計算 ① p(s)q(s) ② G(滬悉鬟南; ③擴(kuò)m 略 2-18考慮圖2-9l描述的反饋系統(tǒng)。 ①利用函數(shù)series與cloop,計算閉環(huán)傳遞函數(shù),并用printsys函數(shù)顯示結(jié)果; ②用step函數(shù)求取閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng),并驗證輸出終值為2/5。 解:略 2-19衛(wèi)星單軸姿態(tài)控制系統(tǒng)的模型如圖2-92所示,其中k=10.8E+08,a=1和b=8是控制器參數(shù),J=10。8E+08是衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動慣量。 圖2-92 習(xí)題2-19圖 圖2-93 習(xí)題2-20圖 ①編制MatIab文本文件,計算其閉環(huán)傳遞函數(shù)口θ(s)/θd(s); ②當(dāng)輸人為θd(s)=10的階躍信號時,計算并做圖顯示階躍響應(yīng); ③轉(zhuǎn)動慣量-,的精確值通常是不可知的,而且會隨時間緩慢改變。當(dāng)‘,減小到給定值的80%和50%時,分別計算并比較衛(wèi)星的階躍響應(yīng)。 2-20考慮圖2 93所示的方框圖。 ①用Matlab化簡方框圖,并計算系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù); ②利用pzmap函數(shù)繪制閉環(huán)傳遞函數(shù)的零極點圖; ③用roots函數(shù)計算閉環(huán)傳遞函數(shù)的零點和極點,并與②的結(jié)果比較。 (2)如圖所示機(jī)械位移系統(tǒng),求G(s)= Y(s)/ F(s)。 解:首先對質(zhì)量為m的物體進(jìn)行受力分析,得所受的合力為 其中,; 于是有 整理得 解答完畢。

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