《机械工程控制基础》课后答案2.pdf
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1、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
2、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/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
3、 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iooc，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
4、开合度，对误差进行修正，可保持液面高度稳定。O控制器实际的液位高度头脑图5结构方块图说明：1.信号线：带有箭头的直线(可标时间或象函数)U(t),U(s)；2.引用线：表示信号引出或测量的位置；3.比 较 点：对两个以上的同性质信号的加减运算环节；4 .方 框：代表系统中的元件或环节。方块图中要注明元件或环节的名称，函数框图要写明函数表达式。二.控制系统的组成1.给定环节：给出输入信号，确定被控制量的目标值。2.比 较 环 节：将控制信号与反馈信号进行比较，得出偏差值。3 .放大环节：将偏差信号放大并进行必要的能量转换。4 .执行环节：各种各类。5 .被控对象：机器、设备、过程。6.测 量 环
5、 节：测量被控信号并产生反馈信号。7.校正环节：改善性能的特定环节。三.控制系统特点与要求1.目的：使被控对象的某一或某些物理量按预期的规律变化。2 .过程：即“测量对比补偿工或“检测偏差纠正偏差”。3 .基本要求：稳定性系统必须 是 稳 定 的，不能震荡；快速性接近目标的快慢程度，过渡过程要小;准确性第二节 控制系统的基本类型1.开环变量控制系统(仅有前向通道)X i(t)-控 制 元 件 被 控 对 象 -一 X o (t)图62 .闭环变量控制系统X开环系统：优点：结构简单、稳定性能好；缺点：不能纠偏，精度低。闭环系统：与上相反。第三节典型控制信号输入信号是多种多样的，为了对各种控制系统
6、的性能进行统一的评价，通常选定几种外作用形式作为典型外作用信号，并提出统一的性能指标，作为评价标准。1.阶跃信号 x(t)=0 t 0X(t)=A t 0 x.(t)图7当A=1时，称为单位阶跃信号，写 为1(t)o阶跃信号是一种对系统工作最不利的外作用形式。例如，电源突然跳动，负载突然增加等。因此，在研究过渡过程性能时通常都选择阶跃函数为典型外作用,相应的过渡过程称为阶跃响应。2.脉冲函数数学表达式x(t)=A/T O W t W TX(t)=O 其它图8脉冲函数的强度为A,即图形面积。单位脉冲函数(6 函数)定义为6 (t)=-l(t)dt性质有：5 (t)=0 t 7 08 (t)=0
7、t =0且=lA x(t)A 8 (t)图9强度为A的脉冲函数x(t)也可写为x(t)=A 8 (t)必须指出，脉冲函数6 (t)在现实中是不存在的，它只有数学上的意义，但它又是很重要的很有效的数学工具。3 .斜坡函数(恒速信号)x(t)=A t t 2 0在研究飞机系统时，常用恒速信号作为外作用来评价过渡过程。4 .恒加速信号x (t)=A t2/2 t 2 0 x(t)=O t )t 20 x(t)=O t 06.延时函数(信号)f (t)=X(t-T )t 2 Tf(t)=O t ,+/(2)4/3 A一工作面积，k,一漏损系数，V液体体积压缩率，一弹性模量。在不考虑液体的的可压缩性，又
8、不考虑泄漏，(2)式可简化为9 (t)=A x0(t)(3)3、液压缸负载平衡方程式A /?,=m x (t)+c x (t)+k x (t)+F (t)(4)若自由状态，即F(t)=0,则A/?,=m x,(t)+c x =i j=i当 n=8 时，j，n 6 t=n j.6 t=T,6 t=d Tx0(t)=-r)d r 卷积关系式上式说明“任意输入x,(t)所引起的输出x0(t)等于系统的权函数h(t)和输入x1(t)的卷积”。三、卷积的概念与性质定义：若已知函数f (t)和g (t),其积分存在,则称此积分为f (t)和g (t)的卷积，记作f(t)*g(f)。性质：1、交换律/(f)
9、*g(f)=g(f)*/(f)证明：令 t-T=3 d T=-d ti (I =t-ti)=：-。)力 (左=右，变量可代换)证毕。2、分配律力(0 *+力(川=力Q)*%)+力*f 3s3、若 tN O 时，f (t)=g (t)=0,则f *g )=/(7)g。一 T)d ff (t)输入；g (t)一系统；x0(t)输出X o (t)=/Q)*g(r)四.卷积积分的图解计算积分上下限的确定：下限 取 f (T)和 g (t-T)值中最大一个;上 限 取 f (T )和 g (t-T )值中最小一个。Tg(-T )第三章拉普拉斯变换第一节傅氏变换(傅立叶变换)一、傅氏级数的复指数形式(对周
10、期函数而言，略讲)二、非周期函数的傅氏积分非周期函数f (t)可以看作是Tn oo周期函数R (t),即f (t)若 f (t)在(一8,8)上满足：T-oo1、在任一有限区间上满足狄氏条件(1 连续或只有有限个第一类间断点；2 只有有限个极值点)；2、在(-8,8)上绝对可积(口/,收敛)。f (t)加 非 周 期 函 数 的 积 分 式三、傅氏变换1、傅氏变换概念在傅氏积分式中，令F 3)=(/(/)，”力 t 是积分变量，积分后是切的函数。称 F(3)=F f(t)傅氏变换f (t)=F F(3)傅氏逆变换2、傅氏变换的缺点说明1 条件较强，要求f (t)绝对收敛。做不到。例如，1 (t
11、)、A s i na t,它们的积分1 J/,均发散，即 F f (t)不存在，无法进行傅氏变换。2 要求f (t)在(-o o,o o)有意义，而在实际中，t V O 常不定义。解决的办法：1 将 f (t)乘以收敛因子e l使 积 分 口/(肥-%收 敛(。0)；2 将 f (t)乘以1 (t),使当t V O 时，函数值为零。可将积分区间由(-8,0 0)换成(0,8)o于是傅氏变换变形为拉氏变换L f (t)：其 中 S=b+_/&复变量。成立的条件是R e (s)=o 0经过处理，能解决大部分工程上的问题。这就是L aplac e 变换(F.L.Z.H.W.X).第三节 拉普拉斯变换
12、(L aplac e)一.定义：1 .若 1 2 0 时,x(t)单值;t 0则 称 X(s)=力为x(t)的拉氏变换式，记作X(s)=L x(t)X(t)=L X(s)拉氏逆变换二.举例1 .脉冲函数6的拉氏变换 L 6 (t)=l2 .单位阶跃函数x(t)=l (t)=l 的拉氏变换X(s)=L l(t)=L R e(s)0 即。03.x (t)=/，a一常数X(s)=L 1 =1 3 e%=1R e(s)0 即。a4、x (t)=s i n y t,c o一常数X(5)=L s i n(y t =-j 叫 7 .le dtC 2 22 J S-J O)5+J CO S+G5.X(t)=t
13、 累函数的拉氏变换R e(s)0利用伽玛函数方法求积分。X(5)=L (t )=t .d t(”)=tn-e-.d tr(“+l)=r 函数标准形式令 s t=u,t=tn=s l：u d t=d u,则X(s)=f sy=*e”,=击(+1)若 n 为自然数，X(s)=L (t )R e(s)0s比如：X(t)=t,X(5)=4-s2x (t)=t ,X(s、)=-sx (t)=t3,X(s)=-第三节拉氏变换的基本定理与傅氏变换的定理差不多，但有的定理不相同，同时比傅氏变换定理多也许一些。1、线性定理(比例和叠加定理)若 L x i (t)=Xi (s),L X2(t)=X2(s)L k,
14、Xi (t)+k2x2(t)=k1 Xi (s)+k2X2(s)例题 x (t)=a t2+bt+cX(s)=L a t2+bt+c =a L (t 2)+bL (t)+cL (1)2a b-1-3 2s scR e(s)02、微分定理若 L x (t)=X(s),则 L (t)=s2X(s)-x (0)x (0)是x (t)的初始值，利用分部积分法可以证明。推论：L x(Z)=s2X(5)-5x(0)-x(0)L x(n)(t)=s X(s)-sn lx (0)-、x (0)(n l)注意大小写，小写为时间函数。若初始条件全为零，则L x,n (t)=s X(s)3、积分定理若 L x (t
15、)=X(s),则 L b(r)d r =，X(s)推论：L .卜 d/)=Jx(s)4、衰减定理(复数域内位移性质)若 L x (t)=X(5),W d L .x(t)=X(.V +Z)表明原函数乘以指数函数的拉氏变换，等于象函数做位移a 0例题 X(t)=C O S p t因 L co s f =TT，则X(5)=L /co s (3t =s+a(s +a)2 +p-5、延时定理(时间域内位移性质)若 L x (t)=X(s),t 0 s-xc它建立了 x (t)在坐标原点的值与象函数s X(s)在无限远点的值之间的对应关系。表明，函数x (t)在 0点的函数值可以通过象函数X(s)乘以s,
16、然后取极限值而获得。7、终值定理若 L x (t)=X(s),且 l i m x(f)存在，则 l i m x(f)=l i m s X(s)/-QO/-0OS-08、卷积定理若 L x (t)=X(s),L y (t)=Y(s),则L x(f)*y(f)=X(s).y(s)第四节拉氏逆变换已知象函数X(s)求原函数x (t)的运算称为拉氏逆变换，记作x (t)=L l X(s)推导过程略。这是复变函数的积分公式，按定义计算比较困难。其一是查表法(略)；其二是变形法；第三是配换法；第四是分项分式法。这里简单介绍第二项，着重讲第四项。一、变形法(要利用好各个性质)例 1 已知 X(s)=-,求
17、x (t)s+a解：s 变量中有位移量a,原函数中必有衰减因子屋，原本是 1 (t)f L 现在是 e.l (t)=e-als-r(5+)例2 X(s)=(e 9-,求 x (t)(S +Q)+解：s 变量中有位移a,x (t)中必有衰减因子e*X(s)中有衰减；X(t)中的时间t必有位移T。对 于2 0 2的逆变换是s i n c o ts +c o 第一步变形原函数s i n a乘以衰减因子e,得x (t)1=e a，s i n f t t f第二步 变 形t位移r,即(t-?),得X(t)2=x (t)=e-f s i n旗f-r)二、分项分式法若X(s)为有理分式，即乂 0也/产+:+
18、比 ，(n m)Q“(s)gs+%s%分母多项式Q.(s)具有。个重根S o和4个单根S 1 S 2,显然1 1=+/1,则分母多项式Q n (s)=(s s。)(s 邑)(s 2)S i是实数也可能是虚数，是Q.(s)的零点，又是X(s)的极点。可化成:XV(/s)、=k oi +-kQ+2-kQ-v-:+k +k2.+k，S SQ(S 50)-(5 50)S Sf S S2 S S/在分项分式中，口、k,均为常数，称为X(s)的各极点处的留数。对于各个单项，则r =3,厂 -=一伊，附L s Sp(s%尸(q 1)!K如何求得？留数的求解1、比较系数法例：X(s)=s+-+2 s=o,-3
19、,-4 为三个单极点。s(s +3)(s +4)X(s)_+b +c _(a+O +c)/+(7a+4/?+3 c)s +1 2a 通分s s +3 5 +4 s(s +3)(s +4)联立方程：l=a+b+c4=7a+4 b+3 c2=1 2a解得 a=,/?=,c =6 3 22、极限法(留数规则)1 单极点处的留数(相对比较系数法简单一些)若S P是X(s)的分母多项式Q、(s)的一个单根，称s=p为X(s)的一个单极点。此时可设：x ($)=乙 =-+卬。“。)s-SpW(s)是余项，其中不再含有S-S。的因子。可写成：X(s)(S-S p )=K p+W(5)(S-S p )令 s
20、n S。，对等式两边取极限，可得K p T i m G f)x(s)例/曰题的 ：X一（s）、=-l-+-4-s-+-2-=k,+k?k&s（s+3）（s+4）s 5+3 s+4i,s +4s+2 1k产%li r n产$-5-(-5-+-3-)-(-5-+-4-)=一6.,c、s+4s+2 1kz=廿1 i mF G +3，)-s-(-s-+-3-)-(s-+-4-)-二一3i r /s+4s+2 1 比k 3=h m($+4)-=一 毕史7 5(5+3)(5+4)22、重极点处的留数若 So是X(s)的分母多项式Q i(s)的一个 重根，则称S二 So是一个V重极点。X(s)在v重极点处有
21、1/个留数k(n、心、心，此时可设k k kX（S）=+-7 +.+-+W（5）,W （s）中不含（S-So）oS （S S。）（5 5（）XG）（S-So）=G（S-%）I +L（s s0厂2 +.+L +w（s）G “）v令S f S o,两边取极限，得ko”=lim X(sX s_s。)S T S。为求即0(2=1.2.3 M-l),可对X(s)(s-%)求 阶 导 数，再令s-”,两边取极限，得16k0o=-_rX(s)(s-5o)例题：已 知 X(s)=3 s+2,求其留数。53(5-l)2(5-2)解(S f 0)是三重极点，(S f 1)是两重极点，(s-2)是单极点。v/1 0
22、2“3 瓦X（s）=,+4+/+一S S S S%+-1 G T）?+-5-2 3 5 3 s+2 _%=11 m5-；-=一5-0 S3（5-1）2（5-2）1 -d 3 s s+22 5 不 劈 户 I、$3（5-1）2（5一 2）1 -d 3 I S+2Q =-lirn-7s-（3-1）产出S3（5-1）2（S-2）4=l i m（s T）2x（s）=-25-1=l i mK sT）2x（s）=2（2 1）!asc=lim（s 2）x（s）=iS T2=-2=-3第四节 常系数线性微分方程的拉氏变换解微分方程=L变 换=象函数的代数方程原函数的微分方程 ul?逆变换 u象函数例题：求了+
23、2-3 y =e T的解，并满足初始条件；t-0,y(0)=0；r =0,y(0)=0解:L 变换 S2K(5)-sy(0)-y(0)+2(sY(s)-2y(0)-3 y(s)S 5 +1代入初始条件，求解代数方程。y山(s、)-5 -+-2-3 -1 -1 1 ._-1 -1-(5-1)(5+1)(5+3)-8 5-1 4+1 8 +3L逆变换 y(t)-e-e-e-3 毕8 4 8第 四 章 传递函数第一节传递函数的概念与性质对于单输入、单M出的线性定常系统，传递函数定义为“当输入量和输出量的一切初始值均为零时，输出量的拉氏变换和输入量的拉氏变换之比”。原函数描述的系统：输入 Xi (t)
24、=系统 h(t)=输出 x()(t)以象函数描述的系统：输入X (s)=系统G(s)n 输出X。(s)传递函数为：G(s)=演X,(s)传递函数是描述系统动态性能的数学模型的一种形式，是系统的复数域数学模型二、传递函数的一般形式线性定常系统的运动微分方程式的一般形式为：a()x 俨+q 邸I)+.+*_&+anx0=boxm)+blxmiy+.+bm_lxi+bmxi其 中a o.a,a,b(,b-b”,均为实常数。对上式做拉氏变换即可求得该系统的传递函数。传递函数具有以下三种常用形式：“八 _ XG)_ 如+如2 +”+/T 刑Xj($)劭/+.+*_$+%C Ox(s)g s aX s-s
25、 JX s-s%)型X,(s)a o(s-s“,)G-s“2).(s-s“)n P Gy 3 T H 口(2 +1)口(稔 2+2金4+1)G(s)=g J_-UI 型x，nn(3+i)n(*+D/=1 /=1 /=l其中，II型中，Sbl、s1,2 SM是 G(s)的零根，Sal、SQ Sa“是 G(S)的极点,也是分母多项式的根。这些根可以是单根、重根、实根或复根。若有复根，则必共辗复根同时出现。III型中，kl称为环节增益；.%.%是环节的时间常数；藐.品是环节的阻尼比。以上均为实常数，0 ,(X)=W-,(F)=G|2(S)Y6(S)、G22(S)J L=G(F)G 是传递矩阵，夕=华
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