自动控制原理习题解析(第二版)配套胡寿松 第六版 课后习题答案解答

自动控制原理习题解析(第二版)配套胡寿松 第六版 课后习题答案解答卜二五”普通高等教育本科国家级规划教材《自动控制原理》立体化教材自动控制原理习题解析(第二版)胡寿松主编饼学出版社北京内容简介本书为胡寿松教授主编的教材《自动控制原理(第六版)》的学习指导性教学配套用书,兼容胡寿松教授主编的《自动控制原理(第五版)》。本书系统地给出了《自动控制原理(第六版)》中全部260道习题的详解,这些习题包含了概念题、基本题、证明题、工程应用题、MAT.AB题、设计题和难题等七类题型。本书在习题解析过程中给出了解题思想的友情提示,指明解题过程的注意事项,其解题步骤科学、完善.且一题多解.以便相互校核;特别是在对绝大多数习题的解析过程中给出了相应的 MATLAB验证程序,便于研究参数的不同选择对系统性能的影响,以选取最佳参数,从而丰富了解题内容,可进一步升华读者对控制理论的掌握和应用。书中附赠的《MATL.AB辅助分析与设计软件1.2》光盘,不但便于读者使用·而且给任课教师提供了生成数量不限的习题的题库功能,便于教师因人施教本书可作为自动控制、工业自动化、电气自动化、仪表及测试、机械及动力自动化等专业自动控制原理(含经典控制理论和现代控制理论)课程的教学配套教材,亦叮供广大考研人员和从事自动控制类的工程技术人员参考。图书在版编目(CIP)数据自动控制原理习题解析/胡寿松主编.2版.北京:科学出版社,2013.1十二五¨邇高等教育本科国家级规划教材·《自动控制原理》立体化教材ISBN978-7-03-03655-2l①自…·Ⅱ①胡…Ⅲ.①自动控制理论高等学校-题解Ⅳ.①IPl3-4中国版本图书馆CIP数据核字(2013)第017622号责任编辑:匡敏马长芳刘俊来/责任校对:陈玉凤责任印制:闰磊/封面设计:迷底书装斜学#版社出版北京东黄城根北街号邮政綱的:101,17http://www.sinop,even北京市文林印脊有限公司印刷科学出版社发行各地新华书店经销2007年6月第一版开本:787×10921/162013年1月第二版印张:252013年1月第八次印刷字数:645000定价:49.00元(含光盘)(如有印装质量问题,我社负责调换)前言本书是与胡寿松教授主编的教材《自动控制原理(第六版)》(科学出版社)配套的学习指导性教学用书,兼容胡寿松教授主编的教材《自动控制原理(第五版)》科学出版社)。为了满足广大读者学习和掌握自动控制技术的需求,同时也是为了杜绝众多强行与胡寿松主编《自动控制原理》配套的错误百出的所谓“三导”习题解答对读者的错误导向,我们编撰了这一本习题解析,以正视听。本书系统地给出了《自动控制原理(第六版)》一书中全部习题的详解,这些习题包含了概念题、基本题、证明题、工程应用题、 MATLAB题、设计题和难题等七类题型。在习题解析过程中,给出了解题指导思想的友情提示,且在科学、完善的解答后,给出求解的MATLAB文本,这不但便于核实运算结果的正确性,而且便于修改参数,完善控制系统设计性能。本书图文并茂,可使读者进一步升华对控制理论的掌握和应用。书中附赠《 MATLAB辅助分析与设计软件1.2》光盘,以利于教和学。本书强化了理论联系实际的举措,紧密结合工程应用,其中设计及应用习题涉及多个应用领域。在民用工业控制方面,有双摆系统建模、机器人关节指向控制、造纸系统张力控制机械爪系统性能分析、打磨机器人参数选择、热轧机控制、自动化高速公路系统、汽车点火系统调节、机器人双手协调控制、运动场摄像杋移动控制、磁悬浮系统分析、汽车悬架系统控制等;在航空航天方面,有宇航员机动控制、飞机横滚控制、垂直起飞飞机稳定性分析、火星漫游车导向控制、空间站方位控制、变质量民航机控制、航天飞机机械臂控制、空间机器人控制、卫星回收系统参数选择、空间站柔性臂控制、太阳黑子观测系统控制、空间机器人的内模控制等;在船舶工业方面,有船舶航向控制、游船消摆控制等;在生物医疗保健方面,有城市生态系统建模、医用激光操纵系统控制、医用麻醉系统参数选择、电动轮椅速度控制等。众多的工程应用,可使读者开阔眼界,扩大专业知识领域。我们相信,通过学习和应用本书,读者一定会在定性分析能力、定量计算能力、综合运用能力、 MATLAB编程能力以及数形结合能力等方面,得到进一步提高。本书由南京航空航天大学胡寿松教授主编。在本书编著过程中,得到了陶洪峰、张军峰、张敏、孙新柱、何亚群、刘亚、王源、徐德友、杜贞斌、张正道、侯霞、蔡俊伟、许洁、袁侃、张绍杰、夏莹、黄红梅、胥霜霞、黄小波、刘舂生、丁勇、陈复扬、王凤如、王从庆等的支持和协助在此深致谢忱。对于本书存在的疏漏和不妥之处,恳请广大读者不吝指正。胡寿松2012年12月本书各章题目中的图号同于主教材《自动控制原理(第六版)》,而解题过程中出现的图,其图号以题排序目录前言第一章自动控制的一般概念第二章控制系统的数学模型…8第三章线性系统的时域分析法…………38第四章线性系统的根轨迹法…83第五章线性系统的频域分析法……………134第六章线性系统的校正方法177第七章线性离散系统的分析与校正219第八章非线性控制系统分析·……255第九章线性系统的状态空间分析与综合300第十章动态系统的最优控制方法……………359参考文献…393第一章自动控制的一般概念1-1图1-21是液位自动控制系统原理示意图。在任意情况下,希望液面高度c维持不变,试说明系统工作原理并画出系统方块图。控制阀门浮子电位器减速器用水开关电动机23图1-21液位自动控制系统原理图解本题硏究液位自动控制系统工作原理,并绘制相应的系统方块图。当电位器电刷位于中点位置时,电动机不动,控制阀门有一定的开度,使水箱中流入水量与流出水量相等,从而液面保持在希望高度c上。一旦流入水量或流出水量发生变化,水箱液面高度c便相应变化。例如,当液面升高时,浮子位置亦相应升高,杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移,从而给电动机提供一定的控制电压,驱动电动机通过减速器减小阀门开度,使进入水箱的流量减少。此时,水箱液面下降,浮子位置相应下降,直到电位器电刷回到中点位置,系统重新处于平衡状态,液面恢复给定高度。反之,若水箱液位下降,则系统会自动增大阀门开度,加大流入水量,使液位升到给定高度c液位自动控制系统原理方块图如图1-1-1所示给定液位实际液位○浮子杠杆电位器伺服电动机与减速器阀门水箱图1-1-1液位自动控制系统方块图1-2图1-22是仓库大门自动控制系统原理图。试说明系统自动控制大门开闭的工作原理并画出系统方块图。解本题研究位置控制系统工作原理以及相应系统方块图的绘制。当合上开门开关时,电位器桥式测量电路产生一个偏差电压信号。此偏差电压经放大器放大后,驱动伺服电动机带动绞盘转动,使大门向上提起。与此同时,与大门连在一起的电位器电刷上移,使桥式测量电路重新达到平衡,电动机停止转动,开门开关自动断开。反做大器“Q)开门开关关门开关图1-22仓库大门自动控制系统原理图之,当合上关门开关时,伺服电动机反向转动,带动绞盘转动使大门关闭,从而实现了远距离自动控制大门开启的要求。仓库大门自动控制系统原理方块图如图1-2-1所示。开门位置实际位置○电桥电路放大器伺服电动机绞盘大门关门位置图1-2-1仓库大门自动控制系统方块图1-3图1-23(a)和(b)均为自动调压系统。设空载时,图(a)和图(b)的发电机端电压均为110V。试问带上负载后,图(a)和图(b)中哪个系统能保持110V电压不变?哪个系统的电压会稍低于110V?为什么?负载负载KSM图1-23自动调压系统解本题通过自动调压系统工作原理的分析,使学生学会区分有差系统和无差系统。系统带上负载以后,图1-23(a)和(b)两个系统的端电压均会下降。但是图1-23(a)中的系统由于自身调压作用能够恢复到110V,而图1-23(b)中的系统不能够恢复到110V,其端电压将稍低于110V。对于图1-23(a)中的自动调压系统,当发电机两端电压低于给定电压时,其偏差电压经放大器放大使伺服电机SM转动,经减速器带动电刷,使发电机的激磁电流增大,提高发电机G的端电压,从而使偏差电压减小,直到偏差电压为零,致使伺服电机停止转动。因此,图1-23(a)中的自动调压系统能保持端电压110V不变对于图1-23(b)中的自动调压系统,当发电机两端电压低于给定电压时,其偏差电压直接经放大器使发电机的激磁电流增大,提温度控制器高发电机的端电压,即发电机G的端电压回升,此时偏差电压减小,但偏差电压始终不蒸汽温度能为零,因为当偏差电压为零时,激磁电流也为零,发电机不能工作。因此,图1-23(b)热水中的自动调压系统端电压会低于110V。冷水热交换器1-4图1-24为水温控制系统原理示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热,从而得到一定温度的热水。冷水流量按流量顺馈流量计变化用流量计测量。试绘制系统方块图,并说明为了保持热水温度为期望值,系统图1-24水温控制系统原理图是如何工作的?系统的被控对象和控制装置各是什么?解本题通过温度控制系统工作原理的分析,使学生掌握系统方块图的绘制方法,并正确区分被控对象和控制器水温控制系统的方块图如图1-4-1所示。流量计冷水流量给定温度热水温度温度控制器阀门热交换器温度传感器图1-4-1水温控制系统方块图水温控制系统是复合控制系统,它的控制方式是把按偏差的闭环控制与按扰动补偿的顺馈控制结合起来。釆用温度负反馈,由温度控制器对热水温度进行自动控制。若热水温度过高,控制器使阀门关小,减小蒸汽量,热水温度回到给定值。冷水流量是主要扰动量,用流量计测量扰动信号,将其送到控制器输入端,进行扰动顺馈补偿。当冷水流量减少时,补偿量减小,通过温度控制器使阀门关小,蒸汽量减少,以保持热水温度恒定。系统的被控对象是热交换器,被控量是热水温度,控制装置是温度控制器。1-5图1-25是电炉温度控制系统原理示意图。试分析系统保持电炉温度恒定的工作过程,指出系统的被控对象、被控量以及各部件的作用,最后画出系统方块图。解本题以炉温控制系统为例,要求通过工作原理分析,绘制系统方块图,并明确系统组成。给定电压电炉热电偶团电压功率放大放大电阻丝220V22222图1-25电炉温度控制系统原理图电炉使用电阻丝加热,并要求保持炉温恒定。图中釆用热电偶来测量炉温并将其转换为电压信号,将测量得到的电压信号反馈到输入端,与给定电压信号反极性连接,实现负反馈。二者的差值称为偏差电压,它经电压放大和功率放大后驱动直流伺服电动机。电动机经减速器带动调压变压器的可动触头,改变电阻丝的供电电压,从而调节炉温。当炉温偏低时,测量电压u小于给定电压u。,二者比较的偏差电压为△4=u0-u。由于Δa为正,电动机“正”转,使调压器的可动触头上移,电阻丝的供电电压增加,电流加大,炉温上升,直至炉温升至给定值为止。此时,u=l,△u=0,电动机停止转动,炉温保持恒定。当炉温偏高时,△a为负,经放大后使电动机“反”转,调压器的可动触头下移,使供电电压减小,直至炉温等于给定值为止。系统的被控对象是电炉,被控量是电炉炉温,伺服电动机、减速器、调压器是执行机构,热电偶是检测元件。电炉温度控制系统的方块图如图1-5-1所示。给定△n电压功率伺服电位器放大器「放大器电机减速器调压器电炉热电偶图1-5-1电炉温度控制系统方块图1-6图1-26是自整角机随动系统原理示意图。系统的功能是使接受自整角机TR的转子角位移θ与发送自整角机TX的转子角位移θ,始终保持一致。试说明系统是如何工作的,并指出被控对象、被控量以及控制装置各部件的作用并画出系统方块图。解本题以角度随动系统为例,要求分析系统工作原理,绘出系统方块图,并明确系统组成。发送自整角机的转子与给定轴(主动轴)相连;接收自整角机的转子与负载轴(从动轴)相连。TX与TR组成角差测量电路。若发送自整角机的转子离开平衡位置转过一个角度0,则在接收自整角机转子的单相绕组上将感应出一个偏差电压u2,它是一个振幅为um、频率与发送自整角机激磁频率相同的交流调幅电压,即