控制工程基础答案.doc

第2章系统的数学模型 (习题答案)2.1什么是系统的数学模型？常用的数学模型有哪些？解：数学模型就是根据系统运动过程的物理、化学等规律，所写出的描述系统运动规律、特性、输出与输入关系的数学表达式。常用的数学模型有微分方程、传递函数、状态空间模型等。2.2 什么是线性系统？其最重要的特性是什么？解：凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。线性系统的一个最重要的特性就是它满足叠加原理。2.3 图( 题2.3) 中三图分别表达了三个机械系统。求出它们各自的微分方程, 图中xi表达输入位移, xo表达输出位移, 假设输出端无负载效应。题图2.3解：图(a)：由牛顿第二运动定律，在不计重力时，可得整理得将上式进行拉氏变换，并注意到运动由静止开始，即初始条件所有为零，可得于是传递函数为图(b)：其上半部弹簧与阻尼器之间，取辅助点A，并设A点位移为x，方向朝下；而在其下半部工。引出点处取为辅助点B。则由弹簧力与阻尼力平衡的原则，从A和B两点可以分别列出如下原始方程：消去中间变量x，可得系统微分方程对上式取拉氏变换，并记其初始条件为零，得系统传递函数为图(c)：以的引出点作为辅助点，根据力的平衡原则，可列出如下原始方程：移项整理得系统微分方程对上式进行拉氏变换，并注意到运动由静止开始，即则系统传递函数为2.4试建立下图（题图2.4）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。题图2.4【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：消去中间变量，整理得：方法二：由于无质量，各受力点任何时刻均满足，则有：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。2.5试求下图（题图2.5）所示各电路的传递函数。题图2.5【解】：可运用复阻抗的概念及其分压定理直接求传递函数。(a) (b) (c) (d)2.6求图( 题图2.6) 所示两系统的微分方程。题图2.6解（1）对图（a）所示系统，由牛顿定律有即（2）对图（b）所示系统，由牛顿定律有其中2.7 求图( 题图2.7) 所示机械系统的微分方程。图中M为输入转矩，Cm为圆周阻尼，J 为转动惯量。圆周半径为R，设系统输入为M（即M(t)），输出为（即），题图2.7解：分别对圆盘和质块进行动力学分析，列写动力学方程如下：消除中间变量x，即可得到系统动力学方程+k(c)2.8 求图( 题图2.8) 所示系统的传递函数（f(t)为输入，y2(t)为输出）。解分别对，进行受力分析，列写其动力学方程有对上两式分别进行拉氏变换有消除得2.9 若系统传递函数方框图如图(题图2.9) 所示, 求：(1) 以R(s)为输入，当N(s) = 0 时，分别以C(s)，Y(s)， B(s)，E(s) 为输出的闭环传递函数。(2) 以N(s)为输入，当R(s) = 0 时，分别以C(s)，Y(s)，B(s)，E(s) 为输出的闭环传递函数。(3) 比较以上各传递函数的分母，从中可以得出什么结论。题图2.8 题图2.9解（1）以为输入，当N()=0时：若以C()为输出，有若以Y()为输出，有若以B()为输出，有若以E()为输出，有（2）以为输入，当R()=0时：若以C()为输出，有若以Y()为输出，有若以B()为输出，有若以E()为输出，有（3）从上可知：对于同一个闭环系统，当输入的取法不同时，前向通道的传递函数不同，反馈回路的传递函数不同，系统的传递函数也不同，但系统的传递函数分母保持不变，这是由于这一分母反映了系统的固有特性，而与外界无关。2.10 求出图( 题图2 .10) 所示系统的传递函数。题图2.10解方法一：运用公式（2.3.1），可得方法二：运用方框图简化规则，有图（题2.16.b）2.11 求出图( 题图2 .11) 所示系统的传递函数。解根据方框图简化的规则，有图（题2.17.b）题图2.112.12 图(题图2 .12) 所示为一个单轮汽车支撑系统的简化模型。代表汽车质量，B代表振动阻尼器，为弹簧，为轮子的质量，为轮胎的弹性，试建立系统的数学模型。题图2.12问题2 质点振动系统。这是一个单轮汽车支撑系统的简化模型。代表汽车质量，B代表振动阻尼器，为弹簧，为轮子的质量，为轮胎的弹性，建立质点平移系统数学模型。解答：拉氏变换：2.13 液压阻尼器原理如图(题图2.13)所示。其中，弹簧与活塞刚性联接，忽略运动件的惯性力，且设为输入位移，为输出位移，k弹簧刚度，c为粘性阻尼系数，求输出与输入之间的传递函数。题图2.13解：1）求系统的传递函数 活塞的力平衡方程式为经拉氏变换后有解得传递函数为式中，为时间常数。2.14 由运算放大器组成的控制系统模拟电路图如图(题图2.14)所示，试求闭环传递函数题图2.14解：式（1）（2）（3）左右两边分别相乘得即所以：2.15 某位置随动系统原理方块图如图(题图2.15)所示。已知电位器最大工作角度，功率放大级放大系数为，规定：(1) 分别求出电位器传递系数、第一级和第二级放大器的比例系数和；(2) 画出系统结构图；(3) 简化结构图，求系统传递函数；题图2.15 位置随动系统原理图解：（1）=3 =2（2）系统结构图如下：（3）系统传递函数2.16 设直流电动机双闭环调速系统的原理图如图(题图2.16)所示，规定：(1)分别求速度调节器和电流调节器的传递函数；(2)画出系统结构图（设可控电路传递函数为；电流互感器和测速发电机的传递函数分别为和）；(3)简化系统结构图，求系统传递函数。题图2.16 直流电动机调速系统原理图解：（1）速调流调（2）系统结构图如下(3)简化结构图，求系统传递函数由于求系统传递函数，所以令，系统结构图如下：所以：