机械控制工程课后习题解答
更新时间:2023-05-19 03:54:01 阅读量: 实用文档 文档下载
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
机械控制工程基础答案提示
第二章 系统的数学模型
2-1 试求如图2-35所示机械系统的作用力F(t)与位移y(t)之间微分方程和传递函数。
F(t)
图2-35 题2-1图
解:依题意: m
d2y t dt2dy t a
F t f ky t bdt
d2y t dy t a
故 m f kyt F t 2
dtbdt
Y s 传递函数: G s 2
Fsms fs k
2-2 对于如图2-36所示系统,试求出作用力F1(t)到位移x2(t)的传递函数。其中,f为粘性阻尼系数。F2(t)到位移x1(t)的传递函数又是什么?
图2-36 题2-2图
解:依题意:
d2x1 t dx1 t dx2 t
m1 对m1: F1 k1x1 t f 2 dt dt dt
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
对两边拉氏变换:F1 s k1x1 f sX1 s sX2 s m1sX1 s ①
2
d2x2 t dx1 t dx2 t
对m2: F2 t f k2x2 t m2dt2 dtdt
对两边拉氏变换:F2 s f sx1 s sx2 s k2x2 s m2sX2 s ②
2
m1s2 fs k1x1 s fsx2 s F1 s
故: 2
fsxs ms fs kxs FS12222
F1 s m2s2 fs k2 fsF2 s x1 s 2 m1s2 fs k1m2s2 fs k2 fs故得: 2
fsFs Fsms fs k1212 x2 s
222 m1s fs k1m2s fs k2 fs
故求F1 t 到x2 t 的传递函数 令:F2 s 0
G1 s
x2 s F1s
fs
ms
1
2
fs k1m2s2 fs k2 fs
2
fs
m1m2s4 fm1 m2s3 m1k2 m2k1s2 fk1 k2s k1k2
求F2 t 到x1 t 的传递函数 令:F1 s 0
G1 s
x1 s F2s
fs
ms
1
2
fs k1m2s2 fs k2 fs
2
fs
m1m2s4 fm1 m2s3 m1k2 m2k1s2 fk1 k2s k1k2
2-3 试求图2-37所示无源网络传递函数。
o
图2-37 题2-3图
解 (a)系统微分方程为
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
1
i1 t dt i2 t R1C
ui i2 t R1 i t R2 u0 i t R2
i t i1 t i2 t
拉氏变换得
1
I1 s R1I2 s Cs
Ui s I2 s R1 I1 s R2 U0 s I1 s R2I s I1 s I2 s
R2
R1Cs 1 U0 s R2 CsR1 1 R1 R2
消去中间变量I1 s ,I2 s ,I s 得:G s
R1R2UisR1 R2CsR1 1Cs 1R1 R2
(b)设各支路电流如图所示。
系统微分方程为
ui t R1i3 t u0 t R1i3 t L1
1 2 3 4
di2 t dt
u0 t
1
i4 t dtC2 di5 t
u0 t L2
dt
u0 t R2i6 t
5
i2 t i3 t i4 t i5 t i6 t 6
由(1)得:Ui s R1I3 s Uo s 由(2)得:R1I3 s L1sI2 s 由(3)得:Uo s
1
i4 s 。。。。。。。 (I4) C2s
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
由(4)得:Uo s L2sI5 s 由(5)得:Uo s R2I6 s
由(6)得:I2 s I3 s I4 s I5 s I6 s
故消去中间变量I1 s ,I2 s ,I3 s ,I4 s ,I5 s ,I6 s 得:
L2 L1
s 1
Uo s L1 L2 R1
LLR RUisL1L22
C2s2 121s 1L1 L2L LRR1212
2-4 证明L cos t
s
22
s
证明:设f t cos t
d2f t 2(1)
sFs sf0 f由微分定理有L 0 (1) 2
dt
由于f 0 cos0 1,f
1
0 sin0 0,
d2f t dt
2
2cos t (2)
将式(2)各项带入式(1)中得
22
L cos t sF s s
即 F s sF s s
2
2
整理得F s 2-5 求f(t)
s
22
s
12
t的拉氏变换。 2 12
解:F s L t 2令st x,得
12 st1 12
tedt 3 st e std st 220s
1
F s 3
2s
x2e xdx
由于伽马函数 n 1 所以F s
xne xdx n!,在此n 2
11
2! 33
2ss
2-6 求下列象函数的拉氏反变换。 (1)X(s)
5s 3
(s 1)(s 2)(s 3)
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
s2 2s 3
(2)X(s)
(s 1)3
(3)X(s) 解:(1)
1
3
s(s 1)(s 2)
X(s)
AAA5s 3
1 2 3
(s 1)(s 2)(s 3)s 1s 2s 3
5 1 3( 1 2)( 1 3)
1
A1 X(s)(s 1) s 1
同理 A2 7,A3 6
X(s)
176
s 1s 2s 3
拉式反变换得
x(t) e t 7e 2t 6e 3t
s2 2s 3 s 1 221
(2)X(s)
(s 1)3(s 1)3(s 1)3s 1
拉式反变换得
2
x(t) t2e t e t
(3)X(s)
A3A5A1A2A41
s(s 1)3(s 2)(s 1)3(s 1)2(s 1)ss 2
A1
11
1
s(s 2)s 1 1( 1 2)
2s 2 d 1
0 22
ds s(s 2)s(s 2) s 1s 1
A2
1d2
A3
2ds2
A4
1 1d 2s 2 s2(s 2)2 (s 1)(4s3 12s2 8s)
1 2 s(s 2) 2 44
s(s 2) s 12ds s(s 2) s 1s 1
11
(s 1)3(s 2)s 021s(s 1)3
s 2
A5
1 2
所以X(s)
1111
3
(s 1)s 12s2(s 2)
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
拉式反变换得
111
x(t) t2e t e t e 2t
222
2-7绘制图2-38所示机械系统的方框图。
f1
x
f2
y
图2-38 题2-7图
解
d x t y t dy t d2y t 依题意:k x t y t f1 f2 m
dtdtdt2
两边拉氏变换得:k X s Y s f1s X s Y s f2sY s msY s
2
k f1s X s Y s f2sY s ms2Y s
1
k f1s X s Y s f2sY s Y s 2
ms
故得方块图:
2-8 如图2-39所示系统,试求
(1) 以X(s)为输入,分别以Y(s)、X1(s)、B(s)、E(s)为输出的传递函数。 (2) 以N(s)为输入,分别以Y(s)、X1(s)、B(s)、E(s)为输出的传递函数。
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
图2-39 题2-8图
解
(1)G1 s
G1 s G2 s Y s
Xs1 G1sG2sHsY cs E s G1 s B s Y1 s G2 s H s
E s X s B s X s Y1 s G2 s H s
Y1 s X s Y1 s G2 s H s G1 s G2 s
故
Y1 s G1 s
X1s1 G1sG2sHsG1 s G2 s H s B s
Xs1 G1sG2sHs
G3 s G4 s
E s 1
Xs1 G1sG2sHsG2 s Y s G1 s
Ns1 G1sG2sHsG2 s
Y1 s G1 s G2 s H s
Ns1 G1sG2sHs(2)
G2 s H s B s G3 s
Ns1 G1sG2sHsG4 s
G2 s H s E s
Ns1 G1sG2sHs
2-9 化简如图2-40所示各系统方块图,并求其传递函数。
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
X(s)
Y(s)X(s)
Y(s)
X(s)
X(s)
Y(s)
Y(s)
图2-40 题2-9图
解:
(a) 第三回路传递函数:F2 s
G3
1 H3G3
第二回路传递函数:F2 s
G2 F3 s
1 G2F3sHsG2G3
G3H3G2G3
G2G3H21 G3H3 G2H2G31
1 G3H3
第一回路传递函数:故原图可化简为:
G1G2G3G1F2Y s
Xs1 G1H1F21 G2G3H2 G3H3 G1G2G3H1
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
(b)
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
(c)
(d)
F3 s
F2 s
G1
1 G1H1G2
1 G2H2
F3F2Y s
Xs1 H3F2F3
F s
2-10
解:
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
P1 G3P2 G1L1 G1H1L2 G2H2L3 G2 G1 L4 G2G3
L1L2 G1G2H1H2
△ 1 L1 L2 L3 L4 L1L2 1 G1H1 G2H2 G1G2 G2G3 G1G2H1H2 而L2与P1P2都不接触,所以
1 1 L2 1 G2H2 2 1 L2 1 G2H2
Y s P G s Xs故综上:
G3 1 G2H2 G1 1 G2H2
1 G1H1 G2H2 G1G2 G2G3 G1G2H1H2
G1 G3 1 G2H2
1 G1H1 G2H2 G1G2 G2G3 G1G2H1H2
k
k
k
P
第三章 时间特性分析法
3-1
解:依题意,系统的闭环传递函数为:G s
11
2
ss 1s s 1
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
Wn 1Wn 112
rad 1
2 2 arctan3
2
2
2 Wn 1 Wd Wn 2
arctan
Wd
2
3
tr
34 s 2.42 s
932
tp
Wd
23
3.63 s 3
1 2
Mp% e
ts
100% e
3
3
100% 16.4%
3
6s 5% Wn
4
8s 2% Wn
ts
3-2
解:依题意:
Y s Xsk 1 k
2
12
1
as b s2
k
2
s aks bk
bk 102 Wn b 10
2 Wn ak 10a Wn 5a
a2
则 Mp% e
2
100% e
a3
16% 0.16
a 1 a 1,b 10
3-3
解:依题意:
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
Mp% tp
1.3 1.0 100% 30%
1.0
0.1 Wd 10
Wd
2
Wn 33.65 e 100% 30%
2 0.36 Wn 10
Wn 1132.3
WnY s 1132.3G s 2
Xss 2 Wns Wn2s2 24.1s 1132.3Gs 1
2
2
G s
1132.3ss 24.13-4
k2
kkY s ss a 212解:依题意:
kXss as k22
1
ss ak1
由于阶跃值为2,故可知k1 2 而
k2 Wn
2
a 2 Wn
2.18 2.00 2
Mp% e 100% Wn 4.95 2.00 2 0.61 tp 0.8 1.25 Wd Wn Wd
k2 Wn 24.46a 2 6.01
2
3-5
解:依题意:
Y s
Xsk1ss 11 1 14s
k1ss 1
k1k1
2
ss 1 k11 ktss 1 k1kts k1
故可知:
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
k1 Wn
2
1 k1kt 2 Wn
Mp% etp
1 2
100% 15%
2
Wd
0.8s 1.25 Wn
Wn 4.59
0.52
k 21.05 1 kt 0.178 k1kt 1 4.74ttd r
2
2
arctan
tr
WdWn 2 td ts ts
0.538
tr
0.269s23 1.265 5% Wn4 1.686 2% Wn
3-6
解:依题意
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
dx2 t dx t m kxt f P t
dtdt2
X s 1
Psms2 fs k
300
P s
s
1300
X s
ms2 fs ks X limsX s lim
s 0
s 0
k 30000N
11
0.095
1300300
0.01m2
kms fs kk
Mp% 9.5%
ln
0.6
2
2 ln
tp
Wd
Wn
2
0.8Wn
2s
W 1.96n
k300002
Wn 1.962 m 7809kg
mm
f
2 Wn
m
f 2 Wnm 2 0.6 1.96 7809 18366N S
第四章 频率特性分析法
4-5用分贝数(dB)表达下列量:
(1)10;(2)100; (3)0.01;(4)1;
解:(1)10; L( )=20lg10=20 dB (3)0.01; L( )=20lg0.01=-40 dB
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
(2)100; L( )=20lg100=40dB (4)1; L( )=20lg1=0dB
4-6 当频率 1 2rad/s和 2 20rad/s时,试确定下列传递函数的幅值和相角。 (1)G1(s) 解 (1)
110
(2)G2(s)
s(0.1s 1)s
10
s1010
G j j
j 10
A G s
10
arctan arctan 900
0
1 2 A1 s 1 90o
1o 2 20rad A2 2 90
2
(2)
G2 s
1
s0.1s 111 0.1 2 j 1
G j 0.1 2 j 24242
j 0.1j 1 0.1 j 0.01 0.01 1
0.1 j
0.01 3
故
A
10.01 3
0.01 2 1
1
0.01 2 1
arctan
110
arctan 0.1
1 2rads A1 0.49, 1 101.3
2 20rads A2 0.022, 2 153.4
4-7 试求下列函数的幅频特性A( ),相频特性 ( ),实频特性U( )和虚频特性V( )。 (1)G1(j ) (1)
解:
530j 1
(2)G2(j )
1
j (0.j 1)
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
5
;
30j 1
5 30j 1 5
1 30 j G1 j
30j 1 30j 11 900 2
5 30
A , 1 w arctan arctan 30 21 900 G1 j U1
5900 2 1
,V1
150
900 2 1
(2) G2 w 解:
1
;
j 0.1j 11
0.1 2 j 12
G2 j 0.1 j22242
0.01 j 0.1 j 0.1 j 0.01
11
A2
422
0.01 0.01 1
2
0.1 o0
2 arctan 90 arctan 90 arctan 0.1 2
0.1 0.1 2 0.1 1
U2 ,V 2
0.01 4 20.01 2 10.01 4 20.01 3
10
4-8 设单位反馈系统的开环传递函数为G s ,当系统作用有以下输入信号:
s 1
(1) x t sin t 30
(2) x t 2cos 2t 45
(3) x t sin t 30 2cos 2t 45 求系统的稳态输出 。 解:
1 X t sint 30; 2 X t 2cos2t 45; 3 X t sint 30
2cos 2t 45
依题意:
10
Y s G s 10
10XsGs 1s 111
s 1
1010 11 jw G jw jw 11121 w210102
A w w
121 w2 w2
w arctan
w w
arctan 11 11
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
X1 t sint 300 w 1(1)当 A1 w
1
5.190 5011' 11
10
y1 t 0.905sint 300 5011' 0.905sint 24049'
0.905, 1 w arctan
(2)当
X2 t 2cos2t 450 w 2 A2 w
2
10.30 10018' 11
10
y2 t 0.894 2cos2t 450 10018' 1.788cos2t 55018'
0.894, 2 w arctan
(3) 当
X3 t sint 30依据叠加原理可可知:
y3 t y1 t y2 t 0.905sint 2449' 1.788cos2t 5518'
2cos 2t 45 X t X t X t
3
1
2
4-9 某单位反馈的二阶Ⅰ型系统,其最大百分比超调量为Mp% 16.3%,峰值时间tp 114.6ms,试求其开环传递函数,并求出闭环谐振峰值Mr和谐振频率 r。
解:依题意:
nY s G s s 2
Xss 2 ns n2Gs 1
2
G s
由
n
ss 2 n
Mp% e
1 2
100% 16.3%
ln
2
ln
2
1Mp%
2
12
1.814.16
0.5
1 ln Mp%
由
1
ln
0.163
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
tp
3.14 n 31.65 32 d n 2114.6 10 0.25tp
31.65231.65
G s
ss 31.65s0.0316s 1
11
Mr 1.1547
22
2 2 0.5 0.5
r n 2 2 31.65 2 0.52 22.38ra
4-10 画出下列传递函数的极坐标图。 (1) G(s) 解:(1) 依题意:
21 2s
(2) G(s)
s(1 0.02s)1 0.125s
8 2 15 j
G j 8
2
64 2
8 8 2 28 15
实频特性:U 虚频特性: V
64 264 2
则由
8 24 24 2
limu 1,limu lim 16 lim 16,limV 0
u w 64 2w w 0w 064 2
120 120120120
V V 7.5
64 2 216264
当且仅当
64
时取等号,此时 =8.
171 16
22
将 =8代入U中得到,U
故可得到如图所示的极坐标图。
(2)依题意
2100 50j
j 1 0.02j 2 502
100 5000
U 2,V
502 2 502G j
随着 的增大,U( ),V( )都增大。
limU
w 0
1001
,limV ,limU limV 0
w 0w 250025w 0
故可得到其极坐标图如图所示:
4-11 试绘出具有下列传递函数的系统的波德图。
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
(1) G s (2) G s
1
0.2s 1
2.5(s 10)
2
s(0.2s 1)1250(s 2)
s2(s2 6s 25)
(3) G s 解:(1)
4-12 已知各最小相位系统的对数幅频渐近特性曲线如图4-39所示。试分别写出对应的传递函数。
(1)20lgk 60 k 1000,无积分环节
祝守新,邢英杰,韩连英主编 清华大学出版社
惯性环节:
1
1ss 1 12200
;
1
;一阶微分环节:
1
s 1;惯性环节:400
11
s 14000
故传递函数:
1 1000 s 1
400 G s
1s1
1 s 1 s 1
2 200 4000
(2)
20lgk 12 k 3.98,惯性环节:
11
s 1100
故G s
3.98
1
s 1100
(3)20lgk 40 k 100 积分环节有两个为:
11
一阶微分环节:s 1 2
100s
1
100 s 1
1 100
惯性环节: 故G s
s 1 192 s 1 1000 1000
(4)
20lgk 20 k 10,积分环节:
11
,惯性环节:
ss
12
一阶微分环节:
11s
, 1;惯性环节:s110
1s 180200
1
100 s 1 10 故G s
s s s s 1 1 1 280200
(5)
20lgk 20 k 10 无积分环节
惯性环节:
11
s 10.05
11
, 一阶微分环节:2s+1
20s 110s 1
正在阅读:
机械控制工程课后习题解答05-19
云南省发展森林旅游SWOT分析与对策08-18
2021律师实习个人总结范文05-11
劳动关系管理实训二10-21
人教版七年级英语上册第8单元测试题与答案11-27
生化复习题(1) 201-10
生物制药技术复习题06-06
国家职业资格培训教程精华笔记- - 人力资源管理师(四级)06-09
水工程施工考试复习11-06
- 教学能力大赛决赛获奖-教学实施报告-(完整图文版)
- 互联网+数据中心行业分析报告
- 2017上海杨浦区高三一模数学试题及答案
- 招商部差旅接待管理制度(4-25)
- 学生游玩安全注意事项
- 学生信息管理系统(文档模板供参考)
- 叉车门架有限元分析及系统设计
- 2014帮助残疾人志愿者服务情况记录
- 叶绿体中色素的提取和分离实验
- 中国食物成分表2020年最新权威完整改进版
- 推动国土资源领域生态文明建设
- 给水管道冲洗和消毒记录
- 计算机软件专业自我评价
- 高中数学必修1-5知识点归纳
- 2018-2022年中国第五代移动通信技术(5G)产业深度分析及发展前景研究报告发展趋势(目录)
- 生产车间巡查制度
- 2018版中国光热发电行业深度研究报告目录
- (通用)2019年中考数学总复习 第一章 第四节 数的开方与二次根式课件
- 2017_2018学年高中语文第二单元第4课说数课件粤教版
- 上市新药Lumateperone(卢美哌隆)合成检索总结报告
- 课后
- 习题
- 解答
- 控制
- 机械
- 工程
- 二建各科目考试电子资料下载地址【精】
- 《景阳冈》第一课时 之一
- 2012年秋麻城一中预录模拟题数学试题(6)
- 七年级英语下册Module 6 Unit2学案外研版
- 30米箱梁张拉伸长量计算程序表
- 2015年冬季招聘会企业情况汇总信息发布
- 2015年秋季运动会讲话稿
- 小学典型应用题归类复习
- linux实习三 vi编辑和shell命令
- 4两条直线的位置关系(1)
- 17.1.2 反比例函数的图象和性质学案
- 液晶显示器颜色精确校正
- 鲅鱼圈最新公交线路
- 改革中的中国行政区划及其应然走向
- ABB成套设计(三常中文)ABB阀触发控制系统
- 新视野大学英语视听说第三版第4册
- 住友注塑机操作指引-中文经典-推荐
- 物流运输合作协议范本
- 第三章 机械零件的强度
- 苹果iPhone 5(16GB)参数