自动控制第三章答案

3-1

?(t)?2r(t) （1） 0.2c??(t)?0.24c?(t)?c(t)?r(t) （2） 0.04c试求系统闭环传递函数Φ(s),以及系统的单位脉冲响应g(t)和单位阶跃响应c(t)。已知全

部初始条件为零。 解：

（1） 因为0.2sC(s)?2R(s)

闭环传递函数?(s)?C(s)10? R(s)st?0

t?0

R(s)

0.04s2?0.24s?1单位脉冲响应：C(s)?10/s g(t)?10单位阶跃响应c(t) C(s)?10/s2 c(t)?10t2（2）(0.04s?0.24s?1)C(s)?R(s) C(s)?闭环传递函数?(s)?C(s)1? 2R(s)0.04s?0.24s?125?3t1g(t)?esin4t 20.04s?0.24s?13单位脉冲响应：C(s)?单位阶跃响应h(t) C(s)?251s?6??

s[(s?3)2?16]s(s?3)2?163c(t)?1?e?3tcos4t?e?3tsin4t

413-2 温度计的传递函数为，用其测量容器内的水温，1min才能显示出该温度的

Ts?198%的数值。若加热容器使水温按10oC/min的速度匀速上升

长沙理工大学自控控制原理精品课程 第三章习题解答

3-1 设系统特征方程式：

s4?2s3?Ts2?10s?100?0

试按稳定要求确定T的取值范围。

解：利用劳斯稳定判据来判断系统的稳定性，列出劳斯列表如下：

s4s3 s212T?5(10T?250)/(T?5)100T10100100

s1s0欲使系统稳定，须有

?T?5?0?T?25 ??10T?250?0 故当T>25时,系统是稳定的。

3-2 已知单位负反馈控制系统的开环传递函数如下，试分别求出当输入信号为,

1(t),t和t2 时，系统的稳态误差essp(?),essv(?)和essa(?).

(1)D(s)?10(0.1s?1)(0.5s?1)(2)D(s)?7(s?1)8(0.5s?1)(3)D(s)?s(s?4)(s2?2s?2)s2(0.1s?1)

解：（1）根据系统的开环传递函数可知系统的特征方程为： D(s)?(0.1sz?1)(0.5s?1)?10?0.05s?0.6s?11?0

由赫尔维茨判据可知，n=2且各项系数为正，因此系统是稳定的。由G(s)

可知，系统是0型系统，

第2章 模糊控制

3.1 模糊控制的基本思想

研究和考虑人的控制行为特点，对于无法构造数学模型的对象让计算机模拟人的思维方式，进行控制决策。

将人的控制行为，总结成一系列条件语句，运用微机的程序来实现这些控制规则。 在描述控制规则的条件语句中的一些词，如“较大”、“稍小”、“偏高”等都具有一定的模糊性，因此用模糊集合来描述这些模糊条件语句，即组成了所谓的模糊控制器。 3.2 模糊集合的定义

模糊集合的定义：给定论域U，U到[0,1]闭区间的任一映射μA

μA:U?[0,1]

都确定U的一个模糊集合A, μA称为模糊集合且的隶属函数。

μA(x)的取值范围为闭区间[0,1]，μA(x)接近1，表示x属于A的程度高；μA(x)接近0，表示x

属于A的程度低。

3.3 常用的3种模糊集合的表示方法， (1)Zadeh表示法

用论域中的元素xi与其隶属度μA(xi)按下式表示A，则

在Zadeh表示法中，隶属度为零的项可不写入。

(2)序偶表示法

用论域中的元素xi与其隶属度μA(xi)的构成序偶来表示且，则

在序偶表示法中，隶属度为零的项可省略。 (3)向量表示法

用论域中元素xi的隶属度μA(xi)构成向量来表示，则

在向量表

第三章 金属凝固热力学与动力学

1． 试述等压时物质自由能G随温度上升而下降以及液相自由能GL随温度上升而下降的斜率大于固相GS的斜率的理由。并结合图3-1及式（3-6）说明过冷度ΔT是影响凝固相变驱动力ΔG的决定因素。

答：(1)等压时物质自由能G随温度上升而下降的理由如下：

由麦克斯韦尔关系式：

dG??SdT?VdP （1）

??F???F??y)??dy ?dx??????x?y??y?x??G???G??dT???dP （2）

??T?P??P?T??G????V ?P??T并根据数学上的全微分关系：dF(x,得： dG????G????S,比较（1）式和（2）式得： ??T??P等压时dP =0 ，此时 dG??SdT????G??dT （3） ??T?P由于熵恒为正值，故物质自由能G随温度上升而下降。

(2)液相自由能GL随温度上升而下降的斜率大于固相GS的斜率的理由如下： 因为液态熵大于固态熵，即： SL ＞ SS 所以：

第三章飞行器的运动方程 3.1 刚体动力学方程的推导 1.刚体飞行器运动的假设

1)认为飞行器不仅是刚体,而且质量是常数；

2)假设地面为惯性参考系，即假设地面坐标为惯性坐标； 3）忽略地面曲率，视地面为平面； 4）假设重力加速度不随飞行高度而变化；

5）假设机体坐标系的x?o?z平面为飞行器对称平面，且飞行器不仅几何外形对称，而且内部质量分布亦对称，惯性积Ixy?Izy?0 2.旋转坐标系中向量的导数

设活动坐标系Oxbybzb具有角速度?（见图3.1-1）。向量?在此坐标系中的分量为p,q,r，即

?????pi?qj?rk ??? （3.1-1）

??其中i、j?、k是xb、yb、zb轴的单位向量。

?i

xb

?j

O

?k

yb

zb

??

图3.1-1

设有一个可变的向量a(t)，它在此坐标系中的分量为ax,ay,az，即

???? a?axi?ayj?azk （3.1-2）

?由上式求向量a(t)对时间t的导数：

??da??????dadaxdazdidjdky?i?j?k?ax?ay?azdtdtdtdtdtdtdt? （3.1-3）

从理论力学知

第2章 模糊控制

3.1 模糊控制的基本思想

研究和考虑人的控制行为特点，对于无法构造数学模型的对象让计算机模拟人的思维方式，进行控制决策。

将人的控制行为，总结成一系列条件语句，运用微机的程序来实现这些控制规则。 在描述控制规则的条件语句中的一些词，如“较大”、“稍小”、“偏高”等都具有一定的模糊性，因此用模糊集合来描述这些模糊条件语句，即组成了所谓的模糊控制器。 3.2 模糊集合的定义

模糊集合的定义：给定论域U，U到[0,1]闭区间的任一映射μA

μA:U?[0,1]

都确定U的一个模糊集合A, μA称为模糊集合且的隶属函数。

μA(x)的取值范围为闭区间[0,1]，μA(x)接近1，表示x属于A的程度高；μA(x)接近0，表示x

属于A的程度低。

3.3 常用的3种模糊集合的表示方法， (1)Zadeh表示法

用论域中的元素xi与其隶属度μA(xi)按下式表示A，则

在Zadeh表示法中，隶属度为零的项可不写入。

(2)序偶表示法

用论域中的元素xi与其隶属度μA(xi)的构成序偶来表示且，则

在序偶表示法中，隶属度为零的项可省略。 (3)向量表示法

用论域中元素xi的隶属度μA(xi)构成向量来表示，则

在向量表

3.4 解：

双线性变换法：

21?z?11?z?1?由于T=2，则：s?

T1?z?11?z?1H(z)?Ha(s)|11|??121?z1?zs?s?1?z?121?z?1s?s?1?1?11?z1?z()??11?z?11?z?1(1?z?1)2? ?12?1?1?12(1?z)?(1?z)(1?z)?(1?z)?1?1?2z?1?z?2?3?z?2脉冲响应不变法：

Ha(s)?1s2?s?1?j33j?331313s?(??j)s?(??j)2222

33?jj33H(z)??13131?e?(??j)T22?z?1?1?ej?(?j)T22z?1?j1?e33z333)?1(?1?j3)?11?e?(1?jz

3.7 解：

数字滤波器的截止频率为：

2?fc2??103wc?2?fcT???1

fs6.28318?103根据脉冲响应不变法，模拟滤波器的截止频率?c?2?fc?wc/T?三阶巴特沃斯滤波器的归一化系统函数为：Ha(s)?进行反归一化，令s?s/?c，则

11 T1 231?2s?2s?s?c31Ha(s)??3231?2s/?c?2(s/?c)?(s/?c)?c?2s?c2?2s2?c?s3?c?(?c/3)ej?/6

3-1 设有一群粒子按速率分布如下： 粒子数Ni 速率Vi（m/s）

试求(1)平均速率V；（2）方均根速率V 解：（1）平均速率：

V?2?1.00?4?2.00?6?3.00?8?4.00?2?5.00?3.18(m/s)

2?4?6?8?222 1.00 4 2.00 6 3.00 8 4.00 2 5.00 （3）最可几速率Vp

(2) 方均根速率

V2??NiVi2?3.37(m/s)

?Ni(3) 最可几速率Vp=4(m/s).

3-7 试就下列几种情况，求气体分子数占总分子数的比率： （1） 速率在区间vp～1.0vp1内 （2） 速度分量vx在区间vp～1.0vp1内

（3） 速度分量vp、vp、vp同时在区间vp～1.0vp1内

解：设气体分子总数为N，在三种情况下的分子数分别为△N1、△N2、△N3 （1） 由麦氏速率分布律： △ N=?dN??dN??dN

V100V2V2V1令v2=1.01vp，vi=vp，xi?题结果可得；

vivv，则x1?1?1，x2?2?1.01，利用16vpvpvp22?N122?erf(x2)?x2e?x2?erf(x

习题 一、填空题

1．晶体管工作在放大区时，具有 发射结 正偏、 集电结 反偏的特点。 2.晶体管工作在饱和区时，具有 发射结 正偏、 集电结 正偏的特点。 3. 饱和失真和截止失真属于 非线性失真 ，频率失真属于 线性失真 。 4.共集电极放大器又叫射极输出器，它的特点是：输入电阻 高 （高、低）；输出电阻

低 （高、低）；电压放大倍数约为 1 。

5.多级放大器由输入级、____中间级_____ 和输出级组成；其耦合方式有__阻容耦合____和直接耦合、变压器耦合三种；集成运算放大器运用的是 直接耦合 耦合方式。 6．三种最基本组态的放大器分别是共基极放大电路、___共发射极_______和___共集电极。其中输入电阻最大的是 共集电极 电路，而输出电阻最小的是 共集电极 电路。 7.多级放大电路的电压放大倍数为各级电压放大倍数的 乘积 。输入电阻约等于 第一级的输入电阻 电阻，而输出电阻约等于 输出级的输出电阻 电阻。

8.多级放大器总的上限频率比其中任何一级的上限频率都要__低___(高/

3.5.1 质量为2kg的质点的运动学方程为

???(3t2?3t?1)?， 求证质点受恒力而运动，并求力的方向r?(6t2?1)ij（单位：米，秒）

大小。

??6???12?解：∵a?d2r/dt2?12ij, F?ma?24ij 为一与时间无关的恒矢量，∴

质点受恒力而运动。

F=(242+122)1/2=125N，力与x轴之间夹角为：

??????arctgFy/Fx?arctg0.5?26?34'

3.5.2 质量为m的质点在o-xy平面内运动，质点的运动学方程为：

???bsin?t?r?acos?tij，a,b,ω为正常数，证明作用于质点的合力总指向原点。

??bsin?t?证明：∵a?d2r/dt2???2(acos?tij)???2r ???F?ma??m?2r, ∴作用于质点的合力总指向原点。

3.5.3 在脱粒机中往往装有振动鱼鳞筛，一方面由筛孔漏出谷粒，一方面逐出秸杆，筛面微微倾斜，是为了从较低的一边将秸杆逐出，因角度很小，可近似看作水平，筛面与谷粒发生相对运动才可能将谷粒筛出，若谷粒与筛面静摩擦系数为0.4，问筛沿水平方向的加速度至少多大才能使谷物和筛面发生相对运动？

解：以地为参考系，设谷物的质量为m