習(xí)

題

2.1

什么是線性系統(tǒng)?其最重要的特性是什么?下列用微分方程表示的系統(tǒng)中,表示系統(tǒng)輸出,表示系統(tǒng)輸入,哪些是線性系統(tǒng)?

(1)

(2)

(3)

(4)

解:

凡是能用線性微分方程描述的系統(tǒng)就是線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的一個(gè)最重要特性就是它滿足疊加原理。該題中（2）和（3）是線性系統(tǒng)。

2.2

圖（題2.2）中三同分別表示了三個(gè)機(jī)械系統(tǒng)。求出它們各自的微分方程，圖中表示輸入位移，表示輸出位移，假設(shè)輸出端無(wú)負(fù)載效應(yīng)。

圖(題2.2)

解:

(1)對(duì)圖(a)所示系統(tǒng)，由牛頓定律有

即

(2)對(duì)圖(b)所示系統(tǒng)，引入一中間變量x,并由牛頓定律有

消除中間變量有

(3)對(duì)圖(c)所示系統(tǒng)，由牛頓定律有

即

2.3求出圖(題2.3)所示電系統(tǒng)的微分方程。

圖（題2.3）

解:(1)對(duì)圖(a)所示系統(tǒng),設(shè)為流過(guò)的電流,為總電流,則有

消除中間變量,并化簡(jiǎn)有

(2)對(duì)圖(b)所示系統(tǒng)，設(shè)i為電流，則有

消除中間變量,并化簡(jiǎn)有

2.4

求圖(題2.4)所示機(jī)械系統(tǒng)的微分方程。圖中M為輸入轉(zhuǎn)矩,為圓周阻尼，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

解：設(shè)系統(tǒng)輸入為M（即），輸出(即)，分別對(duì)圓盤(pán)和質(zhì)塊進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，列寫(xiě)動(dòng)力學(xué)方程如下：

消除中間變量,即可得到系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程

2.5

輸出y(t)與輸入x(t)的關(guān)系為y(t)=

2x(t)+0.5(t)。

（1）求當(dāng)工作點(diǎn)為=0,=1,=2時(shí)相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出值；

（2）在這些工作點(diǎn)處作小偏差線性化模型，并以對(duì)工作的偏差來(lái)定義x和y，寫(xiě)出新的線性化模型。

解:

(1)

將

=0,=1,=2分別代入y(t)=

2x(t)+0.5(t)中,即當(dāng)工作點(diǎn)為=0,=1,=2時(shí)相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)輸出值分別為。

(2)

根據(jù)非線性系統(tǒng)線性化的方法有，在工作點(diǎn)附近,將非線性函數(shù)展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù),并略去高階項(xiàng)得

若令,有

當(dāng)工作點(diǎn)為時(shí),當(dāng)工作點(diǎn)為時(shí),當(dāng)工作點(diǎn)為時(shí),2.6已知滑閥節(jié)流口流量方程式為，式中．Q為通過(guò)節(jié)流閥流口的流量；p為節(jié)流閥流口的前后油壓差；為節(jié)流閥的位移量；c為疏量系數(shù)；w為節(jié)流口面積梯度；為油密度。試以Q與p為變量（即將Q作為P的函數(shù)）將節(jié)流閥流量方程線性化。

解：利用小偏差線性化的概念，將函數(shù)Q=F(，p)在預(yù)定工作點(diǎn)F(，)處按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)為

消除高階項(xiàng)，有

若令，將上式改寫(xiě)為增量方程的形式

2.7

已知系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程如下,試寫(xiě)出它們的傳遞函數(shù)Y(s)/R(s)。

（1）

（2）

（3）

（4）

解：根據(jù)傳遞函數(shù)的定義，求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，只需將其動(dòng)力學(xué)方程兩邊分別在零初始條件下進(jìn)行拉式變換，然后求Y(s)/R(s)。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.8

如圖（題2.8）為汽車(chē)或摩托車(chē)懸浮系統(tǒng)簡(jiǎn)化的物理模型，試以位移x為輸入量，位移y為輸出量，求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Y(s)/X(s)。

2.9

試分析當(dāng)反饋環(huán)節(jié)H(s)=1,前向通道傳遞函數(shù)G(s)分別為慣性環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)時(shí)，輸入、輸出的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

解：由于慣性環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)分別為，,而閉環(huán)傳遞函數(shù)為,則

(1)當(dāng)反饋環(huán)節(jié)H(s)=1,前向通道傳遞函數(shù)G(s)為慣性環(huán)節(jié)時(shí)，(2)

當(dāng)反饋環(huán)節(jié)H(s)=1,前向通道傳遞函數(shù)G(s)為微分環(huán)節(jié)時(shí)，(3)當(dāng)反饋環(huán)節(jié)H(s)=1,前向通道傳遞函數(shù)G(s)為積分環(huán)節(jié)時(shí)，2.10

證明圖（題2.10）與圖（題2.3（a）所示系統(tǒng)是相似系統(tǒng)（即證明兩系統(tǒng)的傳遞函數(shù)具有相同形式）。

解：對(duì)題2.4(a)系統(tǒng)，可列出相應(yīng)的方程。

對(duì)以上三式分別作Laplce別換，并注意到初始條件為零,即

則,得,得,得

即

則

將(4)式中的代入(9)式

再用(4)式與上式相比以消去,即得電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

而本題中，引入中間變量x,依動(dòng)力學(xué)知識(shí)有

對(duì)上二式分別進(jìn)行拉式變換有

消除有

比較兩系統(tǒng)的傳遞函數(shù)有

故這兩個(gè)系統(tǒng)為相似系統(tǒng)。

2.11

一齒輪系如圖（題2.11）所示。圖中，、、和分別為各齒輪齒數(shù)；、、和表示各種傳動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，、和為各軸的角位移；是電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。試列寫(xiě)折算到電動(dòng)軸上的齒輪系的運(yùn)動(dòng)方程。

2.12

求圖（題2.12）所示兩系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

圖（題2.12）

解：(1)由圖(a)中系統(tǒng)，可得動(dòng)力學(xué)方程為

作Laplce別換，得

則有

(2)由圖(b)中系統(tǒng),設(shè)i為電網(wǎng)絡(luò)的電流，可得方程為

作Laplce別換，得

消除中間變量有

2.13

某直流調(diào)速系統(tǒng)如圖（題2.13）所示，為給定輸入量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n為系統(tǒng)的輸出量，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為系統(tǒng)的擾動(dòng)量。各環(huán)節(jié)的微分方程：

比較環(huán)節(jié)

比例調(diào)節(jié)器

（為放大系數(shù)）

晶閘管觸發(fā)整流裝置

(為整流增益)

電動(dòng)機(jī)電樞回路

(為電樞回路電阻,為電樞回路電感,為電樞電流)

電樞反電勢(shì)

(為反電勢(shì)系數(shù))

電磁轉(zhuǎn)矩

(為轉(zhuǎn)矩系數(shù))

負(fù)載平衡方程

(為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為負(fù)

載轉(zhuǎn)矩)

測(cè)速電動(dòng)機(jī)

(為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù))

試根據(jù)所給出的微分方程，繪制各環(huán)節(jié)相應(yīng)的傳遞函數(shù)方框圖和控制系數(shù)的傳遞函數(shù)方框圖，并由方框圖求取傳遞函數(shù)和。

2.14

試?yán)L制圖（題2.14）所示機(jī)械系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖。

2.15

若系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖為圖（題2.15）。

(1)

求以為輸入，當(dāng)時(shí)，分別以、、、為輸出的閉環(huán)傳遞函數(shù)；

(2)

求以為輸入，當(dāng)時(shí)，分別以、、、為輸出的閉環(huán)傳遞函數(shù)；

(3)

比較以上各傳遞函數(shù)的分母，從中可以得出什么結(jié)論？

圖(題2.15)

解:(1)求以為輸入，當(dāng)時(shí):

若以為輸出,有

若以為輸出,有

若以為輸出,有

若以為輸出,有

(2)

求以為輸入，當(dāng)時(shí):

若以為輸出,有

若以為輸出,有

若以為輸出,有

若以為輸出,有

(3)從上可知：對(duì)于同一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)輸入的取法不同時(shí)，前向通道的傳遞出數(shù)不同，反饋回路的傳遞函數(shù)不同，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)也不同，但系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的分母保持不變，這是因?yàn)檫@一分母反映了系統(tǒng)的固有特性，而與外界無(wú)關(guān)。

2.16

已知某系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖為圖（題2.16），其中，為輸入，為輸出,N(s)為干擾，試問(wèn)：G(s)為何值時(shí)，系統(tǒng)可以消除干擾的影響。

圖（題2.16）

解：方法一：根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，令,N(s)為輸入，系統(tǒng)的輸出為

其中

令

有

方法二：令，N(s)為輸入，則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖可以表示成圖（題2.16.b）所示。

圖（題2.16.b）

根據(jù)相加點(diǎn)前后移動(dòng)的規(guī)則可以將其進(jìn)一步簡(jiǎn)化成圖（題2

.16.c）和圖（題2.16．d）所示的形式。

圖（題2.16.c）

圖（題2.16.d）

因此，系統(tǒng)在N(s)為輸入時(shí)的傳遞函數(shù)為

同樣可得時(shí)，系統(tǒng)可消除干擾的影響。

2.17

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖(題2.17)所示，求系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

2.18

求出（題2.18）所示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

圖(題2.18)

解：方法一：利用梅遜公式，可得

方法二：利用方框圖簡(jiǎn)化規(guī)則，有圖（題2.18.b）

圖（題2.18.b）

2.19

求出圖（題2.19）所示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

圖（題2.19）

解：根據(jù)方框圖簡(jiǎn)化規(guī)則，有圖（題2.19.b）

圖（題2.19.b）

2.20

求出圖（題2.20）所示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

圖（題2.20）

解：根據(jù)方框圖簡(jiǎn)化規(guī)則，有圖（題2.20.b）

圖（題2.20.b）

2.21

設(shè)描述系統(tǒng)的微分方程為

(1)

(2)

試導(dǎo)出系統(tǒng)的狀態(tài)方程。

2.22

RLC電網(wǎng)絡(luò)如圖（題2.22）所示，u(t)為輸入，流過(guò)電阻的電流為輸出，試列寫(xiě)該網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)方程及輸出方程。

2.23

系統(tǒng)傳函數(shù)方框圖為圖（題2.23），試列寫(xiě)該系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程。

2.24

圖（題2.24）為某一級(jí)倒立擺系統(tǒng)示意圖?；_(tái)通過(guò)絲杠傳動(dòng)，可沿一直線的有界導(dǎo)軌沿水平方向運(yùn)動(dòng)；擺桿通過(guò)鉸鏈與滑臺(tái)連接，可在沿直線平面內(nèi)擺動(dòng)。滑臺(tái)質(zhì)量為M，擺桿質(zhì)量為m，擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J，滑臺(tái)摩擦系數(shù)為c,擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸心到桿質(zhì)心的長(zhǎng)度為L(zhǎng),加在滑臺(tái)水平方向上的合力為u,滑臺(tái)位置為x,擺桿與鉛直向上的夾角為。

(1)

以為輸入，為輸出，列寫(xiě)系統(tǒng)的微分方程；

(2)

求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；

(3)

試列寫(xiě)該系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程。