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杭电自动控制原理复习题及答案
一、时域分析法复习题及解答
题目1:已知单位负反馈系统的开环传递函数为\(G(s)=\frac{K}{s(s+1)(s+2)}\)。
(1)求闭环传递函数;
(2)当\(K=1\)时,判断系统的稳定性;
(3)若系统近似为二阶系统(忽略高阶小极点),且要求阻尼比\(\zeta=\frac{\sqrt{2}}{2}\),求此时的\(K\)值,并计算超调量\(\sigma\%\)和调节时间\(t_s\)(取\(\Delta=5\%\))。
解答:
(1)闭环传递函数\(\Phi(s)=\frac{G(s)}{1+G(s)}=\frac{K}{s(s+1)(s+2)+K}=\frac{K}{s^3+3s^2+2s+K}\)。
(2)系统特征方程为\(s^3+3s^2+2s+K=0\)。
列劳斯表:
\[
\begin{array}{c|ccc}
s^312\\
s^23K\\
s^1\frac{6-K}{3}0\\
s^0K\\
\end{array}
\]
当\(K=1\)时,劳斯表首列全为正(\(\frac{6-1}{3}=\frac{5}{3}0\),\(K=10\)),因此系统稳定。
(3)忽略高阶小极点时,需将三阶系统近似为二阶系统。原开环传递函数可展开为\(G(s)=\frac{K}{s(s^2+3s+2)}\),闭环特征方程为\(s^3+3s^2+2s+K=0\)。假设存在一对主导共轭复根\(s_{1,2}=-\zeta\omega_n\pmj\omega_n\sqrt{1-\zeta^2}\),和一个实根\(s_3=-a\)(\(a\)远大于\(\zeta\omega_n\),可忽略)。
根据根与系数关系:
\(s_1+s_2+s_3=-3\),\(s_1s_2+s_1s_3+s_2s_3=2\),\(s_1s_2s_3=-K\)。
忽略\(s_3\)时,近似有\(s_1+s_2\approx-3\),即\(2\zeta\omega_n\approx3\);\(s_1s_2\approx2\),即\(\omega_n^2\approx2\)(因\(s_1s_2=\omega_n^2\))。
已知\(\zeta=\frac{\sqrt{2}}{2}\),则\(\omega_n=\sqrt{2}\),代入\(2\zeta\omega_n=2\times\frac{\sqrt{2}}{2}\times\sqrt{2}=2\),与近似的\(2\zeta\omega_n\approx3\)存在误差,需调整。
更准确的方法是令三阶特征方程近似为\((s^2+2\zeta\omega_ns+\omega_n^2)(s+a)=s^3+(a+2\zeta\omega_n)s^2+(2\zeta\omega_na+\omega_n^2)s+a\omega_n^2\)。
与原特征方程比较系数:
\(a+2\zeta\omega_n=3\),
\(2\zeta\omega_na+\omega_n^2=2\),
\(a\omega_n^2=K\)。
代入\(\zeta=\frac{\sqrt{2}}{2}\),设\(a\gg2\zeta\omega_n\)(主导极点条件),则\(a\approx3\),代入第二式:
\(2\times\frac{\sqrt{2}}{2}\times\omega_n\times3+\omega_n^2=2\),即\(3\sqrt{2}\omega_n+\omega_n^2=2\)。
解此二次方程:\(\omega_n^2+3\sqrt{2}\omega_n-2=0\),取正根\(\omega_n=\frac{-3\sqrt{2}+\sqrt{18+8}}{2}=\frac{-3\sqrt{2}+\sqrt{26}}{2}\approx0.5\)(近似值)。
则\(K=a\omega_n^2\ap
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