2022年《控制工程基础》第四章习题解题过程和参考答案 .pdf

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1、优秀学习资料欢迎下载4-1 设单位反馈系统的开环传递函数为：10( )1G ss。当系统作用有下列输入信号时：( )sin(30 )r tt，试求系统的稳态输出。解：系统的闭环传递函数为：10( )( )11( )( )1( )111C sG sssR sG s这是一个一阶系统。系统增益为：1011K，时间常数为：111T其幅频特性为：22()1KAT其相频特性为：()arctanT当输入为( )sin(30 )r tt，即信号幅值为：1A，信号频率为：1，初始相角为：030。代入幅频特性和相频特性，有：222110 1110(1)12211 1 11KAT11(1)arctanarctan5

2、.1911T所以，系统的稳态输出为：10( )(1)sin30(1)sin(24.81 )122c tAAtt4-2 已知系统的单位阶跃响应为：49( )11.80.8(0)ttc teet。试求系统的幅频特性和相频特性。解：对输出表达式两边拉氏变换：11.80.8361( )49(4)(9)(1)(1)49C sssssss sss由于( )( )( )C ss R s，且有1( )R ss（单位阶跃） 。所以系统的闭环传递函数为：1( )(1)(1)49sss可知，这是由两个一阶环节构成的系统，时间常数分别为：1211,49TT系统的幅频特性为二个一阶环节幅频特性之积，相频特性为二个一阶环

3、节相频特性之和：名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载1222222212111()()( )11(1)(1)1681AAATT1212()()()arctanarctanarctanarctan49TT4-3 已知系统开环传递函数如下，试概略绘出奈氏图。（1）1( )10.01G ss（2）1( )(10.1 )G sss（3）)1008()1(1000)(2sssssG（4）

4、250(0.61)( )(41)sG sss解：手工绘制奈氏图，只能做到概略绘制，很难做到精确。所谓“概略”，即计算与判断奈氏曲线的起点、终点、曲线与坐标轴的交点、相角变化范围等，这就可以绘制出奈氏曲线的大致形状。对一些不太复杂的系统，已经可以从曲线中读出系统的部分基本性能指标了。除做到上述要求外，若再多取若干点（如6-8 点） ，并将各点光滑连线。这就一定程度上弥补了要求A 的精度不足的弱点。但因为要进行函数计算，例如求出实虚频率特性表格，工作量要大些。在本题解答中，作如下处理：小题（ 1） ：简单的一阶惯性系统，教材中已经研究得比较详细了。解题中只是简单套用。小题（ 2） ：示范绘制奈氏图

5、的完整过程。小题（ 3） 、小题（ 4） ：示范概略绘制奈氏图方法。4-3（1）1( )10.01G ss这是一个一阶惯性（环节）系统，例4-3 中已详细示范过（当T=0.5 时） ，奈氏曲线是一个半圆。而表4-2给出了任意时间常数T 下的实虚频率特性数据。可以套用至本题。系统参数：0 型，一阶，时间常数0.01T起终点奈氏曲线的起点： （1,0） ，正实轴奈氏曲线的终点： （0,0） ，原点奈氏曲线的相角变化范围：（0,90） ，第 IV 象限求频率特性。据式（4-29）已知：实频特性：221()1PT虚频特性：22()1TQT可以得出如下实频特性和虚频特性数值：01012.52550801

6、001252004008001000名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载()P1.00 0.99 0.98 0.94 0.80 0.61 0.50 0.39 0.20 0.06 0.02 0.01 0.00 ()Q0.00 -0.10 -0.12 -0.24 -0.40 -0.49 -0.50 -0.49 -0.40 -0.24 -0.12 -0.10 0.00 绘图：4-3（

7、2）1( )(10.1 )G sss示范绘制奈氏图的完整过程。这是一个由一个积分环节和一个一阶惯性环节组成的二阶系统。系统参数：1 型系统， n=2, m=0 起终点奈氏曲线的起点：查表4-7，1 型系统起点为负虚轴无穷远处；奈氏曲线的终点：n-m=20，查表 4-7 知终点为原点，入射角为-180 ；奈氏曲线的相角变化范围：（-90 ，-180 ） ，第 III 象限求频率特性：21(0.1)()(10.1)(10.01)jG jjj实频特性：20.1()10.01P虚频特性：21()(10.01)Q当0时，实频曲线有渐近线为-0.1。可以得出如下实频特性和虚频特性数值：0 0.1 0.2

8、0.5 0.6 1 2 5 8 9 10 20 ()P-0.10 -0.10 -0.10 -0.10 -0.10 -0.10 -0.10 -0.08 -0.06 -0.06 -0.05 -0.02 0.00 ()Q-10.00 -5.00 -2.00 -1.66 -0.99 -0.48 -0.16 -0.08 -0.06 -0.05 -0.01 0.00 绘图：= 00()Q()P= 50= 80=100= 125= 200=10.5-0.5名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - -

9、- - - - - 第 3 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载4-3（3）)1008()1(1000)(2sssssG示范概略绘制奈氏图方法。系统参数：1 型系统， n=3, m=1 起终点奈氏曲线的起点：查表4-7，1 型系统起点为负虚轴无穷远处；奈氏曲线的终点： n-m=20 ， 查表 4-7 知终点为原点， 入射角为 -180 ；奈氏曲线的相角变化范围：（-90 ，-180 ） ；绘图：0( )Q()P=-0.1-0.3-0.1-0.2= 20=10= 8= 5= 0()Q()P名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - -

10、 - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载4-3（4）250(0.61)( )(41)sG sss示范概略绘制奈氏图方法。系统参数：2 型系统， n=3, m=1 起终点奈氏曲线的起点：查表4-7，2 型系统起点为负实轴无穷远处；奈氏曲线的终点：n-m=20，查表 4-7 知终点为原点，入射角为-180 ；奈氏曲线的相角变化范围：（-180 ，-180 ） ；由于惯性环节的时间常数大于一阶微分环节的时间常数，二者相频叠加总是小于零，故图形在第2 象限。

11、绘图：如要详绘，则先求频率特性：2224250(0.61)50(0.61)(41)12050170()(41)(41)16(41)jjjjG jjjjj即有实频特性：24212050( )16P虚频特性：42170( )16Q制表：0 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1 2 5 6 8 ()P- -19346 -4414 -835.4 -276.9 -121.5 -64 -38.3 -17.63 -10 -2.038 -0.304 -0.21 -0.118 0 ()Q0 3269 1466 518.3 232.2 119.4 68 41.91 18.91 10

12、 1.308 0.085 0.049 0.021 0 4-4 试画出下列传递函数的波德图。（1）)18)(12(2)()(sssHsG（2）2200( )( )(1)(101)G s H ssss()P()Q名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载（3）2250( )( )(1)(101)G s H sssss（4）210(0.2)( )( )(0.1)sG s H sss（5）2

13、28(0.1)( )( )(1)(425)sG s H ss ssss解：绘制波德图要按照教材P134-135 中的 10 步，既规范也不易出错。4-4（1）)18)(12(2)()(sssHsG（ 1）开环传递函数已如式(4-41)标准化；（ 2）计算开环增益K，计算)(lg20dBK；得系统型别，确定低频段斜率；开环增益K2, 20lg20lg 26 ()KdB0 型系统，低频段斜率为0；（ 3）求各转折频率，并从小到大按顺序标为,321，同时还要在转折频率旁注明对应的斜率；110.1258，惯性环节，斜率-20；210.52，惯性环节，斜率-20；（ 4）绘制波德图坐标。横坐标从0.1

14、到 10 二个十倍频程。见图；（ 5）绘制低频段幅频渐近线，为水平线；（ 6）在10.125，斜率变为 -20；在20.5，斜率变为 -40；标注斜率见图；（ 7）幅频渐近线的修正。在10.125处修正 -3dB ，在0.06, 0.25处修正 -1dB ；在0.5处修正-3dB，在0.5,1处修正 -1dB；注意在0.5处有两个 -1dB 修正量，共修正-dB；（ 8）绘制两个惯性环节的相频曲线；（ 9）环节相频曲线叠加，形成系统相频曲线；（ 10） 检查幅频渐近线、转折频率、相频起终点的正确性。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归

15、纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载4-4（2）2200( )( )(1)(101)G s H ssss（ 1）开环传递函数已如式(4-41)标准化；（ 2）计算开环增益K，计算)(lg20dBK；得系统型别，确定低频段斜率；开环增益K200, 20lg20lg 20046 ()KdB2 型系统，低频段斜率为-40；（ 3）求各转折频率：110.110，惯性环节，斜率-20；21，惯性环节，斜率-20；（ 4）以下文字略，见绘图；()LdB0dB0901802703609

16、020dB40dB20dB()0.11100.540/dBdec20( / )r s( / )r s20/dBdec名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 7 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载()LdB0dB0901802703609020dB40dB()0.111040/dBdec60dB低频延长线过此点：L(1)=46dB 60/dBdec80/dBdec( / )r s( / )r s名师归纳总结 精品学习资料

17、 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 8 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载4-4（3）2250( )( )(1)(101)G s H sssss（ 1）开环传递函数标准化：2250( )( )(20.5 11)(101)G s H sssss（ 2）计算开环增益K，计算)(lg20dBK；得系统型别，确定低频段斜率；开环增益K50, 20lg20lg5034 ()KdB2 型系统，低频段斜率为-40；（ 3）求各转折频率：110.110，惯

18、性环节，斜率-20；21，二阶振荡环节，阻尼比0.5，斜率 -40；（ 4）其它：二阶振荡环节在转折频率处要按实际阻尼比按图4-17 修正。见绘图；()LdB0dB0901802703609020dB40dB()0.111040/dBdec60dB低频延长线过此点：L(1)=34dB 60/dBdec100/dBdec450( / )r s( / )r s常见问题必要的文字与计算部分; 横坐标的选取 ? 转折频率与斜率不准确; 34dB 在何处 ? 斜率的标注 ; 修正及其精度 ? 相频先环节 ,后叠加 ; 相频从 -180 起,不是 0 ; 相频左右趋势,光滑与美观; 15 分评分 . 名师

19、归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 9 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载4-4（4）210(0.2)( )( )(0.1)sG s H sss（ 1）开环传递函数标准化：2220(1)10(0.2)0.2( )( )(0.1)(1)0.1ssG s H sss ss（ 2）计算开环增益K，计算)(lg20dBK；得系统型别，确定低频段斜率；开环增益K20, 20lg20lg 2026 ()KdB2 型系统，低频段斜率

20、为-40；（ 3）求各转折频率：10.1，惯性环节，斜率-20；20.2，一阶微分环节，斜率+20；（ 4）其它见绘图；()LdB0dB0901802703609020dB40dB()0.111040/dBdec60dB低频延长线过此点：L(1)=26dB 60/dBdec40/dBdec4500.2( / )r s( / )rs名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 10 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载4-4 （

21、5）228(0.1)( )( )(1)(425)sG s H ss ssss（ 1）开环传递函数标准化：22220.032 5 (1)0.1( )( )(20.5 11)(20.4 55 )sG s H ss ssss（ 2）计算开环增益K，计算)(lg20dBK；得系统型别，确定低频段斜率；开环增益K0.032, 20lg20lg0.03230()KdB1 型系统，低频段斜率为-20；（ 3）求各转折频率：10.1，一阶微分环节，斜率+20；21，二阶振荡环节，阻尼比0.5，斜率 -40；35，二阶振荡环节，阻尼比0.4，斜率 -40；（ 4）其它见绘图；()LdB0dB0901802703

22、609020dB()0.111020/dBdec40dB低频延长线过此点：L(1)=-30dB 40/dBdec80/dBdec4505( / )rs( / )r s20dB名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 11 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载4-5 根据下列给定的最小相位系统对数幅频特性曲线图写出相应的传递函数。解： 4-5(a) （ 1）求结构从图中看出，低频段斜率为0，是 0 型系统，由渐近线的斜率变化

23、：第 1 个转折频率处斜率变化20/dB dec，是一阶惯性环节；第 2 个转折频率处斜率变化也是20/dB dec，也是一阶惯性环节；因此传递函数结构为12( )(1)(1)KG sT sT s（ 2）求参数从图中看出，低频段与零分贝线水平重合，因此1K对第 1 个一阶惯性环节，转折频率11，则：1111T对第 2 个一阶惯性环节，转折频率24，则：22110.254T综合得：( )(1)(0.251)KG sss名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1

24、2 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载解： 4-5(b) （ 1）求结构从图中看出，低频段斜率为20/dB dec，是 1 型系统，由渐近线的斜率变化：第 1 个转折频率处斜率变化20/dB dec，是一阶惯性环节；第 2 个转折频率处斜率变化也是20/dB dec，也是一阶惯性环节；因此传递函数结构为12( )(1)(1)KG ss T sT s（ 2）求参数从图中看出，低频段延长线与零分贝线交点频率：0100，因为是 1 型系统，由式(4-67) 100K对第 1 个一阶惯性环节，转折频率10.01，则：11111000.01T对第 2 个一阶惯性环

25、节，转折频率2100，则：22110.01100T综合得：12100( )(1)(1)(1001)(0.011)KG ss T sT ssss名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 13 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载解： 4-5(c) （ 1）求结构从图中看出，低频段斜率为0，是 0 型系统，由渐近线的斜率变化：第 1 个转折频率处斜率变化20/dB dec，是一阶惯性环节；第 2 个转折频率处斜率变化也是20/

26、dB dec，也是一阶惯性环节；第 3 个转折频率处斜率变化也是20/dB dec，也是一阶惯性环节；因此传递函数结构为123( )(1)(1)(1)KG sT sT sT s（ 2）求参数从图中看出，低频段为水平线，幅值为48kLdB。由式 (4-64)：4820201010251kLK对第 1 个一阶惯性环节，转折频率11，则：1111T对第 2 个一阶惯性环节，转折频率210，则：22110.110T对第 3 个一阶惯性环节，转折频率3100，则：33110.01100T综合得：251( )(1)(0.11)(0.011)G ssss名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - -

27、 - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 14 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载解： 4-5(d) （ 1）求结构从图中看出，低频段斜率为20/dB dec，是 1 型系统，由渐近线的斜率变化：第 1 个转折频率处斜率变化decdB /40，是二阶振荡环节；因此传递函数结构为222( )2nnnKG ssss（ 2）求参数从图中看出，低频段延长线与零分贝线交点频率：0100，因为是 1 型系统，由式(4-67) 100K对二阶振荡环节，从图中看出，谐振峰值为4.58dB，

28、峰值频率45.3r。可以由式（ 4-37）求出阻尼比：2121rM当20lg4.58rMdB时，阻尼比为0.31。（也可简单地查表4-5，得0.3） 。由式（ 4-36） ：25 0 . 312rn综合得：222222100 50.3( )2(2 0.3 50.350.3 )nnnKG sssss ss名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 15 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载4-6 试由下述幅值和相角计算公式确定

29、最小相位系统的开环传递函数。（1）10arctan5.0arctan2arctan90，3)1(A；（2）1.0arctanarctan5arctan180，10)5(A；（3）10arctan31arctan1arctan2 .0arctan18022，1)10(A；（4）10arctan3arctanarctan90，2)5(A。解：（1）10arctan5.0arctan2arctan90，3)1(A；直接可以得到：12(1)(0.51)( )(1)(1)(21)(101)KsKsG ss T sT ssss且有幅频特性：2220.251()(41)(1001)KA即2221( )(41

30、)(1001)(1) 5 10160.31.250.251AAK所以60.3(0.51)( )(21)(101)sG ssss（2）1.0arctanarctan5arctan180，10)5(A；直接可以得到：212(1)(51)( )(1)(1)(1)(0.11)KsKsG ssT sT ss ss且有幅频特性：2222251()(1)(0.011)KA即22225( )(1)(0.011)(5)2526 1.2557626251AAK所以212(1)57(51)( )(1)(1)(1)(0.11)KssG ssT sT ss ss名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - -

31、 - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 16 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载（3）10arctan31arctan1arctan2 .0arctan18022，1)10(A；直接可以得到：222222212112(1)(1)( )2(1)(1)nnnnsKssG ssssTs比较二阶振荡环节的相频特性式（4-32） ：222( )a r c t a n1nn由2arctan1，得111,0.5n二阶微分环节的参数求法与上面二阶振荡环节基本相同，差别仅是式（4-32）是正值

32、。所以：由2arctan13，得2213,23n一阶微分环节：0.2一阶惯性环节：10T所以：222(0.21)(31)( )(1)(101)KsssG sssss且有幅频特性：2222422222100.041(1 3)(10)6.72 10(1)1001KAK即4114886.7210K所以：2221488(0.21)(31)( )(1)(101)sssG sssss（4）10arctan3arctanarctan90，2)5(A。直接可以得到：12(1)(1)3( )(1)(1)(1)(101)sKKsG ss T sT ss ss且有幅频特性：名师归纳总结 精品学习资料 - - - -

33、 - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 17 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载22219()(1)(1001)KA即2225()(1)(1001)25 2625011312251199AK所以：1312(1)3( )(1)(101)sG ss ss4-7 画出下列各给定传递函数的奈氏图。试问这些曲线是否穿越实轴。若穿越， 则求与实轴交点的频率及相应的幅值()G j。（1）)21)(1 (1)(sssG；（2）)21)(1(1)(ssssG；（3）)1(1)(

34、2sssG；（4）)005.01 ()02.01 ()(2ssssG。解：4-7（1）)21)(1(1)(sssG系统参数：0 型系统， n=2, m=0 起终点奈氏曲线的起点：查表4-7，0型系统起点为正实轴无穷远处；奈氏曲线的终点：n-m=20 ，查表4-7知终点为原点，入射角为-180 ；奈氏曲线的相角变化范围： （0 ，-180 ） ；从相角变化范围来看，曲线均在正实轴以下，并未发生穿越；求频率特性如下：222222224242422212311()(1)(12)123123123123123123451451451129jG jjjjjjjjj所以，0( )Q( )P名师归纳总结 精

35、品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 18 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载实频特性：24212()451P虚频特性：423()451Q制表：0 0.2 0.3 0.5 0.7 1 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 ()P1 0.763 0.553 0.2 0.005 -0.1 -0.108 -0.082 -0.061 -0.046 -0.028 -0.019 -0.013 -0.008 0 ()Q0 -0.497 -0.6

36、07 -0.6 -0.476 -0.3 -0.138 -0.071 -0.04 -0.024 -0.011 -0.006 -0.003 -0.001 0 绘图如上。4-7（2）)21)(1(1)(ssssG系统参数：1 型系统， n=3, m=0 起终点奈氏曲线的起点：查表4-7，1 型系统起点为负虚轴无穷远处；奈氏曲线的终点：n-m=30 ，查表 4-7 知终点为原点，入射角为-270 ；奈氏曲线的相角变化范围：（-90 ，-270 ） ；从相角变化范围来看，曲线将从第III 象限穿越至第II 象限，发生一次实轴穿越：绘图见右；求与实轴的交点：频率特性：1()(1)(12)G jjjj幅频特

37、性：221()(1)(1 4)A相频特性：( )90arctanarctan 2发生负实轴穿越时，相频为-180 ，即令()180，可求得穿越时的频率：0.707/secrad；此时的幅值：0.7072( )0.6673A4-7（3）)1 (1)(2sssG0( )Q( )P0( )Q( )P名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 19 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载系统参数：2 型系统， n=3, m=0 起终点

38、奈氏曲线的起点：查表4-7，2 型系统起点为负实轴无穷远处；奈氏曲线的终点：n-m=30，查表 4-7 知终点为原点，入射角为-270 ；奈氏曲线的相角变化范围：（-180 ，-270 ） ；从相角变化范围来看，曲线均在第III 象限，未发生穿越；绘图见右；4-7（4）)005.01()02.01()(2ssssG系统参数：2 型系统， n=3, m=1 起终点奈氏曲线的起点：查表4-7，2 型系统起点为负实轴无穷远处；奈氏曲线的终点：n-m=20 ，查表 4-7 知终点为原点，入射角为-180 ；奈氏曲线的相角变化范围： （-180 ， -180 ） ；传递函数中，一阶微分环节贡献一个零点，

39、一阶惯性环节贡献一个极点。零极点发生一定的对消效应，但并不完全对消。惯性环节的时间常数比一阶微分环节的时间常数小，即极点位置比零点位置更靠近虚轴，因此将发生更大的作用。也就是说，零极点的相频特性合成后，仍为负值。综合两个微分环节后，相频特性 -180 ， 曲线均在第III 象限，未发生穿越；绘图见右；4-8 试用奈氏稳定判据判别图示开环奈氏曲线对应系统的稳定性。0( )Q( )P(a) 奈氏曲线包围了(-1, j0) 点，所以闭环系统不稳定。(b) 添加辅助线后可以看出，奈氏曲线未包围(-1, j0) 点，所以闭环系统稳定。(d) 添加辅助线后可以看出，奈氏曲线未包围(-1, j0) 点，所以

40、闭环系统稳定。(c) 添加辅助线后可以看出，奈氏曲线包围了(-1, j0)点，所以闭环系统不稳定。(d) 添加辅助线后可以看出，奈氏曲线未包围(-1, j0) 点，所以闭环系统稳定。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 20 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载4-9 已知系统的开环传递函数为( )(1)(0.11)KG ss ss，试分别绘出当开环放大倍数K5和K 20时的波德图，并判定系统的稳定性，量取相位裕量和幅

41、值裕量，并用计算公式验证。解：先按开环增益K 5绘图 , 20lg514 dB1 型系统，低频段斜率为-20；求各转折频率：11，惯性环节，斜率-20；210，惯性环节，斜率-20；绘图如下：（ 1）当 K5 时，从图中量取各指标（见粉红色）：得：2,3cg，()180c,故系统稳定；且有稳定裕量：20 ,8gKdB；（ 2）当 K20 时，20lg 2026 dB。相比于 K5 时，幅频曲线提升12dB，而相频曲线保持不变。从图中量取各指标（见蓝色）：得：4c，3g保持不变。()180c,故系统不稳定；且有稳定裕量：10 ,4gKdB；()L0.10dB0901802709020dB40dB

42、1103g20/dBdec60/dBdec40/dBdec1002cK=5 gK4cK=20 ()( / )r s( / )r s名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 21 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载因此，提高开环增益将有损于稳定性。计算验证：幅频特性计算公式：22( )20lg20lg20lg120lg1 0.01LK相频特性计算公式：( )90arctanarctan0.1(1)当15K时,112.1/

43、,13.60crads，113.16/ ,6.80ggrads KdB；闭环系统稳定；(2)当220K时，224.2/ ,9.40crads，223.16/ ,5.20ggrads KdB；闭环系统不稳定。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 22 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载410 已知系统的开环传递函数为280(2)( )(20)sG sss，试绘制系统的开环波德图，并判定系统的稳定性。从波德图中量取,cg

44、gK各指标，并用计算公式验证。解：开环传递函数为：228(1)80(2)2( )(20)(1)20ssG sss ss开环增益K8, 20lg20lg818 ()KdB，是 2 型系统，低频段斜率为-40；求各转折频率：12，一阶微分环节，斜率+20；220，惯性环节，斜率-20；绘图如下：系统分析：从图中量取各指标，得：4.5c，且相频曲线总在-180 之上，所以g。闭环系统无条件稳定；量取稳定裕量：50 ,gK；计算验证：幅频特性计算公式：222( )20lg20lg20lg0.25120lg0.00251LK相频特性计算公式：()180arctan0.5arctan0.05计算验证：当(

45、)0cL时，求得4.31/crads，()127c，故53；任何均无法使()180，故,ggK。()L0.10dB0901809020dB40dB( / )r s11020/dBdec40/dBdec1002()40/dBdec( / )r s20c名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 23 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载411 某单位反馈系统的闭环对数幅频特性分段直线如题4 11图所示，若要求系统具有30的相位

46、稳定裕量，试计算开环增益可增大的倍数。题 411 图解：可从图中求得闭环传递函数为1( )(1)(1)(1)1.255ssss由开环传递函数与闭环传递函数的关系求开环传递函数：( )( )6.250.5( )1( )1( )(2.825)(4.425)(1)(1)2.8254.425ssG ssssss sss相频特性：()90arctanarctan2.8254.425若要求系统30，相当于要求()150c。求得：当2.016c时，()150c幅频特性：220.5()()1()12.8254.825A当2.016c时，()0.1837cA为使2.016c成为穿越频率，要求()1cA，因此系统

47、开环增益应增大：15.440.1837K倍名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 24 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载412 某最小相位系统的开环对数幅频特性如题412图所示。要求：（1）写出系统开环传递函数；（2）利用相位裕量判断系统稳定性；（3）将其对数幅频特性向右平移十倍频程，试讨论对系统性能的影响。题 412 图解： （1）可从图中求得开环传递函数为10( )(101)(0.05 1)(1)(1)0.120

48、KG ssssss式中，010K()L0.010dB0901802709020dB40dBg20/dBdec60/dBdec40/dBdecc()( / )rs( / )rs0.12010右移十倍频程0名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 25 页，共 26 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载（2）由图可以看出，1cg，即0，闭环系统处于稳定临界状态；（3）将波德图幅频特性向右平移十倍频程（即图中蓝色线），相当于提高系统开环增益，

49、可以看到系统变为不稳定。由（ 2）知，已经处于稳定临界，再增加开环增益，即变为不稳定。若在稳定裕量允许的情况下，提高开环增益可使调节时间缩短，系统动态响应能力增强。4-13 设单位反馈系统的开环传递函数为：( )(0.11)(1)KG ssss。（1）确定使系统谐振峰值4 .1)(rM的K值；（2）确定使系统相位裕量= +60 的K值；（3）确定使系统幅值裕量Kg = +20dB 的K值。解：（1）系统谐振峰值是一个闭环指标。可以采用等M-N 圆作图法求闭环频率特性指标，或借助MATLAB工具解算。手工计算比较麻烦，以下为结果（略去计算过程）。闭环传递函数为：32( )( )1( )0.11.

50、1G sKsG ssssK当1.27K时，谐振峰值1.4rM此时有：32221.271.253( )0.11.11.27(20.386 1.1191.119 )(10.1371)sssssss运用主导极点概念，由于实极点距虚轴距离远大于一对复极点的实部，故可将其忽略：221.253( )20.3861.1191.119sss（2）本题的开环传递函数与题4-9 比较，除开环增益K 不同外，其余完全一样。故不再绘制波德图。有关指标通过公式计算获得，以熟悉各种方法。开环系统相频特性为：()90arctan0.1arctan开环系统幅频特性为：22()110.01KA可计算得：当0.51/seccra