第五章 线性系统的频域分析与校正习题与解答5-1 试求题5-75图(a)、(b)网络的频率特性。
(a) (b)图5-75 R-C 网络解 （a)依图：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+==+=++=++=2121111212111111221)1(11)()(R R C R R T C R RR R K s T s K sC R sC R R R s U s U r c ττ (b)依图：⎩⎨⎧+==++=+++=C R R T CR s T s sCR R sC R s U s U r c)(1111)()(2122222212ττ 5-2 某系统结构图如题5-76图所示，试根据频率特性的物理意义，求下列输入信号作用时，系统的稳态输出)(t c s 和稳态误差)(t e s（1） t t r 2sin )(=（2） )452cos(2)30sin()(︒--︒+=t t t r 解 系统闭环传递函数为: 21)(+=Φs s 图5-76 系统结构图 频率特性: 2244221)(ωωωωω+-++=+=Φj j j 幅频特性: 241)(ωω+=Φj相频特性: )2arctan()(ωωϕ-=系统误差传递函数: ,21)(11)(++=+=Φs s s G s e 则 )2arctan(arctan )(,41)(22ωωωϕωωω-=++=Φj j e e（1）当t t r 2sin )(=时, 2=ω，r m =1 则 ,35.081)(2==Φ=ωωj 45)22arctan()2(-=-=j ϕ（2） 当 )452cos(2)30sin()(︒--︒+=t t t r 时: ⎩⎨⎧====2,21,12211m m r r ωω5-3 若系统单位阶跃响应 试求系统频率特性。
解 ss R s s s s s ss C 1)(,)9)(4(3698.048.11)(=++=+++-= 则 )9)(4(36)()()(++=Φ=s s s s R s C 频率特性为 )9)(4(36)(++=Φωωωj j j5-4 绘制下列传递函数的幅相曲线：解 ()()()12G j K j K e j ==-+ωωπ幅频特性如图解5-4(a)。
幅频特性如图解5-4(b)。
()()()()33332G j K j K e j ωωωπ==- 图解5-4幅频特性如图解5-4(c)。
5-5 已知系统开环传递函数试分别计算 5.0=ω 和2=ω 时开环频率特性的幅值)(ωA 和相角)(ωϕ。
解 )5.01)((21(10)()(2ωωωωωωj j j j H j G +-+=计算可得 ⎩⎨⎧︒-==435.153)5.0(8885.17)5.0(ϕA ⎩⎨⎧︒-==53.327)2(3835.0)2(ϕA5-6 试绘制下列传递函数的幅相曲线。
(1) G s s s ()()()=++52181(2) G s s s ()()=+1012解 (1) G j ()()()ωωω=-+511610222取ω为不同值进行计算并描点画图，可以作出准确图形 三个特殊点： ① ω=0时， 00)(,5)(=∠=ωωj G j G ② ω=时, ︒-=∠=90)(,2)(ωωj G j G③ ω=∞时, 0180)(,0)(-=∠=ωωj G j G幅相特性曲线如图解5-6（1）所示。
图解5-6（1）Nyquist 图 图解5-6（2） Nyquist 图(2) G j ()ωωω=+10122两个特殊点： ① ω=0时， G j G j (),()ωω=∞∠=-1800 ② ω=∞时, G j G j (),()ωω=∠=-0900幅相特性曲线如图解5-6（2）所示。
5-7 已知系统开环传递函数 )1()1()(12++-=s T s s T K s G ； 0,,21>T T K当1=ω时，︒-=∠180)(ωj G ，5.0)(=ωj G ；当输入为单位速度信号时，系统的稳态误差1。
试写出系统开环频率特性表达式)(ωj G 。
解 )1()1()(12+--=s T s s T K s G先绘制)1()1()(120+-=s T s s T K s G 的幅相曲线，然后顺时针转180°即可得到)(ωj G 幅相曲线。
)(0s G 的零极点分布图及幅相曲线分别如图解5-7(a)、(b)所示。
)(s G 的幅相曲线如图解5-7(c)所示。
依题意有： K s sG K s v ==→)(lim 0， 11==K e ssv ，因此1=K 。
另有： 5.01)(1)(11)1)(1()1(22212221212112=++=++--=+--=T T T T T T j T T T jT jT j G 可得： 22=T ，5.0121==T T ，1=K 。
所以： )5.01(21)(ωωωωj j j j G +-=5-8 已知系统开环传递函数试概略绘制系统开环幅相频率特性曲线。
解 )(ωj G 的零极点分布图如图解5 -8(a)所示。
∞→=0ω变化时，有分析s 平面各零极点矢量随∞→=0ω的变化趋势，可以绘出开环幅相曲线如图解5-8(b)所示。
5-9 绘制下列传递函数的渐近对数幅频特性曲线。
(1) G s s s ()()()=++22181；(2) G s s s s ()()()=++20011012；(3) G s s s s s s ()(.)(.)()=++++40050212(4) G s s s s s s s ()()()()()=+++++20316142510122(5) G s s s s s s s ()(.)()()=+++++801142522解 (1) G s s s ()()()=++22181图解5-9（1） Bode 图 Nyquist 图(2) G s s s s ()()()=++20011012图解5-9（2） Bode 图 Nyquist 图(3) )1)(12.0()12(100)1)(2.0()5.0(40)(22++++=++++=s s s s s s s s s s s G图解5-9（3） Bode 图 Nyquist图(4) G s s s s s s s ()()()()()=+++++20316142510122图解5-9（4） Bode 图 Nyquist 图(5) ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎭⎫⎝⎛+=+++++125451)1(11.01258.0)254)(1()1.0(8)(2222s s s s s s s s s s s s s G 图解5-9（5） Bode 图 Nyquist图5-10 若传递函数式中，)(0s G 为)(s G 中，除比例和积分两种环节外的部分。
试证式中，1ω为近似对数幅频特性曲线最左端直线（或其延长线）与0dB 线交点的频率，如图5－77所示。
证 依题意，G(s)近似对数频率曲线最左端直线(或其延长线)对应的传递函数为v sK。
题意即要证明v sK的对数幅频曲线与0db 交点处的频率值ω11=K v 。
因此，令0)(lg 20=vj K ω，可得 K v ω11=, 故 ωω111vv K K =∴=,，证毕。
5-11 三个最小相角系统传递函数的近似对数幅频特性曲线分别如图5-78(a)、(b)和(c)所示。
要求： （1）写出对应的传递函数；（2）概略绘制对应的对数相频特性曲线。
图 5－78 5－11题图解 (a) 依图可写出：G s K ss()()()=++ωω1211其中参数：db L K 40)(lg 20==ω，100=K则： G s s s ()()()=++100111112ωω图解5-11（a ） Bode 图 Nyquist 图(b) 依图可写出 G s K ss s()()()=++ωω12211K C ==ωωω021图解5-11（b ） Bode 图 Nyquist 图(c) G s K ss s ()()()=⋅++ωω2311图解5-11（c ） Bode 图 Nyquist 图 5-12 已知)(1s G 、)(2s G 和)(3s G 均为最小相角传递函数，其近似对数幅频特性曲线如图5-79所示。
试概略绘制传递函数 的对数幅频、对数相频和幅相特性曲线。
解：(1)L K 11204511()lg .ω== 则： G s K 11()= (2) G s K s s 22081()(.)=+ 20201022lg /lgK K ω== , K 21= (3)L K K 333202001110()lg lg .ωω===(4)G s G G G G 412231()=+将G G G 123,,代入得：G s s s 41801251()(.)=+对数频率特性曲线如图解5-12(a)所示,幅相特性曲线如图解5-12(b)所示：图解5-12 (a) Bode 图 (b) Nyquist 图 5-13 试根据奈氏判据，判断题5-80图(1)～(10)所示曲线对应闭环系统的稳定性。
已知曲线(1)～(10)对应的开环传递函数如下（按自左至右顺序）。
：)1)(1()(++=s Ts s Ks G ； )0,(>T K（1）2=T 时，K 值的范围； （2）10=K 时，T 值的范围； （3）T K ,值的范围。
解 [])()()1)(1()1()1()1)(1()(2222ωωωωωωωωωωωY X T T j T K jT j j K j G +=++-++-=++=令 0)(=ωY ，解出T1=ω，代入)(ωX 表达式并令其绝对值小于1得出： T T K +<<10 或 110-<<K T（1）2=T 时，230<<K ；（2）10=K 时，910<<T ；（3）T K ,值的范围如图解5-14中阴影部分所示。
5-15 已知系统开环传递函数试概略绘制幅相特性曲线，并根据奈氏判据判定闭环系统的稳定性。
解 作出系统开环零极点分布图如图解5-15（a ）所示。
)(ωj G 的起点、终点为：)(ωj G 与实轴的交点： 令[]0)(Im =ωj G 可解出代入实部 []037.4)(Re 0-=ωj G概略绘制幅相特性曲线如图解5-15（b ）所示。
根据奈氏判据有 所以闭环系统不稳定。
5-16 某系统的结构图和开环幅相曲线如图5-81 (a)、(b)所示。
图中 试判断闭环系统稳定性，并决定闭环特征方程正实部根个数。
解 内回路开环传递函数:G s G s H s s s 0241()()()()==+大致画出G j 0()ω的幅相曲线如图解5-16所示。