自动控制原理与系统（第2版）教学课件作者叶明超答案第1章习题

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1、 1、 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。 答：1 开环系统 (1) 优点:结构简单，成本低，工作稳定。用于系统输入信号及扰动作用能预先知道时， 可得到满意的效果。 (2) 缺点：不能自动调节被控量的偏差。因此系统元器件参数变化，外来未知扰动存在 时，控制精度差。 2 闭环系统 优点： 不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量偏离给定值， 都会 产生控制作用去清除此偏差， 所以控制精度较高。 它是一种按偏差调节的控制 系统。在实际中应用广泛。 缺点：主要缺点是被控量可能出现波动，严重时系统无法工作。 2、 什么叫反馈？为什么闭环控制系

2、统常采用负反馈？试举例说明之。什么叫反馈？为什么闭环控制系统常采用负反馈？试举例说明之。 答： 将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反馈。 闭环控制系统常 采用负反馈。由题 1 中的描述的闭环系统的优点所证明。例如，一个温度控制系统通过 热电阻（或热电偶）检测出当前炉子的温度，再与温度值相比较，去控制加热系统，以 达到设定值。 3、 闭环闭环自自动控制系统是由哪些环节组成的，各环动控制系统是由哪些环节组成的，各环节节在系统在系统中中起什么作用起什么作用? 答： 闭环自动控制系统主要由控制对象(或调节对象)，执行机构，检测装置(或传感器)， 给定环节，比较环节，中间环行等环节

3、组成。 控制对象：指要进行控制的设备或过程。 执行机构：由传动装置和调节机构组成，直接作用于控制对象，使被控量达到所要求 的数值。 检测装置：用来检测被控量，并将其转换为与给定量相同的物理量。 结定环节：设定被控量的给定值的装置。 比较环节：待所检测的被控量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差量。 中间环节；一般是放大元件，将偏差信号变换成适用于控制执行机构工作的信号。 4、 图图 l1 是液位自动控制系统原理的示意是液位自动控制系统原理的示意图。在任意情况下，希望液面高度图。在任意情况下，希望液面高度 C 维持不变，维持不变， 试说明系统工作原理并画出系统方框图。试说明系统工作原理并画出系统

4、方框图。 图 1-1 液位自动控制系统 解： 首先确定系统被控对象是水箱，被控量(系统的输出量)是水箱的液位高度。当电位器电 刷位于中点位置时，电动机输入电压为零，电动机保持不动，此时控制阀门有一定的开度， 使水箱中留入水量与留出水量相等，从而液面保持在希望高度 C 上，一旦流入水量或流出 水量发生变化，水箱的液面高度便相应地发生变化。例如，当液面升高时，浮子位置就相应 地升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移，从而给发电机提供一定的控制电压， 驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的流量减少。此时，水箱液面下降，浮子 位置也相应地下降，直到电位器电刷回到中点位置，系统重新处于平衡

5、状态，液面恢复给定 高度。反之，若水箱液位下降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位回到给 定高度 C。液位自动控制系统的原理方框图如图 l2 所示。 图 1-2 液位自动控制系统的原理方框图 5、 图图 1-3(a)和和(b)均为均为自自动调动调压压系统。设空载时，图系统。设空载时，图(a)与图与图(b)的发电机端电压的发电机端电压 为为 110 v。试问带上负载后，图。试问带上负载后，图(a)与图与图(b)中哪个系统能保持中哪个系统能保持 110 V 电电压压不变不变?哪个系哪个系 统的电压会稍低于统的电压会稍低于 110 v，为什么，为什么？ 图 1-3 自动调压系统 解： 对

6、于图(a)中的自动调压系统，当发电机两端电压低于给定电压时，其偏差电压经放大 器放大使执行电机 SM 转动，经减速器带动电刷，使发电机的激磁电流增大，发电机输出电 压增大，从而偏差电压减小，直到偏差电压为零，执行电机才停止转动。因此，图(a)中的 自动调压系统能保持端电压 110 v 不变。 对于图(b)中的自动凋压系统，当发电机两端电压低于给定电压时，其偏差电压直接经 放大器使发电机的激磁电流增大，发电机 G 的端电压回升，此时偏差电压减小，但偏差电 压始终不能为零。因为当偏差电压为零时，激磁电流也为零，发电机不能工作。因此，图(b) 的白动调压系统端电压会低于 110 v。 6、 图图 1

7、4 为水温控制系统示意图。冷水在热交换器为水温控制系统示意图。冷水在热交换器中中由通入的蒸气加热，从而得到由通入的蒸气加热，从而得到 一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方块图一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方块图，并说明为了保持热水，并说明为了保持热水 温度期望值，系统是如何温度期望值，系统是如何工工作的作的?系统的被控对象和控制装置各是什么系统的被控对象和控制装置各是什么？ 图 1-4 水温控制系统 解： 水温控制系统的方框图如图 l5 所示。 图 1-5 水温控制系统的方框图 系统是复合控制系统，它的控制方式是把按偏差控制和按扰动控制结合起来。 采用温

8、度负反馈，由温度控制器对热水温度进行自动控制。若热水温度过高，控制 器使阀门关小，蒸汽量减小，热水温度回到给定值。冷水流量是主要扰动量，用流量计测 量扰动恰号，将其送到控制器输入端，进行扰动顺馈补偿。当冷水流量减少时，补偿量减 少，通过温度控制器使阀门关小，蒸汽量减少，以保持热水温度恒定。 系统的被控对象是热交换器，被控量是热水温度，控制装置是温度控制器。 7、 远距离操作的机器人手臂系统工作原理如图远距离操作的机器人手臂系统工作原理如图 1-6 所所示示， 试简述其工作原理书， 试简述其工作原理书并并画出系画出系 统方框图。统方框图。 图 16 机器人手臂系统工作原理图 解： 系统的任务是控

9、制从动手的手爪角度 2 跟踪主动手的手爪角度 1 ，从动手的角位移 是被控量，主动手的角位移是给定量，电位计 A 的作用是将主动手手爪的角度 1 转换成 电压 1 u ，电位计 B 的作用是将从动手手爪的角度 2 转换成电压 2 u 。 当从动手手爪的角位移 2 与主动手手爪的角位移 1 相等时， 12 uu= ，环形电位计 A、 B 组成的桥式电路处于平衡状态，输出电压 0e = ，电机不动。 当主动手手爪的角位移 1 变化，从动手手爪的角度 2 不等于 1 时，输出电压e被送到 放大器，使直流伺服电机向误差角减小的方向运转。直到 12 = 时， 12 uu= ， 0e = 。因 此，从动手

10、手爪的旋转角度几乎与主动手手爪的角度一致。 系统中的主动手手爪是给定元件，电位计 A、B 组成的电桥电路作为测量、比较元件， 电机和从动手手爪组成执行机构。系统方框图如图 17 所示。 图 1-7 系统方框图 8、 图图 18 是电炉控制系统原理示意图。试分析系统保持电路温度恒定的工作是电炉控制系统原理示意图。试分析系统保持电路温度恒定的工作 过程，指出系统的被控对象、被控量以及各部件的作用，最后画出系统的方框图。过程，指出系统的被控对象、被控量以及各部件的作用，最后画出系统的方框图。 网 l8 电炉控制系统原理阁 解： 电炉使用电阻丝加热，并要求保持炉温恒定。图 114 中采用热电偶测量炉温

11、并将 其转化为电压信号，将此电压信号反馈到输入端与给定电压比较，测量得到的电压信号 与给定电压信号反极性连接，实现负反馈。两者的差值称为偏差电压，它经电压放大和 功率放大后驱动直流电动机。电动机经减速器带动调压变压器的滑动触头，改变电阻丝 的供电电压，从而调节炉温。 譬如，当炉温偏低时，测量电压小于给定电压，两者比较得到偏差电压，偏差电压为 正时电动机“正”转使调节器的滑动触头上移，电阻丝的供电电压增大，电流加大，炉温 上升，直至炉温升至给定值为止，电动机停止转动，炉温保持恒定。 系统的被控对象是电炉，被控量是电炉温度，电动机、减速器、调压器是执行机构，热 电偶是检测元件。 电炉温度控制系统的

12、方框图如图 l9 所示。 图 19 电炉温度控制系统的方框图 9、 下列各式是描述系统的微分方程，其中下列各式是描述系统的微分方程，其中 ( )c t 为输出量，为输出量， ( )r t 为输入量，试判断为输入量，试判断 哪些是线性定常系统或时变系统哪些是非线性系统。哪些是线性定常系统或时变系统哪些是非线性系统。 解： (1)非线性系统；(2)线性定常系统；(3)线性时变系统；(4)非线性系统；(5)线性 定常系统；(6)非线性系统；(7)线性时变系统。 10、 试举出几个开环与闭环自动控制系统的例子，画出它们的框图，并说明它们的工作试举出几个开环与闭环自动控制系统的例子，画出它们的框图，并说

13、明它们的工作 原理，讨论其特点。原理，讨论其特点。 答： 图 110 所示为直流电动机的开环控制系统示意图。 图 1-10 直流电动机开环控制系统示意团 该系统的结构图可用图 1-11 表示。 图 1-11 开环系统方框图 在本系统中要控制的是直流电动机的转速，所以直流电动机是控制对象，直流电动 机的转速是系统的输出量。在励碰电流 f I 与负载恒定的条件下，当电位器滑动端在某一位 置时(电位器对应的输出电压用 R U 表示） ，电动机就以一定的转速n运转。如果由于外部或 内部扰动，例如由于负载突然增加，使电动机转速下降，那么电动机在无人干预的情况下将 偏离给定速度。 也就是说开环控制系统只有

14、输入量对输出量产生作用， 而没有输出对输入的 反作用。 图 1-12 所示为直流电动机的闭环控制系统示意图。 图 1-12 直流电动机闭环控制系统示意图 该系统的方框图如图 1-13 所示。 图 1-13 闭环控制方框图 这里， 用测速发电机将输出量检测出来， 并转换成与给定电压物理量相同的反馈电 压 f U ，然后反馈到输入端与给定电压 R U 相比较，其偏差经过运算放大器放大后，用来控 制功率放大器的输出电压u和电动机的转速n。当电位器滑动到某一位置时，电动机就以一 个指定的转速转动。由于外部或内部扰动，例如，由于负载突然增加，使电动机转速降低， 那么这一速度的变化，将由测速机检测出来。此

15、时反馈电压相应降低，与给定电压比较后， 偏差电压增大，再经过功率放大器放大后，将功率放大器输出电压u升高，从而减小或消除 电动机的转速偏差。 这样， 不用人的干预 系统就可以近似保持给定速废不变。 由此可看出， 闭环系统是把输出量反馈到输入端形成闭环使得输出量参与系统的控制。 11、图图 1-14 所示，为一所示，为一直直流发电机流发电机电电压自动控制系统压自动控制系统示示意图。意图。 (1)该系统该系统由由哪些环节组成，各起哪些环节组成，各起什什么作用么作用？ (2)绘绘出出系统的框图，说明当负载电流变化时，系统如何保持发电机的电压恒定。系统的框图，说明当负载电流变化时，系统如何保持发电机的

16、电压恒定。 (3)该系统是有差系统还是无该系统是有差系统还是无差差系统系统？ (4)系统系统中中有哪些可能的扰动有哪些可能的扰动? 图 1-14 电压自动控制系统示意图 答： (1)该系统由给定环节、比较环节、中间环节、执行结构、检测环节、发电机等环节组 成。 给定环节：电压源 0 U 。用来设定直流发电机电压的给定值。 比较环节：本系统所实现的被控量与给定量进行比较，是通过给定电压与反馈电压反 极性相接加到比例放大器上实现的。 中间环节：比例放大器。它的作用是将偏差信号放大，使其足以带动执行机构工作。 该环节又称为放大环节。 执行机构；该环节由执行电机、减速器和可调电阻器构成。该环节的作用是：通过改 变发电机励磁回路的电阻值， 改变发电机的磁场， 调节发电机的输出电压。 被控对象：发电机。其作用是供给负载恒定不变的电压。 检测环节： 跨接在发电机电枢两端、 且与电压源 0 U 反极性相接到比例放大器输入端的 导线。它的作用是将系统的输出量直接反馈到系统的输入端。