自动控制系统原理 课后习题问题详解

第1章控制系统概述

【课后自测】

1-1 试列举几个日常生活中的开环控制和闭环控制系统，说明它们的工作原理并比较开环控制和闭环控制的优缺点。

解：开环控制——半自动、全自动洗衣机的洗衣过程。

工作原理：被控制量为衣服的干净度。洗衣人先观察衣服的脏污程度，根据自己的经验，设定洗涤、漂洗时间，洗衣机按照设定程序完成洗涤漂洗任务。系统输出量（即衣服的干净度）的信息没有通过任何装置反馈到输入端，对系统的控制不起作用，因此为开环控制。

闭环控制——卫生间蓄水箱的蓄水量控制系统和空调、冰箱的温度控制系统。

工作原理：以卫生间蓄水箱蓄水量控制为例，系统的被控制量（输出量）为蓄水箱水位（反应蓄水量）。水位由浮子测量，并通过杠杆作用于供水阀门（即反馈至输入端），控制供水量，形成闭环控制。当水位达到蓄水量上限高度时，阀门全关（按要求事先设计好杠杆比例），系统处于平衡状态。一旦用水，水位降低，浮子随之下沉，通过杠杆打开供水阀门，下沉越深，阀门开度越大，供水量越大，直到水位升至蓄水量上限高度，阀门全关，系统再次处于平衡状态。

开环控制和闭环控制的优缺点如下表

1-2 自动控制系统通常有哪些环节组成？各个环节分别的作用是什么？

解：自动控制系统包括被控对象、给定元件、检测反馈元件、比较元件、放大元件和执行元件。各个基本单元的功能如下：

（1）被控对象—又称受控对象或对象，指在控制过程中受到操纵控制的机器设备或过程。

（2）给定元件—可以设置系统控制指令的装置，可用于给出与期望输出量相对应的系统输入量。

（3）检测反馈元件—测量被控量的实际值并将其转换为与输入信号同类的物理量，再反馈到系统输入端作比较，一般为各类传感器。

（4）比较元件—把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的给定值进行比较，分析计算并产生反应两者差值的偏差信号。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。

（5）放大元件—当比较元件产生的偏差信号比较微弱不足以驱动执行元件动作时，可通过放大元件将微弱信号作线性放大。如电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大器和功率放大级加以放大。

（6）执行元件—用于驱动被控对象，达到改变被控量的目的。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。

（7）校正元件：又称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统的动态性能和稳态性能。

1-3 试阐述对自动控制系统的基本要求。

解：自动控制系统的基本要求概括来讲，就是要求系统具有稳定性、准确性和快速性。

稳定性是对系统最基本的要求，不稳定的系统是无常工作的，不能实现预定控制任务。系统的稳定性，取决于系统的结构和参数，与外界因素无关。所谓稳定性是指：当受到外作用后（系统给定值发生变化或受到干扰因素影响），系统重新恢复平衡的能力以及输出响应动态过程振荡的振幅和频率。简单来讲，若一个系统稳定，则当其在外部作用下偏离原来的平衡状态，一旦外部作用消失，经过一定时间，该系统仍能回到原来的平衡状态。反之，系统不稳定。

准确性是衡量系统控制精度的指标，用稳态误差来表示。当系统达到稳态后，稳态误差可由给定值与被控量稳态值之间的偏差来表示，误差越小，表示系统的输出跟随给定输入信号的精度越高。

快速性反应系统输出响应动态过程时间的长短，表明系统输出信号跟踪输入信号的快慢程度。系统响应越快，说明系统的输出复现输入信号的能力越强，表明性快速性越好。

在同一个系统中，上述三方面的性能要求通常是相互制约的。

1-4 直流发电机电压控制系统如图所示，图1-17（a）为开环控制，图1-17（b）为闭环控制。发电机电动势与原动机转速成正比，同时与励磁电流成正比。当负载变化时，由于发电机电枢阻上电压降的变化，会引起输出电压的波动。

（1）试说明开环控制的工作原理，并分析原动机转速的波动和负载的变化对发电机输出电压的影响。

（2）试分析闭环控制的控制过程，并与开环控制进行比较，说明负载的作用。

（a）（b）

图1-17 直流发电机电压控制系统

解：（1）这是一个通过调节原动机励磁，控制输出电压的直流发电机系统。

控制作用的实现是输入信号电压控制原动机励磁的电压输出，再有原动机励磁的输出电压控制直流发电机的输出电压，进一步带动负载工作。

由于发电机电动势与原动机转速成正比，同时与励磁电流成正比，所以当原动机转速降低时，发电机输出电压同时降低。当负载增加时，输出电压同样降低。

（2）该闭环控制系统反馈信号从输出电压得到直接送入电源输入端，形成负反馈控制。当发电机输出电压减小时，原动机励磁增加，进而使发电机输出电压回升。

1-5 图1-18所示为水位控制系统，分析系统工作原理，指出系统被控对象、被控量、控制器、检测反馈元件、执行元件、给定输入量、干扰量、输出量，并画出系统原理方框图。

图1-18 水位控制系统

解：被控对象：水池；被控量：水位；控制器：放大器；检测反馈元件：浮子、电位器；执行元件：电动机，减速器，阀门；给定输入量：给定水位；干扰量：输出流量与输入流量的变化；输出量：实际水位。

系统工作原理：当输入流量与输出流量相等时，水位的实际测量值和给定值相等，系统处于相对平衡状态，电动机无输出，阀门位置不变。当输出流量增加时，系统水位下降，通过浮子检测后带动电位器抽头移动，电动机获得一个正电压，通过齿轮减速器传递，使阀门打开，从而增加入水流量使水位上升，当水位回到给定值时，电动机的输入电压又会回到零，系统重新达到平衡状态。反之易然。

系统原理方框图：

水位给定值

电位计电动机、齿轮阀门水箱

浮子

2

Q

1

Q水位h

h

1-6 图1-19所示为仓库大门控制系统，试说明大门开启和关闭的工作原理。当大门不能全开或全关时，应该如何调整。

图1-19 仓库大门控制系统

解：当给定电位器和测量电位器输出相等时，放大器无输出，门的位置不变。假设门的原始平衡位置在关状态，门要打开时，“关门”开关打开，“开门”开关闭合。给定电位器与测量电位器输出不相等，其电信号经放大器比较放大，再经伺服电机和绞盘带动门改变位置，直到门完全打开，其测量电位器输出与给定电位器输出相等，放大器无输出，门的位置停止改变，系统处于新的平衡状态。系统方框图如解图所示。

元件功能

电位器组——将给定“开”、“关”信号和门的位置信号变成电信号。为给定、测量元件。

放大器、伺服电机——将给定信号和测量信号进行比较、放大。为比较、放大元件。

绞盘——改变门的位置。为执行元件。

门——被控对象。

系统的输入量为“开”、“关”信号；输出量为门的位置。

当大门不能全开或全关时，应该调整电位器组。

第2章 自动控制系统的数学模型

【课后自测】

2-1

[]113233

1223

()()()()()x k r t c t x x t r t Tx x x x c t k x βτ?=--?=??+=+??=? 式中，()r t 是输入量，()c t 是输出量；1x ，1x ，1x 为中间变量；τ，β，1k ，2k 为常数。画出系统的动态结构图，并求传递函数()()

C s R s 。 解：对[]11323312

23

()()()()()x k r t c t x x t r t Tx x x x c t k x βτ?=--?=??+=+??=?取拉氏变换可得[]113231223()()()()()()(1)()()()

()()

sX s k R s C s X s X s sR s Ts X s X s X s sC s k X s βτ?=--?=??+=+??=?进一步变换可得 []113231223()()()()()()1()[()()]1()()k X s R s C s X s s X s sR s X s X s X s Ts k C s X s s βτ?=--??=???=+?+??=??

上式分别作出动态结构图可得

)

1

()s

2

()s

3

()

X s

()s

将上面四部分组合可得系统的动态结构图为

()s 求出系统传递函数为

2

22

22

22

()

()(1)

k k

C s

R s s Ts k s k

τ

ττβτ

+

=

+++

2－2 试用复阻抗法求题2－2所示电路的传递函数

()

()

o

i

U s

U s

。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1wle.html