自動控制原理習題解答西北工業大學自動化學院第一章習題及答案1-1 根據題1-1圖所示的電動機速度控制系統工作原理圖 (1) 將a，b與c，d用線連接成負反饋狀態；(2) 畫出系統方框圖。解 （1）負反饋連接方式為：，； （2）系統方框圖如圖解1-1 所示。1-2 題1-2圖是倉庫大門自動控制系統原理示意圖。試說明系統自動控制大門開閉的工作原理，并畫出系統方框圖。題1-2圖 倉庫大門自動開閉控制系統解 當合上開門開關時，電橋會測量出開門位置與大門實際位置間對應的偏差電壓，偏差電壓經放大器放大后，驅動伺服電動機帶動絞盤轉動，將大門向上提起。與此同時，和大門連在一起的電刷也向上移動，直到橋式測量電路達到平衡，電動機停止轉動，大門達到開啟位置。反之，當合上關門開關時，電動機帶動絞盤使大門關閉，從而可以實現大門遠距離開閉自動控制。系統方框圖如圖解1-2所示。1-3 題1-3圖為工業爐溫自動控制系統的工作原理圖。分析系統的工作原理，指出被控對象、被控量和給定量，畫出系統方框圖。題1-3圖 爐溫自動控制系統原理圖解 加熱爐采用電加熱方式運行，加熱器所產生的熱量與調壓器電壓的平方成正比，增高，爐溫就上升，的高低由調壓器滑動觸點的位置所控制，該觸點由可逆轉的直流電動機驅動。爐子的實際溫度用熱電偶測量，輸出電壓。作為系統的反饋電壓與給定電壓進行比較，得出偏差電壓，經電壓放大器、功率放大器放大成后，作為控制電動機的電樞電壓。 在正常情況下，爐溫等于某個期望值C，熱電偶的輸出電壓正好等于給定電壓。此時，故，可逆電動機不轉動，調壓器的滑動觸點停留在某個合適的位置上，使保持一定的數值。這時，爐子散失的熱量正好等于從加熱器吸取的熱量，形成穩定的熱平衡狀態，溫度保持恒定。當爐膛溫度C由于某種原因突然下降(例如爐門打開造成的熱量流失)，則出現以下的控制過程：控制的結果是使爐膛溫度回升，直至C的實際值等于期望值為止。CC 系統中，加熱爐是被控對象，爐溫是被控量，給定量是由給定電位器設定的電壓（表征爐溫的希望值）。系統方框圖見圖解1-3。 1-4 題1-4圖是控制導彈發射架方位的電位器式隨動系統原理圖。圖中電位器、并聯后跨接到同一電源的兩端，其滑臂分別與輸入軸和輸出軸相聯結，組成方位角的給定元件和測量反饋元件。輸入軸由手輪操縱；輸出軸則由直流電動機經減速后帶動，電動機采用電樞控制的方式工作。試分析系統的工作原理，指出系統的被控對象、被控量和給定量，畫出系統的方框圖。題1-4圖 導彈發射架方位角控制系統原理圖解 當導彈發射架的方位角與輸入軸方位角一致時，系統處于相對靜止狀態。當搖動手輪使電位器的滑臂轉過一個輸入角的瞬間，由于輸出軸的轉角,于是出現一個誤差角，該誤差角通過電位器、轉換成偏差電壓，經放大后驅動電動機轉動，在驅動導彈發射架轉動的同時，通過輸出軸帶動電位器的滑臂轉過一定的角度，直至時，偏差電壓，電動機停止轉動。這時，導彈發射架停留在相應的方位角上。只要，偏差就會產生調節作用，控制的結果是消除偏差，使輸出量嚴格地跟隨輸入量的變化而變化。系統方框圖如圖解1-4所示。1-5 采用離心調速器的蒸汽機轉速控制系統如題1-5圖所示。其工作原理是：當蒸汽機帶動負載轉動的同時，通過圓錐齒輪帶動一對飛錘作水平旋轉。飛錘通過鉸鏈可帶動套筒上下滑動，套筒內裝有平衡彈簧，套筒上下滑動時可撥動杠桿，杠桿另一端通過連桿調節供汽閥門的開度。在蒸汽機正常運行時，飛錘旋轉所產生的離心力與彈簧的反彈力相平衡，套筒保持某個高度，使閥門處于一個平衡位置。如果由于負載增大使蒸汽機轉速下降，則飛錘因離心力減小而使套筒向下滑動，并通過杠桿增大供汽閥門的開度，從而使蒸汽機的轉速回升。同理，如果由于負載減小使蒸汽機的轉速增加，則飛錘因離心力增加而使套筒上滑，并通過杠桿減小供汽閥門的開度，迫使蒸汽機轉速回落。這樣，離心調速器就能自動地抵制負載變化對轉速的影響，使蒸汽機的轉速保持在某個期望值附近。指出系統中的被控對象、被控量和給定量，畫出系統的方框圖。題1-5圖 蒸汽機轉速自動控制系統解 在本系統中，蒸汽機是被控對象，蒸汽機的轉速是被控量，給定量是設定的蒸汽機希望轉速。離心調速器感受轉速大小并轉換成套筒的位移量，經杠桿傳調節供汽閥門，控制蒸汽機的轉速，從而構成閉環控制系統。系統方框圖如圖解1-5所示。1-6 攝像機角位置自動跟蹤系統如題1-6圖所示。當光點顯示器對準某個方向時，攝像機會自動跟蹤并對準這個方向。試分析系統的工作原理，指出被控對象、被控量及給定量，畫出系統方框圖。題1-6圖 攝像機角位置隨動系統原理圖解 控制系統的任務是使攝像機自動跟蹤光點顯示器指示的方向。當攝像機方向角與光點顯示器指示的方向一致時，自整角機輸出，交流放大器輸出電壓，電動機靜止，攝像機保持原來的協調方向。當光點顯示器轉過一個角度，時，自整角機輸出與失諧角成比例的電壓信號（其大小、極性反映了失諧角的幅值和方向），經電位器后變成，經放大器放大后驅動伺服電動機旋轉，并通過減速器帶動攝像機跟蹤光點顯示器的指向，使偏差減小，直到攝像機與光點顯示器指向重新達到一致時為止。測速發電機測量電動機轉速，進行速度反饋，用以改善系統性能。系統中，攝像機是被控對象，攝像機的方向角是被控量，給定量是光點顯示器指示的方向角。系統方框圖如圖解1-6所示。1-7 題1-7圖(a)，(b)所示的系統均為電壓調節系統。假設空載時兩系統發電機端電壓均為110V，試問帶上負載后，圖(a)，(b)中哪個能保持110V不變，哪個電壓會低于110V，為什么?題1-7圖 電壓調節系統工作原理圖解 帶上負載后，開始由于負載的影響，(a)與(b)的端電壓都要下降，但圖(a)中所示系統能恢復到110伏而圖(b)系統卻不能。理由如下： 圖(a)系統,當低于給定電壓時，其偏差電壓經放大器放大后，驅動電機D轉動，經減速器帶動電刷，使發電機F的激磁電流增大，發電機的輸出電壓會升高，從而使偏差電壓減小，直至偏差電壓為零時，電機才停止轉動。因此，圖(a)系統能保持110伏不變。 圖(b)系統，當低于給定電壓時，其偏差電壓經放大器后，直接使發電機激磁電流增大，提高發電機的端電壓，使發電機G 的端電壓回升，偏差電壓減小，但不可能等于零，因為當偏差電壓為 0時，=0，發電機就不能工作。即圖(b)所示系統的穩態電壓會低于110伏。1-8 題1-8圖為水溫控制系統示意圖。冷水在熱交換器中由通入的蒸汽加熱，從而得到一定溫度的熱水。冷水流量變化用流量計測量。試繪制系統方塊圖，并說明為了保持熱水溫度為期望值，系統是如何工作的？系統的被控對象和控制裝置各是什么？解 工作原理：溫度傳感器不斷測量交換器出口處的實際水溫，并在溫度控制器中與給定溫度相比較，若低于給定溫度，其偏差值使蒸汽閥門開大，進入熱交換器的蒸汽量加大，熱水溫度升高，直至偏差為零。如果由于某種原因，冷水流量加大，則流量值由流量計測得，通過溫度控制器，開大閥門，使蒸汽量增加，提前進行控制，實現按冷水流量進行順饋補償，保證熱交換器出口的水溫不發生大的波動。 其中，熱交換器是被控對象，實際熱水溫度為被控量，給定量（希望溫度）在控制器中設定；冷水流量是干擾量。題1-8圖 水溫控制系統原理圖 系統方塊圖如圖解1-8所示。這是一個按干擾補償的復合控制系統。1-9 許多機器，像車床、銑床和磨床，都配有跟隨器，用來復現模板的外形。題1-9圖就是這樣一種跟隨系統的原理圖。在此系統中，刀具能在原料上復制模板的外形。試說明其工作原理，畫出系統方框圖。 解 模板與原料同時固定在工作臺上。X、Y軸直流伺服馬達接受控制器的指令，按輸入命令帶動工作臺做X、Y方向運動。模板隨工作臺移動時，觸針會在模板表面滑動，跟隨刀具中的位移傳感器將觸針感應到的反映模板表面形狀的位移信號送到跟隨控制器，控制器的輸出驅動Z軸直流伺服馬達帶動切削刀具連同刀具架跟隨觸針運動，當刀具位置與觸針位置一致時，兩者位置偏差為零，Z軸伺服馬達停止。系統中，刀具是被控對象，刀具位置是被控量，給定量是由模板確定的觸針位置。系統方框圖如圖解1-9所示。最終原料被切割加工成模板的形狀。1-10 題1-10圖(a)，(b)所示均為調速系統。 (1) 分別畫出圖(a)、圖(b)對應系統的方框圖。給出圖(a)正確的反饋連線方式。(2) 在恒值輸入條件下，圖(a)、圖(b)中哪個是有差系統，哪個是無差系統，說明其道理。題1-10圖 調速系統工作原理圖解 (1)系統方框圖如圖解1-10所示。題1-10圖(a)正確的反饋連接方式如題1-10圖(a)中虛線所示。(2) 題1-10圖(a)的系統是有差系統，題1-10圖(b)的系統是無差系統。題1-10圖(a)中，當給定恒值電壓信號，系統運行達到穩態時，電動機轉速的恒定是以發電機提供恒定電壓為條件，對應發電機激磁繞組中電流一定是恒定值。這意味著放大器前端電壓是非零的常值。因此，常值偏差電壓存在是系統穩定工作的前提，故系統有差。題1-10圖(b)中，給定恒定電壓，電動機達到穩定轉速時，對應發電機激磁繞組中的勵磁電流恒定，這意味著執行電動機處于停轉狀態，放大器前端電壓必然為0，故系統無差。1-11 題1-11圖為谷物濕度控制系統示意圖。在谷物磨粉的生產過程中，有一個出粉最多的濕度，因此磨粉之前要給谷物加水