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1、 《自動(dòng)控制原理》習(xí)題解答 西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 第一章習(xí)題及答案 1-1 根據(jù)題1-1圖所示的電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)工作原理圖 (1) 將a，b與c，d用線連接成負(fù)反饋狀態(tài)； (2) 畫出系統(tǒng)方框圖。 解 （1）負(fù)反饋連接方式為：，； （2）系統(tǒng)方框圖如圖解1-1 所示。 1-2 題1-2圖是倉庫大門自動(dòng)控制系統(tǒng)原理示意圖。試說明系統(tǒng)自動(dòng)控制大門開閉的工作原理，并畫出系統(tǒng)方框圖。 題1-2圖 倉庫大門自動(dòng)開閉控制系統(tǒng) 解 當(dāng)

2、合上開門開關(guān)時(shí)，電橋會(huì)測(cè)量出開門位置與大門實(shí)際位置間對(duì)應(yīng)的偏差電壓，偏差電壓經(jīng)放大器放大后，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將大門向上提起。與此同時(shí)，和大門連在一起的電刷也向上移動(dòng)，直到橋式測(cè)量電路達(dá)到平衡，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，大門達(dá)到開啟位置。反之，當(dāng)合上關(guān)門開關(guān)時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絞盤使大門關(guān)閉，從而可以實(shí)現(xiàn)大門遠(yuǎn)距離開閉自動(dòng)控制。系統(tǒng)方框圖如圖解1-2所示。 1-3 題1-3圖為工業(yè)爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理圖。分析系統(tǒng)的工作原理，指出被控對(duì)象、被控量和給定量，畫出系統(tǒng)方框圖。 題1-3圖 爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖 解 加熱爐采用電加熱方式運(yùn)行，加熱器所產(chǎn)生的熱量與調(diào)壓器電壓的平方成正比

3、，增高，爐溫就上升，的高低由調(diào)壓器滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置所控制，該觸點(diǎn)由可逆轉(zhuǎn)的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。爐子的實(shí)際溫度用熱電偶測(cè)量，輸出電壓。作為系統(tǒng)的反饋電壓與給定電壓進(jìn)行比較，得出偏差電壓，經(jīng)電壓放大器、功率放大器放大成后，作為控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓。 在正常情況下，爐溫等于某個(gè)期望值C，熱電偶的輸出電壓正好等于給定電壓。此時(shí)，，故，可逆電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)壓器的滑動(dòng)觸點(diǎn)停留在某個(gè)合適的位置上，使保持一定的數(shù)值。這時(shí)，爐子散失的熱量正好等于從加熱器吸取的熱量，形成穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)，溫度保持恒定。 當(dāng)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(xiàn)以下的控制過程： 控制的結(jié)果是使

4、爐膛溫度回升，直至C的實(shí)際值等于期望值為止。 CC 系統(tǒng)中，加熱爐是被控對(duì)象，爐溫是被控量，給定量是由給定電位器設(shè)定的電壓（表征爐溫的希望值）。系統(tǒng)方框圖見圖解1-3。 1-4 題1-4圖是控制導(dǎo)彈發(fā)射架方位的電位器式隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖。圖中電位器、并聯(lián)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(lián)結(jié)，組成方位角的給定元件和測(cè)量反饋元件。輸入軸由手輪操縱；輸出軸則由直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速后帶動(dòng)，電動(dòng)機(jī)采用電樞控制的方式工作。 試分析系統(tǒng)的工作原理，指出系統(tǒng)的被控對(duì)象、被控量和給定量，畫出系統(tǒng)的方框圖。 題1-4圖 導(dǎo)彈發(fā)射架方位角控制系統(tǒng)原理圖 解 當(dāng)導(dǎo)

5、彈發(fā)射架的方位角與輸入軸方位角一致時(shí)，系統(tǒng)處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。 當(dāng)搖動(dòng)手輪使電位器的滑臂轉(zhuǎn)過一個(gè)輸入角的瞬間，由于輸出軸的轉(zhuǎn)角,于是出現(xiàn)一個(gè)誤差角，該誤差角通過電位器、轉(zhuǎn)換成偏差電壓，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)導(dǎo)彈發(fā)射架轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，通過輸出軸帶動(dòng)電位器的滑臂轉(zhuǎn)過一定的角度，直至?xí)r，，偏差電壓，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)，導(dǎo)彈發(fā)射架停留在相應(yīng)的方位角上。只要，偏差就會(huì)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，控制的結(jié)果是消除偏差，使輸出量嚴(yán)格地跟隨輸入量的變化而變化。 系統(tǒng)方框圖如圖解1-4所示。 1-5 采用離心調(diào)速器的蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如題1-5圖所示。其工作原理是：當(dāng)蒸汽機(jī)帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，通過圓錐齒輪帶動(dòng)一

6、對(duì)飛錘作水平旋轉(zhuǎn)。飛錘通過鉸鏈可帶動(dòng)套筒上下滑動(dòng)，套筒內(nèi)裝有平衡彈簧，套筒上下滑動(dòng)時(shí)可撥動(dòng)杠桿，杠桿另一端通過連桿調(diào)節(jié)供汽閥門的開度。在蒸汽機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，飛錘旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力與彈簧的反彈力相平衡，套筒保持某個(gè)高度，使閥門處于一個(gè)平衡位置。如果由于負(fù)載增大使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速下降，則飛錘因離心力減小而使套筒向下滑動(dòng)，并通過杠桿增大供汽閥門的開度，從而使蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速回升。同理，如果由于負(fù)載減小使蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速回落。這樣，離心調(diào)速器就能自動(dòng)地抵制負(fù)載變化對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，使蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在某個(gè)期望值附近。 指出系統(tǒng)中的被控對(duì)象

7、、被控量和給定量，畫出系統(tǒng)的方框圖。 題1-5圖 蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng) 解 在本系統(tǒng)中，蒸汽機(jī)是被控對(duì)象，蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速是被控量，給定量是設(shè)定的蒸汽機(jī)希望轉(zhuǎn)速。離心調(diào)速器感受轉(zhuǎn)速大小并轉(zhuǎn)換成套筒的位移量，經(jīng)杠桿傳調(diào)節(jié)供汽閥門，控制蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)方框圖如圖解1-5所示。 1-6 攝像機(jī)角位置自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)如題1-6圖所示。當(dāng)光點(diǎn)顯示器對(duì)準(zhǔn)某個(gè)方向時(shí)，攝像機(jī)會(huì)自動(dòng)跟蹤并對(duì)準(zhǔn)這個(gè)方向。試分析系統(tǒng)的工作原理，指出被控對(duì)象、被控量及給定量，畫出系統(tǒng)方框圖。 題1-6圖 攝像機(jī)角位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖 解 控制系統(tǒng)的任務(wù)是使攝像機(jī)自動(dòng)跟蹤光點(diǎn)顯示器指示

8、的方向。 當(dāng)攝像機(jī)方向角與光點(diǎn)顯示器指示的方向一致時(shí)，，自整角機(jī)輸出，交流放大器輸出電壓，電動(dòng)機(jī)靜止，攝像機(jī)保持原來的協(xié)調(diào)方向。當(dāng)光點(diǎn)顯示器轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，時(shí)，自整角機(jī)輸出與失諧角成比例的電壓信號(hào)（其大小、極性反映了失諧角的幅值和方向），經(jīng)電位器后變成，經(jīng)放大器放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，并通過減速器帶動(dòng)攝像機(jī)跟蹤光點(diǎn)顯示器的指向，使偏差減小，直到攝像機(jī)與光點(diǎn)顯示器指向重新達(dá)到一致時(shí)為止。測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行速度反饋，用以改善系統(tǒng)性能。 系統(tǒng)中，攝像機(jī)是被控對(duì)象，攝像機(jī)的方向角是被控量，給定量是光點(diǎn)顯示器指示的方向角。系統(tǒng)方框圖如圖解1-6所示。 1-7 題1-7圖(a)，(b

9、)所示的系統(tǒng)均為電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。假設(shè)空載時(shí)兩系統(tǒng)發(fā)電機(jī)端電壓均為110V，試問帶上負(fù)載后，圖(a)，(b)中哪個(gè)能保持110V不變，哪個(gè)電壓會(huì)低于110V，為什么? 題1-7圖 電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理圖 解 帶上負(fù)載后，開始由于負(fù)載的影響，(a)與(b)的端電壓都要下降，但圖(a)中所示系統(tǒng)能恢復(fù)到110伏而圖(b)系統(tǒng)卻不能。理由如下： 圖(a)系統(tǒng),當(dāng)?shù)陀诮o定電壓時(shí)，其偏差電壓經(jīng)放大器放大后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)D轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速器帶動(dòng)電刷，使發(fā)電機(jī)F的激磁電流增大，發(fā)電機(jī)的輸出電壓會(huì)升高，從而使偏差電壓減小，直至偏差電壓為零時(shí)，電機(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，圖(a)系統(tǒng)能保持110伏不變。

10、 圖(b)系統(tǒng)，當(dāng)?shù)陀诮o定電壓時(shí)，其偏差電壓經(jīng)放大器后，直接使發(fā)電機(jī)激磁電流增大，提高發(fā)電機(jī)的端電壓，使發(fā)電機(jī)G 的端電壓回升，偏差電壓減小，但不可能等于零，因?yàn)楫?dāng)偏差電壓為 0時(shí)，=0，發(fā)電機(jī)就不能工作。即圖(b)所示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓會(huì)低于110伏。 1-8 題1-8圖為水溫控制系統(tǒng)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(jì)測(cè)量。試?yán)L制系統(tǒng)方塊圖，并說明為了保持熱水溫度為期望值，系統(tǒng)是如何工作的？系統(tǒng)的被控對(duì)象和控制裝置各是什么？ 解 工作原理：溫度傳感器不斷測(cè)量交換器出口處的實(shí)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

11、偏差值使蒸汽閥門開大，進(jìn)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(jì)測(cè)得，通過溫度控制器，開大閥門，使蒸汽量增加，提前進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)按冷水流量進(jìn)行順饋補(bǔ)償，保證熱交換器出口的水溫不發(fā)生大的波動(dòng)。 其中，熱交換器是被控對(duì)象，實(shí)際熱水溫度為被控量，給定量（希望溫度）在控制器中設(shè)定；冷水流量是干擾量。 題1-8圖 水溫控制系統(tǒng)原理圖 系統(tǒng)方塊圖如圖解1-8所示。這是一個(gè)按干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)。 1-9 許多機(jī)器，像車床、銑床和磨床，都配有跟隨器，用來復(fù)現(xiàn)模板的外形。題1-9圖就是這樣一種跟隨系統(tǒng)的原理圖。在此

12、系統(tǒng)中，刀具能在原料上復(fù)制模板的外形。試說明其工作原理，畫出系統(tǒng)方框圖。 解 模板與原料同時(shí)固定在工作臺(tái)上。X、Y軸直流伺服馬達(dá)接受控制器的指令，按輸入命令帶動(dòng)工作臺(tái)做X、Y方向運(yùn)動(dòng)。模板隨工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)，觸針會(huì)在模板表面滑動(dòng)，跟隨刀具中的位移傳感器將觸針感應(yīng)到的反映模板表面形狀的位移信號(hào)送到跟隨控制器，控制器的輸出驅(qū)動(dòng)Z軸直流伺服馬達(dá)帶動(dòng)切削刀具連同刀具架跟隨觸針運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)毒呶恢门c觸針位置一致時(shí)，兩者位置偏差為零，Z軸伺服馬達(dá)停止。系統(tǒng)中，刀具是被控對(duì)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(tǒng)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

13、-10 題1-10圖(a)，(b)所示均為調(diào)速系統(tǒng)。 (1) 分別畫出圖(a)、圖(b)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)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(gè)是有差系統(tǒng)，哪個(gè)是無差系統(tǒng)，說明其道理。 題1-10圖 調(diào)速系統(tǒng)工作原理圖 解 (1)系統(tǒng)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(tǒng)是有差系統(tǒng)，題1-10圖(b)的系統(tǒng)是無差系統(tǒng)。 題1-10圖(a)中，當(dāng)給定恒值電壓信號(hào)，系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的恒定是以發(fā)電機(jī)提供恒定電壓為條件，

14、對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)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(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，故系統(tǒng)有差。 題1-10圖(b)中，給定恒定電壓，電動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)激磁繞組中的勵(lì)磁電流恒定，這意味著執(zhí)行電動(dòng)機(jī)處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，放大器前端電壓必然為0，故系統(tǒng)無差。 1-11 題1-11圖為谷物濕度控制系統(tǒng)示意圖。在谷物磨粉的生產(chǎn)過程中，有一個(gè)出粉最多的濕度，因此磨粉之前要給谷物加水以得到給定的濕度。圖中，谷物用傳送裝置按一定流量通過加水點(diǎn)，加水量由自動(dòng)閥門控制。加水過程中，谷物流量、加水前谷物濕度以及水壓都是對(duì)谷物濕度控制的擾動(dòng)作用。為了提高控制精度，系統(tǒng)中采用了谷物濕度的順饋控制，試畫出系統(tǒng)方塊圖。 題1-11圖 谷物濕度控制系統(tǒng)示意圖 解 系統(tǒng)中，傳送裝置是被控對(duì)象；輸出谷物濕度是被控量；希望的谷物濕度是給定量。 系統(tǒng)方框圖如圖解1-11 所示。這是一個(gè)按干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)。 10