第一章習(xí)題及答案(新版)

1、第一章自動控制的一般概念習(xí)題及答案1-1根據(jù)題1-15圖所示的電動機(jī)速度控制系統(tǒng)工作原理圖，完成:(1)將a, b與c, d用線連接成負(fù)反應(yīng)狀態(tài);畫出系統(tǒng)方框圖。電動機(jī)斗a b6-+C Sd o-負(fù)載測速笈電機(jī)ffll-15速度控制系統(tǒng)原理圖1負(fù)反應(yīng)連接方式為：a d， b c ；2系統(tǒng)方框圖如圖解1-1所示。閉的圖1-16倉庫大門自動開閉控制系統(tǒng)1-2題1-16圖是倉庫大門自動控制系統(tǒng)原理示意圖。試說明系統(tǒng)自動控制大門開、 工作原理，并畫出系統(tǒng)方框圖。解 當(dāng)合上開門開關(guān)時(shí)，電橋會測量出開門位置與大門實(shí)際位置間對應(yīng)的偏差電壓，偏 差電壓經(jīng)放大器放大后，驅(qū)動伺服電動機(jī)帶動絞盤轉(zhuǎn)動，將大門向上提起

2、。與此同時(shí)，和大 門連在一起的電刷也向上移動，直到橋式測量電路到達(dá)平衡，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，大門到達(dá)開 啟位置。反之，當(dāng)合上關(guān)門開關(guān)時(shí)，電動機(jī)帶動絞盤使大門關(guān)閉，從而可以實(shí)現(xiàn)大門遠(yuǎn)距離 開閉自動控制。系統(tǒng)方框圖如圖解 1-2所示。橋式電路+拽大# 串動機(jī) 羌門樓畫I _ 二圖解1T住匪大門控制焦筑方框圖1-3圖1-17為工業(yè)爐溫自動控制系統(tǒng)的工作原理圖。分析系統(tǒng)的工作原理， 指出被控對象、被控量和給定量，畫出系統(tǒng)方框圖。圖1-17爐溫自動控制系統(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Uc的平方成正比，uc增高，爐溫就上升，Uc的上下由調(diào)壓器滑動觸點(diǎn)的位置所控制，該觸點(diǎn)由可

3、逆轉(zhuǎn)的直流電動 機(jī)驅(qū)動。爐子的實(shí)際溫度用熱電偶測量， 輸出電壓Uf °Uf作為系統(tǒng)的反應(yīng)電壓與給定電壓 Ur 進(jìn)行比擬，得出偏差電壓 ,經(jīng)電壓放大器、功率放大器放大成Ua后，作為控制電動機(jī)的電 樞電壓。在正常情況下，爐溫等于某個期望值 T ° C,熱電偶的輸出電壓Uf正好等于給定電壓 Ur。 此時(shí)，Ue Ur Uf 0，故U1 Ua 0，可逆電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，調(diào)壓器的滑動觸點(diǎn)停留在某 個適宜的位置上，使 Uc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T ° C由于某種原因突然下降例如爐門翻開造成的熱

4、量流失 ，那么出現(xiàn)以下的控制過程：控制的結(jié)果是使?fàn)t膛溫度上升，直至 T ° C的實(shí)際值等于期望值為止。UfUeUiUaUc系統(tǒng)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(shè)定的電壓ur表征爐溫的希望值。系統(tǒng)方框圖見圖解1-3。卜I調(diào)蟲器卜1"訃廠I舉電 TI圖殆衛(wèi)爐猩控和系統(tǒng)方框圖1-4 圖1-18是控制導(dǎo)彈發(fā)射架方位的電位器式隨動系統(tǒng)原理圖。圖中電位器R、P2并聯(lián)后跨接到同一電源 Eo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量反應(yīng)元件。輸入軸由手輪操縱；輸出軸那么由直流電動機(jī)經(jīng)減速后帶動，電動機(jī)采用 電樞控制的方式工作。試分析系統(tǒng)的工

5、作原理，指出系統(tǒng)的被控對象、被控量和給定量，畫出系統(tǒng)的方框圖。圖1-18導(dǎo)彈發(fā)射架方位角控制系統(tǒng)原理圖解當(dāng)導(dǎo)彈發(fā)射架的方位角與輸入軸方位角一致時(shí)，系統(tǒng)處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)搖動手輪使電位器 R的滑臂轉(zhuǎn)過一個輸入角i的瞬間，由于輸出軸的轉(zhuǎn)角°于是出現(xiàn)一個誤差角e i °，該誤差角通過電位器P1、P2轉(zhuǎn)換成偏差電壓 Ue Ui U°， Ue經(jīng)放大后驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動，在驅(qū)動導(dǎo)彈發(fā)射架轉(zhuǎn)動的同時(shí)，通過輸出軸帶 動電位器P2的滑臂轉(zhuǎn)過一定的角度°，直至° i時(shí)，Ui u° ,偏差電壓Ue 0,電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。這時(shí)，導(dǎo)彈發(fā)射架停留在相應(yīng)的方位角上。只

6、要i°，偏差就會產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，控制的結(jié)果是消除偏差e，使輸出量o嚴(yán)格地跟隨輸入量i的變化而變化。系統(tǒng)中，導(dǎo)彈發(fā)射架是被控對象， 發(fā)射架方位角 °是被控量，通過手輪輸入的角度i是給定量。系統(tǒng)方框圖如圖解1-4所示。卜電倔 Pl r &一+直流 電動機(jī)+我速器發(fā)月俟-10S1-4導(dǎo)彈發(fā)射架方拉拄制系統(tǒng)力睡1-5采用離心調(diào)速器的蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如圖1-19所示。其工作原理是：當(dāng)蒸汽機(jī)帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動的同時(shí)，通過圓錐齒輪帶動一對飛錘作水平旋轉(zhuǎn)。飛錘通過鉸鏈可帶動套筒上下 滑動，套筒內(nèi)裝有平衡彈簧，套筒上下滑動時(shí)可撥動杠桿，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)

7、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 持某個高度，使閥門處于一個平衡位置。如果由于負(fù)載增大使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速下降，那么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(jī)的轉(zhuǎn)速上升。同理，如果由于負(fù)載減小使蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，那么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)速器就能自動地抵抗負(fù)載 變化對轉(zhuǎn)速的影響，使蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在某個期望值附近。指出系統(tǒng)中的被控對象、被控量和給定量，畫出系統(tǒng)的方框圖。圖1-19蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)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

8、，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)角位置自動跟蹤系統(tǒng)如圖1-20所示。當(dāng)光點(diǎn)顯示器對準(zhǔn)某個方向時(shí)，攝像時(shí)機(jī)自動跟蹤并對準(zhǔn)這個方向。試分析系統(tǒng)的工作原理，指出被控對象、被控量及給定量，畫 出系統(tǒng)方框圖。交規(guī)鶴遽發(fā)電嘰圖1-20攝像機(jī)角位置隨動系統(tǒng)原理圖解 控制系統(tǒng)的任務(wù)是使攝像機(jī)自動跟蹤光點(diǎn)顯示器指示的方向。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)，21，自整角機(jī)輸出e 0，交流放大器輸出電壓u 0，電動機(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 角度，21時(shí)，自整角機(jī)輸出與失諧角1 2成比例的電壓信號其大小、極性反映了失諧角的幅值

9、和方向，經(jīng)電位器后變成e,經(jīng)放大器放大后驅(qū)動伺服電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，并通 過減速器帶動攝像機(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 新到達(dá)一致時(shí)為止。測速發(fā)電機(jī)測量電動機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行速度反應(yīng)，用以改善系統(tǒng)性能。光點(diǎn)顯示舒s戰(zhàn)左糾：|暢機(jī)| :座聖攝彖機(jī)國解1 f 議副秋角垃買隨功祐充方樞圖方向角1。系統(tǒng)方框圖如圖解1-6所示。1-7圖1-21 (a), (b)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1-21 (a)，(b)中哪個能保持110V不變，哪個電壓會低于110V ？為什么？圖1-21電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理圖解 帶上負(fù)載后，開始

10、由于負(fù)載的影響，圖1-21 (a)與(b)系統(tǒng)的端電壓都要下降，但圖 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)u低于給定電壓時(shí)，其偏差電壓經(jīng)放大器K放大后，驅(qū)動電機(jī) D轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速器帶動電刷，使發(fā)電機(jī)F的激磁電流I j增大，發(fā)電機(jī)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(shí)，電機(jī)才停止轉(zhuǎn)動。因此，圖(a)系統(tǒng)能保持110伏不變。圖(b)系統(tǒng)，當(dāng)u低于給定電壓時(shí)，其偏差電壓經(jīng)放大器K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的端電壓上升，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)，i f =0，發(fā)電機(jī)就不能工作。即圖 (b

11、)所示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓會低于110伏。1-8圖1-22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(shí)際水溫，并在溫度控制器中與給 定溫度相比擬，假設(shè)低于給定溫度， 其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，那么流量值由流量計(jì)測得， 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

12、交換器出口的水溫不發(fā)生大的波動。其中，熱交換器是被控對象，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。I1| T 陰鞏淸贋沮度控刨器+阪卜止瑾 Y -羽馨:-運(yùn)術(shù)価桎刊系吹方框留系統(tǒng)方塊圖如圖解1-8所示。這是一個按干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)。1-9許多機(jī)器，像車床、銃床和磨床，都配有跟隨器，用來復(fù)現(xiàn)模板的外形。圖1-23就是這樣一種跟隨系統(tǒng)的原理圖。在此系統(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，按輸入命令帶開工作臺做 X、Y方向運(yùn)動。模板隨工作臺移動時(shí)，觸針會在模板外

13、表滑動，跟隨刀 具中的位移傳感器將觸針感應(yīng)到的反映模板外表形狀的位移信號送到跟隨控制器，控制器的輸出驅(qū)動Z軸直流伺服馬達(dá)帶動切削刀具連同刀具架跟隨觸針運(yùn)動，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，刀具是被控對象，刀具位置是被1-9所示。最終原料被切割加工控量，給定量是由模板確定的觸針位置。系統(tǒng)方框圖如圖解 成模板的形狀。1-10圖1-24 (a)，(b)所示均為調(diào)速系統(tǒng)。(1)分別畫出圖1-24 (a卜圖(b)所示系統(tǒng)的方框圖。給出圖 1-24 (a)所示系統(tǒng)正確的反應(yīng) 連線方式。指出在恒值輸入條件下，圖1-24 (a)、(b)所示系統(tǒng)中哪個是有差系統(tǒng)，哪個是

14、無差系統(tǒng)，說明其道理。圖1-24調(diào)速系統(tǒng)工作原理圖放AJC解(1)系統(tǒng)方框圖如圖解1-10所示。(b)團(tuán)解系統(tǒng)方框圖圖1-24 (a)正確的反應(yīng)連接方式如圖1-24中虛線所示。圖1-24 (a )中，當(dāng)給定恒值電壓信號，系統(tǒng)運(yùn)行到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速的恒定是以發(fā)電機(jī) 提供恒定電壓為條件，對應(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。圖1-24 (b)中，給定恒定電壓，電動機(jī)到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，對應(yīng)發(fā)電機(jī)激磁繞組中的勵磁 電流恒定，這意味著執(zhí)行電動機(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圖1-25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