王建辉《自动控制原理》(课后习题 自动控制系统的基本概念)【圣才出品】

第1章　自动控制系统的基本概念
1-1 什么是自动控制系统？自动控制系统通常由哪些基本环节组成？各环节起什么作用？
答：（1）自动控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和（或）工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。

（2）组成自动控制系统的基本环节及其作用如下：
①被控对象或调节对象：进行控制的设备或过程；
②执行机构：使被控制量达到所要求的数值；
③检测装置或传感器：检测被控制量；
④给定环节：设定被控制量的给定值；
⑤比较环节：确定被控制量与给定量之间的偏差；
⑥中间环节：将偏差信号变换成适于控制执行机构工作的信号。

1-2 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。

答：（1）开环控制系统的优缺点
①优点：结构简单、稳定性好。

②缺点：不能自动补偿扰动对输出量的影响。

（2）闭环控制系统的优缺点
①优点：可以有效克服被控对象变化和扰动对输出的影响，提高系统的精度。

②缺点：结构较复杂，稳定性差。

1-3 什么是系统的暂态过程？对一般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加到某一个值时，输出量的暂态过程如何？
答：（1）系统的暂态过程是指系统从一个稳态过渡到新的稳态的过程。

（2）当给定量或扰动量突然增加到某一给定值时，输出量的暂态过程有以下几种情况：
①单调过程。

这一过程的输出量单调变化，缓慢达到新的稳态值；
②衰减振荡过程。

被控制量变化很快，经过几次振荡后，达到新的稳定工作状态；②持续振荡过程。

被控制量持续振荡，始终不能达到新的稳定工作状态。

1-4 日常生活中有许多开环控制系统和闭环控制系统，试举例说明它们的工作原理。

答：（1）开环控制系统实例-电加热系统，如图1-1：
图1-1 温度控制系统
自耦变压器滑动端的位置（按工艺要求设置）对应一个电压值u c ，即对应了一个电阻炉的温度值T c ，改变u c 即改变了T c 。

当系统中出现外部扰动（如炉门开、关频度变化）或内部扰动（如电源电压波动）时，T c 将偏离u c 所对应的数值。

（2）闭环控制系统实例-速度控制系统（如图1-2）：
图1-2 闭环调速系统
用测速发电机TG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
U f，然后反馈到输入端，与给定电压U g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输出电压U d和电动机的转速n。

当电位器滑动端在某一位置时，电动机就以一个指定的转速运转。

如果由于外部或内部扰动（例如由于负载突然增加），使电动机转速降低，那么这一速度的变化，将由测速发电机检测出来。

此时反馈电压相应降低，与给定电压比较后，偏差电压增大，再经过放大器放大后，将使功率放大器输出电压U d升高，从而减小或消除电动机的转速偏差。

1-5 试举几个工业生产中开环与闭环自动控制系统的例子，画出它们的框图，并说明它们的工作原理，讨论其特点。

答：图1-3所示为直流电动机的开环控制系统示意图。

图1-3 直流电动机开环控制系统示意图
该系统的结构图可用图1-4表示。

图1-4 开环系统结构图
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。

在励磁电流I f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U g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。

即开环控制系统只有输入量对输出量产生作用，输出量没有参与统一控制。

图1-5所示为直流电动机的闭环控制系统示意图。

图1-5 直流电动机闭环控制系统示意图
该系统的结构图如图1-6所示。

图1-6 闭环控制结构图
用测速发电机将输出量n 检测出来，并转换成与给定电压物理量相同的反馈电压U f ，然后反馈到输入端与给定电压U g 相比较，其偏差△U 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，将由测速发电机检测出来。

此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度不变。

由此可知，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。

1-6 图1-7所示为一直流发电机电压自动控制系统。

图中，1为发电机；2为减速器；3为执行机构；4为比例放大器；5为可调电位器。

（1
）该系统由哪些环节组成？各起什么作用？（2）绘出系统的框图，说明当负载电流变化时，系统如何保持发电机的电压恒定。

（3）该系统是有差还是无差系统？
（4）系统中有哪些可能的扰动？
图1-7 电压自动控制系统
答：（1）该系统由给定环节、比较环节、中间环节、执行机构、被控对象、检测环
节等组成。

给定环节：电压源U 0。

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。

其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、减速器和可调电位器构成。

其作用是：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：检测发电机电枢两端电压作为反馈量，其作用是将系统的输出量直接反馈
到系统的输入端。

（2）系统结构框图如图1-8所示。

当负载电流变化，如增大时，发电机电压下降，电压偏差增大，偏差电压经过运算放大器放大后，控制可逆伺服电动机，带动可调电阻器的滑动端使励磁电流增大，使发电机的电压增大，直至恢复到给定电压的数值，实现电压的恒定控制。

图1-8 系统结构框图
负载电流减小的情况与此同理。

（3）假设在系统稳定运行状态下，发电机输出的电压与给定的电压U 0相等，即无差。