自动控制原理答案——第一章

第1章 习 题

1-1 日常生活中存在许多控制系统，其中洗衣机的控制是属于开环控制还是闭环控制？卫生间抽水马桶水箱蓄水量的控制是开环控制还是闭环控制？

解：洗衣机的洗衣过程属于开环控制，抽水马桶的蓄水控制属于闭环控制。

1-2 用方块图表示驾驶员沿给定路线行驶时观察道路正确驾驶的反馈过程。

解：驾驶过程方块图如图 所示。

图 驾驶过程方块图

1-3自动热水器系统的工作原理如图T1.1所示。水箱中的水位有冷水入口调节阀保证，温度由加热器维持。试分析水位和温度控制系统的工作原理，并以热水出口流量的变化为扰动，画出温度控制系统的原理方块图。

图T1.1 习题1-3图

解：水位控制：输入量为预定的希望水位,设为H r, 被控量为水箱实际水位,设为H。当H=H r时，浮子保持一定位置，冷水调节阀保持一定开度，进水量=出水量，水位保持在希望水位上。当出水量增加时，实际水位下降，浮子下沉，冷水入口调节阀开大，进水量增加，水位上升直到H=H r。同理，当出水量减少时，实际水位上升，浮子上升，冷水入口调节阀关小，进水量减少，水位下降直到H=H r。

温度控制：在热水电加热器系统中，输入量为预定的希望温度（给定值），设为T r，被控量（输出量）为水箱实际水温，设为，控制对象为水箱。扰动信号主要是由于放出热水并注入冷水而产生的降温作用。当T=T r时，温控开关断开，电加热器不工作，此时水箱中水温保持在希望水温上。当使用热水时，由于扰动作用使实际水温下降，测温元件感受T

温度控制系统的原理方块图如图 所示。

图 热水电加热器控制原理方块图

1-4 仓库大门自动开闭系统原理示意图如图T1.2所示。试说明自动控制大门开闭的工作原理并画出原理方块图。

图T1.2 习题1-4图

解：当合上开门开关时，电位器桥式测量电路的偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起，与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动。直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门到达开启位置。反之当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而实现了远距离自动控制大门开闭。控制系统原理方块图如图 所示。

图 仓库大门自动开闭控制系统方块图

1-5 根据图T1.3所示的电动机速度控制系统工作原理图，完成：

(1) 将a ，b 与c ，d 用线连接成负反馈状态；

(2) 画出系统方块图。

图T1.3 习题1-5图

解：（1）负反馈连接方式为：d a ↔，c b ↔；

（2）系统方块图如 图所示。

题解图速度控制系统方块图

1-6液位自动控制系统示意图如图T1.4所示。在任何情况下，希望液面高度c维持不变，试说明系统工作原理，并画出系统原理方框图。

图T1.4 习题1-6图

解：系统的控制任务是保持液面高度不变。水箱是被控对象，水箱液位是被控量，电位器设定电压u r(表征液位的希望值c r)是给定量。

当电位器电刷位于中点位置(对应u r)时，电动机不动，控制阀门有一定的开度、使水箱中流入水量与流出水量相等。从而液面保持在希望高度c r上。一旦流入水量或流出水量发生变化，例如当液面升高时，浮子位置也相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的液体流量减少。这时，水箱液面下降，浮子位置相应下降，直到电位器电刷回到中点位置，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度。反之，若水箱液位下降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升到给定高度c r。

系统原理方块图如图所示。

图系统原理方块图

1-7 一种控制直流电动机速度的控制系统原理图如图T1.5所示，试说明其工作原理并绘制方块图。

图T1.5 习题1-7图

解：

图直流电动机速度控制系统方块图

1-8 车床、铣床和磨床，都配有跟随器，用来复现模板的外形。图T1.6就是一种跟随系统的原理图。在此系统中，刀具能在原料上复制模板的外形。试说明其工作原理，画出系统方块图。

图T1.6 习题1-8图

解：模板与原料同时固定在工作台上。X、Y轴直流伺服马达接受控制器的指令，按输入命令带动工作台做X、Y方向运动。模板随工作台移动时，触针会在模板表面滑动，跟随刀具中的位移传感器将触针感应到的反映模板表面形状的位移信号送到跟随控制器，控制器的输出驱动Z轴直流伺服马达带动切削刀具连同刀具架跟随触针运动，当刀具位置与触针位置一致时，两者位置偏差为

零，Z轴伺服马达停止。系统中，刀具是被控对象，刀具位置是被控量，给定量是由模板确定的触针位置。系统方块图如图 所示。最终原料被切割加工成模板的形状。

图刀具跟随系统方块图

1-9 火炮跟踪系统的工作原理如图T1.7所示，电动机通过齿轮传动装置使火炮旋转。试说明跟踪控制系统的工作原理，并画出系统的原理方框图。

图T1.7 习题1-9图

解：系统的被控对象为大炮，被控量为大炮的角度θc，输入量为希望的大炮角度θr。当输入角度θr变化时，输入角度θr与输出角度θc出现差值，于是桥式电位器测量电路产生偏差电压，经放大器放大后，驱动电动机转动，继而带动齿轮传动装置使火炮转动，直到θc=θr为止。为保证跟踪精度，系统中还应包括校正装置。系统的原理方块图如图所示。

图火炮跟踪原理方块图

1-10 图T1.8是烤面包机的原理图。面包的烘烤质量烤箱内的温度及烘烤时间决定。（1）试说明传动带速度自动控制的工作原理，并绘制相应的原理方框图。（2）绘制烤面包机控制系统的方块图。

图T1.8 习题1-10图