自动控制原理课后习题答案

图 1-18 水位控制系统
解：被控对象：水池；被控量：水位；控制器：放大器；检测反馈元件：浮子、电位器；执 行元件：电动机，减速器，阀门；给定输入量：给定水位；干扰量：输出流量与输入流量的 变化；输出量：实际水位。
系统工作原理：当输入流量与输出流量相等时，水位的实际测量值和给定值相等，系统 处于相对平衡状态，电动机无输出，阀门位置不变。当输出流量增加时，系统水位下降，通 过浮子检测后带动电位器抽头移动，电动机获得一个正电压，通过齿轮减速器传递，使阀门 打开，从而增加入水流量使水位上升，当水位回到给定值时，电动机的输入电压又会回到零， 系统重新达到平衡状态。反之易然。
系统原理方框图：
水位给定值 h0 电位计
电动机、齿轮
阀门
Q1
Q2 水位 h
水箱
浮子
1-6 图 1-19 所示为仓库大门控制系统，试说明大门开启和关闭的工作原理。当大门不 能全开或全关时，应该如何调整。
图 1-19 仓库大门控制系统
（1）被控对象—又称受控对象或对象，指在控制过程中受到操纵控制的机器设备或过 程。
（2）给定元件—可以设置系统控制指令的装置，可用于给出与期望输出量相对应的系 统输入量。
（3）检测反馈元件—测量被控量的实际值并将其转换为与输入信号同类的物理量，再 反馈到系统输入端作比较，一般为各类传感器。
（4）比较元件—把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的给定值进行比较， 分析计算并产生反应两者差值的偏差信号。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和
缺点
开环控制
简单、造价低、调节速度快
调节精度差、无抗多因素干扰能力
闭环控制 抗多因素干扰能力强、调节精度高
结构较复杂、造价较高
1-2 自动控制系统通常有哪些环节组成？各个环节分别的作用是什么？
解：自动控制系统包括被控对象、给定元件、检测反馈元件、比较元件、放大元件和执
行元件。各个基本单元的功能如下：
【课后自测】
第 1 章 控制系统概述
1-1 试列举几个日常生活中的开环控制和闭环控制系统，说明它们的工作原理并比较开
环控制和闭环控制的优缺点。
解：开环控制——半自动、全自动洗衣机的洗衣过程。
工作原理：被控制量为衣服的干净度。洗衣人先观察衣服的脏污程度，根据自己的经验，
设定洗涤、漂洗时间，洗衣机按照设定程序完成洗涤漂洗任务。系统输出量（即衣服的干净
低时，发电机输出电压同时降低。当负载增加时，输出电压同样降低。
（2）该闭环控制系统反馈信号从输出电压得到直接送入电源输入端，形成负反馈控制。
当发电机输出电压减小时，原动机励磁增加，进而使发电机输出电压回升。
1-5 图 1-18 所示为水位控制系统，分析系统工作原理，指出系统被控对象、被控量、 控制器、检测反馈元件、执行元件、给定输入量、干扰量、输出量，并画出系统原理方框图。
（a） 图 1-17 直流发电机电压控制系统
（b）
解：（1）这是一个通过调节原动机励磁，控制输出电压的直流发电机系统。
控制作用的实现是输入信号电压控制原动机励磁的电压输出，再有原动机励磁的输出电
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压控制直流发电机的输出电压，进一步带动负载工作。
由于发电机电动势与原动机转速成正比，同时与励磁电流成正比，所以当原动机转速降
电桥等。
（5）放大元件—当比较元件产生的偏差信号比较微弱不足以驱动执行元件动作时，可 通过放大元件将微弱信号作线性放大。如电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、
晶闸管等组成的电压放大器和功率放大级加以放大。
（6）执行元件—用于驱动被控对象，达到改变被控量的目的。用来作为执行元件的有 阀、电动机、液压马达等。
度）的信息没有通过任何装置反馈到输入端，对系统的控制不起作用，因此为开环控制。
闭环控制——卫生间蓄水箱的蓄水量控制系统和空调、冰箱的温度控制系统。
工作原理：以卫生间蓄水箱蓄水量控制为例，系统的被控制量（输出量）为蓄水箱水位
（反应蓄水量）。水位由浮子测量，并通过杠杆作用于供水阀门（即反馈至输入端），控制供
（7）校正元件：又称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方 式连接在系统中，以改善控制系统的动态性能和稳态性能。
1-3 试阐述对自动控制系统的基本要求。 解：自 动 控 制 系 统 的 基 本 要 求 概 括 来 讲 ， 就 是 要 求 系 统 具 有 稳 定 性 、 准 确 性 和 快 速性。 稳定性是对系统最基本的要求，不稳定的系统是无常工作的，不能实现预定控制任务。 系统的稳定性，取决于系统的结构和参数，与外界因素无关。所谓稳定性是指：当受到外作 用后（系统给定值发生变化或受到干扰因素影响），系统重新恢复平衡的能力以及输出响应 动态过程振荡的振幅和频率。简单来讲，若一个系统稳定，则当其在外部作用下偏离原来的 平衡状态，一旦外部作用消失，经过一定时间，该系统仍能回到原来的平衡状态。反之，系 统不稳定。 准确性是衡量系统控制精度的指标，用稳态误差来表示。当系统达到稳态后，稳态误差 可由给定值与被控量稳态值之间的偏差来表示，误差越小，表示系统的输出跟随给定输入信 号的精度越高。 快速性反应系统输出响应动态过程时间的长短，表明系统输出信号跟踪输入信号的快慢 程度。系统响应越快，说明系统的输出复现输入信号的能力越强，表明性快速性越好。 在同一个系统中，上述三方面的性能要求通常是相互制约的。 1-4 直流发电机电压控制系统如图所示，图 1-17（a）为开环控制，图 1-17（b）为闭 环控制。发电机电动势与原动机转速成正比，同时与励磁电流成正比。当负载变化时，由于 发电机电枢阻上电压降的变化，会引起输出电压的波动。 （1）试说明开环控制的工作原理，并分析原动机转速的波动和负载的变化对发电机输 出电压的影响。 （2）试分析闭环控制的控制过程，并与开环控制进行比较，说明负载的作用。
水量，形成闭环控制。当水位达到蓄水量上限高度时，阀门全关（按要求事先设计好杠杆比
例），系统处于平衡状态。一旦用水，水位降低，浮子随之下沉，通过杠杆打开供水阀门，
下沉越深，阀门开度越大，供水量越大，直到水位升至蓄水量上限高度，阀门全关，系统再
次处于平衡状态。
开环控制和闭环控制的优缺点如下表
控制系统
优点