自动控制理论例题集锦-第1章

第1章 自动控制的一般概念

例1 试分析如图1-1所示家用电冰箱控制系统，并画出温度控制系统的原理方块图。

冷却管

电冰箱箱体

图 1-1

解：

1. 电冰箱工作原理分析。

控制任务：保持电冰箱箱体温度不变。 被控对象——电冰箱箱体； 被控量——箱体的温度c T ；

给定输入——给定温度r T ；（r T 是通过箱体内控制盒旋钮给出或通过按键设定） 干扰输入——环境温度或电冰箱门开启等； 执行元件——电动机和压缩机。

工作原理：由于受环境温度或电冰箱门开启等影响，当电冰箱箱体内的温度c T 大于给定值r T 时，则0>-=r c T T T ∆。温度控制盒测量到偏差信号T ∆并将其转换为电信号u ∆，

u ∆通过接触器和继电器起动电动机带动压缩机，压缩机将蒸发器中的高温低压气态的制冷剂送入冷却管散热，降温后的低温高压液态制冷剂进入蒸发器，在蒸发器中急速降压扩散为气态，这个过程需要吸收周围的热量，即吸收箱体的热量，从而使箱体内的温度降低。压缩机又将蒸发器中的高温低压气态的制冷剂送入冷却管散热，……，循环往复，直至0=-=r c T T T ∆，即箱体内的温度c T 等于给定值r T ，使0=u ∆，电动机、压缩机停止工作。

2. 电冰箱温度控制系统原理方块图。

根据以上分析,电冰箱温度控制系统原理方块图可绘制如图1-2所示。

c

T

图 1-2

例2 如图1-3中a U 是发电机的端电压，0U 是某电源电压，非常稳定，且等于发电机端电压的设定值。由于负载变化及其它原因，发动机端电压会随时波动。试分析图中端电压

控制系统的工作原理，并画出方块图。

解：

1. 端电压控制系统的工作原理

控制任务：保持发电机端电压不变。 被控对象——发电机； 被控量——发电机端电压a U ； 给定输入——电源电压0U ； 干扰输入——负载扰动等； 执行元件——电动机和变阻器。

工作原理：由于0U 等于发电机端电压的设定值，所以在端电压a U 符合要求的正常情况下，00=-=a U U U 。当负载变化或其它原因引起a

U 升高时，00<-=a U U U 。U 经放大器放大后使电动机转动，带动变阻器使电阻变大，从而使励磁电流f I 减小，使a U 回降。对端电压下降的情况也可作类似的分析。

2. 系统方块图如图1-4所示。

图 1-4

例3 水箱液位控制系统如图1-5所示。运行中无论用水流量如何变化（由开关2l 操纵），希望水面高度（液位）H 保持不变。 1. 简述工作原理。

2. 画出系统的原理方块图，并指明被控对象、被控量、给定值和干扰。

2

Q Q 杠杆

图 1-5

解：

控制任务：保持液位H 不变。

工作原理：当开关2l 开大时，出水量2Q 增大，液位H 下降，因此浮子下降，通过杠杆的作用使开关1l 开大，进水量1Q 增大，从而保持液位H 不变。对其它的情况可作类似分析。

被控对象——水箱； 被控量——液位H ； 干扰——2l 的变化； 执行元件——杠杆，开关1l 。 系统方块图如图1-6所示。

水流变化

图 1-6

例4. 图1-7（a ）与（b ）所示的系统均为电压调节系统。假设空载时两系统的发动机端电压均为110V ，试问带上负载后，图（a ），（b ）中那个系统能保持110V 不变，为什么？

（a ） （b ）

图 1-7

解：

带上负载后，图1-7（a ）与（b ）所示的系统的端电压均下降，系统（a ）的端电压能恢

复到110V ，而（b ）的端电压则低于110V 。

带上负载后，系统（a ）的发电机端电压低于给定电压110V ，其偏差电压经放大器放大后使电动机转动，经减速器带动变阻器使电阻变小，从而使励磁电流f i 增大，使其偏差减小，直至为零，电动机停止转动。所以其端电压能保持在110V 。

系统（b ）带上负载后，同样发电机端电压低于给定电压110V ，其偏差电压经放大器直接使发电机励磁电流f i 增大，使其偏差减小，从而提高端电压。但偏差电压始终不能为零，否则发电机将无法工作。因此其端电压会低于110V 。

例5. 图1-8水温控制示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸气加热，从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方块图，并说明为了保持热水温度为期望值，系统是如何工作的？系统的被控对象和控制装置是什么？

流量计

温度控制器

图 1-8

解：

控制任务：保持热水温度为期望值。 被控对象——热交换器； 被控量——热水温度； 干扰——冷水流量变化；

控制装置——阀门、温度传感器、流量计和温度控制器。

工作原理：温度传感器不断测量热水温度，并在温度控制器中与给定温度进行比较，若水温高于给定温度，则其偏差控制蒸气阀门关小，

使进入热交换器的蒸气量减小，水温降低，直至偏差为零。同理可解释水温低于给定温度时的情况。

冷水流量变化对热水温度会产生影响。如冷水流量变大时，热水温度将有所降低。流量计测得冷水流量的变化，按顺馈加到温度控制器加以补偿，使阀门开大，蒸气量增加，从而补偿了由于冷水量变大而引起的热水温度的降低。

根据系统的工作原理，绘制其原理方块图如图1-9所示。

冷水

图1-9

例6. 图1-10为谷物湿度控制系统示意图。在谷物磨粉的生产过程中，有一个出粉量多的湿度，因此磨粉之前要给谷物加水得到给定的湿度。图中，谷物用传送装置按一定流量通过加水点，加水量由自动阀门控制。加水过程中，谷物流量、加水前谷物湿度及水压都是对谷物湿度控制的扰动作用。为了提高控制精度，系统中采用了谷物湿度的顺馈控制，试画出系统方块图。

图1-10

解：

控制任务：控制谷物湿度。

被控对象：谷物。

被控量：谷物湿度。

干扰：谷物流量、加水前谷物湿度及水压等。

执行机构：自动阀门。

方块图如图1-11所示。

图1-11