自动控制原理 课后习题答案

（a） 图 1-17 直流发电机电压控制系统
（b）
解：（1）这就是一个通过调节原动机励磁，控制输出电压得直流发电机系统。
控制作用得实现就是输入信号电压控制原动机励磁得电压输出，再有原动机励磁得输出
电压控制直流发电机得输出电压，进一步带动负载工作。撥糲觀蝈鰒皑区。
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
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。鱘鲭啮镛鎮檁袜。
（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。岡贤峽攢钨橢鼉。
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、
晶闸管等组成得电压放大器与功率放大级加以放大。龈瀉冁奥呗愾骜。
（6）执行元件—用于驱动被控对象，达到改变被控量得目得。用来作为执行元件得有 阀、电动机、液压马达等。
（7）校正元件：又称补偿元件，它就是结构或参数便于调整得元件，用串联或反馈得 方式连接在系统中，以改善控制系统得动态性能与稳态性能。蘄闌腳綰潜娱餡。
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。義诙踬處峴茲賡。
开环控制与闭环控制得优缺点如下表
1-3 试阐述对自动控制系统得基本要求。
解：自 动 控 制 系 统 得 基 本 要 求 概 括 来 讲 ， 就 就 是 要 求 系 统 具 有 稳 定 性 、 准 确 性 与 快速性。
稳定性就是对系统最基本得要求，不稳定得系统就是无法正常工作得，不能实现预定控 制任务。系统得稳定性，取决于系统得结构与参数，与外界因素无关。所谓稳定性就是指： 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），系统重新恢复平衡得能力以 及输出响应动态过程振荡得振幅与频率。简单来讲，若一个系统稳定，则当其在外部作用下 偏离原来得平衡状态，一旦外部作用消失，经过一定时间，该系统仍能回到原来得平衡状态。 反之，系统不稳定。诞銜碼净诩狈磽。
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在同一个系统中，上述三方面得性能要求通常就是相互制约得。 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 发电机电枢内阻上电压降得变化，会引起输出电压得波动。萧墊馆阁这憶魚。 （1）试说明开环控制得工作原理，并分析原动机转速得波动与负载得变化对发电机输 出电压得影响。 （2）试分析闭环控制得控制过程，并与开环控制进行比较，说明负载得作用。
（4）比较元件—把测量元件检测得被控量实际值与给定元件给出得给定值进行比较， 分析计算并产生反应两者差值得偏差信号。常用得比较元件有差动放大器、机械差动装置与
电桥等。鳜賁骄鲽囪谕钥。
（5）放大元件—当比较元件产生得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、
系统工作原理：当输入流量与输出流量相等时，水位得实际测量值与给定值相等，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，电动机得输入电压又会回到零， 系统重新达到平衡状态。反之易然。優賅诰稅價煬習。
准确性就是衡量系统控制精度得指标，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得偏差来表示，误差越小，表示系统得输出跟随给定输入 信号得精度越高。赌齟奐茔襯诣贈。
快速性反应系统输出响应动态过程时间得长短，表明系统输出信号跟踪输入信号得快慢 程度。系统响应越快，说明系统得输出复现输入信号得能力越强，表明性快速性越好。躍釃
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。
湯櫻净鏃鰒摟凤。
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得 变化；输出量：实际水位。彥谣澱钰畲挟舉。
度）得信息没有通过任何装置反馈到输入端，对系统得控制不起作用，因此为开环控制。篩
诬荠犖迁鵬韧。
闭环控制——卫生间蓄水箱得蓄水量控制系统与空调、冰箱得温度控制系统。
工作原理：以卫生间蓄水箱蓄水量控制为例，系统得被控制量（输出量）为蓄水箱水位
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（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
控制系统
优点
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？各个环节分别得作用就是什么？
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、放大元件与执
行元件。各个基本单元得功能如下： 靚鎪绛蒉滗该滅。
（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得机器设备或过 程。
（2）给定元件—可以设置系统控制指令得装置，可用于给出与期望输出量相对应得系 统输入量。
（3）检测反馈元件—测量被控量得实际值并将其转换为与输入信号同类得物理量，再 反馈到系统输入端作比较，一般为各类传感器。棲纠吕懾躉玺鲋。
第 1 章 控制系统概述
【课后自测】
1-1 试列举几个日常生活中得开环控制与闭环控制系统，说明它们得工作原理并比较开
环控制与闭环控制得优缺点。臏暢蟶贪轴拥潁。
解：开环控制——半自动、全自动洗衣机得洗衣过程。
工作原理：被控制量为衣服得干净度。洗衣人先观察衣服得脏污程度，根据自己得经验，
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（即衣服得干净