自动控制原理 课后习题答案

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的开环控制与闭环控制系统,说明它们的工作原理并比较开环控制与闭环控制的优缺点。

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与空调、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。

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。各个基本单元的功能如下:

(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、机械差动装置与电桥等。

(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与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。

(7)校正元件:又称补偿元件,它就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与稳态性能。

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的要求,不稳定的系统就是无法正常工作的,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),系统重新恢复平衡的能力以及输出响应动态过程振荡的振幅与频率。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。

准确性就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就是相互制约的。

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,由于发电机电枢内阻上电压降的变化,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与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。

(a) (b)

图1-17 直流发电机电压控制系统

解:(1)这就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。

控制作用的实现就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。

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

电位计电动机、齿轮阀门水箱

浮子

2

Q

1

Q水位h

h

1-6 图1-19所示为仓库大门控制系统,试说明大门开启与关闭的工作原理。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

解:当给定电位器与测量电位器输出相等时,放大器无输出,门的位置不变。假设门的原始平衡位置在关状态,门要打开时,“关门”开关打开,“开门”开关闭合。给定电位器与测量电位器输出不相等,其电信号经放大器比较放大,再经伺服电机与绞盘带动门改变位置,直到门完全打开,其测量电位器输出与给定电位器输出相等,放大器无输出,门的位置停止改变,系统处于新的平衡状态。系统方框图如解图所示。

元件功能

电位器组——将给定“开”、“关”信号与门的位置信号变成电信号。为给定、测量元件。

放大器、伺服电机——将给定信号与测量信号进行比较、放大。为比较、放大元件。

绞盘——改变门的位置。为执行元件。

门——被控对象。

系统的输入量为“开”、“关”信号;输出量为门的位置。

当大门不能全开或全关时,应该调整电位器组。