自动控制原理 第1章习题解答
(完整版)自动控制原理第1章习题参考答案
第1章习题参考答案1-1 自动控制系统通常由哪些环节组成？它们在控制过程中担负什么功能?解:见教材P4-1-2 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。
解:见教材P4-61-7题1-7图是仓库大门自动控制系统原理示意图。
试说明系统自动控制大门开闭的工作原理并画出系统原理方框图。
解:当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与开门实际位置间的偏差电压，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，大门达到开启位置。
反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制,系统原理方框如下图所示。
电桥电路放大器电动机绞盘大门_期望门位实际门位仓库大门控制系统原理方框图1-8 电冰箱制冷系统工作原理如题1-8图所示。
试简述系统的工作原理，指出系统的被控对象、被控量和给定量，画出系统原理方框图。
题1-8图电冰箱制冷系统工作原理题1-7图仓库大门自动开闭控制系统原解: 电冰箱制冷系统结构如下图电冰箱制冷系统结构图系统的控制任务是保持冰箱内温度c T 等于给定温度r T 。
冰箱体是被控对象；箱内温度是被控量，希望的温度r T 为给定量（由电位器的输出电压r U 对应给出）；继电器、压缩机、蒸发器、冷却器所组成制冷循环系统起执行元件的作用。
温度控制器中的双金属温度传感器（测量元件）感受冰箱内的温度并转换为电压信号c U ，与控制器旋钮设定的电位器输出电压r U （对应于希望温度r T ）相比较，构成偏差电压c r U U U -=∆（表征希望温度与实际温度的偏差），控制继电器K 。
当U ∆大到一定值时，继电器接通，压缩机启动，将蒸发器中的高温低压制冷剂送往冷却器散热，降温后的低温低压制冷剂被压缩成低温高压液态进入蒸发器，急速降压扩展成气体，吸收箱体内的热量，使箱体的温度下降；而高温低压制冷剂又被吸入冷却器。
自动控制原理习题答案详解
自动控制原理习题答案详解自动控制原理习题详解（上册）第一章习题解答1-2日常生活中反馈无处不在。
人的眼、耳、鼻和各种感觉、触觉器官都是起反馈作用的器官。
试以驾车行驶和伸手取物过程为例，说明人的眼、脑在其中所起的反馈和控制作用。
答：在驾车行驶和伸手取物过程的过程中，人眼和人脑的作用分别如同控制系统中的测量反馈装置和控制器。
在车辆在行驶过程中，司机需要观察道路和行人情况的变化，经大脑处理后，不断对驾驶动作进行调整，才能安全地到达目的地。
同样，人在取物的过程中，需要根据观察到的人手和所取物体间相对位置的变化，调整手的动作姿势，最终拿到物体。
可以想象蒙上双眼取物的困难程度，即使物体的方位已知。
1-3 水箱水位控制系统的原理图如图1-12所示，图中浮子杠杆机构的设计使得水位达到设定高度时，电位器中间抽头的电压输出为零。
描述图1-12所示水位调节系统的工作原理，指出系统中的被控对象、输出量、执行机构、测量装置、给定装置等。
图1-12 水箱水位控制系统原理图答：当实际水位和设定水位不相等时，电位器滑动端的电压不为零，假设实际水位比设定水位低，则电位器滑动端的电压大于零，误差信号大于零（0e >），经功率放大器放大后驱动电动机M 旋转，使进水阀门开度加大，当进水量大于出水量时（12Q Q >），水位开始上升，误差信号逐渐减小，直至实际水位与设定水位相等时，误差信号等于零，电机停止转动，此时，因为阀门开度仍较大，进水量大于出水量，水位会继续上升，导致实际水位比设定水位高，误差信号小于零，使电机反方向旋转，减小进水阀开度。
这样，经反复几次调整后，进水阀开度将被调整在一适当的位置，进水量等于出水量，水位维持在设定值上。
在图1-12所示水位控制系统中，被控对象是水箱，系统输出量水位高，执行机构是功率放大装置、电机和进水阀门，测量装置浮子杠杆机构，给定和比较装置由电位器来完成。
1-4 工作台位置液压控制系统如图1-13所示，该系统可以使工作台按照给定电位器设定的规律运动。
自动控制原理习题及解答
自动控制原理习题及其解答第一章（略） 第二章例2-1 弹簧，阻尼器串并联系统如图2-1示，系统为无质量模型，试建立系统的运动方程。
解：(1) 设输入为y r ，输出为y 0。
弹簧与阻尼器并联平行移动。
(2) 列写原始方程式，由于无质量按受力平衡方程，各处任何时刻，均满足∑=0F ，则对于A 点有其中，F f 为阻尼摩擦力，F K 1，F K 2为弹性恢复力。
(3) 写中间变量关系式 (4) 消中间变量得 (5) 化标准形 其中:215K K T +=为时间常数，单位[秒]。
211K K K K +=为传递函数，无量纲。
例2-2 已知单摆系统的运动如图2-2示。
(1) 写出运动方程式 (2) 求取线性化方程解：（1）设输入外作用力为零，输出为摆角? ，摆球质量为m 。
（2）由牛顿定律写原始方程。
其中，l 为摆长，l ? 为运动弧长，h 为空气阻力。
（3）写中间变量关系式 式中，α为空气阻力系数dtd lθ为运动线速度。
（4）消中间变量得运动方程式0s i n 22=++θθθmg dt d al dtd ml （2-1) 此方程为二阶非线性齐次方程。
（5）线性化由前可知，在? ＝0的附近，非线性函数sin ? ≈? ，故代入式（2-1）可得线性化方程为例2-3 已知机械旋转系统如图2-3所示，试列出系统运动方程。
解：（1）设输入量作用力矩M f ，输出为旋转角速度? 。
（2）列写运动方程式 式中， f ?为阻尼力矩，其大小与转速成正比。
（3）整理成标准形为 此为一阶线性微分方程，若输出变量改为?，则由于代入方程得二阶线性微分方程式例2-4 设有一个倒立摆安装在马达传动车上。
如图2-4所示。
图2-2 单摆运动图2-3 机械旋转系统倒立摆是不稳定的，如果没有适当的控制力作用在它上面，它将随时可能向任何方向倾倒，这里只考虑二维问题，即认为倒立摆只在图2-65所示平面内运动。
控制力u 作用于小车上。
自动控制原理第1章习题解答
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<T r的变化，并把这一温度变化转换为电信号使温控开关接通电源工作，电加热器工作，使水箱中的水温上升，直到T=T r为止。
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。
(完整版)自动控制原理课后习题及答案
第一章绪论1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优弊端.解答： 1 开环系统(1)长处 :构造简单，成本低，工作稳固。
用于系统输入信号及扰动作用能早先知道时，可获得满意的成效。
(2)弊端：不可以自动调理被控量的偏差。
所以系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。
2闭环系统⑴长处：不论因为扰乱或因为系统自己构造参数变化所惹起的被控量偏离给定值，都会产生控制作用去消除此偏差，所以控制精度较高。
它是一种按偏差调理的控制系统。
在实质中应用宽泛。
⑵弊端：主要弊端是被控量可能出现颠簸，严重时系统没法工作。
1-2什么叫反应？为何闭环控制系统常采纳负反应？试举例说明之。
解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反应。
闭环控制系统常采纳负反应。
由1-1 中的描绘的闭环系统的长处所证明。
比如，一个温度控制系统经过热电阻（或热电偶）检测出目前炉子的温度，再与温度值对比较，去控制加热系统，以达到设定值。
1-3试判断以下微分方程所描绘的系统属于何种种类（线性，非线性，定常，时变）？2 d 2 y(t)3 dy(t ) 4y(t ) 5 du (t ) 6u(t )（1）dt 2 dt dt（2） y(t ) 2 u(t)（3）t dy(t) 2 y(t) 4 du(t) u(t ) dt dtdy (t )u(t )sin t2 y(t )（4）dtd 2 y(t)y(t )dy (t ) （5）dt 2 2 y(t ) 3u(t )dt（6）dy (t ) y 2 (t) 2u(t ) dty(t ) 2u(t ) 3du (t )5 u(t) dt（7）dt解答： （1）线性定常（2）非线性定常 （3）线性时变（4）线性时变（5）非线性定常（6）非线性定常（7）线性定常1-4 如图 1-4 是水位自动控制系统的表示图， 图中 Q1，Q2 分别为进水流量和出水流量。
控制的目的是保持水位为必定的高度。
自动控制原理第一章习题解答
自编自控教材习题解答第一章1-2 图1-17 是液位自动控制系统原理示意图。
图中SM为执行电动机。
试分析系统的工作原理，指出该系统参考输入、干扰量、被控对象、被控量、控制器，并画出系统的方框图。
图1-17 习题1-2 液位自动控制系统【解】系统参考输入：预期液位；被控对象：水箱；被控量：水箱液位；控制器：电动机减速器和控制阀门；干扰量：用水流量Q2。
系统的方块图如下注意：控制系统的工作过程是在原物理系统中提炼出的控制流程，与原系统的物理组成不是完全对应的。
有部分同学认为控制阀门是被控对象，只有阀门开度变化才有液位的变化。
实际上它应该是执行机构，操纵它来改变被控对象的被控制量。
1-3在过去，控制系统常常以人作为闭环控制系统的一部分，图1-18是人在回路中的水位控制示意图，试画出该控制系统的方框图。
图1-18 习题1-3 阀门控制系统【解】略1-4图1-19是仓库大门自动控制系统原理图。
试说明系统自动控制大门开闭的工作原理，并画出系统的方块图。
图1-19 习题1-4 仓库大门自动系统【解】系统参考输入：给定门状态；被控对象：门；被控量： 门位置；控制器：放大器、伺服点击绞盘；系统的方块图如下1-5 图1-20为水温控制系统示意图。
冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，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？指出该系统的参考输入、干扰量、被控对象和控制装置各是什么？图1-20 习题1-5 水温控制系统示意图【解】该系统的参考输入：给定温度；干扰量：冷水流量的变化；被控对象：热交换器；被控量：交换器的水温；控制装置：温度控制器，此时控制器的输出不仅与实际水温有关而且和冷水的流量有关，所以该系统不仅是反馈控制而是反馈+前馈的复合控制方式。
它的主要目的是一旦冷水流量增大或减少时，及时调整蒸汽流量，不用等到水温降低或升高实际给定后再调节，所以可提高系统对扰动的能力。
国防《自动控制原理》教学资料包 课后习题答案 第一章
第1章课后习题参考答案1-2 自动控制系统由被控对象以及为完成控制任务而配置的控制装置两大部分构成，而控制装置又可分成不同的部件。
被控对象是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控制量并输出被控量。
测量环节的作用是检测被控对象的控制量（温度、压力、流量、位移等），并且一般需要转换为标准的电信号，以便于处理。
比较环节的作用是将测量环节的实际输出值与给定量进行比较，求出它们之间的偏差。
计算环节的作用是根据控制要求，对偏差信号进行各种计算并形成适当的控制作用。
放大环节是放大标准化的弱信号，使之驱动被控对象。
执行环节的作用是产生控制量，直接推动被控对象的控制量发生变化。
1-3 在控制器和被控对象之间只有正向控制而没有反馈控制的控制系统称为开环控制系统。
按反馈原理建立的控制系统，称为闭环控制系统。
开环控制系统结构比较简单，但存在较大的缺陷。
当被控对象或被控量受到干扰，或系统中某些参数发生变化，会直接影响控制的品质而无法自动补偿。
闭环控制系统由于有反馈作用的存在，具有自动修正被控量出现偏差的能力，可以修正元件参数变化以及外部干扰所引起的误差，所以控制效果好，控制精度高。
1-5 （1）非线性 （2）线性 （3）非线性 （4）线性1-6由图可见，被控量为液位高度h ；被控对象为水箱；使液位变化的主要因素是液体流出的流量，看作系统的负载扰动量；液体流入的流量是用于补偿液体流出量，使水箱的液位保持在期望位置；控制液体流入流量的是电动机驱动的阀门，因此电动机－减速器－阀门一起构成系统的执行机构；电动机的供电电压d u 取决于电位器动触点与接零点之间的电位差，若接零点与电位参考点之间的电压为g u ，即系统给定信号；令动触点与电位参考点之间的电压为f u ，即系统负反馈信号，d g f u u u =-。
由此可绘制系统的方框图如下图所示。
系统工作原理：调整系统中进水阀门的开度使系统处于平衡状态，进水流量和出水流量保持动态平衡，液面的高度正好位于期望位置，与浮子杠杆连接的电位器动触点正好位于电位器中点（即接零点）上，从而电动机静止不动；当出水流量增加，液面下降，于是浮子也随之下降，通过杠杆作用带动电位器的动触点上移，从而给电动机电枢提供一定电压，电动机正转通过减速器驱动进水阀门增大开度，于是进水流量增大，直到水箱液位恢复到期望位置上；若出水流量减少，液面升高，其调节过程与上述类似，电动机反转，进水阀门减少开度，进水流量减少，直到重新处于动态平衡状态。
自动控制原理 第一章习题及答案
一、 习 题 及 解 答第1章习题及解答1-1 根据图1-15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) 画出系统方框图。
解 （1）负反馈连接方式为：，d a ↔c b ↔；（2）系统方框图如图解1-1 所示。
1-2 图1-16是仓库大门自动控制系统原理示意图。
试说明系统自动控制大门开、闭的工作原理，并画出系统方框图。
图1-16 仓库大门自动开闭控制系统解 当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，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，大门达到开启位置。
反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。
系统方框图如图解1-2所示。
1-3 图1-17为工业炉温自动控制系统的工作原理图。
分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。
图1-17 炉温自动控制系统原理图解 加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比，c u 增高，炉温就上升，c u 的高低由调压器滑动触点的位置，该触点由可逆转的直流电动机驱动。
炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。
f u 作为系统的反馈电压与给定电压r u 进行比较，得出所控制偏差电压，经电压放大器、功率放大器放大成后，作为 况下，炉温等于某个期望值e u a u 控制电动机的电枢电压。
在正常情T °C ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压r u 。
此时，0=−=f r e u u u 故01，==a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使c u 保持一定的数值。
这时，炉子散失量正好等于从加热器吸的热取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。
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第1章 控制系统的数学模型习题及解答
1-1 什么是自动控制？它对于人类活动有什么意义？
答 自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象中某一物理量或数个物理量准确地按照预定的要求规律变化。
1-2 自动控制系统由哪几大部分组成？各部分都有哪些功能？
答 自动控制系统一般由被控对象、执行器、控制器和反馈环节等部分组成。
1-3 试叙述人在伸手时的运动与控制过程？
答 人在伸手时由大脑发出控制命令。
1-4什么是开环控制系统？什么是闭环控制系统？试比较开环控制系统和闭环控制系统的区别及其优缺点。
答 开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统。
闭环
控制系统是指有被控量反馈的控制系统。
开环控制系统的优
点是结构简单，缺点是控制精度难于保证。
闭环控制系统的
突出优点，利用偏差来纠正偏差，使系统达到较高的控制精
度。
但与开环控制系统比较，闭环系统的结构比较复杂，构
造比较困难。
1-5 试列举几个日常生中的开环控制及闭环控制系统，并说明其工作原理。
答 开环控制有：电磁灶，微波炉，打印机等。
闭环控制有：电冰箱，抽水马桶，电饭堡等。
1-6 家用电器中，洗衣机是开环控制还是闭环控制？一般的电冰箱是何种控制？ 答 洗衣机是开环控制。
一般的电冰箱是闭环控制。
1-7 题1-7图表示一个水位自动控制系统，试说明其作用原理。
答 当打开阀门水位下降时浮子也随同下降，浮子下降带动三角形下降，进水口随之开大，使进水加大，水位开始上升，以保证水位稳定不变。
1-8 题1-8图是恒温箱的温度自动控制系统.要求:
(1) 画出系统的原理方框图；
(2) 当恒温箱的温度发生变化时,试述系统的调节过程；
(3) 指出系统属于哪一类型
?
题1-7图
题1-8图
解 (1) 系统中，恒温箱是被控对象，温度是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压r u （表征温度的希望值）。
系统方框图见解题1-8图。
(2) 恒温箱采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比，c u 增高，炉温就上升，c u 的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直
流电动机驱动。
炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。
f u 作为系统的反馈电压与
给定电压r u 进行比较，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。
在正常情况下，炉温等于某个期望值T °C ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压r u 。
此时，0=−=f r e u u u ，故01==a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使c u 保持一定的数值。
这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。
当炉膛温度T °C 由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以下的控制过程：
控制的结果是使炉膛温度回升，直至T °C 的实际值等于期望值为止。
(3) 该系统属于闭环负反馈控制系统。
解题1-8图 系统方框图。