自动控制原理基础教程第三版胡寿松第一章课后答案.pdf
自动控制原理 课后习题答案(2020年7月整理).pdf
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：（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。
胡寿松自动控制原理课后习题答案
1 请解释下列名字术语:自动控制系统、受控对象、扰动、给定值、参考输入、反馈。
解:自动控制系统:能够实现自动控制任务得系统,由控制装置与被控对象组成; 受控对象:要求实现自动控制得机器、设备或生产过程扰动:扰动就是一种对系统得输出产生不利影响得信号、如果扰动产生在系统内部称为内扰;扰动产生在系统外部,则称为外扰。
外扰就是系统得输入量。
给定值:受控对象得物理量在控制系统中应保持得期望值参考输入即为给定值、反馈:将系统得输出量馈送到参考输入端,并与参考输入进行比较得过程。
２请说明自动控制系统得基本组成部分。
解:作为一个完整得控制系统,应该由如下几个部分组成:①被控对象: 所谓被控对象就就是整个控制系统得控制对象;②执行部件: 根据所接收到得相关信号,使得被控对象产生相应得动作;常用得执行元件有阀、电动机、液压马达等。
③给定元件: 给定元件得职能就就是给出与期望得被控量相对应得系统输入量(即参考量);④比较元件: 把测量元件检测到得被控量得实际值与给定元件给出得参考值进行比较,求出它们之间得偏差、常用得比较元件有差动放大器、机械差动装置与电桥等。
⑤测量反馈元件:该元部件得职能就就是测量被控制得物理量,如果这个物理量就是非电量,一般需要将其转换成为电量。
常用得测量元部件有测速发电机、热电偶、各种传感器等;⑥放大元件: 将比较元件给出得偏差进行放大,用来推动执行元件去控制被控对象。
如电压偏差信号,可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成得电压放大器与功率放大级加以放大。
⑦校正元件: 亦称补偿元件,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,用以改善系统得性能、常用得校正元件有电阻、电容组成得无源或有源网络,它们与原系统串联或与原系统构成一个内反馈系统。
３请说出什么就是反馈控制系统,开环控制系统与闭环控制系统各有什么优缺点？解:反馈控制系统即闭环控制系统,在一个控制系统,将系统得输出量通过某测量机构对其进行实时测量,并将该测量值与输入量进行比较,形成一个反馈通道,从而形成一个封闭得控制系统;开环系统优点:结构简单,缺点:控制得精度较差;闭环控制系统优点:控制精度高,缺点:结构复杂、设计分析麻烦,制造成本高、4 请说明自动控制系统得基本性能要求。
第1章自动控制原理课件胡寿松
2023年9月20日
EXIT
第1章第24页
1.4 自动控制系统的分类
2023年9月20日
EXIT
第1章第25页
注意：在实际中，绝大多数对象都具有非线性特性，而大 多数仪器仪表也是非线性的，所以很少有真正意义上线性系 统，一般是采用线性化措施将非线性系统处理成线性系统， 这样就可简化分析和运算。（本质非线性除外）
2023年9月20日
EXIT
第1章第27页
1.4.3 按系统参数是否随时间变化而分
1.定常系统：特性不随时间变化的系统称定常系统，又 称时不变系统。描述定常系统特性的微分方程或差分方 程的系数不随时间变化。定常系统分为定常线性系统和 定常非线性系统。
2023年9月20日
EXIT
第1章第32页
1.5.2 导弹发射架方位控制系统
手轮
r
E0
给定装置 输入轴 Ⅰ
ur
+ +
u_e 放大器
ua _
0
+
_
导弹发射架方位控制系统原理图
反馈装置
发射架
Ⅱ
u0
输出 轴
E0
随 动 系 统
r
e 电位器 u e
－
Ⅰ、Ⅱ
0
放大器 ua
直流 电动机
减速器
0 导 弹
发射架
2023年9月20日
第1章第19页
1.3.1 基本组成部分
r(t) 给定 元件
输入量
自动控制原理胡寿松第三版第1章
群时延
系统对信号的延迟时间随频率的变化， 反映了系统对信号速度的影响。
稳定性
通过判断系统的极点和零点分布，分 析系统的稳定性，即系统在受到扰动 后恢复平衡状态的能力。
开环频率特性的绘制和分析
开环系统的频率特性
开环系统是指没有反馈控制的系统，其频率特性由系统的开环传 递函数决定。
开环频率特性的绘制方法
自动控制系统的基本要求
总结词
自动控制系统的基本要求包括稳定性、快速性和准确 性。
详细描述
稳定性是自动控制系统的基本要求之一，它是指系统 在受到扰动或输入信号变化时，能够恢复到原来的平 衡状态或达到新的平衡状态的性能。快速性则是指系 统能够快速地响应输入信号的变化，减小调节时间和 超调量。准确性则是指系统能够准确地跟踪输入信号 的变化，减小误差和提高控制精度。这些基本要求相 互关联，在实际应用中需要根据具体情况进行权衡和 优化。
构建方法
通过将系统各部分表示为方框， 并使用信号线连接，构建出整个 系统的动态结构图。
应用
动态结构图便于对控制系统进行 直观分析和设计，可以用于模拟 系统的动态行为和输出响应。
梅森公式
定义
梅森公式是控制系统分析中的一种重要公式，用 于计算系统的传递函数。
公式形式
梅森公式以级数展开的形式表示传递函数，可以 用于分析系统的稳定性、频率响应等特性。
自动控制原理胡寿松第三版 第1章
• 自动控制系统的基本概念 • 自动控制系统的数学模型 • 控制系统的时域分析法 • 控制系统的频率分析法
01
自动控制系统的基本概念
自动控制系统的定义与组成
总结词
自动控制系统是由控制器、受控对象和反馈通路组成，通过自动调节输入信号，使输出 信号按照预定规律变化。
自动控制原理(胡寿松)课后习题答案详解
N
G3
G2
1+G1G2H1
－
－ C
再进一步化简得：
1+G1G2H1
G1
G2
20
胡寿松自动控制原理习题解答第二章
N
－
G3
G2
C
1+G1G2H1
－
1+G1G2H1
G1
G2
再进一步化简得：
N G2G3-1-G1G2H1 1+G1G2H1
G2
C
G2+G1 (1+G1G2H1)
所以： C(s) =
G2 (G2G3 − 1 − G1G2 H1 )
10 6s + 10
R(s) 1 + G(s)H (s) 1 + 20 10
6s + 10 20s + 5
E(s) =
10
=
10
R(s) 1 + G(s)H (s) 1 + 20 10
6s + 10 20s + 5
=
(6s
200(20s + 5) + 10)(20s + 5) +
200
=
200(20s + 5) 120s 2 + 230s + 250
Z2
=
R2
+
1 C2s
=
1 C2s
(R2C2s + 1) =
1 C2
s
(T2
s
+ 1)
所以： U 0 (s) = Z 2 =
1 C2
s
(T2
s
+
1)
自动控制原理 胡寿松 第三版 第1章
§1-4 对控制系统性能的基本要求
A
超调量σ% =
A 100% B
峰值时间tp 上 升 时间tr
B
“稳，快，准”
调节时间ts
1.稳定性（最基本要求）
系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复 到平衡状态的能力。
１、稳定
２、不稳定
稳定性： (1) 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经 过一定时间的调整能够回到原来的期望值。 (2) 对随动系统，被控制量始终跟踪输入量的 变化。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系 统不能实现预定任务。线性系统稳定性，通常 由系统的结构决定与外界因素无关。
2.快速性（动态要求）
动态性能:调节时间、上升时间 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性 能。过渡过程要平稳，快速。 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标， 但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住 目标。
3. 准确性（稳态要求）
稳态性能：稳态误差 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态 输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态 误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参 考输入的精度越高。系统响应达到稳态时，输出跟踪 精度要高。
自动控制系统
实现某一控制目标的所有物理部件的有机组合体。
2.自动控制技术的直观认识
我们身边的自动控制系统与装置
冰箱 电热水器
空调
现代生活离不开自动控制！
3.自动控制理论研究简史
经典控制理论：20世纪40-50年代
分析方法：时域、复域、频域 研究对象：SISO(Single-input Single-output) 数学工具：微分方程、拉氏变换等
自动控制原理胡寿松第一张
时间离散：系统中存在某些信号，仅在特定旳时间点上有定义。 离散系统描述旳特点：用差分方程来描述。
•非线1-4 对自动控制系统旳基本要求
1.基本要求旳提法 2.经典外作用
怎样评价系统？
•基本要求旳提法
1.稳定性：系统在没有外加信号鼓励条件下，能否最终停留在一种 固定旳位置上。
位置测量
•电阻炉微型计算机温度控制系统
控制目旳：电炉温度在设定旳范围内。 工作原理：电阻丝经过晶闸管主电路加热。温度依托电阻丝中旳电
流大小来调整。
温度检测：热电偶。 控制器：微型计算机。 计算机控制器特点：微型计算机采用数字量，按节拍工作。
设定温度
微型计算机
D/A转换
晶闸管
炉温
电阻丝
A/D转换
热电偶
•锅炉液位控制系统
控制目的：锅炉内水位在设定范围（进水量与蒸发水量平衡）。
调整量：经过调整进水阀门开赌旳大小，变化进水量。 工作原理：由液位测量装置（变送器）测出液位信号，与设定值比
较，若液位降低，则加大阀门开度，反之则减小。
设定水位
调整器
阀门
干扰 水位
锅炉
液位测量
§1-3 自动控制系统旳分类
1.线性连续控制系统 2.线性定常离散控制系统 3.非线性控制系统
1.函数统计仪 2.飞机自动驾驶仪 3.电阻炉微型计算机温度控制系统 4.锅炉液位控制系统
•函数统计仪
控制目的：纪录笔按要求到达要求位置。
控制量：纪录笔位置。 控制对象：纪录笔。
纪录笔运动原理：给定一种电压信号，设定位移量。在输入作用下 开启电机，带动齿轮、绳系，拖动纪录笔运动。
位置精度考虑：为了使纪录笔能精确到达指定位置，应将纪录笔旳 位置测量出来，用来反馈。
胡寿松自控课后课后答案-12345章
lim
s0
s • En2 (s)
lim
s0
s • en2(s) • N2 (s)
0
根据叠加原理：ess(n1n2) essn1 essn2 0
[3-20]*设随动系统的微分方程为
T1
d2c(t) dt2
dc(t) dt
K2u(t)
u(t) K1[r(t) b(t)]
差动电位器
最大工作角度330o
30k Ω
20k Ω
+15v
ui
-15v10k
uo 10k
10k
u1 –
-K1Biblioteka 10k + ut-K2
u2
功放 K3
ua SM
TG
运放
+15v -15v
K0=30v/330o=1/11(v/o)=5.21(v/rad)
K1=3 K2=2
i K0 ui u K3 u1 K2
z
1
1（0 附加了零点）
（ 由P.97式（3 - 45）至（3 - 50）
1
开系环统增型益别K2
10 1
由静态误差系数法：ess2
r(t)t
1 K
1 K2
0.1
[3-18]控制系统如图所示，其中
G(s)
KP
K s
,
F(s)
1 Js
输入r(t)、扰动n1(t)和n2(t)均为单位阶跃函数，求： （1）在r(t)作用下系统的稳态误差；
(s
Ka (s 4) 12)(s 2)
闭环系统特征方程：