自动控制的一般概念习题

第1章 自动控制的一般概念1.1 自 动 控 制 系 统 实 例1.2 方 框 图 中 各 符 号 的 意 义1.3 控 制 系 统 的 组 成1.4 对 控 制 系 统 的 基 本 要 求1.5 基 本 控 制 方 式1.6 习 题 分 析 例 1 炉温控制系统1.1 自 动 控 制 系 统 实 例 炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图 元 部 件 方 框 （ 块 ） 图 信 号 （ 物 理 量 ） 及 传 递 方 向 中 的 符 号 比 较 点 引 出 点 表 示 负 反 馈1.2 方 框 图 中 各 符 号 的 意 义 例 2 函数记录仪 函数记录仪方框图 1.3 控 制 系 统 的 组 成 (1)控 制 系 统 被 控 对 象控 制 装 置 测 量 元 件 比 较 元 件 放 大 元 件 执 行 机 构 校 正 装 置 给 定 元 件 控 制 系 统 的 组 成 (2) 1. 稳：（基本要求） 要求系统要稳定 2. 准：（稳态要求） 系统响应达到稳态时， 输出跟踪精度要高 3. 快：（动态要求） 系统阶跃响应的过渡过程 要平稳， 快速1.4 对 控 制 系 统 的 基 本 要 求 稳 定 性 系 统 受 外 作 用 力 后 ,其 动 态 过 程的 振 荡 倾 向 和 系 统 恢 复 平 衡 的 能 力 。稳 定 性 ： 系 统 受 外 作 用 力经 过 一 段 时 间 ， 其被 控 量 达 到 某 一 稳定 状 态 ， 则 系 统 是稳 定 的 。否 则 为 不 稳 定 的 。 r(t) t0 c(t) r(t)c(t)不 稳 定 的 系 统 是无 法 正 常 工 作 的 。 扰 动 信 号 作 用 下 的 不 稳 定 系 统 :d(t) t0 c(t) c(t)d(t) 一 个 能 在 生 产实 际 中 应 用 的 系 统 ,不 仅 应 具 有 稳 定 性 ,而 且 在 动 态 过 程 中的 震 荡 也 不 能 过 于强 烈 . 通 过 动 态 过 程 时 间 长 短 表 征 快 速 性 。快 速 性 r(t) t0 c(t) r(t)c1(t)c2(t) 快 速 性 表 明 了系 统 输 出 对 输 入响 应 的 快 慢 程 度 过 渡 过 程 时间 越 短 ， 表 明快 速 性 越 好 。反 之 亦 然 。 t1t2 由 输 入 给 定 值 与 输 出 响 应 的 终 值 之间 的 差 值 ess大 小 表 征 。准 确 性 r(t) t0 c(t) ess 它 反 映 了 系 统的 稳 态 精 度 。 若系 统 最 终 的 误 差为 零 ， 则 称 为 无差 系 统 ， 否 则 为有 差 系 统 。 c(t)r(t) 稳 定 性 、 快 速 性 和 准 确 性 往 往 是 互相 制 约 的 。 在 设 计 与 调 试 的 过 程 中 ,若 过分 强 调 某 方 面 的 性 能 ,则 可 能 会 使 其 他 方面 的 性 能 受 到 影 响 . 怎 样 根 据 工 作 任 务 的 不 同 ,分 析 和 设计 自 动 控 制 系 统 ， 使 其 对 三 方 面 的 性 能 有所 侧 重 ， 并 兼 顾 其 它 正 是 自 控 原 理 课 程要 解 决 的 问 题 。 按 给 定 信 号 的 形 式 恒 值 系 统 / 随 动 系 统 按 系 统 是 否 满 足 叠 加 原 理 线 性 系 统 / 非 线 性 系 统 按 系 统 参 数 是 否 随 时 间 变 化 定 常 系 统 / 时 变 系 统 按 信 号 传 递 的 形 式 连 续 系 统 / 离 散 系 统 按 输 入 输 出 变 量 的 多 少 单 变 量 系 统 / 多 变 量 系 统 控 制 系 统 的 分 类 1. 开 环 控 制 2. 闭 环 控 制 3. 复 合 控 制1.5 基 本 控 制 方 式在 无 人 直 接 参 与 的 情 况 下 ， 利 用 控 制 装 置 ， 使 工 作 机 械 、或 生 产 过 程 （ 被 控 对 象 ） 的 某 一 个 物 理 量 （ 被 控 量 ） 按 预定 的 规 律 （ 给 定 量 ） 运 行 。自 动 控 制 将 系 统 的 输 出 信 号 引 回 输 入 端 ， 与 输 入信 号 相 比 较 ， 利 用 所 得 的 偏 差 信 号 进 行 控制 ， 达 到 减 小 偏 差 、 消 除 偏 差 的 目 的 。 _ 构 成 闭 环 控 制 系 统 的 核 心 闭 环 (反 馈 )控 制 系 统 的 特 点 ： (1) 系 统 内 部 存 在 反 馈 ， 信 号 流 动 构 成 闭 回 路 (2) 偏 差 起 调 节 作 用 负 反 馈 原 理 经典控制理论 ( 19世纪初 ) 时域法 复域法 (根轨迹法) 频域法 现代控制理论 ( 20世纪60年代 ) 线性系统 自适应控制 最优控制 鲁棒控制 最佳估计 容错控制 系统辨识 集散控制 大系统复杂系统 智能控制理论 ( 20世纪70年代 ) 专家系统 模糊控制 神经网络 遗传算法自 动 控 制 理 论 发 展 简 史 水 温 调 节 系 统水温调节系统工作原理图 da cb 1-1 根据题1-15图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：，（2）系统方框图如图解1-1 所示。fu u1.6 习 题 分 析 1-2 题1-16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。 au cufu ru eu图1-17 炉温自动控制系统原理图T(c )正 常 时 ： 电 机 不 转 动 0e f aru u u u cu cu cu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 的 平 方 成 正 比 ， 增 高 ， 炉 温 就 上 升 ， 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 作 为系 统 的 反 馈 电 压 与 给 定 电 压 进 行 比 较 ， 得 出 偏 差 电 压 经电 压 放 大 器 、 功 率 放 大 器 放 大 成 后 ， 作 为 控 制 电 动 机 的 电枢 电 压 。 furu euau正 常 时 ： 电 机 不 转 动 0e f aru u u u f e a cT(c ) u u u u T(c ) 被 控对 象被 控 量 1-4图1-18是控制导弹发射架方位的电位器式随动系统原理图。图中 、 并联后跨接到同一电源 电位器的两端，其滑臂分别与输入轴和输出轴相联结，组成方位角的给定元件和测量反馈元件。输入轴由手轮操纵；输出轴则由直流电动机经减速后带动，电动机采用电枢控制的方式工作。试分析系统的工作原理，指出系统的被控对象、被控量和给定量，画出系统的方框图。 图1-18 导弹发射架方位角控制系统原理图eu2P1P 0Eauiu 0ui 0 解 ： 当 导 弹 发 射 架 的 方 位 角 与 输 入 轴 方 位 角 一 致 时 ， 系 统 处 于相 对 静 止 状 态 。 系 统 中 ， 导 弹 发 射 架 是 被 控 对 象 ， 发 射 架 方 位角 是 被 控 量 ， 通 过 手 轮 输 入 的 角 度 是 给 定 量 。 0 i0 0e ii e i u u u 手 轮 输 入 角 度 驱 动 电 机 使导 弹 发 射 架 转 动 ， 直 至 ， 偏 差 电 压 ，电 动 机 停 止 转 动 。 这 时 ， 导 弹 发 射 架 停 留 在 相 应 的 方 位 角 上。 只 要 ， 偏 差 就 会 产 生 调 节 作 用 ， 控 制 的 结 果 是 消 除偏 差 ， 使 输 出 量 严 格 地 跟 随 输 入 量 的 变 化 而 变 化 。 0 00 i i;u u 0eu 0 i e 0 i 1-5 采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统如图1-19所示。其工作原理是：当蒸汽机带动负载转动的同时，通过圆锥齿轮带动一对飞锤作水平旋转。飞锤通过铰链可带动套筒上下滑动，套筒内装有平衡弹簧，套筒上下滑动时可拨动杠杆，杠杆另一端通过连杆调节供汽阀门的开度。在蒸汽机正常运行时，飞锤旋转所产生的离心力与弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡位置。如果由于负载增大使蒸汽机转速 下降，则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动，并通过杠杆增大供汽阀门的开度，从而使蒸汽机的转速回升。同理，如果由于负载减小使蒸汽机的转速 增加，则飞锤因离心力增加而使套筒上滑，并通过杠杆减小供汽阀门的开度，迫使蒸汽机转速回落。这样，离心调速器就能自动地抵制负载变化对转速的影响，使蒸汽机的转速 保持在某个期望值附近。指出系统中的被控对象、被控量和给定量，画出系统的方框图。 解 ： 在 本 系 统 中 ， 蒸 汽 机 是 被 控 对 象 ， 蒸 汽 机 的 转 速 是被 控 量 ， 给 定 量 是 设 定 的 蒸 汽 机 希 望 转 速 。 离 心 调 速 器 感受 转 速 大 小 并 转 换 成 套 筒 的 位 移 量 ， 经 杠 杆 传 调 节 供 汽 阀门 ， 控 制 蒸 汽 机 的 转 速 ， 从 而 构 成 闭 环 控 制 系 统 。 1-6 摄像机角位置自动跟踪系统如图1-20所示。当光点显示器对准某个方向时，摄像机会自动跟踪并对准这个方向。试分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量及给定量，画出系统方框图。 e=0 u=0 2 1 1 2= - e解 ： 控 制 系 统 的 任 务 是 使 摄 像 机 自 动 跟 踪 光 点 显 示 器 指 示 的 方 向 。当 摄 像 机 方 向 角 与 光 点 显 示 器 指 示 的 方 向 一 致 时 ， ， 自 整 角 机 输出 ， 交 流 放 大 器 输 出 电 压 ， 电 动 机 静 止 ， 摄 像 机 保 持 原 来 的 协调 方 向 。 当 光 点 显 示 器 转 过 一 个 角 度 ， 时 ， 自 整 角 机 输 出 与 失 谐 角 成 比 例 的 电 压 信 号 （ 其 大 小 、 极 性 反 映 了 失 谐 角 的 幅 值 和方 向 ） ， 经 电 位 器 后 变 成 ， 经 放 大 器 放 大 后 驱 动 伺 服 电 动 机 旋 转 ， 并通 过 减 速 器 带 动 摄 像 机 跟 踪 光 点 显 示 器 的 指 向 ， 使 偏 差 减 小 ， 直 到 摄 像 机与 光 点 显 示 器 指 向 重 新 达 到 一 致 时 为 止 。 测 速 发 电 机 测 量 电 动 机 转 速 ， 进行 速 度 反 馈 ， 用 以 改 善 系 统 性 能 。 2 1 2系 统 中 ， 摄 像 机 是 被 控 对 象 ， 摄 像 机 的 方 向 角 是 被 控 量 ， 给 定 量 是光 点 显 示 器 指 示 的 方 向 角 。 1 1-7图1-21 (a)，(b)所示的系统均为电压调节系统。 假设空载时两系统发电机端电压均为110V，试问带上负载后，图1-21(a)，(b)中哪个能保持110V不变，哪个电压会低于110V？为什么? 图1-21 电压调节系统工作原理图 解 : 带 上 负 载 后 ， 开 始 由 于 负 载 的 影 响 ， 图 1-21 (a)与 (b)系 统 的端 电 压 都 要 下 降 ， 但 图 (a)中 所 示 系 统 能 恢 复 到 110伏 而 图 (b)系 统却 不 能 。 理 由 如 下 ： 图 (a)系 统 ,当 u 低 于 给 定 电 压 时 ， 其 偏 差 电 压 经 放 大 器 K放大 后 ， 驱 动 电 机 D转 动 ， 经 减 速 器 带 动 电 刷 ， 使 发 电 机 F 的 激 磁 电流 If 增 大 ， 发 电 机 的 输 出 电 压 会 升 高 ， 从 而 使 偏 差 电 压 减 小 ， 直 至偏 差 电 压 为 零 时 ， 电 机 才 停 止 转 动 。 因 此 ， 图 (a)系 统 能 保 持 110伏不 变 。 图 (b)系 统 ， 当 u 低 于 给 定 电 压 时 ， 其 偏 差 电 压 经 放 大 器K 后 ， 直 接 使 发 电 机 激 磁 电 流 增 大 ， 提 高 发 电 机 的 端 电 压 ， 使 发电 机 G 的 端 电 压 回 升 ， 偏 差 电 压 减 小 ， 但 不 可 能 等 于 零 ， 因 为 当偏 差 电 压 为 0时 ， I f=0， 发 电 机 就 不 能 工 作 。 即 图 (b)所 示 系 统 的稳 态 电 压 会 低 于 110伏 。 1-8 图1-22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？系统的被控对象和控制装置各是什么？ 解 : 工 作 原 理 ： 温 度 传 感 器 不 断 测 量 交 换 器 出 口 处 的 实 际 水 温 ， 并 在 温 度控 制 器 中 与 给 定 温 度 相 比 较 ， 若 低 于 给 定 温 度 ， 其 偏 差 值 使 蒸 汽 阀 门 开 大 ，进 入 热 交 换 器 的 蒸 汽 量 加 大 ， 热 水 温 度 升 高 ， 直 至 偏 差 为 零 。 如 果 由 于 某种 原 因 ， 冷 水 流 量 加 大 ， 则 流 量 值 由 流 量 计 测 得 ， 通 过 温 度 控 制 器 ， 开 大阀 门 ， 使 蒸 汽 量 增 加 ， 提 前 进 行 控 制 ， 实 现 按 冷 水 流 量 进 行 顺 馈 补 偿 ， 保证 热 交 换 器 出 口 的 水 温 不 发 生 大 的 波 动 。 其 中 ， 热 交 换 器 是 被 控 对 象 ， 实 际 热 水 温 度 为 被 控 量 ， 给 定 量 （ 希 望温 度 ） 在 控 制 器 中 设 定 ； 冷 水 流 量 是 干 扰 量 。这 是 一 个 按 干 扰 补 偿 的 复 合 控 制 系 统 。 1-9 许 多 机 器 ， 像 车 床 、 铣 床 和 磨 床 ， 都 配 有 跟 随 器 ，用 来 复 现 模 板 的 外 形 。 图 1-23就 是 这 样 一 种 跟 随 系 统 的 原理 图 。 在 此 系 统 中 ， 刀 具 能 在 原 料 上 复 制 模 板 的 外 形 。 试说 明 其 工 作 原 理 ， 画 出 系 统 方 框 图 。 解 : 模 板 与 原 料 同 时 固 定 在 工 作 台 上 。 X、 Y轴 直 流 伺 服 马 达 接 受 控 制 器的 指 令 ， 按 输 入 命 令 带 动 工 作 台 做 X、 Y方 向 运 动 。 模 板 随 工 作 台 移 动 时， 触 针 会 在 模 板 表 面 滑 动 ， 跟 随 刀 具 中 的 位 移 传 感 器 将 触 针 感 应 到 的 反映 模 板 表 面 形 状 的 位 移 信 号 送 到 跟 随 控 制 器 ， 控 制 器 的 输 出 驱 动 Z轴 直 流伺 服 马 达 带 动 切 削 刀 具 连 同 刀 具 架 跟 随 触 针 运 动 ， 当 刀 具 位 置 与 触 针 位置 一 致 时 ， 两 者 位 置 偏 差 为 零 ， Z轴 伺 服 马 达 停 止 。 系 统 中 ， 刀 具 是 被 控对 象 ， 刀 具 位 置 是 被 控 量 ， 给 定 量 是 由 模 板 确 定 的 触 针 位 置 。 系 统 方 框图 如 图 解 1-9所 示 。 最 终 原 料 被 切 割 加 工 成 模 板 的 形 状 。 1-10图1-24 (a)，(b)所示均为调速系统。 (1) 分别画出图1-24 (a)、图(b)所示系统的方框图。给出图1-24 (a)所示系统正确的反馈连线方式。 (2)指出在恒值输入条件下，图1-24 (a)、(b) 所示系统中哪个是有差系统，哪个是无差系统，说明其道理。 图1-24 调速系统工作原理图 解 (1)系统方框图如图解1-10所示。图1-24 (a)正确的反馈连接方式如图1-24 (a)中虚线所示。(2) 图1-24 (a)的系统是有差系统，图1-24 (b)的系统是无差系统。 图1-24 (a)中，当给定恒值电压信号，系统运行达到稳态时，电动机转速的恒定是以发电机提供恒定电压为条件，对应发电机激磁绕组中电流一定是恒定值。这意味着放大器前端电压是非零的常值。因此，常值偏差电压存在是系统稳定工作的前提，故系统有差。图1-24 (b)中，给定恒定电压，电动机达到稳定转速时，对应发电机激磁绕组中的励磁电流恒定，这意味着执行电动机处于停转状态，放大器前端电压必然为0，故系统无差。 1-11 图 1-25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 最 多 的 湿 度 ， 因 此 磨 粉 之 前 要 给 谷 物 加 水 以 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 以 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 。 解 : 系 统 中 ， 传 送 装 置 是 被 控 对 象 ； 输 出 谷物 湿 度 是 被 控 量 ； 希 望 的 谷 物 湿 度 是 给 定 量 。系 统 方 框 图 如 图 解 1-11 所 示 。 这 是 一 个 按 干扰 补 偿 的 复 合 控 制 系 统 。 自 动 控 制 原 理 课 程 的 研 究 内 容一 般概 念 系 统模 型 性 能指 标分 析时 域 法复 域 法频 域 法校 正课 程 的 体 系 结 构 1. 自 动 控 制 的 一 般 概 念 基 本 控 制 方 式 控 制 系 统 的 基 本 组 成 控 制 系 统 的 分 类 对 控 制 系 统 的 要 求 课 程 研 究 的 内 容 2. 要 求 掌 握 的 知 识 点 负 反 馈 控 制 系 统 的 特 点 及 原 理 由 系 统 工 作 原 理 图 绘 制 方 框 图课 程 小 结