例题解析-第一章

第1章 自动控制的一般概念 例题解析冷水图1-1 电加热系统例1-1 设热水电加热器如图1-1所示。为了保持希望的温度，由温度开关接通或断开电加热器的电源。在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明系统的被控对象、输出量、输入量、工作原理并画出系统原理方块图。解：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希；被控量（输出量）为水箱实际水温，设为T，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，(热水流出量，冷水流入量)。当TT希时，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TT希的变化，并把这一温度变化转换为电信号使温控开关接通电源，电加热器工作，使水箱中的水温上升，直到TT希为止。系统原理方框图如下：温控开关电加热器水箱测温元件 T希 T图1-2 系统原理方块图例1-2 船舶驾驶舵角位置跟踪系统如图1-3所示。试分析其工作原理，并画出系统方块图。图1-3 船舶舵角位置跟踪系统解：该系统的任务是实现船舶舵角位置0,跟踪操纵杆角位置i。被控对象是船舵，被控量（输出量）是船舵的角位置0，给定量是操纵杆角位置。理想跟踪情况下，0i，两环形电位计组成的桥式电路处于平衡状态，输出电压ue0，电动机不转。系统相对静止。如果操纵杆角i改变了，而船舵仍处于原位，则电位器输出不为零，ue经放大后使电动机通过减速器连同船舵和输出电位计滑臂一起做跟随给定值i的运动。当0i时，电动机停转，系统达到新的平衡，从而实现角位置跟踪的目的。由上分析可知，操纵杆是输入装置，电位计组同时完成测量和比较功能，电压功率放大器完成调节工作，电动机和减速器共同起执行器的作用。系统的原理方块图如下：电位计组电压放大器功率放大器电动机减速器船舵操纵杆 i0图1-4 船舶舵角位置跟踪系统原理方块图例1-3 仓库大门自动控制原理示意图如图1-5所示，试说明自动控制大门开关的工作原理并画出方块图。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。直到大门实际位置与要求的开启位置一致，桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门到达开启位置。反之当和上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭。控制系统方块图如下：图1-5 船舶舵角位置跟踪系统开关门位置 实际位置桥式电路放大器电动机绞盘大门图 1-6 大门自动控制系统方块图图1-7 电冰箱制冷系统原理图例1-4 电冰箱制冷系统工作如图1-7所示。试简述系统工作原理，指出被控对象，被控量和给定量，画出系统方框图。 解：系统的任务是保持冰箱内温度Tc等于设定的温度Tr。冰箱箱体是被控对象，箱内温度是被控量,由控制器旋钮设定的电位器输出电压（与希望的温度Tr值对应）是给定量。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把它转换为电压信号uc，与控制器旋纽设定的电位器（给定元件）输出电压ur（对应希望温度Tr）相比较，利用偏差电压u（表征实际温度Tc与希望温度Tr的偏差）控制继电器。当u大到一定值时，继电器接通，压缩机起动，将蒸发器中的高温低压气态制冷液送经冷却器散热；降温后的低温低压制冷液被压缩成低温高压液态进入蒸发器,急速降低扩散成气体,吸收箱体内的热量,使箱体内的温度降低;而高温低压制冷剂又被吸入冷却器。如此循环流动，使冰箱达到制冷的效果。继电器、压缩机、蒸发器和冷却器组成系统的执行机构，完成降温功能。电冰箱制冷系统方框图如图1-8所示。 Tcuauur继电器压缩机蒸发器冰箱体温度传感器 图1-8 电冰箱制冷系统方框图 图1-9 位置随动系统原理图例1-5 角位置随动系统工作原理图如图1-9所示，试简述其工作原理并画出系统方框图。解: 系统的任务是控制工作机械角位置c跟踪手柄转角r。工作机械是被控对象，工作机械的角位置是被控量，手柄角位移是给定量。当工作机械转角c与手柄转角r一致时，两环行电位计组成的桥式电路处于平衡状态，输出电压us=0,电机不动。系统相对静止。如果手柄转角r变化了，而工作机械仍处于原位，则电桥输出uc0，此电位计信号经放大器放大后驱动电机转动，经减速器拖动工作机械向r 要求的方向偏转。当c=r时，电机停转，系统达到新的平衡状态，从而实现角位置跟踪目的。系统中手柄是给定元件，电桥电路同时完成测量、比较功能，电机和减速器组成执行机构。系统方框图见图1-10。 手柄电位计放大器电动机减速器工作机械 ruusmc 图1-10 位置随动系统方框图例1-6 图1-11为液位自动控制系统示意图。在任何情况下，希望液面高度c维持不变，试说明系统工作原理，并画出系统原理方框图。解：系统的控制任务是保持液面高度不变。水箱是被控对象，水箱液位是被控量。电位器设定电压ur（表征液位的希望值cr）是给定量。当电位器电刷位于中点位置（对应ur）时，电动机不动，控制阀门有一定的开度，使水箱中流入水量与流出水量相等，从而液面保持在希望高度cr上。一但流入水量或流出水量发生变化，例如当液面升高时，浮子位置也相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移，从而给电动机一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的液体流量减少。这时，水箱液面下降，浮子位置相应下降，直到电位器电刷回到中点位置，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度。反之，若水箱液面下降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入量，使液位升到给定高度cr。图1-11 液位自动控制系统示意图 系统原理方框图如图1-12所示： 电动机减速器阀门水箱浮子连杆设定电位uruc uf 图1-12 液位自动控制系统方框图