第1章自动控制系统的基本概念习题解答.doc

第1章 自动控制系统的基本概念
1.1 学习要点
1 开环与闭环系统的结构特征、控制原理及二者性能特点；
2 由系统的物理结构图或工作原理示意图绘出系统功能框图；
3 闭环控制系统的一般构成与各构成部分的功能作用；
4 控制系统的基本类型；
5 对控制系统的基本要求。
1.2 思考与习题祥解
题1.1 列举几个开环控制与闭环控制系统的例子，并分析说明其工作原理。
答略。

题1.2 比较开环控制与闭环控制系统的优缺点。
答：开环控制系统是按照给定的参考输入量控制系统输出量，因此，开环控制系统结构简单，易于实现，投资小。但开环控制系统受到扰动其输出量会偏离期望值，系统无纠正偏差功能。控制精度低，无抗扰动能力。
闭环控制系统是按照给定的参考输入量与系统输出量的偏差进行控制(按偏差控制)。因此，闭环控制系统结构复杂，投资大，具有纠正偏差功能。控制精度较高，有较强的抗扰动能力。

题1.3 什么是反馈？什么是正反馈和负反馈？负反馈在自动控制系统中有什么意义？
答：反馈是指系统功能作用的结果反过来对系统功能特性的影响。系统的功能是通过系统的输入（环境对系统的作用）和输出（系统对环境的作用）关系表现出来的。
在工程控制系统中，反馈是指控制系统的输出量信息返回到输入端，与参考输入量信息进行综合，系统利用综合量进行自身调节。
反馈有正反馈和负反馈。正反馈是指控制系统的输出量信息与参考输入量信息进行叠加，系统利用叠加量进行自身调节的结果，是使系统沿着现有状态或方向变化，最终处于限幅振荡。典型的实例是正弦函数产生器。
负反馈是指控制系统的输出量信息与参考输入量信息进行比较，系统利用偏差量进行自身调节的结果，是使系统按照给定的参考输入变化 。因此负反馈在自动控制系统中具有控制生产设备或工艺过程稳定运行的重要作用。
图1.1给出了具有正/负信息反馈概念常用的示意图。

图1.1 题1.3用图

题1.4 复合控制与开环控制、闭环控制是什么关系？什么情况下可采用复合控制方式？
答：复合控制是开环控制方式与闭环控制方式的某种组合。复合控制系统中，既有开环控制通道，又有闭环反馈控制结构。当闭环控制系统不能取得满意的稳态性能（精度）和动态性能时，可在闭环控制的基础上，引入按给定或按扰动的开环控制通道，形成复合控制方式，提高系统类型或无差度。

题1.5 判断下列概念正确与否
（1）闭环控制系统通常精度比开环系统精度高。
（2）负反馈有时用于提高控制系统的精度。
（3）开环控制系统不存在稳定性的问题。
（4）闭环控制系统总是稳定的。
（5）反馈可能引起系统振荡。
（6）控制系统的稳定性是其固有特性，由系统结构与外界因素决定。
答：（1）正确；（2）正确；（3）正确；（4）错误；（5）正确；（6）错误

题1.6 炉温闭环控制系统如题1.6图所示，电阻丝电源的通断由接触式水银温度计控制，水银温度计的两个触点a和b接在常闭继电器的线圈电路中，它随着水银柱的升降而接通或断开，通过控制继电器触点K的开、闭而接通或断开电阻丝的电源，以达到自动调温的目的。试说明该系统的控制过程，并画出系统的方框图。

题1.6图 炉温闭环控制系统原理图
解：炉温闭环控制系统的控制过程：
当炉温低于期望值时，水银温度计的水银柱低于触点a，常闭继电器的线圈电路仍然处于断开状态，常闭继电器触点K仍然处于闭合状态，电阻丝的电源回路仍然闭合，电炉继续加热，炉温继续上升。

当炉温大于等于期望值，水银温度计的水银柱上升到或超过触点a时，常闭继电器的线圈电路闭合，常闭继电器触点K打开，电阻丝的电源回路断开，电炉不再加热，炉温逐渐下降。
炉温闭环控制系统反复上述调节过程，实现炉温控制在一定范围内，满足生产要求。
系统的方框图如图1.2。

图1.1 炉温闭环控制系统方框图

题1.7 供电闭环控制系统原理图如题1.7 图所示。分析该系统的控制过程，并画出系统的方框图。

题1.7图 供电闭环控制系统原理图
解：供电闭环控制系统的控制过程：
引出发电机端电压U与参考电压U0进行比较，偏差（具有正、负极性）经放大器功率放大后，作为执行电机的端电压。通过电机的正、反转，经减速装置调节发电机励磁回路电阻大小，从而改变励磁电流，调节发电机端电压U保持与参考电压U0一致，实现恒压供电，满足生产要求。
系统的方框图如图1.3。

图1.3 供电闭环控制系统方框图