第一章 自动控制的一般概念.doc

第一章 自动控制的一般概念

1-1 图1-22是液位自动控制系统原理示意图。在任意情况下，希望液面高度维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。

图1-22 液位自动控制系统
解 本题研究液位控制系统工作原理并绘制相应的系统方块图。
当电位器电刷位于中点位置时，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上。一旦流入水量或流出水量发生变化，水箱液面高度便相应变化。例如，当液面升高时，浮子位置亦相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的流量减少。此时，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，若水箱液位下降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升到给定高度。
液位自动控制系统原理方块图如下图所示
液位自动控制系统方块图

1-2 图1-23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方块图。
解 本题研究位置控制系统工作原理以及相应系统方块图的绘制。
当合上开门开关时，电位器桥式测量电路产生一个偏差电压信号。此偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，使大门向上提起。与此同时，与大门连在一起的电位器电刷上移，使桥式测量电路重新达到平衡，电动机停止转动，开门开关自动断开。反之，当合上关门开关时，伺服电动机反向转动，带动绞盘转动使大门关闭，从而实现了远距离自动控制大门开启的要求。

图1-23 仓库大门自动开闭控制系统
仓库大门自动控制系统的原理方块图如下图所示

仓库大门自动控制系统方块图

1-3 图1-24 (a)和(b)均为自动调压系统。设空载时，图(a)和图(b)的发电机端电压均为。试问带上负载后，图(a)和图(b)中哪个系统能保持电压不变？哪个系统的电压会稍低于？为什么？

(a) (b)
图1-24 自动调压系统
解 本题通过自动调压系统工作原理的分析，学会区分有差系统和无差系统。
系统带上负载以后，(a)和(b)两个系统的端电压均会下降。但是图(a)中的系统由于自身调压作用能够恢复到，而图(b)中的系统不能够恢复到，其端电压将稍低于。
对于图(a)中的自动调压系统，当发电机两端电压低于给定电压时，其偏差电压经放大器放大使伺服电机转动，经减速器带动电刷，使发电机的激磁电流增大，提高电动机的端电压，从而使偏差电压减小，直到偏差电压为零，伺服电机停止转动。因此，图(a)中的自动调压系统能保持端电压不变。
对于图(b)中的自动调压系统，当发电机两端电压低于给定电压时，其偏差电压直接经放大器使发电机的激磁电流增大，提高发电机的端电压，即发电机的端电压回升，此时偏差电压减小，但偏差电压始终不能为零，因为当偏差电压为零时，激磁电流也为零，发电机不能工作。因此，图(b)中的自动调压系统端电压会低于。

1-4 图1-25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？

图1-25 水温控制系统示意图
解 本题通过温度控制系统工作原理的分析，掌握系统方块图的绘制方法，并正确区分被控对象和控制器。
水温控制系统的方块图如下图所示

水温控制系统的方块图
系统是复合控制系统，它的控制方式是把按偏差的闭环控制与按扰动补偿的顺馈控制结合起来。
采用温度负反馈，由温度控制器对热水温度进行自动控制。若热水温度过高，控制器使阀门关小，减小蒸汽量，热水温度回到给定值。冷水流量是主要扰动量，用流量计测量扰动信号，将其送到控制器输入端，进行扰动顺馈补偿。当冷水流量减少时，补偿量减小，通过温度控制器使阀门关小，蒸汽量减少，以保持热水温度恒定。
系统的被控对象是热交换器，被控量是热水温度，控制装置是温度控制器。

1-5 图1-26是电炉温度控制系统原理示意图。试分析系统保持电炉温度恒定的工作过程，指出系统的被控对象、被控量以及各部件的作用，最后画出系统方块图。

图1-26 电炉温度控制系统原理图
解 本题以炉温控制系统为例，要求通过工作原理分析，绘制系统方块图，并明确系统组成。
电炉使用电阻丝加热，并要求保持炉温恒定。图中采用热电偶来测量炉温并将其转换为电压信号，将测量得到的电压信号反馈到输入端，与给定电压信号反极性连接，实现负反馈。二者的差值称为偏差电压，它经电压放大和功率放大后驱动直流伺服电动机。电动机经减速器带动调压变压器的可动触头，改变电阻丝的供电电压，从而调节炉温。
当炉温偏低时，测量电压小于给定电压，二者比较的偏差电压为。由于为正，电动机“正”转，使调压器的可动触头上移，电阻丝的供电电压增加，电流加大，炉温上升，直至炉温升至给定值为止。此时，，，电动机停止转动，炉温保持恒定。
当炉温偏高时，为负，经放大后使电动机“反”转，调压器的可动触头下移，使供电电压减小，直至炉温等于给定值为止。
系统的被控对象是电炉，被控量是电炉炉温，伺服电动机、减速器、调压器是执行机构，热电偶是检测元件。
电炉温度控制系统的方块图如下图所示：
电炉温度控制系统的方块图

1-6 图1-27是自整角机随动系统原理示意图。系统的功能是使接受自整角机的转子角位移与发送自整角机的转子角位移始终保持一致。试说明系统是如何工作的，并指出被控对象、被控量以及控制装置各部件的作用并画出系统方块图。

图1-27 自整角机随动系统原理图
解 本题以角度随动系统为例，要求分析系统工作原理，绘出系统方块图，并明确系统组成。
发送自整角机的转子与给定轴（主动轴）相连；接收自整角机的转子与负载轴（从动轴）相连。与组成角差测量电路。若发送自整角机的转子离开平衡位置转过一个角度，则在接收自整角机转子的单相绕组上将感应出一个偏差电压，它是一个振幅为、频率与发送自整角机激磁频率相同的交流调幅电压，即

在一定范围内，正比于，即

其中为自整角机传递系数，所以可得

上式为随动系统中接收自整角机所产生的偏差电压的表达式，它是一个振幅随角偏差的改变而变化的交流电压。因此，先经过相敏整流放大器变为直流电压，再经过功率放大器放大，放大后的直流信号作用在伺服电动机电枢两端。电动机通过减速器带动负载和接收自整角机的转子，使其跟随发送自整角机的转子旋转，实现，以达到跟随的目的。为了使电动机转速恒定、平稳，引入了测速负反馈。
系统的被控对象是负载轴，被控量是负载轴转角，电动机和减速器是执行机构，相敏整流放大器及功率放大器起着放大信号的作用，测速发电机是检测反馈元件，用以改善系统性能。
自整角随动系统的方块图如下图所示
自整角随动系统方块图

1-7 在按扰动控制的开环控制系统中，为什么说一种补偿装置只能补偿一种与之相应的扰动因素？对于图1-6按扰动控制的速度控制系统，当电动机的激磁电压变化时，转速如何变化？该补偿装置能否补偿这个转速的变化？

图1-6 按扰动控制的速度控制系统
解 本题研究按扰动控制的开环控制系统的工作原理。
按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响。显然，这种控制方式是直接从扰动取得信息，并以此改变被控量，所以它只适用于扰动是可测量的场合，而且一个补偿装置只能补偿一种扰动因素，对其余扰动均不起补偿作用。
图1-6按电枢电流进行补偿的速度控制系统。当电动机的激磁电压增大时，电动机的转速上升；当电动机的激磁电压减小时，电动机的转速下降。这种补偿装置不能补偿由激磁电压变化引起的转速变化。

1-8 图1-28为谷物湿度控制系统示意图。在谷物磨粉的生产过程中，有一种出粉最多的湿度，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。

图1-28 谷物湿度控制系统
解 本题要求掌握自动控制系统方块图的绘制方法。
该谷物湿度控制系统是一个按扰动补偿的复合控制系统，如图1-28所示。被控对象是传送装置；被控量是输出谷物的湿度；输入量是希望的谷物湿度。谷物湿度控制系统的方块图如下图所示：

谷物湿度控制系统的方块图

1-9 图1-29为数字计算机控制的机床刀具进给系统。要求将工件的加工编制成程序预先存入数字计算机，加工时，步进电动机按照计算机给出的信息动作，完成加工任务。试说明该系统的工作原理。

图1-29 机床刀具进给系统
解 本题研究按给定量控制的开环控制系统的工作原理。
数字计算机控制的机床刀具进给系统是一开环控制系统，被控对象是刀具，被控量是刀具位置，给定量是程序设定的刀具位置。该系统的工作原理是先由数字计算机将预先编好的加工过程控制程序转换为控制三个方向运动的电脉冲信号，然后经过脉冲分解与功率放大，将放大后的信号输入到步进电动机，由步进电动机来控制刀具与工件的相对运动位置，保证刀尖的运动轨迹符合工件的轮廓形状，这样就可加工出所要求的零件。

1-10 下列各式是描述系统的微分方程，其中为输出量，为输入量，试判断哪些是线性定常或时变系统，哪些是非线性系统？
(1) ；
(2) ；
(3) ；
(4) ；
(5) ；
(6) ；
(7)
解 本题研究自动控制系统的分类。
可用线性微分方程或差分方程描述的系统，称为线性系统。如果微分方程或差分方程的系数全为常数，则称为线性定常系统；否则称为线性时变系统。
用非线性方程描述的系统称为非线性系统，非线性方程的特点是系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。
基于以上定义，可得
(1) 非线性系统；
(2) 线性定常系统；
(3) 线性时变系统；
(4) 非线性系统；
(5) 线性定常系统（将方程两边同时求导）；
(6) 非线性系统；
(7) 线性延迟系统。

8