自动控制的一般概念习题实用教案

1、会计学1自动控制自动控制(z dn kn zh)的一般概念习的一般概念习题题第一页，共42页。炉温炉温(l wn)控制系统方框图控制系统方框图炉温炉温(l wn)控制系统方框图控制系统方框图第1页/共42页第二页，共42页。 元部件元部件 方框（块）图方框（块）图 信号（物理量）及传递信号（物理量）及传递(chund)方向方向 中的符号中的符号 比较点比较点 引出点引出点 表示负反馈表示负反馈1.2 方框图中各符号方框图中各符号(fho)的意义的意义第2页/共42页第三页，共42页。例例 2 函数函数(hnsh)记录仪记录仪第3页/共42页第四页，共42页。函数函数(hnsh)记录仪方框图记录

2、仪方框图第4页/共42页第五页，共42页。1.3 控制系统控制系统(kn zh x tn)的组成的组成 (1)控制系统控制系统(kn zh x tn)(kn zh x tn)被控被控(bi kn)(bi kn)对象对象控制装置控制装置测量元件测量元件 比较元件比较元件 放大元放大元件件 执行机执行机构构 校正装校正装置置 给定元给定元件件第5页/共42页第六页，共42页。控制系统控制系统(kn zh x tn)的组成的组成 (2) 第6页/共42页第七页，共42页。1. 稳：（基本要求）稳：（基本要求） 要求系统要稳定要求系统要稳定 2. 准：（稳态要求）准：（稳态要求） 系统响应达到稳态时，

3、系统响应达到稳态时， 输出跟踪精度要高输出跟踪精度要高 3. 快：（动态要求）快：（动态要求） 系统阶跃响应的过渡过程系统阶跃响应的过渡过程(guchng) 要平稳，要平稳， 快速快速1.4 对控制系统的基本对控制系统的基本(jbn)要求要求第7页/共42页第八页，共42页。稳定性稳定性 系统受外作用力后系统受外作用力后,其动态过程其动态过程的振荡的振荡(zhndng)倾向和系统恢复平衡的倾向和系统恢复平衡的能力。能力。稳 定 性稳 定 性： 系统受外作用力系统受外作用力经过一段时间，其经过一段时间，其被 控 量 达 到被 控 量 达 到 ( d do)某一稳定状态某一稳定状态，则系统是稳定的

4、，则系统是稳定的。否则否则(fuz)为不稳为不稳定的。定的。r(t)t0c(t)r(t)c(t)不稳定的系统是不稳定的系统是无法正常工作的。无法正常工作的。 扰动信号作用下扰动信号作用下 的不的不稳定系统稳定系统:d(t)t0c(t)c(t)d(t) 一个能在生产一个能在生产实际中应用的系统实际中应用的系统,不仅应具有稳定性不仅应具有稳定性,而且在动态过程中而且在动态过程中的震荡也不能过于的震荡也不能过于强烈强烈.第8页/共42页第九页，共42页。通过动态过程通过动态过程(guchng)时间长短表征时间长短表征快速性。快速性。快速性快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性

5、表明快速性表明(biomng)了系了系统输出对输入响统输出对输入响应的快慢程度应的快慢程度 过 渡 过 程过 渡 过 程(guchng)时时间越短，表明间越短，表明快速性越好。快速性越好。反之亦然。反之亦然。t1t2第9页/共42页第十页，共42页。 由输入给定值与输出响应的终值由输入给定值与输出响应的终值之间的差值之间的差值ess大小大小(dxio)表征。表征。准确性准确性r(t)t0c(t)ess 它反映了系统它反映了系统(xtng)的稳态的稳态精度。若系统精度。若系统(xtng)最终的最终的误差为零，则称误差为零，则称为无差系统为无差系统(xtng)，否则，否则为有差系统为有差系统(xt

6、ng)。c(t)r(t)第10页/共42页第十一页，共42页。 稳定性、快速性和准确性往往是稳定性、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 能若 过 分 强 调 某 方 面 的 性 能 , 则 可 能则 可 能(knng)会使其他方面的性能受到影会使其他方面的性能受到影响响. 怎样根据工作任务的不同怎样根据工作任务的不同,分析和设计自动分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重控制系统，使其对三方面的性能有所侧重 ，并，并兼顾其它正是兼顾其它正是(zhn sh)自控原理课程要解决自控原理课程要解决的问

7、题。的问题。第11页/共42页第十二页，共42页。按给定信号的形式按给定信号的形式 恒值系统恒值系统 / / 随动系统随动系统 按系统是否满足叠加原理按系统是否满足叠加原理(yunl) (yunl) 线性系统线性系统 / / 非线性系统非线性系统 按系统参数是否随时间变化按系统参数是否随时间变化 定常系统定常系统 / / 时变系统时变系统 按信号传递的形式按信号传递的形式 连续系统连续系统 / / 离散系统离散系统 按输入输出变量的多少按输入输出变量的多少 单变量系统单变量系统 / / 多变量系统多变量系统 控制系统控制系统(kn zh x tn)的分类的分类第12页/共42页第十三页，共42

8、页。 1. 1. 开环控制开环控制(kngzh) (kngzh) 2. 2. 闭环控制闭环控制(kngzh) (kngzh) 3. 3. 复合控制复合控制(kngzh)(kngzh)1.5 基本基本(jbn)控制方式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(y )物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。自动控制自动控制第13页/共42页第十四页，共42页。第14页/共42页第十五页，共42页。经典控制理论经典控制理论 (

9、 19世纪初世纪初 ) 时域法时域法 复域法复域法 (根轨迹法根轨迹法) 频域法频域法 现代控制理论现代控制理论 ( 20世纪世纪60年代年代 ) 线性系统线性系统(xtng) 自适应控制自适应控制 最优控制最优控制 鲁棒控制鲁棒控制 最佳估计最佳估计 容错控制容错控制 系统系统(xtng)辨识辨识 集散控制集散控制 大系统大系统(xtng)复杂系统复杂系统(xtng) 智能控制理论智能控制理论 ( 20世纪世纪70年代年代 ) 专家系统专家系统(xtng) 模糊控制模糊控制 神经网络神经网络 遗传算法遗传算法自动控制理论自动控制理论(lln)发展简史发展简史第15页/共42页第十六页，共42

10、页。水温调节水温调节(tioji)系统系统水温调节水温调节(tioji)系统工作原理图系统工作原理图第16页/共42页第十七页，共42页。第17页/共42页第十八页，共42页。1-1 根据根据(gnj)题题1-15图所示的电动机图所示的电动机速度控制系统工作原理图，完成：速度控制系统工作原理图，完成： (1) 将将a，b与与c，d用线连接成负反馈状态；用线连接成负反馈状态；(2) 画出系统方框图。画出系统方框图。解解 （1）负反馈连接）负反馈连接(linji)方式为：方式为：，（2）系统）系统(xtng)方框图如图解方框图如图解1-1 所示。所示。1.6 习题分析习题分析第18页/共42页第十

11、九页，共42页。1-2 题题1-16图是仓库大门图是仓库大门(dmn)自动控制系统自动控制系统原理示意图。试说明系统自动控制大门原理示意图。试说明系统自动控制大门(dmn)开、闭的工作原理，并画出系统方框开、闭的工作原理，并画出系统方框图。图。图图1-16 仓库仓库(cngk)大门自动开闭控制系统大门自动开闭控制系统第19页/共42页第二十页，共42页。解解 当合上开门开关当合上开门开关时，电桥会测量出开门位时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将电动机带动绞

12、盘转动，将大门向上提起。与此同时大门向上提起。与此同时，和大门连在一起的电刷，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启停止转动，大门达到开启位置。反之，当合上关门位置。反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以使大门关闭，从而可以(ky)(ky)实现大门远距离开实现大门远距离开闭自动控制。系统方框图闭自动控制。系统方框图如图解如图解1-21-2所示。所示。第20页/共42页第二十一页，共42页。1-3 图图1-17为工业炉温为工业炉温(l wn)自动控制系统的工作自动

13、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。控量和给定量，画出系统方框图。 图图1-17 炉温炉温(l wn)自动控制系统原理图自动控制系统原理图正常时：正常时： 电机不转动电机不转动 0efaruuuu 第21页/共42页第二十二页，共42页。cucucu解解 : :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，的平方成正比， 增高，炉温就上升，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

14、机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压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作为系统的反馈电压与给定电压 进行比较，得出偏差电压进行比较，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。后，作为控制电动机的电枢电压。 furueuau正常时：正常时： 电机不转动电机不转动 0efaruuuu feacT(c )uuuu T(c ) 被控被控(bi kn)对象对象被控被控(bi kn)量量第22页/共42页第二十三页，共42页。1-4图图

15、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(jin s)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。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，

16、指出系统的被控对象、被控量和给定量，画出系统的方框图。图图1-18 导弹导弹(dodn)发射架方位角控制系统原理图发射架方位角控制系统原理图第23页/共42页第二十四页，共42页。解：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被控量，通过手轮输入的角度 是给定量。是给定量。 0 i 00eiieiuuu 手轮输入角度手轮输入角度 驱动电机使导弹发驱动电机使导弹发射架转动射架转动 ，直至直至

17、 ，偏差电压，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，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，偏差就会产生调节作用，控制的结果是消除偏差 ，使输出量，使输出量 严格地跟随输入量严格地跟随输入量 的变化而变化。的变化而变化。 0 00ii;uu 0eu 0i e 0 i 第24页/共42页第二十五页，共42页。1-5 采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统如图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

18、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

19、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保持在某个期

20、望值附近。指出系统中的被控对象(duxing)、被控量和给定量，画出系统的方框图。、被控量和给定量，画出系统的方框图。第25页/共42页第二十六页，共42页。解：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。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。 第26页/共42页第二十七页，共42页。1-6 摄像机

21、角位置自动跟踪摄像机角位置自动跟踪(gnzng)系统如图系统如图1-20所示。当光点显示器对准某个方向时，摄像所示。当光点显示器对准某个方向时，摄像机会自动跟踪机会自动跟踪(gnzng)并对准这个方向。试分并对准这个方向。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。定量，画出系统方框图。第27页/共42页第二十八页，共42页。e =0u=02112 = -e解：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。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，当摄像机方向

22、角与光点显示器指示的方向一致时， ，自整角机，自整角机输出输出 ，交流放大器输出电压，交流放大器输出电压 ，电动机静止，摄像机保持原来，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，的协调方向。当光点显示器转过一个角度， 时，自整角机输出与失时，自整角机输出与失谐谐 角角 成比例的电压信号（其大小、极性反映了失谐角的成比例的电压信号（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，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，直转，并通过减速器带动摄像机跟踪光点显

23、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。机转速，进行速度反馈，用以改善系统性能。21 2系统中，摄像机是被控对象，摄像机的方向角系统中，摄像机是被控对象，摄像机的方向角 是被控量，给定量是被控量，给定量是光点显示器指示的方向角是光点显示器指示的方向角 。1第28页/共42页第二十九页，共42页。1-7图图1-21 (a)，(b)所示的系统均为电压所示的系统均为电压调节系统。调节系统。 假设空载时两系统发电机端假设空载时两系统发电机端电压均为电压均

24、为110V，试问带上负载后，图，试问带上负载后，图1-21(a)，(b)中哪个中哪个(n ge)能保持能保持110V不不变，哪个变，哪个(n ge)电压会低于电压会低于110V？为什？为什么么?图图1-21 电压调节电压调节(tioji)系统工作原理图系统工作原理图第29页/共42页第三十页，共42页。解解: : 带上负载后，开始由于负载的影响，图带上负载后，开始由于负载的影响，图1-21 (a)1-21 (a)与与(b)(b)系统的系统的端电压都要下降，但图端电压都要下降，但图(a)(a)中所示系统能恢复到中所示系统能恢复到110110伏而图伏而图(b)(b)系统系统却不能。理由如下：却不能

25、。理由如下： 图图(a)(a)系统系统, ,当当 u u 低于给定电压时，其偏差电压经放大器低于给定电压时，其偏差电压经放大器 K K放放大后，驱动电机大后，驱动电机D D转动，经减速器带动电刷，使发电机转动，经减速器带动电刷，使发电机 F F 的激磁电的激磁电流流If If 增大，发电机的输出电压会升高，从而使偏差电压减小，直增大，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，电机才停止至偏差电压为零时，电机才停止(tngzh)(tngzh)转动。因此，图转动。因此，图(a)(a)系统系统能保持能保持110110伏不变。伏不变。 图图(b)(b)系统，当系统，当 u u 低

26、于给定电压时，其偏差电压经放大器低于给定电压时，其偏差电压经放大器K 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，使发电机电机 G G 的端电压回升，偏差电压减小，但不可能的端电压回升，偏差电压减小，但不可能(knng)(knng)等于等于零，因为当偏差电压为零，因为当偏差电压为 0 0时，时，If=0If=0，发电机就不能工作。即图，发电机就不能工作。即图(b)(b)所示系统的稳态电压会低于所示系统的稳态电压会低于110110伏。伏。第30页/共42页第三十一页，共42页。1-8 图图1-22为水温控制系统示意图。冷水在热为水温

27、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。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，系统是如何工作度为期望值，系统是如何工作(gngzu)的的？系统的被控对象和控制装置各是什么？系统的被控对象和控制装置各是什么？第31页/共42页第三十二页，共42页。解解: : 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，

28、若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大，进入给定温度相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大，进入(jnr)(jnr)热交换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，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。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，

29、实际热水温度为被控量，给定量（希望温度）在控其中，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。制器中设定；冷水流量是干扰量。这是一个这是一个(y )(y )按干扰补偿的复合控制系统。按干扰补偿的复合控制系统。 第32页/共42页第三十三页，共42页。1-9 1-9 许多许多(xdu)(xdu)机器，像车床、铣床和磨床机器，像车床、铣床和磨床，都配有跟随器，用来复现模板的外形。图，都配有跟随器，用来复现模板的外形。图1-231-23就是这样一种跟随系统的原理图。在此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。系统中，刀

30、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。试说明其工作原理，画出系统方框图。第33页/共42页第三十四页，共42页。解解: : 模板与原料同时固定在工作台上。模板与原料同时固定在工作台上。X X、Y Y轴直流伺服马达接受控制器的指令，按输入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命令带动工作台做X X、Y 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

31、制器，控制器的输出制器的输出(shch)(shch)驱动驱动Z 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，具位置与触针位置一致时，两者位置偏差为零，Z Z轴伺服马达停止。系统中，刀具是被控轴伺服马达停止。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1-91-9所示所示。最终原料被切割加工成模板的形状。最终原料被切割加工成模板的形状。第34页/共42页第三十五页，共42页。1

32、-10图图1-24 (a)，(b)所示均为调速系统。所示均为调速系统。 (1) 分别画出图分别画出图1-24 (a)、图、图(b)所示系统所示系统的方框图。给出图的方框图。给出图1-24 (a)所示系统正确的所示系统正确的反馈连线反馈连线(lin xin)方式。方式。 (2)指出在恒值输入条件下，图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，哪个是所示系统中哪个是有差系统，哪个是无差系统，说明其道理。无差系统，说明其道理。图图1-24 调速系统调速系统(xtng)工作原理图工作原理图第35页/共42页第三十六页，共42页。解解 (1)系统系统(xtng)方框图如图解方框图如图解1-10所示。所示。图图1-24 (a)正确的反馈连接正确的反馈连接(linji)方式如图方式如图1-24 (a)中虚线所示。中虚线所示。(2) 图图1-24 (a)的系统是有差系统，图的系统是有差系统，图1-24 (b)的系统是无差系统。的系统是无差系统。 图图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