如何设计单回路控制系统？
单回路反馈控制系统是应用最为广泛的一种控制系统，它由四个基本环节组成，即被控对象或被控过程、测量变送装置、控制器和控制阀。为了使系统达到预期的控制质量指标要求，就需要很好的了解具体的生产工艺机理，掌握生产过程的规律，以便确定合理的控制方案。为了设计好单回路控制系统，需要对以下几个方面问题进行分析，这包括：
①如何正确选择被控变量和控制变量。
②如何正确选择控制阀的开、闭形式及其流量特性。
③如何正确选择控制器的控制规律及正反作用。
④如何正确选择测量变送装置。
⑤系统关联性分析。
①正确选择被控变量与控制变量。
1.被控变量的选择
被控变量的选择是控制系统设计的核心问题。它选择得正确与否，将会直接关系到生产的稳定操作、产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。如果被控变量选择不当，不论采用何种控制仪表，组成什么样的控制系统，都不能达到预期的控制效果，满足不了生产的技术要求。为此，自控设计人员必须深入生产实际，进行调查研究，只有在熟悉生产工艺的基础上才能正确地选择出被控变
量。一般的过程都有较明确的要求。如对温度、压力、流量、液位控制系统，其相应的过程参数就是被控变量。通过分析，可以总结出如下几条选择被控变量的原则：
(1)质量指标是产品质量的直接反映。在情况许可时，应选择质量指标参数作为被控变量。
(2)当不能选择质量指标参数作被控变量时，可选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量。
(3)所选的间接指标参数必须具有足够大的变化灵敏度，以便反映产品质量的变化。
(4)在被控变量选择时还需考虑到工艺的合理性和国内、外仪表生产的现状。
2.控制变量的选择
控制变量也称为操纵变量，是调节阀的输出，同时也是直接影响被控对象的输入信号
通过对干扰通道和控制通道的K、T、τ对控制质量的影响分析，可以总结出以下几个原则作为控制变量选择的依据。
(1)所选的控制变量必须是可控的；
(2)所选的控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数；
(3)所选的控制变量应使扰动通道时间常数愈大愈好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小；
(4)所选的控制变量其通道纯滞后时间应愈小愈好；
(5)所选的控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀；
(6)在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量。
②如何正确选择控制阀的开、闭形式及其流量特性。
控制阀接受的是气压信号，当膜头输入压力增大，控制阀开度也增大时，称之为气开阀。反之，当膜头输入压力增大时，控制阀开度减小．则称之为气关阀。
对于一个具体的控制系统来说，究竞选气开阀还是选气关阀，要由具体的生产工艺来决定。一般来说，要根据以下几条原则来进行选择。
1.调节阀气开、气关形式的选择原则：
(1)首先要从生产安全出发。即当气源供气中断，或调节器出故障而无输出，或调节阀膜片破裂而漏气等而使调节阀无法正常工作，应能确保生产工艺设备的安全，不致发生事故。
(2)从保证产品质量出发。当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。
(3)从降低原料、成品、动力损耗来考虑。如控制精馏塔进料的调节阀就常采用气开式．一旦调节阀失去能源调节阀即处于关闭状态．不再给塔进料，以免造成浪费。
(4)从介质的特点考虑。精馏塔塔釜加热蒸汽调节阀一般都选气
开式，以保证在调节阀失去能源时能处于全闭状态，避免蒸汽的浪费。但是如果釜液是易凝、易结晶、易聚合的物料时，调节阀则应选气闭式，以防调节阀失去能源时阀门关闭，停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶和凝聚。
2.调节阀流量特性的选择
调节阀的流量特性选择目前较多采用经验法，一般可从以下几方面考虑：
（1）依据过程特性选择。选择原则为：KV KO=常数。 KV 为调节阀的放大系数，KO为过程的放大系数。当过程的特性为线性时，应选择直线特性的调节阀，否则就选择等百分比特性的调节阀。
（2）依据配管情况选择。由于系统配管情况不同，调节阀的工作特性和理想特性也有差异。因此，首先根据系统特点来选择工作特性，然后再考虑配管情况来选择相应的理想特性。
（3）依据负荷变化情况选择。
在负荷变化较大的场合，宜选用等百分比调节阀。因为等百分比调节阀放大系数是随阀芯位移的变化而变化的，其相对流量变化率是不变的，因而能适应负荷的变化情况；
当调节阀经常工作在小开度时，宜选用等百分比调节阀。因为直线调节阀在小开度时，相对流量变化率很大，不宜进行微调。
③如何正确选择控制器的控制规律及正反作用
工业用控制器常见的有开关控制器、比例控制器、比例-积分控制器、比例-微分控制器、比例-积分-微分控制器，控制器控制规律
的选择根据具体情况而定，但有一些基本原则如下：
对于不太重要的参数可考虑采用比例控制。
对于不太重要的参数，但惯性较大，又不希望动态偏差较大，可采用比例-微分控制器。
对于控制精度要求比较高的参数，可采用比例-积分控制器。
对于比较重要的，控制精度比较高的，动态偏差较小，被控对象的时间滞后较大的参数，应当采用比例-积分-微分控制器。
为保证能构成负反馈，系统开环总放大倍数必须为负值，即构成系统的各个环节符号乘积为负，因此只要知道对象、控制阀和测量变送装置放大倍数的正负，再根据开环总放大倍数必须为负的要求，就可以确定控制器的正、反作用
④如何正确选择测量变送装置。
被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系设计提供准确的控制依据。测量变送装置要保证其一定的精度和灵敏度，尽量减少其测量变松滞后时间。
⑤系统关联性分析。
所谓系统关联就是系统之间彼此互相有影响。如果系统间相互关联比较紧密，相互影响比较大而又处理不当，就会使系统无法运行。这不仅会影响控制质量，甚至会导致发生事故，必须给予足够的重视。
系统间关联的情况与程度不同，解决方法也不一样。要解决系统间关联问题，首先要深入生产实际，进行认真的分析、研究，然后才能根据具体情况，采取具体的措施。采用何种消除关联方法为此提供
有力的依据。
（1）如果按照某种变量配对，可采用控制器参数整定的方法将各系统的工作频率拉开，以消弱系统间的关联。
（2）如果各通道相对增益比较接近或离1比较远，表明系统间的关联比较严重，需要采用解耦办法才能消除系统间的关联。
（3）如果按照某种变量配对，结果算出各通道相对增益相差比较大，即有的离1较近有的离1较远。这时可采用变量重新配对的办法来消弱系统间的关联，即尽量让那些相对增益离1较近的变量配对组成系统。
控制工程大作业(打印轮的 控制分析) -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
控制工程基础大作业打印机中打印轮控制系统分析 学院：机械工程及自动化学院 班级：车辆工程2班 姓名： 学号：
图1 图1所示为打印机中打印轮控制系统的原理图。系统由打印轮 （负载）、直流电动机及用于速度反馈的增量编辑器等组成。打印轮一般有96个字符位置。控制打印轮的位置，就是使需要的字符放在硬拷贝打印锤前。打印轮直接安装在电动机轴上能在正反两个方向旋转。编码器是一种将直线或旋转位移变换为数码或脉冲信号的装置。 打印轮控制系统的控制目标是控制打印轮的位置。其原理是：当给出打印某个字符的指令时，通过指令传输电路，控制系统首先将它转换成总距离及行进方向信号，然后命令电动机驱动打印轮去校正位置。在此过程中，控制系统首先通过速度控制方式，驱动电动机打印轮系统按一定规律的转速旋转。当负载驱动到希望的位置附近后，通过位置控制方式，把位置误差控制到零，驱动打印轮在没有延迟或过大震荡的条件下尽快精确到位。 对于编码器—误差检测器，有 )()()(t t t t o i θθθ-=....................
)()(s t K t e e θ=......................② 式中：s K ——编码器增益。 在位置控制方式中，微处理机只不过把编码器的输出与给定参考位置进行比较，在送出与该两信号之差成比例的误差信号。 对于增益为A K 的功率放大器，有 )()(a t e K t e A =.........................③ 对于永磁直流电动机，有 )()()() (a t e t e t i R dt t di L b a a a a -=+...............④ )()(t w K t e M b b =...............................⑤ )()(T t i K t T a M =................................⑥ )()() (t T t Bw dt t dw J M M M =+................⑦ 式中：b K ——电动机反电动势常数； T K ——电动机转矩常数； M w ——电动机转速； M T ——电动机输出转矩； J ——折算到电动机轴上的总转到惯量； B ——折算到电动机轴上的总粘贴阻尼系数； 其余符号意义见图1。 电动机输出量为 )(d (d t w t t M M =） θ...............................⑧ )()(o t t M θθ=...................................⑨
自动控制元件部分课后题答案 第一章直流伺服电动机 1-1直流伺服电动机的电磁转矩和控制电流由什么决定？ 答：a ：由T em =C m ΦI a 知电磁转矩由每极磁通量和绕组电流大小决定。b ：由T em =T 0+T 2=CmΦIa 控制电流由负载转矩(T 2)和空载转矩(T 0)大小决 定。 1-2当直流伺服电动机的负载转矩恒定不变时，控制电压升高将使稳态的电磁转矩、控制电流、转速发生怎样的变化？为什么？ 答：a ：电磁转矩T em =T 0+T 2可见电磁转矩也不变。由T em =C m ΦI a 知控制电流I a 也不变b ：KeKt RaTem Ke Ua n -=知T em 不变可见U a 转速升高理想空载转速变大导致转速n 升高。 1-3已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V ，额定运行时电枢电流Ia=0.4A ，转速n=3600rpm ，它的电枢电阻Ra=50欧姆，负载阻转矩To=15mN.m 。试问该电动机额定负载转矩是多少？ 答：Ea=Ua-IaRa=110-0.4×50=90V Ea=CeΦn,Ce=0.105Cm CmΦ=0.2383600 0.10590n 105.0=?=?Ea T em =T 0+T 2=CmΦIa→T 2=CmΦIa-T 0=0.40.238=0.0952-15×10-3=80.2mN.m 1-6当直流伺服电动机电枢电压、励磁电压不变时，如将负载转矩减少，试问此时电动机的电枢电流、电磁转矩、转速将怎样变化？并说明由原来的状态到新的稳态的物理过程。 答：磁转矩T em =T 0+T 2可见T 2↓电磁转矩也↓。由T em =C m ΦI a 知控制电流I a ↓Ea=Ua-IaRa 可见I a ↓知Ea↑，由Ea=CeΦn 知Ea↑知n↑ 第二章直流测速发电机 2-4某直流测速发电机，其电枢电压U=50V ，负载电阻R L =3000Ω，电枢电阻Ra=180Ω，转速n=3000rpm ，求该转速下的空载输出电压Uo 和输出电流Ia 。Ea =Ua IaRa Ia=300050=0.0167A Ea=50Ea =50+3000 50×180=53空载Uo =Ea =53第三章步进电动机 3-8某五相反应式步进电动机转子有48个齿，试分析其有哪几种运行方式及对应的步距角，并画出它们的矩角特性曲线族。 答:5相单5拍A→B→C→D→E→A Θb ==?=48 5360NZr 360 1.5°T emA =-T jmax sin(Θe )T emB =-T jmax sin(Θe -52π)T emC =-T jmax sin(Θe -5 4π)
第一章 概述 1.1 过程控制系统由哪些基本单元构成？画出其基本框图。 控制器、执行机构、被控过程、检测与传动装置、报警，保护，连锁等部件 1.2 按设定值的不同情况，自动控制系统有哪三类？ 定值控制系统、随机控制系统、程序控制系统 1.3 简述控制系统的过渡过程单项品质指标，它们分别表征过程控制系统的什么性能？ a.衰减比和衰减率：稳定性指标； b.最大动态偏差和超调量：动态准确性指标； c.余差：稳态准确性指标； d.调节时间和振荡频率：反应控制快速性指标。 第二章 过程控制系统建模方法 习题2.10 某水槽如图所示。其中F 为槽的截面积，R1，R2和R3均为线性水阻，Q1为流入量，Q2和Q3为流出量。要求： （1） 写出以水位H 为输出量，Q1为输入量的对象动态方程； （2） 写出对象的传递函数G(s)，并指出其增益K 和时间常数T 的数值。 （1）物料平衡方程为123d ()d H Q Q Q F t -+= 增量关系式为 123d d H Q Q Q F t ??-?-?= 而22h Q R ??= ， 33 h Q R ??=， 代入增量关系式，则有23123 ()d d R R h h F Q t R R +??+=? （2）两边拉氏变换有： 23 123 ()()()R R FsH s H s Q s R R ++ =
故传函为： 23232 3123 ()()()11R R R R H s K G s R R Q s Ts F s R R +=== +++ K=2323 R R R R +, T=23 23R R F R R + 第三章 过程控制系统设计 1. 有一蒸汽加热设备利用蒸汽将物料加热，并用搅拌器不停地搅拌物料，到物料达到所需温度后排出。试问： （1） 影响物料出口温度的主要因素有哪些？ （2） 如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁？为什么？ （3） 如果物料在温度过低时会凝结，据此情况应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器 的正反作用？ 解：（1）物料进料量，搅拌器的搅拌速度，蒸汽流量 （2）被控变量：物料出口温度。因为其直观易控制，是加热系统的控制目标。 操作变量：蒸汽流量。因为其容易通过控制阀开闭进行调整，变化范围较大且对被 控变量有主要影响。 （3）由于温度低物料凝结所以要保持控制阀的常开状态，所以控制阀选择气关式。控制 器选择正作用。 2. 如下图所示为一锅炉锅筒液位控制系统，要求锅炉不能烧干。试画出该系统的框图，判断控制阀的气开、气关型式，确定控制器的正、反作用，并简述当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，该控制系统是如何克服干扰的？ 解：系统框图如下：
1-6 试说明如题图1-6(a)所示液面自动控制系统的工作原理。若将系统的结构改为如题图1-6(b)所示，将对系统工作有何影响？ 答：（a ）图所示系统，当出水阀门关闭时，浮子处于平衡状态，当出水阀门开启，有水流出时，水槽中的水位下降，浮子也会下降，通过杠杆作用，进水阀门开启，水流进水槽，浮子上升。 （b ）图所示系统，假设当前出水阀门关闭时，浮子处于平衡状态，当出水阀门开启，有水流出时，水槽中的水位下降，浮子也会下降，通过杠杆作用，进水阀门会随着水的流出而逐渐关闭，直至水槽中的水全部流出。 2-7 用拉氏变换的方法解下列微分方程 （2）220,(0)0,(0)1x x x x x ''''++=== 2222 "2'20(0)0,'(0)1 ()(0)'(0)2()2(0)2()0(22)()1 11 ()22(1)1()sin t x x x x x s x s sx x sx s x x s s s x s x s s s s x t e t -++===--+-+=++=== ++++=解： 3-1求题图3-1(a)、(b)所示系统的微分方程。 (a) (b) 题图1-6 液面自动控制系统 (b) 题图 3-1
（b ）解：(1) 输入f(t),输出y(t) (2)引入中间变量x(t)为12,k k 连接点向右的位移，（y>x ） (3)12()=-k x k y x ① ()"2f k y x my --= ② (4)由①、②消去中间变量得："12 12 k k my y f k k +=+ 3-2 求题图3-2(a)、(b)、(c)所示三个机械系统的传递函数。图中，x 表示输入位移，y 表示输出位移。假设输出端的负载效应可以忽略。 （b ）解：（1）输入,r x 输出c x （2）引入中间变量x 为1k 与c 之间连接点的位移 ()>>r c x x x （3）'' 1()()-=-r c k x x c x x ① '' 2()-=c c c x x k x ② （4）消去中间变量x,整理得： ' '1221 ()++=c c r c k k x k x cx k （5）两边拉氏变换： 1221 () ()()()++=c c r c k k sX s k X s csX s k （6）传递函数：12 2 1 ()()()()= =++c r X s cs G s c k k X s s k k 题图3-2
2014年上学期《计算机控制技术》复习大作业及参考答案========================================================== 一、选择题（共20题） 1.由于计算机只能接收数字量，所以在模拟量输入时需经（ A ）转换。 A．A/D转换器B．双向可控硅 C．D/A转换器D．光电隔离器 2.若系统欲将一个D/A转换器输出的模拟量参数分配至几个执行机构，需要接入（ D ）器件完成控制量的切换工作。 A．锁存器锁存B．多路开关 C．A/D转换器转换D．反多路开关 3.某控制系统中，希望快速采样，保持器的保持电容CH应取值（ A ）。 A．比较小B．比较大C．取零值D．取负值 4. 在LED显示系统中，若采用共阳极显示器，则将段选模型送至（ B ）。 A．阳极B．阴极 C．阴极或阳极D．先送阴极再送阳极 5. 电机控制意味着对其转向和转速的控制，微型机控制系统的作法是通过（B ）实现的。 A．改变定子的通电方向和通电占空比 B．改变转子的通电方向和通电占空比 C．改变定子的通电电压幅值 D．改变转子的通电电压幅值 6.计算机监督系统（SCC）中，SCC计算机的作用是（B） A．接收测量值和管理命令并提供给DDC计算机 B．按照一定的数学模型计算给定植并提供给DDC计算机 C．当DDC计算机出现故障时，SCC计算机也无法工作 D．SCC计算机与控制无关 7. 键盘锁定技术可以通过（C）实现。 A．设置标志位 B．控制键值锁存器的选通信号 C．A和B都行 D．定时读键值 8. RS-232-C串行总线电气特性规定逻辑“1”的电平是（C）。 A．0．3 伏以下B．0．7伏以上 C．-3伏以下D．+3伏以上 9. 在工业过程控制系统中采集的数据常搀杂有干扰信号，（D）提高信/躁比。 A．只能通过模拟滤波电路 B.只能通过数字滤波程序 C.可以通过数字滤波程序/模拟滤波电路 D.可以通过数字滤波程序和模拟滤波电路 10．步进电机常被用于准确定位系统，在下列说法中错误的是（B ）。 A．步进电机可以直接接受数字量 B．步进电机可以直接接受模拟量 C．步进电机可实现转角和直线定位 D．步进电机可实现顺时针、逆时针转动
如何设计单回路控制系统？ 单回路反馈控制系统是应用最为广泛的一种控制系统，它由四个基本环节组成，即被控对象或被控过程、测量变送装置、控制器和控制阀。为了使系统达到预期的控制质量指标要求，就需要很好的了解具体的生产工艺机理，掌握生产过程的规律，以便确定合理的控制方案。为了设计好单回路控制系统，需要对以下几个方面问题进行分析，这包括： ①如何正确选择被控变量和控制变量。 ②如何正确选择控制阀的开、闭形式及其流量特性。 ③如何正确选择控制器的控制规律及正反作用。 ④如何正确选择测量变送装置。 ⑤系统关联性分析。 ①正确选择被控变量与控制变量。 1.被控变量的选择 被控变量的选择是控制系统设计的核心问题。它选择得正确与否，将会直接关系到生产的稳定操作、产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。如果被控变量选择不当，不论采用何种控制仪表，组成什么样的控制系统，都不能达到预期的控制效果，满足不了生产的技术要求。为此，自控设计人员必须深入生产实际，进行调查研究，只有在熟悉生产工艺的基础上才能正确地选择出被控变
量。一般的过程都有较明确的要求。如对温度、压力、流量、液位控制系统，其相应的过程参数就是被控变量。通过分析，可以总结出如下几条选择被控变量的原则： (1)质量指标是产品质量的直接反映。在情况许可时，应选择质量指标参数作为被控变量。 (2)当不能选择质量指标参数作被控变量时，可选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量。 (3)所选的间接指标参数必须具有足够大的变化灵敏度，以便反映产品质量的变化。 (4)在被控变量选择时还需考虑到工艺的合理性和国内、外仪表生产的现状。 2.控制变量的选择 控制变量也称为操纵变量，是调节阀的输出，同时也是直接影响被控对象的输入信号 通过对干扰通道和控制通道的K、T、τ对控制质量的影响分析，可以总结出以下几个原则作为控制变量选择的依据。 (1)所选的控制变量必须是可控的； (2)所选的控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数； (3)所选的控制变量应使扰动通道时间常数愈大愈好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小； (4)所选的控制变量其通道纯滞后时间应愈小愈好；
二 题目：已知()t t f 5.0=，则其()[]=t f L 【 】 A. 25.0s s + B. 25.0s C. 2 21s D. s 21 分析与提示：由拉氏变换的定义计算，可得()[]2 1 5 .0s t f L = 答案：C 题目：函数f (t )的拉氏变换L[f(t)]= 。 分析与提示：拉氏变换定义式。 答案：dt e t f st ? ∞ -0 )( 题目：函数()at e t f -=的拉氏变换L[f(t)]= 。 分析与提示：拉氏变换定义式可得，且f(t)为基本函数。 答案：a s +1 题目：若t e t t f 22 )(-=，则( )=)]([t f L 【 】 A. 22+s B. 3 )2(2 +s C.2 2-s D. 3 ) 2(2 -s 分析与提示：拉氏变换定义式可得，即常用函数的拉氏变换对，3 )2(2 )]([+=s t f L 答案：B 题目：拉氏变换存在条件是，原函数f(t)必须满足 条件。 分析与提示：拉氏变换存在条件是，原函数f(t)必须满足狄里赫利条件。 答案：狄里赫利 题目：已知()15.0+=t t f ，则其()[]=t f L 【 】 A. 25.0s s + B. 25.0s
C. s s 1212+ D. s 21 分析与提示：由拉氏变换的定义计算，这是两个基本信号的和，由拉氏变换的线性性质，其拉氏变换为两个信号拉氏变换的和。()[]s s t f L 1 15 .02 += 答案：C 题目：若()s s s s F ++= 21 4，则()t f t ∞→lim )=( )。 【 】 A. 1 B. 4 C. ∞ D. 0 分析与提示：根据拉氏变换的终值定理)(lim )(lim )(0 s sF t f f s t →∞ →==∞。即有 41 4lim )(lim 20 =++=→∞ →s s s s t f s t 答案：B 题目：函数()t e t f at ωcos -=的拉氏变换L[f(t)]= 。 分析与提示：基本函数t ωcos 的拉氏变换为 2 2ω+s s ，由拉氏变换的平移性质可知 ()[]() 2 2 ω +++= a s a s t f L 。 答案：()2 2ω +++a s a s 题目：若()a s s F += 1 ，则()0f )=（）。 分析与提示：根据拉氏变换的初值定理)(lim )(lim )0(0 s sF t f f s t ∞ →→==。即有 111lim 1 lim )(lim )0(0 =+ =+==→→→s a a s s t f f s s t 答案：1 题目：函数()t t f =的拉氏变换L[f(t)]= 。 分析与提示：此为基本函数，拉氏变换为 2 1s 。
自动化仪表与过程控制课程大作业 1、（15分）如图所示为加热炉的两种控制方案。试分别画出（a ）、（b ）所示两种情况的方框图，说明其调节过程并比较这两种控制方案的特点。 2、（15分）如图所示为一液体储槽，需要对液位加以自动控制。为安全起见，储槽内液 体严格禁止滥出，试在下述两种情况下，分别确定调节阀的气开、气关型式及调节器的正、反作用。 （1）选择流入量Qi 为操纵变量； （2）选择流出量Q0为操纵变量。 （3）以上2种情况分别出其系统框图。 3、（20分）（用MATLAB 仿真实现）实验测得某液位过程的矩形脉冲响应数据如下： 矩形脉冲幅值△μ=20%阀门开度变化，脉冲宽度△t=20s ： （1）将该矩形脉冲响应曲线转化为阶跃响应曲线； （2）根据阶跃响应曲线确定该过程的数学模型及相关参数（如K 、T 和τ等），并根据这些参数整定PI 控制器的参数，用仿真结果验证之。 4、（25分）已知副被控对象的传递函数为模型为1 1 )(+= s s G ，主被控对象传函为1 121 )(01+= s s G ，执行器传递函数为1)(=s G v ，主检测变送器的传递函数为1)(1=s G m ，
副检测变送器的传递函数为1)(2=s G m 。干扰源为0.4的单位阶跃信号。 （1）画出串级控制系统的框图及同等条件下的单回路系统框图； （2）在Matlab 的Simulink 下完成上面的两个系统； （3）设定PID 调节器的参数，并画出相应的单回路及串级控制系统的单位阶跃响应曲线； 5、（25分）已知被控对象的传递函数为 1121 )(+= s s G ，干扰通道的传递函数为 521 )(2++= s s s D ，执行器传递函数为1)(=s G v ，检测变送器的传递函数为1)(1=s G m ， 干扰信号为0.4的单位阶跃信号。 （1）确定前馈控制器的传递函数Gff （s ），画出反馈-前馈控制系统的框图； （2）在Matlab 的Simulink 下完成上面的两个系统； （3）设定PID 调节器的参数，并画出相应的单位阶跃响应曲线 （4）加入干扰后，观察两系统的阶跃响应曲线的变化。 要求： 1、第1和第2题可以采用手写，其它3题要进行仿真设计，手写和打印均用A4纸； 2、严禁抄袭，发现雷同，一律不及格； 3、时间安排：12月10日下午4点前，以班级为单位收齐后交到东6B301，未位交的一律不准参加答辩。12月11日-12日在东6B301答辩，具体时间到时再通知，不参加答辩的按缺考处理。
自动控制元件 2．输入信号是电枢电压a u ，输出信号是电机转角θ。绘出直流电动机动态框图，标出)(s I a ， ),(),(s T s E em a 及扰动力矩)(s T c 。 3．绘出直流电动机电枢控制的调节特性和机械特性曲线，标出始动电压、理想空载转速和堵转转矩，标出电动机、发电机和反接制动状态。 4．直流电动机的主要优点和缺点是什么？ 优点：力矩大，控制容易。 缺点：有机械换向器，有火花，摩擦大，维护较复杂，价高，结构复杂。 5.电机铁心多用硅钢片叠压而成。采用片状材料的目的是什么？ 减小涡流损耗 6.性能优良的永磁直流力矩电动机现在一般采用什么永磁材料？ 钕铁硼 e t K K 、大，电枢扁平状。 7.与直流伺服电动机相比，直流力矩电动机的e K 、t K 有什么特点？电枢的几何形状有什么特点？ 二．（20分） 1.异步电动机等效电路图中s s r 1'2上的热损耗表示什么？
2.简述两相对称绕组产生椭圆形旋转磁场的条件。 3画出两相电机幅相控制时的电路图。 3．磁场) F- =ω表示什么磁场？为什么？ A sin(x t 4.绘出圆形旋转磁场时异 步电动机的两条典型机械 特性曲线（转子电阻大和小）。 5．推导两相伺服电动机传递函数) s s GΩ =,并说明其中的参数与静态特性曲线 ( U /) (s ( ) 的关系。
6．绘出三相异步电动机 从基频向下变频调速时 的机械特性。 7.异步电动机从基频向下变频调速时，若电压保持不变将产生什么现象？用公式说 明。 8．一台三相异步电动机空载转速是1450 r/min，电源频率50 Hz。这是几极电机？ 为什么？ 三、（7分） 1.简述永磁同步电机同步运行时的工作原理，画出必要的图形，写出电磁转矩公式。 2.写出磁阻同步电动机电磁转矩表达式并说明参数的含义。 3.哪种同步电动机不加鼠笼绕组就能 自行起动并具有较大的起动转矩？ （） 绘出它的机械特性曲线。
第一章纸质作业答案 一、调节阀的流量特性是指通过调节阀的流量与阀杆行程之间的关系。 调节阀的流量特性有线性型，等百分比型，快开型，抛物线型 调节阀流量特性选择的目的主要是从非线性补偿的角度来考虑，利用调节阀的非线性来补偿广义对象中其它环节的非线性，从而使整个广义对象的特性近似为线性。 二、简单控制系统是由一个被控对象、一个测量元件及变送器、一个控制器和一个执行器所构成的单闭环控制系统，也成为单回路控制系统。 简单控制系统的典型方块图为 三．按照已定的控制方案，确定使控制质量最好的控制器参数值。 经验凑试法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法 四、解： (1) 选择流出量 Q为操纵变量，控制阀安装在流出管线上， o 贮槽液位控制系统的控制流程图为 (2) 被控对象：液体贮槽
被控变量：贮槽液位 操纵变量：贮槽出口流量 主要扰动变量：贮槽进口流量 五、解： (1) 选择流入量 Q为操纵变量，控制阀安装在流入管线上， i 贮槽液位控制系统的控制流程图为 为了防止液体溢出，在控制阀气源突然中断时，控制阀应处于关闭状态，所以应选用气开形式控制阀，为“+”作为方向。 操纵变量即流入量 Q增加时，被控变量液位是上升的，故对象为“+”作用方向。由于 i 控制阀与被控对象都是“+”作用方向，为使控制系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用。 (2) 选择流出量 Q为操纵变量，控制阀安装在流出管线上， o 贮槽液位控制系统的控制流程图为
为了防止液体溢出，在控制阀气源突然中断时，控制阀应处于全开状态，所以应选用气关形式控制阀，为“-”作为方向。 操纵变量即流出量 Q增加时，被控变量液位是下降的，故对象为“-”作用方向。由于 o 控制阀与被控对象都是“-”作用方向，为使控制系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用。 六、（1）加入积分作用后，系统的稳定性变差，最大动态偏差增大、余差减小 加入适当的微分作用后，系统的稳定性编号，最大动态偏差减小，余差不变。 （2）为了得到相同的系统稳定性，加入积分作用后应增大比例度，加入微分作用后应适当的减小比例度。 第二章纸质作业答案 一．由两个控制器组成，分别接受来自被控对象不同部位的测量信号。一个控制器的输出作为下一个控制器的给定值，后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构来看，两个控制器是串级工作的，称为串级控制系统。 方框图如下 二．答： 前馈控制系统方块图
已知飞轮升降系统模型对象： G(s) = e?30s (10s+1)2= e?30s 100s2+20s+1 要求：根据下列方法进行PID整定，写出整定后的PID参数，并画阶跃响应曲线表示M p、t s、t p。 1.根据响应曲线法整定参数； 2.使用衰减曲线法整定参数； 3.使用临界比例度法整定参数； 4.使用smith预估器法整定参数。 将四种方法图像放在一张图中比较，并用表格比较动态特性参数。 解： 1.根据响应曲线法整定参数： τ=30s，T=10s，K=1 则PID调节器的整定参数值为： K c K= 1.35(τ T )?1+ 0.27 = 1.35×(30 10 )?1+ 0.27 = 0.72 T i T = [2.5（τ T ）+ 0.5(τ T )2]/[1 + 0.6（τ T ）] = [2.5×(30 10 )+0.5(30 10 )2]/[1+0.6(30 10 )] = 4.286 T d T = 0.37（τ T ）/[1 + 0.2（τ T ）] = 0.37×(30 10 ) /[1+0.2(30 10 )] = 0.6938 进而可以求得理论的PID参数为：K p=K c= 0.7200 K i= K p T i = 0.72 42.86 = 0.01680 K d= K p T d= 0.72×6.938 = 4.995 将理论PID参数带入MATLAB仿真框图：
显示结果： 可以看出，曲线超调量虽然很小，但过渡过程时间依然很长，则仍需继续调节PID参数。 当K p= 0.68；K i= 0.019；K d=7时 显示结果： 此时M p＜10%，t s较之前大大缩短，曲线效果好 2.使用衰减曲线法整定参数： 把调节器置成纯比例控制系统，用MATLAB进行试验，不断调节比例带，直
自动控制元件(第四版) 习题答案
部分习题答案，仅供参考！ 直流测速发电机 1.为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势? 答：电枢连续旋转，导体ab和cd轮流交替地切割N极和S 极下的磁力线，因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。 由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，如电刷A始终与处在N极下的导体相连接，而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，因而电刷两端得到的电势极性不变，为直流电势。 2. 如果图 2 - 1 中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和A、 B电刷的极性如何? 答：在图示瞬时，N极下导体ab中电势的方向由b指向a，S 极下导体cd中电势由d指向c。电刷A通过换向片与线圈的a端相接触，电刷B与线圈的d端相接触，故此时A电刷为正，B电刷为负。 当电枢转过180°以后，导体cd处于N极下，导体ab 处于S极下，这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相
反，于是线圈电势的方向也变为由a到d，此时d为正，a为负，仍然是A刷为正，B刷为负。 4. 为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给定值? 答：转速越高，负载电阻越小，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大，为了减少电枢反应对输出特性的影响，直流测速发电机的转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不能低于最小负载电阻值，以保证线性误差在限度的范围内。而且换向周期与转速成反比，电机转速越高，元件的换向周期越短；eL正比于单位时间内换向元件电流的变化量。基于上述分析，eL必正比转速的平方，即eL∝n2。同样可以证明ea∝n2。因此，换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比，使输出特性呈现非线性。所以，直流测速发电机的转速上限要受到延迟换向去磁效应的限制。为了改善线性度，采用限制转速的措施来削弱延迟换向去磁作用，即规定了最高工作转速。 第三章 1. 直流电动机的电磁转矩和电枢电流由什么决定? 答;直流电动机的电枢电流不仅取决于外加电压和本身的内阻，而且还取决于与转速成正比的反电势（当?=常数时）
自动化仪表与过程控制课程大作业 1、（15分）如图所示为加热炉的两种控制方案。试分别画出（a ）、（b ）所示两种情况的方框图，说明其调节过程并比较这两种控制方案的特点。 解：图A 为串级控制系统，主变量为加热炉出口温度T ，福变量为燃料油流量Q ，引入副变量Q 的目的是为了及时克服由于燃料油压力波动对主变量T 的影响，以提高主变量T 的控制质量。 图B 调节器TC 和FC 串级工作，但没有副回路，所以不是串级控制系统。如果FC 选为比例调节器，那么原油的流量变化仍能及时通过FC 来改变燃料油的流量，起到静态前馈作用，而TC 能根据被控量?的变化起到反馈作用。为前馈反馈控制系统，系统的被控变量时原油的出口温度T
两种控制系统的比较： （1）（1）串级控制包含一个主回路和一个副回路，改善了被控制过程的动态特性，增强了对一次和二次扰动的克服能力，提高了对回路参数变化的自适应能力。 （2）从前馈控制角度，由于增加了反馈控制，降低了对前馈控制模型的精度要求，并能对未选做前馈信号的干扰产生校正作用。从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，对主要干扰作了及时的粗调作用，大大减少对控制的负担。 2、（20分）（用MATLAB仿真实现）某液位控制系统，在控制阀开度增加10%后，液位的响应数据如下： t(s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 h(mm) 0 0.8 2.8 4.5 5.4 5.9 6.1 6.2 6.3 6.3 6.3 （3）如果用具有延迟的一阶惯性环节近似，确定其参数K,T，，并根据这些参数整定PI控制器的参数，用仿真结果验证之。 （4）解：（1）输入命令 （5）t=[0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100]; （6）h=[0 0.8 2.8 4.5 5.4 5.9 6.1 6.2 6.3 6.3 6.3]; （7）plot(t,h); （8）xlabel('时间t(s)'); （9）ylabel('液位h(mm)'); （10）grid on; （11）hold on; （12）[x,y]=ginput(1) （13）[x1,y1]=ginput(1) （14）gtext('tao=5.5326') （15）gtext('T=34.3')
自动控制元件 一．（20分） 1. 1台永磁直流力矩电机，反电势系数),rad/s V/( 2=e K 摩擦转矩m N 2.0?=f T ，转动惯量3104-?=J kg ?m 2，电感02.0=a L H 。连续堵转时电流A 51=I ，电压V 201=U 。 （1）求机电时间常数m τ，电磁时间常数e τ，连续堵转的电磁转矩1T 。 答案：33e 1410s 510s 10N m m T ττ--=?=?=?，， （2）电枢电压2U =25V ，求起动时的输出转矩20T 和此电压对应的空载转速20ω。 答案：202012.3N m 12.3rad/s T ω=?=， （3）电机转速rad/s 103=ω，电磁转矩m N 23?=T 时，求电枢电压3U 和输出 转矩30T 。 答案：33024V 1.8N m U T ==?， （4）写出该电机的传递函数)(/)(s U s a Ω。 答案： （4） 2()0.50.5()(0.041)(0.0051)0.000020.041 a s U s s s s s Ω=≈++++ 2．输入信号是电枢电压a u ，输出信号是电机转角θ。绘出直流电动机动态框图，标出)(s I a ，),(),(s T s E em a 及扰动力矩)(s T c 。 答案： 3．绘出直流电动机电枢控制的调节特性和机械特性曲线，标出始动电压、理想空载转速和堵转转矩，标出电动机、发电机和反接制动状态。 答案：
4．直流电动机的主要优点和缺点是什么？ . 优点：力矩大，控制容易。 缺点：有机械换向器，有火花，摩擦大，维护较复杂，价高，结构复杂。 5.电机铁心多用硅钢片叠压而成。采用片状材料的目的是什么？ 5.减小涡流损耗。 6.性能优良的永磁直流力矩电动机现在一般采用什么永磁材料？ 6.钕铁硼。 7.与直流伺服电动机相比，直流力矩电动机的e K 、t K 有什么特点？电枢的几何形状有什么特点？ 7.e t K K 、大，电枢扁平状。 二．（20分） 1.异步电动机等效电路图中s s r -1' 2上的热损耗表示什么？ 答案.电机一相绕组产生的机械功率。 2.简述两相对称绕组产生椭圆形旋转磁场的条件。 答案.两相电流相位差：090θ<< 两相电压相位差90o，幅值不等。 3画出两相电机幅相控制时的电路图。 4.绘出圆形旋转磁场时异步电 动机的两条典型机械特性曲线（转子电阻大和小）。 5．推导两相伺服电动机传递函数)(/)()(s U s s G Ω=,并说明其 中的参数与静态特性曲线的关系。 答案： d (,)d T J U T t ωωω==?，
网络教育学院《可编程控制器》大作业 题目：十字路口交通灯设计 学习中心：河北沧州黄骅奥鹏学习中心 层次：高中起点专科 专业：电力系统自动化技术 年级：2012年03 春/秋季 学号：121389128470 学生姓名：韩云龙
2013年9月份《可编程控制器》大作业具体要求： 1 作业内容 从以下五个题目中任选其一作答。 2 正文格式 作业正文内容统一采用宋体，字号为小四，字数在2000字以上。 3. 作业提交 学生需要以附件形式上交离线作业（附件的大小限制在10M以内），选择已完成的作业，点“上交”即可。如下图所示。 4. 截止时间 2013年9月3日。在此之前，学生可随时提交离线作业，如需修改，可直接上传新文件，平台会自动覆盖原有文件。 5. 注意事项 请同学独立完成作业，不准抄袭其他人或者请人代做，如有雷同作业，成绩以零分计！
题目五：十字路口交通灯控制设计 起动后，南北红灯亮并维持30s。在南北红灯亮的同时，东西绿灯也亮，东西绿灯亮25s 后闪亮，3s后熄灭，东西黄灯亮，黄灯亮2s后，东西红灯亮，与此同时，南北红灯灭，南北绿灯亮。南北绿灯亮25s后闪亮，3s后熄灭，南北黄灯亮，黄灯亮2s后，南北红灯亮，东西红灯灭，东西绿灯亮。依次循环。 十字路口交通灯控制示意图及时序图如下图所示。 设计要求：（1）首先对可编程序控制器（PLC）的产生与发展、主要性能指标、分 类、特点、功能与应用领域等进行简要介绍； （2）设计选用西门子S7－200 系列PLC，对其I/O口进行分配，并使用 STEP7-MicroWIN编程软件设计程序梯形图（梯形图截图后放到作 业中）；
第一章作业 1.1 常用的评价控制系统动态性能的单项性能指标有哪些？它与误差积分指标 各有何特点？ 答：(1)衰减率ψ、超调量σ、稳态误差e ss、调节时间t s、振荡频率ω；(2)单项指标用若干特征参数评价系统优劣，积分指标用误差积分综合评价系统优劣。 1.2 什么是对象的动态特性？为什么要研究对象的动态特性？ 答：(1)指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律；(2)实现生产过程自动化时，对象的动态特性可以为控制工程师设计出合理的控制系统满足要求提高主要依据。 1.3 通常描述对象动态特性的方法有哪些？ 答：微分方程或传递函数。 1.4 过程控制中被控对象动态特性有哪些特点？ 答：无振荡、稳定或中性稳定、有惯性或迟延、非线性但在工作点附近可线性化。 1.11 某水槽水位阶跃响应实验为： 其中阶跃扰动量Δμ=20%。 (1)画出水位的阶跃响应曲线；
(2)若该水位对象用一阶惯性环节近似，试确定其增益K和时间常数T。解：MATLAB编程如下： %作出标幺后的响应曲线 t=[ 0 10 20 40 60 80 100 150 200 300 400 ]; h=[ 0 9.5 18 33 45 55 63 78 86 95 98 ]; x=0:0.01:400; y=interp1(t,h,x,'spline'); %三次样条函数据己知的t、h插出x的值 yy=y/y(end); %输出标幺 plot(x,yy,'k'); xlabel('t/s'); ylabel('h/mm'); title('阶跃响应曲线','fontsize',10); grid; %找出最接近0.39和0.63的点 less1=find(yy<=0.39); more1=find(yy>=0.39); front1=less1(1,end);
第一章 1．试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。 开环控制系统具有一些特点，如系统结构比较简单、成本低、响应速度快、工作稳定，但是，当系统输出量有了误差无法自动调整。因此，如果系统的干扰因素和元件特性变化不大，或可预先估计其变化范围并可预先加以补偿时，采用开环控制系统具有一定的优越性，并能达到相当高的精度。 闭环控制系统的优点是，当系统的元件特性发生变化或出现干扰因素时，引起的输出量的误差可以自动的进行纠正，其控制精度较高。但由于控制系统中总有贮能元件存在，或在传动装置中存在摩擦、间隙等非线性因素的影响，如果参数选择不适当将会引起闭环控制系统振荡，甚至不能工作。因此，控制精度和稳定性之间的矛盾，必须通过合理选择系统参数来解决。另外，一般说来，闭环控制系统的结构复杂，相对于开环系统成本高。 2．试列举几个日常生活中的开环和闭环控制系统，并说明它们的工作原理。
3．图1-15所示是水箱液位控制系统。试说明其工作原理，找出输入量、输出量、扰动量及被控对象，并绘制出职能方框图。 图1-15 解： 图1-15所示是水箱液位控制系统，控制目的是保证液面高度不变。当出水截门打开时，水箱水位下降，通过浮子反馈实际液面高度，并与希望的液面高度比较，得出液面偏差，经过杠杆使阀门（锥塞）开大，液面上升；达到控制水位后，阀门关闭，从而保持液面高度不变。这是一个具有负反馈的闭环控制系统。 输入量（控制量）：希望的液面高度 输出量（被控制量）：实际液面高度 扰动量：流量的变化（出水截门打开导致的流量的变化） 被控对象：水箱
4. 图1-16所示是仓库大门垂直移动开闭的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。 解: 当合上开门开关时，电位器桥式测量电路产生偏差电压，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点刷上移，直到桥式测量电路达到平衡，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，带动绞盘使大门关闭。从而实现了远距离自动控制大门开闭的要求。 图1-16 题4图仓库大门垂直移动开闭的自动控制系统职能方框图
自动控制元件 部分课后题答案 第一章 直流伺服电动机 1-1直流伺服电动机的电磁转矩和控制电流由什么决定？ 答：a ：由T em =C m ΦI a 知电磁转矩由每极磁通量和绕组电流大小决定。 b ：由T em =T 0 +T 2 =CmΦIa 控制电流由负载转矩(T 2)和空载转矩(T 0)大小 决定。 1-2当直流伺服电动机的负载转矩恒定不变时，控制电压升高将使稳态的电磁转矩、控制电流、转速发生怎样的变化？为什么？ 答：a ：电磁转矩T em =T 0 +T 2可见电磁转矩也不变。由T em =C m ΦI a 知控制电流 I a 也不变 b ：KeKt RaTem Ke Ua n -=知T em 不变可见U a 转速升高理想空载转速变大导致转速n 升高。 1-3已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V ，额定运行时电枢电流Ia=0.4A ，转速n=3600rpm ，它的电枢电阻Ra=50欧姆，负载阻转矩To=15mN.m 。试问该电动机额定负载转矩是多少？ 答：Ea= Ua- IaRa=110-0.4×50=90V Ea=Ce Φn, Ce=0.105Cm Cm Φ=0.2383600 0.10590n 105.0=?=?Ea T em =T 0 +T 2=CmΦIa→T 2=CmΦIa -T 0 =0.40.238=0.0952-15×10-3=80.2mN.m 1-6当直流伺服电动机电枢电压、励磁电压不变时，如将负载转矩减少，试问此时电动机的电枢电流、电磁转矩、转速将怎样变化？并说明由原来的状态到新的稳态的物理过程。 答：磁转矩T em =T 0 +T 2可见T 2 ↓电磁转矩也↓。由T em =C m ΦI a 知控制电流I a ↓
浙江大学远程教育学院 《自动控制元件》课程作业 姓名： 陈阳阳 学 号： 712030202013 年级： 12秋电气工程及其自动化 学习中心： 合肥学习中心 第一章 直流伺服电动机 1-1直流伺服电动机的电磁转矩和控制电流由什么决定？ 答：1. 由T em =C m ΦI a 可知电磁转矩由每极磁通量和绕组电流大小决定。 2. 由T em =T 0 +T 2 =CmΦIa 控制电流由负载转矩(T 2)和空载转矩(T 0)决定。 1-2当直流伺服电动机的负载转矩恒定不变时，控制电压升高将使稳态的电磁转矩、控制电流、转速发生怎样的变化？为什么？ 答：1. 电磁转矩T em =T 0 +T 2可见电磁转矩不变; 由T em =C m ΦI a 知控制电流I a 也不变; 2. KeKt RaTem Ke Ua n -=可见U a 升高使得理想空载转速变大导致转速n 升高。 1-3已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V ，额定运行时电枢电流Ia=0.4A ，转速n=3600rpm ，它的电枢电阻Ra=50欧姆，负载阻转矩To=15mN.m 。试问该电动机额定负载转矩是多少？ 答：Ea= Ua- IaRa=110-0.4×50=90V Ea=Ce Φn, Ce=0.105Cm 所以Cm Φ=90/0.105/3600= 0.238; T em =T 0 +T 2=CmΦIa , 所以T 2=CmΦIa -T 0 =0.4*0.238 – 15*10-3=0.0952-15×10-3=80.2mN.m 1-6当直流伺服电动机电枢电压、励磁电压不变时，如将负载转矩减少，试问此时电动机的电枢电流、电磁转矩、转速将怎样变化？并说明由原来的状态到新的稳态的物理过程。 答：电磁转矩T em =T 0 +T 2可见T 2 ↓电磁转矩也↓; 由T em =C m ΦI a 知控制电流I a ↓;