自动控制元件及线路课后题答案

1 请解释下列名字术语：自动控制系统、受控对象、扰动、给定值、参考输入、反馈。

解：自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，由控制装置与被控对象组成；受控对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程扰动：扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。

如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。

外扰是系统的输入量。

给定值：受控对象的物理量在控制系统中应保持的期望值参考输入即为给定值。

反馈：将系统的输出量馈送到参考输入端，并与参考输入进行比较的过程。

2 请说明自动控制系统的基本组成部分。

解：作为一个完整的控制系统，应该由如下几个部分组成：①被控对象：所谓被控对象就是整个控制系统的控制对象；②执行部件：根据所接收到的相关信号，使得被控对象产生相应的动作；常用的执行元件有阀、电动机、液压马达等。

③给定元件：给定元件的职能就是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参考量）；④比较元件：把测量元件检测到的被控量的实际值与给定元件给出的参考值进行比较，求出它们之间的偏差。

常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。

⑤测量反馈元件：该元部件的职能就是测量被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般需要将其转换成为电量。

常用的测量元部件有测速发电机、热电偶、各种传感器等；⑥放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。

如电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大器和功率放大级加以放大。

⑦校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，用以改善系统的性能。

常用的校正元件有电阻、电容组成的无源或有源网络，它们与原系统串联或与原系统构成一个内反馈系统。

3 请说出什么是反馈控制系统，开环控制系统和闭环控制系统各有什么优缺点？解：反馈控制系统即闭环控制系统，在一个控制系统，将系统的输出量通过某测量机构对其进行实时测量，并将该测量值与输入量进行比较，形成一个反馈通道，从而形成一个封闭的控制系统；开环系统优点：结构简单，缺点：控制的精度较差；闭环控制系统优点：控制精度高，缺点：结构复杂、设计分析麻烦，制造成本高。

自动控制元件及线路试题及答案一．（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)0.000020.041a 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。

(西安电子科技大学出版社)习题2-1试列写题2-1图所示各无源网络的微分方程.M 0= 2.39VJ 11= 2.19X 10∙A ,试求在工作点(w 0, i 0｝附近方=/(〃，的 规性化方程。

2-7设晶网管三相桥式全控整漉电路的怆入房为控制角α,输出r 为空战整流电压口,它们之间的 关系为 式中,U ⑷是整流电压的理想空竣(«•试推导其线性化方程式.2-8 ∙系统由如下方程祖组成，其中Xr(S)为输入，XKS)为输出，试绘制系统构造图，并求出闭 环传递函数。

2-9系统的微分方程组如下其中r 、K l . K- K 、、/、K 、、T 均为正常数，试建设系统构造图，并求系统的传递函数C(S)/R(s).图2-2图有双M 冷 ⑵(W <»U.之间的关系为i* =l0P(e""∕0.026-l),假设系统工作点在 2-6如题2∙6图所示电路，.极耳啦J4非钻盛曲F ，其电流L 和电压2-10试化简即2-10图所示的系统构造图.并求传递函数C(S)11R(S), K(S) C(S)/ C(S) R(S) 筑书规图所材 Gl C(S) G,卡G 5佛与函数 国S) C(S) G) 5 “七； Hl 弟统 £(S) M(S)2-16零初 设某 2-17 g (t) = 7-5e 6f . 咫2∙ 15图求系统 的传速函数, 始条件下的输出响试求该系统的传递 2-18系统的 W'> I 控制系统构造t f 1*1 2-16 W 系统构造图 R(S) ΛU) 2-15 E(S) C (Λ I I - L_rτ∏J ∙13图 系统G:" r ,(5) E(S)凤 F) R ⑸M ⑸松) ⅛4和脉冲响应函数, 单位脉冲响应为。

自动控制元件及线路试题及答案 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。 四、（11 分） 1. 步进电动机转角的大小取决于控制脉冲的（），转速大小取决于控制脉冲的（）。 控制脉冲频率增高，步进电机的负载能力下降，主要原因是： 2.磁阻式步进电动机有A、B、C、D四相。绘出A和B极下，当A通电，B通电，和AB通电时，定子、转子齿的相对位置。 3.磁阻式步进电动机小失调角时的传递函数（输出是转角θ）是： 4.两相混合式步进电动机，产品说明书给出步距角为1.8°，若采用8细分驱动电路，步距角是（）。 5.从用户使用角度看，在位置伺服系统中，全数字交流伺服系统与直流伺服电动机有什 么不同之处？ 6.目前批量生产的无刷直流电动机(交流伺服电动机)常用的位置传感器有哪两类？ 五、（20分） 1.画图解释传感器的重复性误差。 2.旋转变压器如右图。完成原边补偿和 副边补偿的连线。 电压有效值= U R 13 感应同步器鉴相型信号处理方式中， 输出电压= e。 2 3.画出直流测速发电机理想输出 电压与实际输出电压曲线，并在 图中说明误差产生的原因。 4.光电增量码盘每转产生1000个脉冲，分辩率为。 增量码盘为什么用两个光电转换器而不是一个？ 增量码盘为什么要寻零？怎样寻零？ 5.画出采用电位器测量正、负 位移的线路图。 6.螺杆型差动变压器用来。 输出电压表达式是。 7.热敏电阻传感器是根据（材料）电阻与温度之间的关系制成的。它的主要优点是什么？ 输出时的输入电压如图。设电流连续。

自动控制理论课后题答案及试题自动控制理论课后题是学习过程中的重要环节，通过解答这些问题可以加深对课程内容的理解和掌握。

以下是一些自动控制理论课后题的答案及试题含答案，供参考。

1.什么是自动控制系统？它的基本组成部分有哪些？答案：自动控制系统是指通过传感器、执行器和控制器等组件，对被控对象进行监测、测量和控制的系统。

它的基本组成部分包括输入信号、传感器、控制器、执行器和被控对象。

试题：简述自动控制系统的基本组成部分，并说明各组成部分的作用。

答案：自动控制系统的基本组成部分包括输入信号、传感器、控制器、执行器和被控对象。

输入信号是指控制系统中的目标信号，通过传感器将其转化为电信号输入到控制器中。

传感器是用于测量被控对象状态的装置，将测量结果转化为电信号输入到控制器中。

控制器根据输入信号和传感器信号进行比较和计算，生成控制信号输出到执行器中。

执行器将控制信号转化为相应的控制动作，作用于被控对象。

2.什么是反馈控制？它的优点是什么？答案：反馈控制是指通过将被控对象的状态信息反馈给控制器，根据反馈信息进行控制调节的方法。

它的优点是能够实时监测被控对象的状态，并根据反馈信息进行调节，使系统更加稳定、精确和可靠。

试题：简述反馈控制的原理，并说明其优点。

答案：反馈控制的原理是将被控对象的状态信息反馈给控制器，控制器根据反馈信息进行比较和计算，生成相应的控制信号输出到执行器中，实现对被控对象的调节。

反馈控制的优点是能够实时监测被控对象的状态，根据反馈信息进行调节，使系统更加稳定、精确和可靠。

通过反馈控制，可以减小系统对参数变化和外界干扰的敏感度，提高系统的鲁棒性和韧性。

3.什么是开环控制？它的特点是什么？答案：开环控制是指在控制过程中，不考虑被控对象的状态信息和外界干扰，只根据输入信号进行控制的方法。

它的特点是控制过程简单，但对参数变化和外界干扰敏感，容易产生稳定性和精度问题。

试题：简述开环控制的原理，并说明其特点。

第一章绪论1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优弊端.解答： 1 开环系统(1)长处 :构造简单，成本低，工作稳固。

用于系统输入信号及扰动作用能早先知道时，可获得满意的成效。

(2)弊端：不可以自动调理被控量的偏差。

所以系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。

2闭环系统⑴长处：不论因为扰乱或因为系统自己构造参数变化所惹起的被控量偏离给定值，都会产生控制作用去消除此偏差，所以控制精度较高。

它是一种按偏差调理的控制系统。

在实质中应用宽泛。

⑵弊端：主要弊端是被控量可能出现颠簸，严重时系统没法工作。

1-2什么叫反应？为何闭环控制系统常采纳负反应？试举例说明之。

解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反应。

闭环控制系统常采纳负反应。

由1-1 中的描绘的闭环系统的长处所证明。

比如，一个温度控制系统经过热电阻（或热电偶）检测出目前炉子的温度，再与温度值对比较，去控制加热系统，以达到设定值。

1-3试判断以下微分方程所描绘的系统属于何种种类（线性，非线性，定常，时变）？2 d 2 y(t)3 dy(t ) 4y(t ) 5 du (t ) 6u(t )（1）dt 2 dt dt（2） y(t ) 2 u(t)（3）t dy(t) 2 y(t) 4 du(t) u(t ) dt dtdy (t )u(t )sin t2 y(t )（4）dtd 2 y(t)y(t )dy (t ) （5）dt 2 2 y(t ) 3u(t )dt（6）dy (t ) y 2 (t) 2u(t ) dty(t ) 2u(t ) 3du (t )5 u(t) dt（7）dt解答： （1）线性定常（2）非线性定常 （3）线性时变（4）线性时变（5）非线性定常（6）非线性定常（7）线性定常1-4 如图 1-4 是水位自动控制系统的表示图， 图中 Q1，Q2 分别为进水流量和出水流量。

控制的目的是保持水位为必定的高度。

习题参考答案第一章习题1－1由负载总转矩决定习题1－2稳态电磁转矩、控制电流（电枢电流）不变；转速升高。

习题1－380.5 mN ·m习题1－6电枢电流减少；电磁转矩减少；转速升高。

第二章习题2－4空载输出电压 53 V ；输出电流 0.01667 A第三章习题3－82－2通电，步距角 1.5º；2－3通电，步距角 0.75º习题3－10步距角 1.8º/0.9º单双八拍运行时，起动转矩为 0.1N ·m ；步距角 0.9º双四拍运行时，起动转矩为 0.1N ·m ；步距角 1.8º单四拍运行时，起动转矩为 0.0707N ·m ；步距角 1.8º第四章习题4－6cos sin sin s c x y s x y U U U U U U co θθθθ=+=-+习题4－8（1）21θθ= （2）5γ=-，负号表示逆时针。

第五章习题5－421θθθ=-，若21θθ-大于0，顺时针转；21θθ-小于0，逆时针转； 21θθ-等于0，不转。

习题5－6（1） 逆时针方向；（2） 逆时针方向转过20°；（3） 不做（4） －20°（逆时针）习题5－70124.44sin()E fW θθ=Φ⋅-f 为激磁电源交变频率；W 为自整角变压器输出绕组有效匝数；Φ为自整角变压器的主磁通。

第六章习题6－8幅值控制、相位控制、幅相（复合）控制。

习题6－13控制信号（电压）消失时，伺服电动机不能停转，这种现象称为自转现象。

见书中图6－28实线所示机械特性。

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 ：KeKtRaTem 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=90VEa=CeΦn,Ce=0.105Cm CmΦ=0.23836000.10590n 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 。

第一章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 en =G ①I 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 二T °+T 2=Cn ①Ia 控制电流由负载转矩(T 2)和空载转矩(T 。

)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 o +T 2可见电磁转矩也不变。

由T en =Cn 0I a 知控制电流I a 也不变b ：门Ua "丁呦知T em 不变可见U a 转速升高理想空载转速变大导致转Ke KeKt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la=0.4A ，转速n=3600rpm,它的电枢电阻Ra=50欧姆，负载阻转矩To=。

试问该电动机额定负载转矩是多少？ 答：Ea= Ua- IaRa=x 50=90VT em =T 0 +T>Cn ①Ia —T 2=Cm> Ia -T o 二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 J 电磁转矩也J 。

由T em =Cn ①I a 知控制电流I a JEa= Ua- IaRa 可见 I a ；知 Eat ，由 Ea=C d n 知 Eat 知 n T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=3000Q ，电枢电阻 Ra=180Q ，转速n=3000rpm 求该转速下的空载输出电压 Uo 和输出电流Ia 。

50直流伺服电动机Ea=Ce& n, Ce=0.105Cm Cm ①二Ea 0.10590 0.2380.105 3600Ea = Ua IaRa Ia= -5^=0.0167A Ea=50300050Ea =50+」^ x 180=53 空载Uo=Ea =533000第三章 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。

第 一 章1-1 图1-2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c 维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。

图1-2 液位自动控制系统解：被控对象：水箱；被控量：水箱的实际水位；给定量电位器设定水位r u （表征液位的希望值r c ）；比较元件：电位器；执行元件：电动机；控制任务：保持水箱液位高度不变。

工作原理：当电位电刷位于中点（对应r u ）时，电动机静止不动，控制阀门有一定的开度，流入水量与流出水量相等，从而使液面保持给定高度r c ，一旦流入水量或流出水量发生变化时，液面高度就会偏离给定高度r c。

当液面升高时，浮子也相应升高，通过杠杆作用，使电位器电刷由中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机，通过减速器带动进水阀门向减小开度的方向转动，从而减少流入的水量，使液面逐渐降低，浮子位置也相应下降，直到电位器电刷回到中点位置，电动机的控制电压为零，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度r c。

反之，若液面降低，则通过自动控制作用，增大进水阀门开度，加大流入水量，使液面升高到给定高度r c。

系统方块图如图所示：1-10 下列各式是描述系统的微分方程，其中c(t)为输出量，r (t)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）222)()(5)(dt t r d tt r t c ++=；（２）)()(8)(6)(3)(2233t r t c dt t dc dt t c d dt t c d =+++；（３）dt t dr t r t c dt t dc t )(3)()()(+=+； （４）5cos )()(+=t t r t c ω；（５）⎰∞-++=t d r dt t dr t r t c ττ)(5)(6)(3)(；（６）)()(2t r t c =；（７）⎪⎩⎪⎨⎧≥<=.6),(6,0)(t t r t t c解：（1）因为c(t)的表达式中包含变量的二次项2()r t ，所以该系统为非线性系统。