自动控制原理第一章 自动控制的一般概念

第1章自动控制的一般概念例1-1一个液位控制系统的原理图如图1.4所以。

试画出该控制系统的原理方框图，简要说明它的工作原理，并指出该控制系统的输入量，输出量及扰动量。

答：本题考查液位控制系统。

当系统的工作原理为：浮标位置对应于电位计上一点，该点电压与设定液位对应的电压进行比较，如果没有达到设定的液位，将产生偏差电压，功率放大后驱动直流电动机转动，调节输入液流的阀门，改变进入水池的水流量，当输出液流发生改变，液面发生变化时，重复上述过程，使液面保持在给定高度。

该系统的输入量为给定液位，输出量为实际水位，扰动量为输出液流量，系统原理方框图如图1.5习题：1、什么是反馈控制原理？反馈控制系统的主要特点是什么？2、试比较闭环系统与开环系统的优缺点。

3、水箱液位控制系统如图1.9所示。

运行中无论用水流量如何变化（由开关12操纵），希望水面高度（液位）H保持不变。

（1）简述工作原理。

（2）画出系统的原理方块图，并指明被控对象、被控量、给定值和干扰。

4、图1.13为水温控制示意图。

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是什么？第2章 控制系统的数学模型例2-1如图2.1所示的RLC 电路，试建立以电容上电压u c (t)为输出变量，输入电压u i (t)为输入 量的运动方程。

图2.1 答：由基尔霍夫定律得：消去中间变量，则有 例2-2图2.2所示是弹簧—质量—阻尼器机械位移系统。

试列写质量m 在外力F （t ） 作用下，位移x(t)的运动方程。

答：ƒ—阻尼系数；k —弹性系数。

根据牛顿第二定律i (t )R +ldi(t)dt+u c (t )=u i (t) u c (t )=1C ∫i (t )dt ，即i (t )=C du c (t)dtLC d 2u c (t)dt 2+RC du c (t)dt+u c (t )=u i (t)c )U r (s )。

第一章：自动控制的一般概念1.1学习指导1.1.1、课程内容（1）自动控制理论发展概况；（2）自动控制的基本概念与方式；（3）自动控制系统分类；（4）对自动控制系统的基本要求；（5）自动控制系统组成和方框图。

本章是本课程的入门章节，通过学习应理解自动控制的基本概念和分类，控制系统组成和方框图，会根据实际控制系统绘制系统方框图。

1.1.2内容概述1、自动控制的基本概念自动控制：在没人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律或数值运行。

自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进行自动控制系统。

一般由控制器(含测量元件)和控制对象组成。

2、两种基本控制方式1)开环控制方式控制装置与被控对象之间只有顺向作用没有反向联系。

2）闭环控制方式：把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制。

3、闭环系统的基本组成（1）给定元件设定被控量的给定值；（2）测量元件对系统被控量(输出置)进行测量；（3）比较元件对系统输出量与输入量进行代数运算并给出偏差信号，起综合、比较变换作用。

（4）放大元件对微弱的偏差信号进行放大，使其有足够的幅但与功率5）执行元件根据放大后的偏差信号，对被控对象执行控制任务，使输出量与希望值起子一致。

（6）被控对象指自动控制系统需要进行控制的机器、设备或生产过程。

被控对象要求实现自动控制的物理量称为被控量或输出量。

（7）校正元件用以改善系统性能4、自动控制系统的分类1）按系统性能分类：（1）线性系统：满足叠加性和齐次性。

（2）非线性系统：不满足叠加性和齐次性。

2）按信号类型分类：（1）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。

（2）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。

3）按给定信号分类（1）恒值控制系统给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。

（2）随动控制系统给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。

第一章 自动控制的一般概念习题与答案1-1 根据题1-15图所示的电动机速度控制系统工作原理图，完成：(1) 将a ，b 与c ，d 用线连接成负反应状态；(2) 画出系统方框图。

解 〔1〕负反应连接方式为：d a ↔，c b ↔；〔2〕系统方框图如图解1-1 所示。

1-2 题1-16图是仓库大门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，并画出系统方框图。

图1-16 仓库大门自动开闭控制系统解 当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。

与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。

反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。

系统方框图如图解1-2所示。

1-3 图1-17为工业炉温自动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、被控量和给定量，画出系统方框图。

图1-17 炉温自动控制系统原理图解 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c u 的平方成正比，c u 增高，炉温就上升，c u 的上下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f u 。

f u 作为系统的反应电压与给定电压r u 进展比拟，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。

在正常情况下，炉温等于某个期望值T °C ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压r u 。

此时，0=-=f r e u u u ，故01==a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个适宜的位置上，使c u 保持一定的数值。

这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。

第一章自动控制的一般概念1.1 引言自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。

自动控制理论的任务是研究自动控制系统中变量的运动规律以及改变这种运动规律的可能性和途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论根据。

1.2 自动控制和自动控制系统的基本概念1.2.1自动控制问题的提出在许多工业生产过程或生产设备运行中，往往需要对某些物理量(如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制，使其尽量维持在某个数值附近，或使其按一定规律变化。

如图1-l所示是锅炉给水人工控制示意图。

人工调节是一个“检测偏差、纠正偏差”的过程。

可以用一整套自动控制仪表(自动调节器)来代替操作人员的作用。

图1-2所示是锅炉给水汽包水位自动控制示意图。

图1-2 汽包锅炉给水自动调节示意图1—过热器；2—汽包；3—省煤器；4—给水凋节阀；5—水位计任何一个控制系统，都包含着被控对象和控制器两个组成部分。

1.2.2 开环控制系统常见的控制方式有三种：开环控制、闭环控制和复合控制。

系统的控制输入不受输出影响的控制系统称为开环控制系统。

图1-3所示的烘箱温度控制系统是一个开环控制系统。

烘箱是被控对象，烘箱的温度是被控量，也称为系统输出量。

开关设定位置为系统的给定量或输入量，电阻及加热元件可看成是调压器（控制器）。

该系统中只有输入量对输出量的单向控制作用，输出量对输入量没有任何影响和联系。

烘箱温度开环控制系统可用图1-4所示的方框图表示。

1.2.3 闭环控制系统在图1-3所示的烘箱温度开环控制系统中，加入一些装置，构成了如图1-5所示的烘箱温度闭环控制系统。

系统中，烘箱是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压r u (表征烘箱温度的希望值)。

系统方框图如图1-6所示。

通常，把从系统输入量到输出量之间的通道称为前向通道；从输出量到反馈信号之间的通道称为反馈通道。