自动控制原理习题1(含答案)
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《自动控制原理》试题及答案
1、若某串联校正装置的传递函数为(10s+1)/(100s+1),则该校正装置属于(B )。
3分
2、在对控制系统稳态精度无明确要求时,为提高系统的稳定性,最方便的是(A)3分
3、在系统中串联PD调节器,以下那一种说法是错误的(D)3分
A
B
C
D
4
5、I
6
7、
8
9、
10、
11、若某最小相位系统的相角裕度γ>0,则下列说法正确的是( )。
2分
12、某环节的传递函数是G(s)=5s+3+2/s,则该环节可看成由(D )环节组成。
2分
13、主导极点的特点是(A )2分
14、设积分环节的传递函数为G(s)=K/s,则其频率特性幅值A(ω)=()2分
15、某环节的传递函数为K/(Ts+1),它的对数幅频率特性随K值增加而()2分
16、某系统的传递函数是G(s)=1/(2s+1),则该可看成由(C )环节串联而成2分
17、若系统的开环传递函数在s右半平面上没有零点和极点,则该系统称作(B)2分
18、
19、
20、
21、
22、
23、
24、
25、
26、若系统增加合适的开环零点,则下列说法不正确的是(B ) 2分
27、当二阶系统的根分布在根平面的虚轴上时,系统的阻尼比为(B)3分
28、控制系统的稳态误差ess反映了系统的(A)2分
29、当二阶系统特征方程的根为具有负实部的复数根时,系统的阻尼比为(C)3分
30、二阶系统当0<ζ<1时,如果增加ζ,则输出响应的最大超调量将(B)3分。
《自动控制原理》习题解答郑州轻工业学院电气信息工程学院第一章习题及答案1-1 根据题1-1图所示的电动机速度控制系统工作原理图(1) 将a ,b 与c ,d 用线连接成负反馈状态;(2) 画出系统方框图。
解 (1)负反馈连接方式为:d a ↔,c b ↔;(2)系统方框图如图解1-1 所示。
1-2 题1-2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。
题1-2图 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 题1-3图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。
题1-3图 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f u 。
f u 作为系统的反馈电压与给定电压r u 进行比较,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合适的位置上,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。
自动控制原理习题一、(20分) 试用结构图等效化简求下图所示系统得传递函数)()(s R s C 。
解:所以:32132213211)()(G G G G G G G G G G s R s C +++= 二.(10分)已知系统特征方程为06363234=++++s s s s ,判断该系统得稳定性,若闭环系统不稳定,指出在s 平面右半部得极点个数。
(要有劳斯计算表)解:劳斯计算表首列系数变号2次,S 平面右半部有2个闭环极点,系统不稳定。
66.06503366101234s s s s s -三.(20分)如图所示得单位反馈随动系统,K=16s -1,T=0、25s,试求:(1)特征参数n ωξ,; (2)计算σ%与t s ;(3)若要求σ%=16%,当T 不变时K 应当取何值? 解:(1)求出系统得闭环传递函数为:TK s T s T K Ks Ts K s /1/)(22++=++=Φ因此有:25.0212/1),(825.0161======-KT T s T K n n ωζω(2) %44%100e %2-1-=⨯=ζζπσ%)2)((2825.044=∆=⨯=≈s t n s ζω(3)为了使σ%=16%,由式%16%100e %2-1-=⨯=ζζπσ可得5.0=ζ,当T 不变时,有:)(425.04)(425.05.021212/11221--=⨯===⨯⨯===s T K s T T n n ωζζω四.(15分)已知系统如下图所示,1.画出系统根轨迹(关键点要标明)。
2.求使系统稳定得K 值范围,及临界状态下得振荡频率。
解① 3n =,1,2,30P =,1,22,1m Z j ==-±,1n m -= ②渐进线1条π ③入射角1ϕ()18013513513590360135135=︒+︒+︒+︒-︒=︒+︒=︒同理 2ϕ2135sr α=-︒④与虚轴交点,特方 32220s Ks Ks +++=,ωj s =代入222K K-0=1K ⇒=,2s = 所以当1K >时系统稳定,临界状态下得震荡频率为2ω=X rX cKS 3S 2+2S +2-2.5-2-1.5-1-0.500.5-2-1012Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s五.(20分)某最小相角系统得开环对数幅频特性如下图所示。
《自动控制原理》习题解答西北工业大学自动化学院第一章习题及答案1-1 根据题1-1图所示的电动机速度控制系统工作原理图 (1) 将a ,b 与c ,d 用线连接成负反馈状态;(2) 画出系统方框图。
解 (1)负反馈连接方式为:d a ↔,c b ↔;(2)系统方框图如图解1-1 所示。
1-2 题1-2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。
题1-2图 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 题1-3图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。
题1-3图 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f u 。
f u 作为系统的反馈电压与给定电压r u 进行比较,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合适的位置上,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。
一、简答题1. 被控对象、被控量、干扰各是什么?答:对象:需进行控制的设备或装置的工作进程。
被控量:被控对此昂输出需按控制要求变化的物理量。
干扰:对生产过程产生扰动,使被控量偏离给定值的变量。
2. 按给定信号分类,控制系统可分为哪些类型?答:恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
3. 什么是系统的静态?答:被控量不随时间改变的平衡状态。
4. 什么是系统的动态?答:被控量随时间变化的不平衡状态。
5. 什么是系统的静态特性?答:系统再平衡状态下输出信号与输入信号的关系。
6. 什么是系统的动态特性?答:以时间为自变量,动态系统中各变量变化的大小、趋势以及相互依赖的关系。
7. 控制系统分析中,常用的输入信号有哪些?答:阶跃、斜坡、抛物线、脉冲。
8. (3次)传递函数是如何定义的?答:线性定常系统在零初始条件下输出响应量的拉氏变换与输入激励量的拉氏变换之比。
9. 系统稳定的基本条件是什么?答:系统的所有特征根必须具有负的实部的实部小于零。
10. 以过渡过程形式表示的质量指标有哪些?答:峰值时间t p 、超调量δ%、衰减比n d 、调节时间t s 、稳态误差e ss 。
11. 简述典型输入信号的选用原因。
答:①易于产生;②方便利用线性叠加原理;③形式简单。
12. 什么是系统的数学模型?答:系统的输出参数对输入参数的响应的数学表达式。
13. 信号流图中,支路、闭通路各是什么?答:支路:连接两节点的定向线段,其中的箭头表示信号的传送方向。
闭通路:通路的终点就是通路的起点,且与其他节点相交不多于一次。
14. 误差性能指标有哪些?答:IAE ,ITAE ,ISE ,ITSE二、填空题1. 反馈系统又称偏差控制,起控制作用是通过给定值与反馈量的差值进行的。
2. 复合控制有两种基本形式,即按参考输入的前馈复合控制和按扰动输入的前馈复合控制。
3. 某系统的单位脉冲响应为g(t)=10e -0.2t +5e -0.5t ,则该系统的传递函数G(s)为ss s s 5.052.010+++。
一、填空题〔每空 1 分,共15分〕1、反响控制又称偏差控制,其控制作用是通过给定值与反响量的差值进展的。
2、复合控制有两种根本形式:即按输入的前馈复合控制和按扰动的前馈复合控制。
3、两个传递函数分别为G 1(s)与G 2(s)的环节,以并联方式连接,其等效传递函数为()G s ,则G(s)为G1(s)+G2(s)〔用G 1(s)与G 2(s)表示〕。
4、典型二阶系统极点分布如图1所示,则无阻尼自然频率=nω,阻尼比=ξ,0.7072= 该系统的特征方程为2220s s ++=,该系统的单位阶跃响应曲线为衰减振荡。
5、假设*系统的单位脉冲响应为0.20.5()105t t g t e e --=+,则该系统的传递函数G(s)为1050.20.5s s s s+++。
6、根轨迹起始于开环极点,终止于开环零点。
7、设*最小相位系统的相频特性为101()()90()tg tg T ϕωτωω--=--,则该系统的开环传递函数为(1)(1)K s s Ts τ++。
8、PI 控制器的输入-输出关系的时域表达式是1()[()()]p u t K e t e t dt T =+⎰, 其相应的传递函数为1[1]p K Ts +,由于积分环节的引入,可以改善系统的稳态性能。
1、在水箱水温控制系统中,受控对象为水箱,被控量为水温。
2、自动控制系统有两种根本控制方式,当控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时,称为开环控制系统;当控制装置与受控对象之间不但有顺向作用而且还有反向联系时,称为闭环控制系统;含有测速发电机的电动机速度控制系统,属于闭环控制系统。
3、稳定是对控制系统最根本的要求,假设一个控制系统的响应曲线为衰减振荡,则该系统稳定。
判断一个闭环线性控制系统是否稳定,在时域分析中采用劳斯判据;在频域分析中采用奈奎斯特判据。
4、传递函数是指在零初始条件下、线性定常控制系统的输出拉氏变换与输入拉氏变换之比。
参考答案第一章1.这里给出一些常见的控制系统框图。
开环控制的有:水泵抽水控制系统(图1-1);家用窗帘自动控制系统(图1-2);宾馆自动门控制系统(图1-3);楼道自动声控灯装置(图1-4);游泳池定时注水控制系统(图1-5)。
图1-1 水泵抽水控制系统图1-2 家用窗帘自动控制系统图1-3 宾馆自动门控制系统图1-4 楼道自动声控灯装置图1-5游泳池定时注水控制系统闭环控制系统的有:家用压力锅(图1-6);投篮过程(图1-7);供水水箱的水位自动控制系统(图1-8);加热炉的温度自动控制系统(图1-9);抽水马桶的图1-6 家用压力锅的控制图1-7 投篮过程图1-8 供水水箱的水位自动控制系统图1-9 加热炉的温度自动控制系统图1-10抽水马桶的自动控制系统2.教学过程为一个人工闭环自动控制系统。
当学生的实际水平与教学大纲要求一致时,通过作业、答疑等环节反映出来,系统偏差为零,教师只需按正常方式授课即可;当学生的实际水平与教学大纲要求不一致时,通过作业、答疑等环节反映出来,系统存在一定偏差,教师需要调整教学方式,直至消除偏差,使学生的实际水平与教学大纲要求达到一致。
3.本题直流稳压电源的基准是稳压管的电压,输出电压通过3R和4R分压后与稳压管的电压wU比较,如果输出电压偏高,则经3R和4R分压后电压也偏高,使与之相连的晶体管基极电流增大,集电极电流随之增大,降在c R两端的电压也相应增加,于是输出电压相应减小。
反之,如果输出电压偏低,则通过类似的过程使输出电压增大,以达到稳压的作用。
对于本题,可画出方框图如图1-11所示。
图1-11晶体管稳压电源方框图该直流稳压电源为反馈控制。
实际输出电压2U 由3R 和4R 组成的分压器检测出来,与给定值W U 进行比较,产生的偏差电压1V 进行放大,作用于2V ,由2V 对输出电压进行调整。
这里的偏差电压仅随2U 变化,由1V 反相放大后产生c U ,这是系统的控制量。
自动控制原理习题及解答1. 引言自动控制原理是控制工程中最基础的一门课程,是研究系统的建模、分析和设计的基础。
通过习题的练习和解答,可以加深对自动控制原理的理解和掌握。
本文档将提供一些常见的自动控制原理习题及其解答,希望对学习者有所帮助。
2. 习题2.1 系统建模习题1:一个质量为m的弹簧振子的运动方程可以表示为:$$m\\frac{d^2x(t)}{dt^2} + c\\frac{dx(t)}{dt} + kx(t) = 0$$其中,m(m)为振子的位移,m为阻尼系数,m为弹性系数。
请利用拉普拉斯变换求解该系统的传递函数。
解答:对原方程两边进行拉普拉斯变换得:mm2m(m)+mmm(m)+mm(m)=0整理后可得传递函数:$$\\frac{X(s)}{F(s)} = \\frac{1}{ms^2 + cs + k}$$其中,m(m)为输出的拉普拉斯变换,m(m)为输入的拉普拉斯变换。
2.2 系统分析习题2:有一个开环传递函数为$G(s) =\\frac{3}{s(s+2)(s+5)}$的系统,求该系统的阻尼比和自然频率。
解答:该系统的传递函数可以表示为:$$G(s) = \\frac{3}{s(s+2)(s+5)}$$根据传递函数的形式可以得知,该系统是一个三阶系统,有三个极点。
通过对传递函数进行因式分解可以得到:$$G(s) = \\frac{A}{s} + \\frac{B}{s+2} + \\frac{C}{s+5}$$将上述表达式通分并整理后可得:$$G(s) = \\frac{3s^2 + 16s + 5}{s(s+2)(s+5)}$$通过对比系数可以得到:$$A = 1, B = -\\frac{2}{3}, C = \\frac{5}{3}$$根据阻尼比和自然频率的定义,可以得到:$$\\zeta = \\frac{c}{2\\sqrt{mk}}, \\omega_n =\\sqrt{\\frac{k}{m}}$$其中,m为系统的阻尼系数,m为系统的弹性系数,m为系统的质量。
自动控制原理试卷与答案一、填空题1、反馈控制又称偏差控制,其控制作用是通过稳定性与反馈量的差值进行的2、在水箱水温控制系统中,受控对象为水箱,被控量为水温。
3、自动控制系统有两种基本控制方式,当控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时,称为开环控制系统;;当控制装置与受控对象之间不但有顺向作用而且还有反向联系时,称为闭环控制系统;含有测速发电机的电动机速度控制系统,属于闭环控制系统。
4、对自动控制系统的基本要求可以概括为三个方面,即:稳定性、快速性和准确性。
5、能表达控制系统各变量之间关系的数学表达式或表示方法,叫系统的数学模型,在古典控制理论中系统数学模型有微分方程、函数等6.闭环控制系统又称为反馈控制系统。
7.一线性系统,当输入是单位脉冲函数时,其输出象函数与传递函数相同8.控制系统线性化过程中,线性化的精度和系统变量的时间常数T有关。
9、.PID调节中的“P”指的是比例控制器10.对控制系统的首要要求是系统具有稳定性。
11.反馈控制原理是检测偏差并纠正偏差的原理12.根据采用的信号处理技术的不同,控制系统分为模拟控制系统和数学控制系统。
13、由控制器(含测量元件)和被控制对象组成的有机整体称为自动控制系统。
14、闭环系统是指系统输出量直接或地参与系统的控制的作用。
15、开环控制系统与闭环系统相互结合的控制方式是复合控制16只有一个反馈通道的系统是单回路系统。
17、描述系统各个物理量之间关系的数学表达式或图形称为系统的数学模型18、过渡过程的三要素是起始值、稳定值、时间常数19从一个状态进入另一个稳态的中间过程叫做过渡过程或动态过程。
20、换路定律表明了换路前与换路后瞬间电路的工作状态之间的关系。
二、选择题1、采用负反馈形式连接后,则 ( D )A 、一定能使闭环系统稳定;B 、系统动态性能一定会提高;C 、一定能使干扰引起的误差逐渐减小,最后完全消除;D 、需要调整系统的结构参数,才能改善系统性能。
参考答案及评分标准一、单项选择题(每小题1分,共20分)1. 系统和输入已知,求输出并对动态特性进行研究,称为( )A.系统综合B.系统辨识C.系统分析D.系统设计2. 惯性环节和积分环节的频率特性在( )上相等。
A.幅频特性的斜率B.最小幅值C.相位变化率D.穿越频率3. 通过测量输出量,产生一个与输出信号存在确定函数比例关系值的元件称为( )A.比较元件B.给定元件C.反馈元件D.放大元件4. ω从0变化到+∞时,延迟环节频率特性极坐标图为( )A.圆B.半圆C.椭圆D.双曲线5. 当忽略电动机的电枢电感后,以电动机的转速为输出变量,电枢电压为输入变量时,电动机可看作一个( )A.比例环节B.微分环节C.积分环节D.惯性环节6. 若系统的开环传 递函数为2)(5 10+s s ,则它的开环增益为( ) A.1 B.2 C.5 D.107. 二阶系统的传递函数52 5)(2++=s s s G ,则该系统是( ) A.临界阻尼系统 B.欠阻尼系统 C.过阻尼系统 D.零阻尼系统8. 若保持二阶系统的ζ不变,提高ωn ,则可以( )A.提高上升时间和峰值时间B.减少上升时间和峰值时间C.提高上升时间和调整时间D.减少上升时间和超调量9. 一阶微分环节Ts s G +=1)(,当频率T1=ω时,则相频特性)(ωj G ∠为( ) A.45° B.-45° C.90° D.-90°10.最小相位系统的开环增益越大,其( )A.振荡次数越多B.稳定裕量越大C.相位变化越小D.稳态误差越小11.设系统的特征方程为()0516178234=++++=s s s s s D ,则此系统 ( )A.稳定B.临界稳定C.不稳定D.稳定性不确定。
12.某单位反馈系统的开环传递函数为:())5)(1(++=s s s k s G ,当k =( )时,闭环系统临界稳定。
A.10B.20C.30D.4013.设系统的特征方程为()025103234=++++=s s s s s D ,则此系统中包含正实部特征的个数有( )A.0B.1C.2D.314.单位反馈系统开环传递函数为()ss s s G ++=652,当输入为单位阶跃时,则其位置误差为( ) A.2 B.0.2 C.0.5 D.0.0515.若已知某串联校正装置的传递函数为1101)(++=s s s G c ,则它是一种( ) A.反馈校正 B.相位超前校正C.相位滞后—超前校正D.相位滞后校正16.稳态误差e ss 与误差信号E (s )的函数关系为( )A.)(lim 0s E e s ss →=B.)(lim 0s sE e s ss →= C.)(lim s E e s ss ∞→= D.)(lim s sE e s ss ∞→= 17.在对控制系统稳态精度无明确要求时,为提高系统的稳定性,最方便的是( )A.减小增益B.超前校正C.滞后校正D.滞后-超前18.相位超前校正装置的奈氏曲线为( )A.圆B.上半圆C.下半圆D.45°弧线19.开环传递函数为G (s )H (s )=)3(3+s s K ,则实轴上的根轨迹为( ) A.(-3,∞) B.(0,∞) C.(-∞,-3) D.(-3,0)20.在直流电动机调速系统中,霍尔传感器是用作( )反馈的传感器。
自动控制原理1试题答案及评分参考一、单项选择题(每小题 1 分,共 20 分)1 .C2 .A3 .C4 .A5 .B6 .C7 .B8 .B9 .A 10.D 11.A 12.C 13.C 14.C 15.D 16.B 17.A 18.B 19.C 20.B 二、填空题(每空 1 分, 共 10 分)21.反馈控制 22.传递函数 23.时间常数T (或常量) 24.偏移程度 25.开环幅频特性 26.阶跃信号 27.相位 28.±45︒ 29.比例 30.远 三、名词解释(每小题 3 分, 共 15 分)31.指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平稳状态的能力。
32.输出变量正比于输入变量的微分(或)()(0t xk t x i =) 33.系统响应曲线达到并一直保持在允许衰减范围内的最短时间34.当乃氏图随ω增加逆时针从第二象限越过负实轴向第三象限去时,叫正穿越。
35.指当系统某个参数(如开环增益K )由零到无穷大变化时,闭环特征根在s 平面上移动的轨迹。
四、简答题(每小题 5 分, 共 25 分)36.传递函数是线性定常系统输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比,它通常不能表明系统的物理特性和物理结构,因此说物理性质不同的系统,其传递函数可能相同。
(3分)举例说明(2分)略,答案不唯一。
37.常用的方法(两方法选1即可):其单位阶跃响应曲线在 0.632(2.5分)稳态值处,经过的时间t =T (2.5分);或在 t =0处曲线斜率 k =1/T ,t s =(3~4)T 38.高阶系统中距离虚轴最近的极点,其附近没有零点,它的实部比其它极点的实部的1/5还小,称其为主导极点。
(2分)将高阶系统的主导极点分析出来,利用主导极点来分析系统,相当于降低了系统的阶数,给分析带来方便。
(2分) 举例说明(1分)略,答案不唯一。
39.偏差信号:输入信号与反馈信号之差;(1.5分)误差信号:希望的输出信号与实际的输出信号之差。
习题参考答案第1章1-1 工作原理 当水位达到规定值时,浮子使电位器活动端处于零电位,放大器输出电压和电机电枢电压是零,电机停转,进水阀门开度不变。
水位高于规定值时,浮子使电位器活动端电位为正,放大器输出电压和电机电枢电压是正,电机正转,阀门开度减小,进水量减小,水位下降。
而水位低于规定值时,浮子使电位器活动端电位为负,电机反转,阀门开度变大,水位上升。
参考输入是电位器中的零电位,扰动量包括出水量和进水管压力的变化等,被控变量是水位,控制器是放大器,控制对象是水箱。
1-2 当水位处于规定值时,阀门开度正好使进水量和出水量相等,水位不 变。
当水位高于规定值,浮子通过杠杆使阀门开度减小,进水减小,水位下降。
当水位低于规定值,浮子通过杠杆使阀门开度变大,进水增加,水位上升。
1-3 系统的目的是使发射架转到希望的角度。
电压1u 代表希望的角度,电位器输出电压2u 表示发射架的实际转角。
它们的差值称为偏差电压,放大后加到电机电枢绕组上成为电压a u 。
当发射架没有转到希望的角度时,偏差电压和电机电枢电压不是零,它们使电机转动,转动方向是使偏差角减小至零。
该系统是伺服系统。
参考输入信号是电压1u ,被控变量是发射架转角θ。
反馈信号是电位器活动端电压2u ,控制变量是放大和补偿环节的输出电压3u 。
测量元件是电位器,执行元件是直流电动机。
1-4 程序控制系统,控制器是计算机,执行元件是步进电动机,被控变量是刀具位移x 。
1-5 (1)线性定常系统;(2)线性时变系统;(3)非线性系统;(4)线性时变系统;(5)线性定常系统;(6)线性时变系统。
第2章2-1 a)k ms s F s X t F t kx t t x m +==+2221)()( )()(d )(db)取m 的平衡点为位移零点,列微分方程。
k fs ms l l s F s X t F l l t kx t t x f t t x m ++==++2212122/)()( )()(d )(d d )(d 2-2 设A 、B 点及位移x 见图中(b),(d)。
1 《自动控制原理》习题解答 2 第一章习题及答案 1-1 根据题1-1图所示的电动机速度控制系统工作原理图 (1) 将a,b与c,d用线连接成负反馈状态; (2) 画出系统方框图。
解 (1)负反馈连接方式为:da,cb; (2)系统方框图如图解1—1 所示.
1-2 题1—2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。
题1—2图 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 3
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 题1—3图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.
题1—3图 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cu的平方成正比,c
u
增高,炉温就上升,cu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fu。fu作为系统的反馈电压与给定电压ru进行比较,得出偏差电压eu,经电压放大器、功率放大器放大成au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fu正好等于给定电压ru.此时,0freuuu,故01auu,可逆电动机不转动,调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上,使cu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。 当炉膛温度T°C由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失),则出现以下的控制过程: 控制的结果是使炉膛温度回升,直至T°C的实际值等于期望值为止。 4
TCTuuuuucaef1C
系统中,加热炉是被控对象,炉温是被控量,给定量是由给定电位器设定的电压ru(表征炉温的希望值)。系统方框图见图解1-3.
1-4 题1-4图是控制导弹发射架方位的电位器式随动系统原理图。图中电位器1P、2P并联后跨接到同一电源0E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。
题1-4图 导弹发射架方位角控制系统原理图 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. 当摇动手轮使电位器1P的滑臂转过一个输入角i的瞬间,由于输出轴的转角io,于是出现一个误差角oie,该误差角通过电位器1P、2P转换成偏差电压oieuuu,
eu经放大后驱动电动机转动,在驱动导弹发射架转动的同时,通过输出轴带动电位器2P的滑
臂转过一定的角度o,直至io时,oiuu,偏差电压0eu,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oi,偏差就会产生调节作用,控制的结果是消除偏差e,使输出量o严格地跟随输入量i的变化而变化。 系统方框图如图解1-4所示. 5
1—5 采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统如题1—5图所示。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,使蒸汽机的转速保持在某个期望值附近。 指出系统中的被控对象、被控量和给定量,画出系统的方框图。
题1-5图 蒸汽机转速自动控制系统 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. 6
系统方框图如图解1—5所示。 1-6 摄像机角位置自动跟踪系统如题1—6图所示。当光点显示器对准某个方向时,摄像机会自动跟踪并对准这个方向。试分析系统的工作原理,指出被控对象、被控量及给定量,画出系统方框图。
题1-6图 摄像机角位置随动系统原理图 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。 当摄像机方向角与光点显示器指示的方向一致时,12,自整角机输出0e,交流放大器输出电压0u,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,12时,自整角机输出与失谐角21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e,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。
系统中,摄像机是被控对象,摄像机的方向角2是被控量,给定量是光点显示器指示的方向角1.系统方框图如图解1-6所示。 7
1—7 题1-7图(a),(b)所示的系统均为电压调节系统。假设空载时两系统发电机端电压均为110V,试问带上负载后,图(a),(b)中哪个能保持110V不变,哪个电压会低于110V,为什么?
题1-7图 电压调节系统工作原理图 解 带上负载后,开始由于负载的影响,(a)与(b)的端电压都要下降,但图(a)中所示系统能恢复到110伏而图(b)系统却不能。理由如下: 图(a)系统,当u低于给定电压时,其偏差电压经放大器K放大后,驱动电机D转动,经减速器带动电刷,使发电机F的激磁电流jI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,电机才停止转动。因此,图(a)系统能保持110伏不变。 图(b)系统,当u低于给定电压时,其偏差电压经放大器K后,直接使发电机激磁电流增大,提高发电机的端电压,使发电机G 的端电压回升,偏差电压减小,但不可能等于零,因为当偏差电压为 0时,fi=0,发电机就不能工作。即图(b)所示系统的稳态电压会低于110伏。 1-8 题1-8图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? 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,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. 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。 8
题1—8图 水温控制系统原理图 系统方块图如图解1—8所示。这是一个按干扰补偿的复合控制系统。 1—9 许多机器,像车床、铣床和磨床,都配有跟随器,用来复现模板的外形。题1—9图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.试说明其工作原理,画出系统方框图.
解 模板与原料同时固定在工作台上。X、Y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X、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,控制器的输出驱动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,当刀具位置与触针位置一致时,两者位置偏差为零,Z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, 9
给定量是由模板确定的触针位置。系统方框图如图解1-9所示.最终原料被切割加工成模板的形状。
1—10 题1-10图(a),(b)所示均为调速系统. (1) 分别画出图(a)、图(b)对应系统的方框图.给出图(a)正确的反馈连线方式。 (2) 在恒值输入条件下,图(a)、图(b)中哪个是有差系统,哪个是无差系统,说明其道理。
题1—10图 调速系统工作原理图 解 (1)系统方框图如图解1—10所示。 题1—10图(a)正确的反馈连接方式如题1—10图(a)中虚线所示. (2) 题1-10图(a)的系统是有差系统,题1—10图(b)的系统是无差系统。
题1-10图(a)中,当给定恒值电压信号,系统运行达到稳态时,电动机转速的恒定是以发电机提供恒定电压为条件,对应发电机激磁绕组中电流一定是恒定值。这意味着放大器前端电压是非零的常值.因此,常值偏差电压存在是系统稳定工作的前提,故系统有差。