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自动控制原理习题详解(上册)
第一章 习题解答
1-2日常生活中反馈无处不在。人的眼、耳、鼻和各种感觉、触觉器官都是起反馈作用的器官。试以驾车行驶和伸手取物过程为例,说明人的眼、脑在其中所起的反馈和控制作用。
答:在驾车行驶和伸手取物过程的过程中,人眼和人脑的作用分别如同控制系统中的测量反馈装置和控制器。在车辆在行驶过程中,司机需要观察道路和行人情况的变化,经大脑处理后,不断对驾驶动作进行调整,才能安全地到达目的地。同样,人在取物的过程中,需要根据观察到的人手和所取物体间相对位置的变化,调整手的动作姿势,最终拿到物体。可以想象蒙上双眼取物的困难程度,即使物体的方位已知。
1-3 水箱水位控制系统的原理图如图1-12所示,图中浮子杠杆机构的设计使得水位达到设定高度时,电位器中间抽头的电压输出为零。描述图1-12所示水位调节系统的工作原理,指出系统中的被控对象、输出量、执行机构、测量装置、给定装置等。
图1-12 水箱水位控制系统原理图
答:当实际水位和设定水位不相等时,电位器滑动端的电压不为零,假设实际水位比设定水位低,则电位器滑动端的电压大于零,误差信号大于零(),经功率放大器放大后驱动电动机旋转,使进水阀门开度加大,当进水量大于出水量时(),水位开始上升,误差信号逐渐减小,直至实际水位与设定水位相等时,误差信号等于零,电机停止转动,此时,因为阀门开度仍较大,进水量大于出水量,水位会继续上升,导致实际水位比设定水位高,误差信号小于零,使电机反方向旋转,减小进水阀开度。这样,经反复几次调整后,进水阀开度将被调整在一适当的位置,进水量等于出水量,水位维持在设定值上。
在图1-12所示水位控制系统中,被控对象是水箱,系统输出量水位高,执行机构是功率放大装置、电机和进水阀门,测量装置浮子杠杆机构,给定和比较装置由电位器来完成。
1-4 工作台位置液压控制系统如图1-13所示,该系统可以使工作台按照给定电位器设定的规律运动。描述图1-13所示工作台位置液压控制系统的工作原理,指出系统中的被控对象、被控量、执行机构、给定装置、测量装置等。
图1-13 工作台位置液压控制系统
答:当给定电位器的角度(电压)和反馈电位器的角度(电压)不同时,误差电压经过放大器放大去驱动电磁阀,并带动滑阀移动。以给定电位器的电压大于反馈电位器的电压为例,设在正的误差电压作用下,电磁阀带动滑阀相对图1-13所示的平衡位置向右移动,高压油进入到动力油缸的左面,动力油缸活塞右面的油液从回油管路流出,动力油缸活塞在两边压力差的作用下向右运动,误差逐渐减小到零直至出现负的误差,滑阀开始向左移动至平衡位置的左侧。这样,经反复几次调整后,滑阀回到平衡位置,动力油缸活塞静止在设定的位置上。
1-5 图1-14的电加热炉温度控制系统与图1-10所示的有所不同,试描述系统的温度调节过程,它能做到加热炉温度的无差调节吗,为什么?
图1-14 电加热炉温度控制系统
答:在图1-14所示电加热炉温度控制系统中,误差信号经过功率放大器放大后,电炉丝放出的热量与加热炉散出去的热量平衡,去维持炉温不变。当某种原因引起炉温下降时,误差信号增大,电炉丝上的电压升高,电炉丝放出的热量增加,炉温误差向减小的方向变化。与图1-10所示的电加热炉温度控制系统不同,图1-14所示温度控制系统不能做到加热炉温度的无差调节。因为,加热炉总要散出部分热量,而功率放大器的放大倍数是有限的,所以在炉温稳定后,误差信号总是大于零的。
1-6 图1-15(a)和(b)都是自动调压控制系统,图中发电机由一原动机带着恒速旋转,通过改变励磁电流来改变发电机的端电压。设空载时,发电机的端电压均为,而当带上一恒定负载时,发电机的输出电流要在其内阻上产生压降,故端电压会出现一定的电压降,后经系统的调节作用,发电机的端电压会得到恢复。试问,经过调节恢复图(a)和(b)中的哪个系统能保持电压不变?哪个系统的电压会稍低于?为什么?
(a) (b)
图1-15 自动调压控制系统
答:图1-15(a)所示系统能保持电压不变,图1-15(b)所示系统的电压会稍低于。因为,对图(a)所示系统,给定不变,加载调整过程完成后,由于电机转速到转角的积分作用,当误差信号为零电机停止时,会使可调电阻器的阻值比加载前小,并维持在这一位置上,发电机的电动势升高,以抵消负载电流在发电机内阻上的压降,实现误差调节。而对图(b)所示系统来说,加载调整过程完成后,提高电动势增加励磁电流必然对应较大的误差,即系统的输出电压会稍低于。
1-7 图1-16为一调速系统的示意图。图中为电枢回路的总电阻、为电枢回路的总电感,励磁电流恒定。电机空载运行时,一定的设定电压对
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