自動控制原理第余成波張蓮胡曉倩習題全解及matlab實驗第章習題解答

1、1第1章控制系統(tǒng)的基本概念本章介紹了自動控制的定義，自動控制系統(tǒng)的組成、工作原理和相關(guān)的常用術(shù)語。比較了開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，并進一步說明了其優(yōu)缺點和適用范圍，介紹了典型閉環(huán)系統(tǒng)的功能框圖。需要重點掌握負反饋在自動控制系統(tǒng)中的作用，閉環(huán)系統(tǒng)（或反饋系統(tǒng)）的特征是：采用負反饋，系統(tǒng)的被控變量對控制作用有直接影響，即被控變量對自身有控制作用。在分析系統(tǒng)的工作原理時，確定控制系統(tǒng)的被控對象、控制量和被控制量，根據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理及各元

2、件信號的傳送方向，可畫出控制系統(tǒng)的職能方框圖。方框圖是分析控制系統(tǒng)的基礎。本章的難點在于由系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)圖或工作原理示意圖繪出系統(tǒng)元件框圖。按照不同的分類方法可以將自動控制系統(tǒng)分成不同的類型，實際系統(tǒng)可能是幾種方式的組合。對自動控制系統(tǒng)的基本要求包括：系統(tǒng)首先必須是穩(wěn)定的；系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度要高，即穩(wěn)態(tài)誤差要小；系統(tǒng)的動態(tài)性能要好，即系統(tǒng)的響應過程要平穩(wěn)，響應過程要快。這些要求可歸納成穩(wěn)、準、快三個字。教材習題同步解析1.1試列舉幾個日

3、常生活中的開環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子，并簡述其工作原理。解：1）開環(huán)控制最普通的熱得快最普通的熱得快，加熱到一定程度提醒斷電，但不會自主斷電，需要人為去斷電。電風扇電風扇，人工轉(zhuǎn)換電扇檔位實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，但不能根據(jù)環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)。洗衣機洗衣機，洗衣人根據(jù)經(jīng)驗，預先設定洗滌、漂洗等洗衣程序，則洗衣機根據(jù)設定的程序完成洗衣過程。系統(tǒng)的被控制量（輸出量）沒有通過任何裝置反饋回輸入端，對系統(tǒng)的控制不起作用。2）閉環(huán)系統(tǒng)飲水機或電水壺飲水機或

4、電水壺，自動斷電保溫，加溫到一定溫度停止加溫，進入保溫狀態(tài)；溫度降低進入加溫狀態(tài)，如此循環(huán)。自動調(diào)溫空調(diào)自動調(diào)溫空調(diào)，當環(huán)境溫度高于或低于設定溫度時，空調(diào)制冷系統(tǒng)自動開啟，調(diào)定室溫到設定值。全自動洗衣機的水位控制全自動洗衣機的水位控制，紅外傳感器掃描水位高低，當水位合適時，洗衣機自動停止加水。走道路燈的聲光控制系統(tǒng)走道路燈的聲光控制系統(tǒng)，基本工作原理如下：白天或夜晚光線較亮時，光控部分將開關(guān)自動關(guān)斷，聲控部分不起作用。當光線較暗時，光控

5、部分將開關(guān)自動打開，負載電路的通斷受控于聲控部分。電路是否接通，取決于聲音信號強度。當聲強達到一定程度時，電路自動接通，點亮燈泡，并開始延時，延時時3用于操縱被控對象，如機械位移系統(tǒng)中的電動機、液壓伺服馬達、溫度控制系統(tǒng)中的加熱裝置等。執(zhí)行元件的選擇應具有足夠大的功率和足夠?qū)挼念l帶。6校正元件用于改善系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，根據(jù)被控對象特點和性能指標的要求而設計。校正元件串聯(lián)在由偏差信號到被控制信號間的前向通道中的稱為串聯(lián)校正；校正元件在

6、反饋回路中的稱為反饋校正或并聯(lián)校正。7被控對象控制系統(tǒng)所要控制的對象，例如水箱水位控制系統(tǒng)中的水箱、房間溫度控制系統(tǒng)中的房間、火炮隨動系統(tǒng)中的火炮、電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中電機等。設計控制系統(tǒng)時，認為被控對象是不可改變的，它的輸出即為控制系統(tǒng)的被控制量。1.4試述對控制系統(tǒng)的基本要求。解：解：1穩(wěn)定性：是系統(tǒng)正常工作的必要條件。穩(wěn)是指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。穩(wěn)定性：是指系統(tǒng)重新恢復平衡狀態(tài)的能力，它是自動控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。一個穩(wěn)

7、定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差應隨時間的增長逐漸減小或趨于零。不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法工作的。平穩(wěn)性：是指過渡過程振蕩的振幅與頻率。即被控量圍繞給定值擺動的幅度和擺動的次數(shù)。好的過渡過程擺動的幅度要小，擺動的次數(shù)要少。2快速性：要求系統(tǒng)的響應速度快、過渡過程時間短。系統(tǒng)的穩(wěn)定性足夠好、頻帶足夠?qū)?，才可能實現(xiàn)快速性的要求。過渡過程越短，說明系統(tǒng)快速性越好，過渡過程持續(xù)時間越長，說明系統(tǒng)響應遲鈍，難以跟蹤快速變化的指令信號。穩(wěn)定性和快

8、速性反映了系統(tǒng)過渡過程的性能，稱為系統(tǒng)的動態(tài)性能或瞬態(tài)性能。3準確性：準是對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）性能的要求。對一個穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，過渡過程結(jié)束后，系統(tǒng)的被控量（或反饋量）對給定值的偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標。穩(wěn)態(tài)誤差越小，或者對某種典型輸入信號的穩(wěn)態(tài)誤差為零，表示系統(tǒng)的準確性越好，控制精度越高。1.5圖1.1所示的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)中，若測速發(fā)電機的正負極性接反了，試問系統(tǒng)能否正常工作？為什么？圖1.1直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)