自動(dòng)控制原理試題及答案

1-1試列舉幾個(gè)口常生活中的開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)，說(shuō)明它們的工作原理并比較

開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)。

解：開(kāi)環(huán)控制一一半自動(dòng)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的洗衣過(guò)程。

工作原理:被控制量為衣服的干凈度。洗衣人先觀察衣服的臟污程度，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，

設(shè)定洗滌、漂洗時(shí)間，洗衣機(jī)按照設(shè)定程序完成洗滌漂洗任務(wù)。系統(tǒng)輸出量（即衣服的干凈

度）的信息沒(méi)有通過(guò)任何裝置反饋到輸入端，對(duì)系統(tǒng)的控制不起作用，因此為開(kāi)環(huán)控制。

閉環(huán)控制一一衛(wèi)生間蓄水箱的蓄水量控制系統(tǒng)和空調(diào)、冰箱的溫度控制系統(tǒng)。

工作原理：以衛(wèi)生間蓄水箱蓄水量控制為例，系統(tǒng)的被控制量（輸出量）為蓄水箱水位

（反應(yīng)蓄水量）。水位由浮子測(cè)量，并通過(guò)杠桿作用于供水閥門（即反饋至輸入端），控制供

水量，形成閉環(huán)控制。當(dāng)水位達(dá)到蓄水量上限高度時(shí)，閥門全關(guān)（按要求事先設(shè)計(jì)好杠桿比

例），系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。一旦用水，水位降低，浮子隨之下沉，通過(guò)杠桿打開(kāi)供水閥門，

卜.沉越深，閥門開(kāi)度越大，供水量越大，直到水位升至蓄水量上限高度，閥門全關(guān)，系統(tǒng)再

次處于平衡狀態(tài)。

開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)如下表

控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

開(kāi)環(huán)控制簡(jiǎn)單、造價(jià)低、調(diào)節(jié)速度快調(diào)節(jié)精度差、無(wú)抗多因素干擾能力

閉環(huán)控制抗多因素干擾能力強(qiáng)、調(diào)節(jié)精度高結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、造價(jià)較高

1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)通常有哪些環(huán)節(jié)組成？各個(gè)環(huán)節(jié)分別的作用是什么？

解：自動(dòng)控制系統(tǒng)包括被控對(duì)象、給定元件、檢測(cè)反饋元件、比較元件、放大元件和

執(zhí)行元件。各個(gè)基本單元的功能如下：

（1）被控對(duì)象一又稱受控對(duì)象或?qū)ο?，指在控制過(guò)程中受到操縱控制的機(jī)器設(shè)備或過(guò)

程。

（2）給定元件一可以設(shè)置系統(tǒng)控制指令的裝置，可用于給出與期望輸出量相對(duì)應(yīng)的系

統(tǒng)輸入量。

（3）檢測(cè)反饋元件一測(cè)量被控量的實(shí)際值并將其轉(zhuǎn)換為與輸入信號(hào)同類的物理量，再

反饋到系統(tǒng)輸入端作比較，一般為各類傳感器。

（4）比較元件一把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值與給定元件給出的給定值進(jìn)行比較，

分析計(jì)算并產(chǎn)生反應(yīng)兩者差值的偏差信號(hào)。常用的比較元件有差動(dòng)放大器、機(jī)械差動(dòng)裝置和

電橋等。

（5）放大元件一當(dāng)比較元件產(chǎn)生的偏差信號(hào)比較微弱不足以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí).，可

通過(guò)放大元件將微弱信號(hào)作線性放大。如電壓偏差信號(hào)，可用電子管、晶體管、集成電路、

晶閘管等組成的電壓放大器和功率放大級(jí)加以放大。

（6）執(zhí)行元件一用于驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，達(dá)到改變被控量的目的。用來(lái)作為執(zhí)行元件的有

閥、電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等，

（7）校正元件：又稱補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件、用串聯(lián)或反饋的方

式連接在系統(tǒng)中，以改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

1-3試闡述對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求。

解：自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求概括來(lái)講，就是要求系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快

速性。

穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)最基本的要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定控制任

務(wù)。系統(tǒng)的穩(wěn)定性，取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，與外界因素?zé)o關(guān)。所謂穩(wěn)定性是指：當(dāng)受到

外作用后（系統(tǒng)給定值發(fā)生變化或受到干擾因素影響），系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡的能力以及輸出

響應(yīng)動(dòng)態(tài)過(guò)程振蕩的振幅和頻率。簡(jiǎn)單來(lái)講，若一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定，則當(dāng)其在外部作用下偏離原

來(lái)的平衡狀態(tài)，一旦外部作用消失，經(jīng)過(guò)?定時(shí)間，該系統(tǒng)仍能回到原來(lái)的平衡狀態(tài)。反之，

系統(tǒng)不穩(wěn)定。

準(zhǔn)確性是衡量系統(tǒng)控制精度的指標(biāo)，用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，穩(wěn)態(tài)誤差

可由給定值與被控量穩(wěn)態(tài)值之間的偏差來(lái)表示，誤差越不，表示系統(tǒng)的輸出跟隨給定輸入信

號(hào)的精度越高。

快速性反應(yīng)系統(tǒng)輸出響應(yīng)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間的長(zhǎng)短，表明系統(tǒng)輸出信號(hào)跟蹤輸入信號(hào)的快慢

程度。系統(tǒng)響應(yīng)越快，說(shuō)明系統(tǒng)的輸出復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的能力越強(qiáng)，表明性快速性越好。

在同一個(gè)系統(tǒng)中，上述三方面的性能要求通常是相互制約的。

1-4直流發(fā)電機(jī)電壓控制系統(tǒng)如圖所示，圖1-17（a）為開(kāi)環(huán)控制，圖1-17（b）為閉

環(huán)控制。發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)與原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，同時(shí)與勵(lì)磁電流成正比。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，由于

發(fā)電機(jī)電樞內(nèi)阻上電壓降的變化，會(huì)引起輸出電壓的波動(dòng)。

（1）試說(shuō)明開(kāi)環(huán)控制的工作原理，并分析原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)和負(fù)載的變化對(duì)發(fā)電機(jī)輸

出電壓的影響。

（2）試分析閉環(huán)控制的控制過(guò)程，并與開(kāi)環(huán)控制進(jìn)行比較，說(shuō)明負(fù)載的作用。

解：（1）這是?個(gè)通過(guò)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)勵(lì)磁，控制輸出電壓的直流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

捽制作用的實(shí)現(xiàn)是輸入信號(hào)電壓捽制原動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的電壓輸出，再有原動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的輸出電

壓控制直流發(fā)電機(jī)的輸出電壓，進(jìn)一步帶動(dòng)負(fù)載工作。

由于發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)與原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，同時(shí)與勵(lì)磁電流成正比，所以當(dāng)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降

低時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電壓同時(shí)降低。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，輸出電壓同樣降低。

（2）該閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋信號(hào)從輸出電壓得到直接送入電源輸入端，形成負(fù)反饋控制。

當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓減小時(shí)，原動(dòng)機(jī)勵(lì)磁增加，進(jìn)而使發(fā)電機(jī)輸出電壓回升。

1-5圖1-18所示為水位控制系統(tǒng)，分析系統(tǒng)工作原理，指出系統(tǒng)被控對(duì)象，被控量，控

制器、檢測(cè)反饋元件、執(zhí)行元件、給定輸入量、干擾量、輸出量，并畫出系統(tǒng)原理方框圖。

解：被控對(duì)象：水池；被控量：水位；控制器：放大器；檢測(cè)反饋元件：浮子、電位器；執(zhí)

行元件：電動(dòng)機(jī)，減速器，閥門；給定輸入量：給定水位；干擾量：輸出流量與輸入流量的

變化；輸出量：實(shí)際水位，

系統(tǒng)工作原理：當(dāng)輸入流量與輸出流量相等時(shí)，水位的實(shí)際測(cè)量值和給定值相等，系統(tǒng)

處于相對(duì)平衡狀態(tài)，電動(dòng)亂無(wú)輸出，閥門位置不變。當(dāng)輸出流量增加時(shí)，系統(tǒng)水位下降，通

過(guò)浮子檢測(cè)后帶動(dòng)電位器抽頭移動(dòng)，電動(dòng)機(jī)獲得一個(gè)正電壓，通過(guò)齒輪減速器傳遞，使閥門

打開(kāi)，從而增加入水流量便水位上升，當(dāng)水位回到給定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸入電壓又會(huì)回到零，

系統(tǒng)重新達(dá)到平衡狀態(tài)。反之易然。

系統(tǒng)原理方框圖：

1-G圖1-19所示為倉(cāng)庫(kù)大門控制系統(tǒng)，試說(shuō)明大門開(kāi)啟和關(guān)閉的工作原理。當(dāng)大門不

能全開(kāi)或全關(guān)時(shí)，應(yīng)該如何調(diào)整。

￡

圖1-19倉(cāng)庫(kù)大門控制系統(tǒng)

解：當(dāng)給定電位器和測(cè)量電位器輸出相等時(shí)，放大器無(wú)輸出，門的位置不變。假設(shè)門的

原始平衡位置在關(guān)狀態(tài)，門要打開(kāi)時(shí)，“關(guān)門”開(kāi)關(guān)打開(kāi)，“開(kāi)門”開(kāi)關(guān)閉合。給定電位器與

測(cè)量電位器輸出不相等,其電信號(hào)經(jīng)放大器比較放大，再經(jīng)伺服電機(jī)和絞盤帶動(dòng)門改變位置,

直到門完全打開(kāi)，其測(cè)量電位器輸出與給定電位器輸出相等，放大器無(wú)輸出，門的位置停止

改變，系統(tǒng)處于新的平衡狀態(tài)。系統(tǒng)方框圖如解圖所示。

元件功能

電位器組一一將給定“開(kāi)”、“關(guān)”信號(hào)和門的位置信號(hào)變成電信號(hào)。為給定、測(cè)量元件。

放大器、伺服電機(jī)一一將給定信號(hào)和測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較、放大。為比較