自動(dòng)控制原理第余成波張蓮胡曉倩習(xí)題全解及matlab實(shí)驗(yàn)第章習(xí)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(dòng)控制的定義，自動(dòng)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(jìn)一步說明了其優(yōu)缺點(diǎn)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(diǎn)掌握負(fù)反饋在自動(dòng)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(fù)反饋，系統(tǒng)的被控變量對(duì)控制作用有直接影響，即被控變量對(duì)自身有控制作用。在分析系統(tǒng)的工作原理時(shí)，確定控制系統(tǒng)的被控對(duì)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(hào)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(chǔ)。本章的難點(diǎn)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(dòng)控制系統(tǒng)分成不同的類型，實(shí)際系統(tǒng)可能是幾種方式的組合。對(duì)自動(dòng)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?。幌到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要好，即系統(tǒng)的響應(yīng)過程要平穩(wěn)，響應(yīng)過程要快。這些要求可歸納成穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)字。教材習(xí)題同步解析1.1試列舉幾個(gè)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(jiǎn)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(huì)自主斷電，需要人為去斷電。電風(fēng)扇電風(fēng)扇，人工轉(zhuǎn)換電扇檔位實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，但不能根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。洗衣機(jī)洗衣機(jī)，洗衣人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先設(shè)定洗滌、漂洗等洗衣程序，則洗衣機(jī)根據(jù)設(shè)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(duì)系統(tǒng)的控制不起作用。2）閉環(huán)系統(tǒng)飲水機(jī)或電水壺飲水機(jī)或

4、電水壺，自動(dòng)斷電保溫，加溫到一定溫度停止加溫，進(jìn)入保溫狀態(tài)；溫度降低進(jìn)入加溫狀態(tài)，如此循環(huán)。自動(dòng)調(diào)溫空調(diào)自動(dòng)調(diào)溫空調(diào)，當(dāng)環(huán)境溫度高于或低于設(shè)定溫度時(shí)，空調(diào)制冷系統(tǒng)自動(dòng)開啟，調(diào)定室溫到設(shè)定值。全自動(dòng)洗衣機(jī)的水位控制全自動(dòng)洗衣機(jī)的水位控制，紅外傳感器掃描水位高低，當(dāng)水位合適時(shí)，洗衣機(jī)自動(dòng)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?xí)r，光控部分將開關(guān)自動(dòng)關(guān)斷，聲控部分不起作用。當(dāng)光線較暗時(shí)，光控

5、部分將開關(guān)自動(dòng)打開，負(fù)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(hào)強(qiáng)度。當(dāng)聲強(qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)，電路自動(dòng)接通，點(diǎn)亮燈泡，并開始延時(shí)，延時(shí)時(shí)3用于操縱被控對(duì)象，如機(jī)械位移系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)、液壓伺服馬達(dá)、溫度控制系統(tǒng)中的加熱裝置等。執(zhí)行元件的選擇應(yīng)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(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，根據(jù)被控對(duì)象特點(diǎn)和性能指標(biāo)的要求而設(shè)計(jì)。校正元件串聯(lián)在由偏差信號(hào)到被控制信號(hào)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(duì)象控制系統(tǒng)所要控制的對(duì)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(dòng)系統(tǒng)中的火炮、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中電機(jī)等。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，認(rèn)為被控對(duì)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(duì)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(fù)平衡狀態(tài)的能力，它是自動(dòng)控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。一個(gè)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(yīng)隨時(shí)間的增長(zhǎng)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(dòng)的幅度和擺動(dòng)的次數(shù)。好的過渡過程擺動(dòng)的幅度要小，擺動(dòng)的次數(shù)要少。2快速性：要求系統(tǒng)的響應(yīng)速度快、過渡過程時(shí)間短。系統(tǒng)的穩(wěn)定性足夠好、頻帶足夠?qū)?，才可能?shí)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(shí)間越長(zhǎng)，說明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，難以跟蹤快速變化的指令信號(hào)。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(dòng)態(tài)性能或瞬態(tài)性能。3準(zhǔn)確性：準(zhǔn)是對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）性能的要求。對(duì)一個(gè)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(duì)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(biāo)。穩(wěn)態(tài)誤差越小，或者對(duì)某種典型輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，表示系統(tǒng)的準(zhǔn)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(cè)速發(fā)電機(jī)的正負(fù)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)