1、第 1 章 习 题 1-1 日常生活中存在许多控制系统， 其中洗衣机的控制是属于开环控制还是闭环控制？卫生间抽水 马桶水箱蓄水量的控制是开环控制还是闭环控制？ 解：洗衣机的洗衣过程属于开环控制，抽水马桶的蓄水控制属于闭环控制。 1-2 用方块图表示驾驶员沿给定路线行驶时观察道路正确驾驶的反馈过程。 解：驾驶过程方块图如图 所示。 图 驾驶过程方块图 1-3 自动热水器系统的工作原理如图 T1.1 所示。水箱中的水位有冷水入口调节阀保证，温度由加热器维 持。试分析水位和温度控制系统的工作原理，并以热水出口流量的变化为扰动，画出温度控制系统的原 理方块图。 图 T1.1 习题 1-3图 解：水位控
2、制：输入量为预定的希望水位,设为H r , 被控量为水箱实际水位,设为H。当H=H r 时，浮 子保持一定位置，冷水调节阀保持一定开度，进水量=出水量，水位保持在希望水位上。当出水量增加 时，实际水位下降，浮子下沉，冷水入口调节阀开大，进水量增加，水位上升直到H=H r 。同理，当出 水量减少时，实际水位上升，浮子上升，冷水入口调节阀关小，进水量减少，水位下降直到H=H r 。 温度控制：在热水电加热器系统中，输入量为预定的希望温度（给定值），设为T r ，被控量（输 出量）为水箱实际水温，设为 ，控制对象为水箱。扰动信号主要是由于放出热水并注入冷水而产生 的降温作用。当T=T r 时，温控开
3、关断开，电加热器不工作，此时水箱中水温保持在希望水温上。当使用 热水时，由于扰动作用使实际水温下降，测温元件感受TT r 的变化，并把这一温度变化转换为电信号使 温控开关接通电源工作，电加热器工作，使水箱中的水温上升，直到T=T r 为止。 1温度控制系统的原理方块图如图 所示。 图 热水电加热器控制原理方块图 1-4 仓库大门自动开闭系统原理示意图如图 T1.2 所示。试说明自动控制大门开闭的工作原理并画出原 理方块图。 图 T1.2 习题 1-4图 解：当合上开门开关时，电位器桥式测量电路的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
4、也向上移动。直到桥式测量电路达到平衡， 电动机停止转动，大门到达开启位置。反之当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而实现 了远距离自动控制大门开闭。控制系统原理方块图如图 所示。 图 仓库大门自动开闭控制系统方块图 1-5 根据图 T1.3 所示的电动机速度控制系统工作原理图，完成： (1) 将 a，b与 c，d 用线连接成负反馈状态； (2) 画出系统方块图。 图 T1.3 习题 1-5图 解： （1）负反馈连接方式为： d a ， c b ； （2）系统方块图如 图所示。 2 题 解图 速度控制系统方块图 1-6 液位自动控制系统示意图如图 T1.4 所示。在任何情况下，希望液面
5、高度 c 维持不变，试说明系统 工作原理，并画出系统原理方框图。 图 T1.4 习题 1-6图 解：系统的控制任务是保持液面高度不变。水箱是被控对象，水箱液位是被控量，电位器设定电压 u r (表征液位的希望值c r )是给定量。 当电位器电刷位于中点位置(对应u r )时，电动机不动，控制阀门有一定的开度、使水箱中流入水量 与流出水量相等。从而液面保持在希望高度c r 上。一旦流入水量或流出水量发生变化，例如当液面升高 时，浮子位置也相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制 电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的液体流量减少。这时，水箱液面下
6、降，浮子 位置相应下降，直到电位器电刷回到中点位置，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度。反之，若 水箱液位下降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升到给定高度c r 。 系统原理方块图如 图所示。 图 系统原理方块图 1-7 一种控制直流电动机速度的控制系统原理图如图 T1.5 所示，试说明其工作原理并绘制方块图。 3 图 T1.5 习题 1-7图 解： 图 直流电动机速度控制系统方块图 1-8 车床、铣床和磨床，都配有跟随器，用来复现模板的外形。图 T1.6 就是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，画出系统方块图。 图 T1.6
7、 习题 1-8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4零，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，给定量是由模板确定的触 针位置。系统方块图如图 所示。最终原料被切割加工成模板的形状。 图 刀具跟随系统方块图 1-9 火炮跟踪系统的工作原理如图T1.7所示，电
8、动机通过齿轮传动装置使火炮旋转。试说明跟踪控制系 统的工作原理，并画出系统的原理方框图。 图 T1.7 习题 1-9图 解：系统的被控对象为大炮，被控量为大炮的角度 c ，输入量为希望的大炮角度 r 。当输入角度 r变化 时，输入角度 r 与输出角度 c 出现差值，于是桥式电位器测量电路产生偏差电压，经放大器放大后，驱 动电动机转动，继而带动齿轮传动装置使火炮转动，直到 c = r 为止。为保证跟踪精度，系统中还应 包括校正装置。系统的原理方块图如图所示。 图 火炮跟踪原理方块图 1-10 图T1.8是烤面包机的原理图。面包的烘烤质量烤箱内的温度及烘烤时间决定。 （1）试说明传动带 速度自动控
9、制的工作原理，并绘制相应的原理方框图。 （2）绘制烤面包机控制系统的方块图。 图 T1.8 习题 1-10图 5解： （1）传送带速度自动控制由电动机和减速器驱动，传送带的线速度与电动机及减速器的角速 度是固定比例关系，因此控制电动机减速器的角速度就控制了传送器的线速度。传送器的希望速度与温 度有关。温度高，要求速度快，温度低要求速度慢。 烤箱内温度检测器测出烤箱内的温度，传给指示调节器。指示调节器根据预先规定的函数关系求 出希望的速度，并变成相应的电信号作为调速系统的控制输入加到控制器上。控制器带动电动机，减速 器驱动传送带运动。转速表测出减速器的实际速度，反馈到控制器，若与要求转速不等，则
10、产生偏差信 号。通过控制器控制电动机加速或减速，使速度趋于希望的速度。该调速系统的方块图如图 所示。 图1-24 烤面包机控制系统原理图图 调速系统方块图 （2） 面包的烘烤质量与烤箱温度及面包在烘箱内的时间有关，而烘烤时间又与传送带的速度有 关。在该烤面包机中，只控制烘烤时间而未控制烘烤温度。但希望的烘烤时间又与温度有关。该系统可 以看作一个按扰动补偿的开环控制系统，温度就是扰动量，方框图如图 所示。 图 烤面包机方块图 1-11 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型，线性还是非线性，定常还是时变？ （1） ); ( ) ( 9 ) ( 4 ) ( 6 ) ( 2 2 t r dt t dr t y dt t dy dt t y d + = + + （2） ); ( 4 ) ( 3 ) ( 7 ) ( t r dt t dr t y dt t dy t + = + （3） ); ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 2 2 2 t r t y dt t dy dt t y d = + + （4） + + = + . ) ( 4 ) ( 2 ) ( 7 ) ( 2 ) ( 8 dt t r t r dt t dr t y dt t dy解：(1)线性定常系统； (2)线性时变系统； (3)非线性定常系统； (4)线性定常系统。 6
