第一章自動控制的一般概念
習題及答案
思考題1. 麼統麼對麼什是系？什是受控象？什是控制？
2. 麼動對類動麼義什是自控制？於人活有什意？
3. 麼饋麼負饋什是反？什是反？
4. 開環統怎樣試舉來說控制系是控制的？例明。
5. 閉環統怎樣實現試舉來說控制系是控制作用的？例明。
6. 動統哪組自控制系主要是由幾大部分成組麼的？各成部分都有些什功能？
7. 為麼說輸號負饋統什採用了出信的反可以提高系的精度？
8. 進負饋對「引反可以降低前向通路中元器件的精度要求」如何理解？
9. 對動統麼試舉來說自控制系的基本要求是什？例明。
10. 實際蕩現絕對許嗎試舉維蕩生活中振象是不允的？出希望持等幅振的例子。
11. 實際統運動麼樣類舉說生活中希望系的都有些什的型？例明。
12. 試敘車駕駛時駕駛員縱盤時閉環過述汽，操方向的控制程。
13. 試敘電溫統溫過述冰箱中度控制系的控制度程。
14. 試敘駕駛駕駛員聯風轉與來實現述在帆船中，是如何合控制帆角舵角保持航變向不的控制。
15. 飛飛在跟蹤機的時達輸號麼樣號行，雷的入信是什的信？
16. 試敘雜節頂運動與過述技目「杆」的控制程。
17. 試敘騎車時閉環過述自行的控制程。
18. 電哪應饋來進家用器中，有些是用反控制原理行控制的？
19. 擬試過行走機械人可以模人的行走，大致分解人的行走控制程。
20. 試敘時運動與過大致述人在伸手取物的控制程。
1-1 根據題1-15圖所示的電動機速度控制系統工作原理圖，完成：
(1) 將a，b與c，d用線連線成負反饋狀態；
(2) 畫出系統方框圖。
解 （1）負反饋連線方式為：，；
（2）系統方框圖如**1-1 所示。
1-2 題1-16圖是倉庫大門自動控制系統原理示意圖。試說明系統自動控制大門開、閉的工作原理，並畫出系統方框圖。
圖1-16 倉庫大門自動開閉控制系統
解當合上開門開關時，電橋會測量出開門位置與大門實際位置間對應的偏差電壓，偏差電壓經放大器放大後，驅動伺服電動機帶動絞盤轉動，將大門向上提起。與此同時，和大門連在一起的電刷也向上移動，直到橋式測量電路達到平衡，電動機停止轉動，大門達到開啟位置。反之，當合上關門開關時，電動機帶動絞盤使大門關閉，從而可以實現大門遠距離開閉自動控制。
系統方框圖如**1-2所示。
1-3 圖1-17為工業爐溫自動控制系統的工作原理圖。分析系統的工作原理，指出被控物件、被控量和給定量，畫出系統方框圖。
圖1-17 爐溫自動控制系統原理圖
解加熱爐採用電加熱方式執行，加熱器所產生的熱量與調壓器電壓的平方成正比，增高，爐溫就上公升，的高低由調壓器滑動觸點的位置所控制，該觸點由可逆轉的直流電動機驅動。爐子的實際溫度用熱電偶測量，輸出電壓。作為系統的反饋電壓與給定電壓進行比較，得出偏差電壓，經電壓放大器、功率放大器放大成後，作為控制電動機的電樞電壓。
在正常情況下，爐溫等於某個期望值°c，熱電偶的輸出電壓正好等於給定電壓。此時，，故，可逆電動機不轉動，調壓器的滑動觸點停留在某個合適的位置上，使保持一定的數值。這時，爐子散失的熱量正好等於從加熱器吸取的熱量，形成穩定的熱平衡狀態，溫度保持恆定。
當爐膛溫度°c由於某種原因突然下降(例如爐門開啟造成的熱量流失)，則出現以下的控制過程：
控制的結果是使爐膛溫度回公升，直至°c的實際值等於期望值為止。
cc 系統中，加熱爐是被控物件，爐溫是被控量，給定量是由給定電位器設定的電壓（表徵爐溫的希望值）。系統方框圖見**1-3。
1-4圖1-18是控制飛彈發射架方位的電位器式隨動系統原理圖。圖中電位器、併聯後跨接到同一電源的兩端，其滑臂分別與輸入軸和輸出軸相聯結，組成方位角的給定元件和測量反饋元件。輸入軸由手輪操縱；輸出軸則由直流電動機經減速後帶動，電動機採用電樞控制的方式工作。
試分析系統的工作原理，指出系統的被控物件、被控量和給定量，畫出系統的方框圖。
圖1-18 飛彈發射架方位角控制系統原理圖
解當飛彈發射架的方位角與輸入軸方位角一致時，系統處於相對靜止狀態。
當搖動手輪使電位器的滑臂轉過乙個輸入角的瞬間，由於輸出軸的轉角,於是出現乙個誤差角，該誤差角通過電位器、轉換成偏差電壓，經放大後驅動電動機轉動，在驅動飛彈發射架轉動的同時，通過輸出軸帶動電位器的滑臂轉過一定的角度，直至時，，偏差電壓，電動機停止轉動。這時，飛彈發射架停留在相應的方位角上。只要，偏差就會產生調節作用，控制的結果是消除偏差，使輸出量嚴格地跟隨輸入量的變化而變化。
系統中，飛彈發射架是被控物件，發射架方位角是被控量，通過手輪輸入的角度是給定量。系統方框圖如**1-4所示。
1-5 採用離心調速器的蒸汽機轉速控制系統如圖1-19所示。其工作原理是：當蒸汽機帶動負載轉動的同時，通過圓錐齒輪帶動一對飛錘作水平旋轉。
飛錘通過鉸鏈可帶動套筒上下滑動，套筒內裝有平衡彈簧，套筒上下滑動時可撥動槓桿，槓桿另一端通過連桿調節供汽閥門的開度。在蒸汽機正常執行時，飛錘旋轉所產生的離心力與彈簧的**力相平衡，套筒保持某個高度，使閥門處於乙個平衡位置。如果由於負載增大使蒸汽機轉速下降，則飛錘因離心力減小而使套筒向下滑動，並通過槓桿增大供汽閥門的開度，從而使蒸汽機的轉速回公升。
同理，如果由於負載減小使蒸汽機的轉速增加，則飛錘因離心力增加而使套筒上滑，並通過槓桿減小供汽閥門的開度，迫使蒸汽機轉速回落。這樣，離心調速器就能自動地抵制負載變化對轉速的影響，使蒸汽機的轉速保持在某個期望值附近。
指出系統中的被控物件、被控量和給定量，畫出系統的方框圖。
圖1-19 蒸汽機轉速自動控制系統
解在本系統中，蒸汽機是被控物件，蒸汽機的轉速是被控量，給定量是設定的蒸汽機希望轉速。離心調速器感受轉速大小並轉換成套筒的位移量，經槓桿傳調節供汽閥門，控制蒸汽機的轉速，從而構成閉環控制系統。
系統方框圖如**1-5所示。
1-6 攝像機角位置自動跟蹤系統如圖1-20所示。當光點顯示器對準某個方向時，攝像機會自動跟蹤並對準這個方向。試分析系統的工作原理，指出被控物件、被控量及給定量，畫出系統方框圖。
圖1-20 攝像機角位置隨動系統原理圖
解控制系統的任務是使攝像機自動跟蹤光點顯示器指示的方向。
當攝像機方向角與光點顯示器指示的方向一致時，，自整角機輸出，交流放大器輸出電壓，電動機靜止，攝像機保持原來的協調方向。當光點顯示器轉過乙個角度，時，自整角機輸出與失諧角成比例的電壓訊號（其大小、極性反映了失諧角的幅值和方向），經電位器後變成，經放大器放大後驅動伺服電動機旋轉，並通過減速器帶動攝像機跟蹤光點顯示器的指向，使偏差減小，直到攝像機與光點顯示器指向重新達到一致時為止。測速發電機測量電動機轉速，進行速度反饋，用以改善系統效能。
系統中，攝像機是被控物件，攝像機的方向角是被控量，給定量是光點顯示器指示的方向角。系統方框圖如**1-6所示。
1-7圖1-21 (a)，(b)所示的系統均為電壓調節系統。 假設空載時兩系統發電機端電壓均為110v，試問帶上負載後，圖1-21(a)，(b)中哪個能保持110v不變，哪個電壓會低於110v？為什麼?
圖1-21 電壓調節系統工作原理圖
解帶上負載後，開始由於負載的影響，圖1-21 (a)與(b)系統的端電壓都要下降，但圖(a)中所示系統能恢復到110伏而圖(b)系統卻不能。理由如下：
圖(a)系統,當低於給定電壓時，其偏差電壓經放大器放大後，驅動電機d轉動，經減速器帶動電刷，使發電機f的激磁電流增大，發電機的輸出電壓會公升高，從而使偏差電壓減小，直至偏差電壓為零時，電機才停止轉動。因此，圖(a)系統能保持110伏不變。
圖(b)系統，當低於給定電壓時，其偏差電壓經放大器後，直接使發電機激磁電流增大，提高發電機的端電壓，使發電機g 的端電壓回公升，偏差電壓減小，但不可能等於零，因為當偏差電壓為 0時， =0，發電機就不能工作。即圖(b)所示系統的穩態電壓會低於110伏。
1-8 圖1-22為水溫控制系統示意圖。冷水在熱交換器中由通入的蒸汽加熱，從而得到一定溫度的熱水。冷水流量變化用流量計測量。
試繪製系統方塊圖，並說明為了保持熱水溫度為期望值，系統是如何工作的？系統的被控物件和控制裝置各是什麼？
解工作原理：溫度感測器不斷測量交換器出口處的實際水溫，並在溫度控制器中與給定溫度相比較，若低於給定溫度，其偏差值使蒸汽閥門開大，進入熱交換器的蒸汽量加大，熱水溫度公升高，直至偏差為零。如果由於某種原因，冷水流量加大，則流量值由流量計測得，通過溫度控制器，開大閥門，使蒸汽量增加，提前進行控制，實現按冷水流量進行順饋補償，保證熱交換器出口的水溫不發生大的波動。
其中，熱交換器是被控物件，實際熱水溫度為被控量，給定量（希望溫度）在控制器中設定；冷水流量是干擾量。
圖1-22 水溫控制系統原理圖
系統方塊圖如**1-8所示。這是乙個按干擾補償的復合控制系統。
1-9 許多機器，像車床、銑床和磨床，都配有跟隨器，用來復現模板的外形。圖1-23就是這樣一種跟隨系統的原理圖。在此系統中，刀具能在原料上覆制模板的外形。
試說明其工作原理，畫出系統方框圖。
解模板與原料同時固定在工作台上。x、y軸直流伺服馬達接受控制器的指令，按輸入命令帶動工作台做x、y方向運動。模板隨工作台移動時，觸針會在模板表面滑動，跟隨刀具中的位移感測器將觸針感應到的反映模板表面形狀的位移訊號送到跟隨控制器，控制器的輸出驅動z軸直流伺服馬達帶動切削刀具連同刀具架跟隨觸針運動，當刀具位置與觸針位置一致時，兩者位置偏差為零，z軸伺服馬達停止。
系統中，刀具是被控物件，刀具位置是被控量，給定量是由模板確定的觸針位置。系統方框圖如**1-9所示。最終原料被切割加工成模板的形狀。
1-10圖1-24 (a)，(b)所示均為調速系統。
(1) 分別畫出圖1-24 (a)、圖(b)所示系統的方框圖。給出圖1-24 (a)所示系統正確的反饋連線方式。
(2)指出在恆值輸入條件下，圖1-24 (a)、(b) 所示系統中哪個是有差系統，哪個是無差系統，說明其道理。
圖1-24 調速系統工作原理圖
解 (1)系統方框圖如**1-10所示。
圖1-24 (a)正確的反饋連線方式如圖1-24 (a)中虛線所示。
(2) 圖1-24 (a)的系統是有差系統，圖1-24 (b)的系統是無差系統。
圖1-24 (a)中，當給定恆值電壓訊號，系統執行達到穩態時，電動機轉速的恆定是以發電機提供恆定電壓為條件，對應發電機激磁繞組中電流一定是恆定值。這意味著放大器前端電壓是非零的常值。因此，常值偏差電壓存在是系統穩定工作的前提，故系統有差。
圖1-24 (b)中，給定恆定電壓，電動機達到穩定轉速時，對應發電機激磁繞組中的勵磁電流恆定，這意味著執行電動機處於停轉狀態，放大器前端電壓必然為0，故系統無差。
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