第一章自动控制的一般概念
习题及答案
1-1 根据题1-15图所示的电动机速度控制系统工作原理图，完成： 水溶液锂电池(1)将a，b与c，d用线连接成负反馈状态；
(2)画出系统方框图。晴天小秘书
解（1）负反馈连接方式为：a↔d，b↔c；
（2）系统方框图如图解1-1所示。
1-2 题1-16图是仓库大门自动控制系统原理示意图。试说明系统自动控制大门开、闭的工作原理，并画出系统方框图。
图1-16仓库大门自动开闭控制系统
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解当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，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，大门达到开启位置。反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离 开闭自动控制。系统方框图如图解1-2所示。
1-3 图1-17为工业炉温自动控制系统的工作原理图。分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。 图1-17 炉温自动控制系统原理图
解加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压u c的平方成正比，u c 增高，炉温就上升，u c的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压u f。u f作为系统的反馈电压与给定电压u r
进行比较，得出偏差电压u e，经电压放大器、功率放大器放大成u a后，作为控制电动机的电枢电压。
在正常情况下，炉温等于某个期望值T°C，热电偶的输出电压u f正好等于给定电压u r。此时，u e=u r
−u f=0，故u1=u a=0，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使u c保持一定的数值。这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。
城市垃圾处理当炉膛温度T°C由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以下
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的控制过程：
控制的结果是使炉膛温度回升，直至T°C的实际值等于期望值为止。
→ T︒C↓ → u f↓ → u e↑ → u1↑ → u a↑ → θ↑ → u c↑ → T︒C↑
系统中，加热炉是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压u r（表征炉温的希望值）。系统方框图见图解1-3。
1-4 图1-18是控制导弹发射架方位的电位器式随动系统原理图。图中电位器P1、P2并
联后跨接到同一电源E0的两端，其滑臂分别与输入轴和输出轴相联结，组成方位角的给定元件和测量反馈元件。输入轴由手轮操纵；输出轴则由直流电动机经减速后带动，电动机采用
桥架接头
电枢控制的方式工作。
试分析系统的工作原理，指出系统的被控对象、被控量和给定量，画出系统的方框图。
图1-18 导弹发射架方位角控制系统原理图
解当导弹发射架的方位角与输入轴方位角一致时，系统处于相对静止状态。
当摇动手轮使电位器P1的滑臂转过一个输入角θi的瞬间，由于输出轴的转角θo≠θi，于是出现一个误差角θe=θi−θo，该误差角通过电位器P1、P2转换成偏差电压u e= u i−u o，u e经放大后驱动电动机转动，在驱动导弹发射架转动的同时，通过输出轴带动电位器P2的滑臂转过一定的角度θo，直至θo=θi时，u i=u o，偏差电压u e=0，电动机停止转动。这时，导弹发射架停留在相应的方位角上。只要θi≠θo，偏差就会产生调节作
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用，控制的结果是消除偏差θe，使输出量θo严格地跟随输入量θi的变化而变化。系统中，导弹发射架是被控对象，发射架方位角θo是被控量，通过手轮输入的角度θi是给定量。系统方框图如图解1-4所示。
1-5 采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统如图1-19所示。其工作原理是：当蒸汽机带动负载转动的同时，通过圆锥齿轮带动一对飞锤作水平旋转。飞锤通过铰链可带动套筒上下滑动，套筒内装有平衡弹簧，套筒上下滑动时可拨动杠杆，杠杆另一端通过连杆调节供汽阀门的开度。在蒸汽机正常运行时，飞锤旋转所产生的离心力与弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡位置。如果由于负载增大使蒸汽机转速ω下降，则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动，并通过杠杆增大供汽阀门的开度，从而使蒸汽机的转速回升。同理，如果由于负载减小使蒸汽机的转速ω增加，则飞锤因离心力增加而使套筒上滑，并通过杠杆减小供汽阀门的开度，迫使蒸汽机转速回落。这样，离心调速器就能自动地抵制负载变化对转速的影响，使蒸汽机的转速ω保持在某个期望值附近。 指出系统中的被控对象、被控量和给定量，画出系统的方框图。
图1-19蒸汽机转速自动控制系统
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解在本系统中，蒸汽机是被控对象，蒸汽机的转速ω是被控量，给定量是设定的蒸汽
机希望转速。离心调速器感受转速大小并转换成套筒的位移量，经杠杆传调节供汽阀门，控
制蒸汽机的转速，从而构成闭环控制系统。
系统方框图如图解1-5所示。
1-6 摄像机角位置自动跟踪系统如图1-20所示。当光点显示器对准某个方向时，摄像机烟盒工艺品
会自动跟踪并对准这个方向。试分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量及给定量，画
出系统方框图。
图1-20 摄像机角位置随动系统原理图
解控制系统的任务是使摄像机自动跟踪光点显示器指示的方向。当摄像机方向角与光点显示器指示的方向一致时，θ2=θ1，自整角机输出e=0，交流
弹性夹头
放大器输出电压u=0，电动机静止，摄像机保持原来的协调方向。当光点显示器转过一个角度，θ2≠θ1时，自整角机输出与失谐角∆θ=θ1−θ2成比例的电压信号（其大小、极性反映了失谐角的幅值和方向），经电位器后变成e，经放大器放大后驱动伺服电动机旋转，并通
过减速器带动摄像机跟踪光点显示器的指向，使偏差减小，直到摄像机与光点显示器指向重新达到一致时为止。测速发电机测量电动机转速，进行速度反馈，用以改善系统性能。
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