第一章作業(yè)題

1、第一章 概述1、圖1為工業(yè)爐溫自動控制系統(tǒng)的工作原理圖。系統(tǒng)工作原理：加熱爐采用電加熱方式運行，加熱器所產(chǎn)生的熱量與調(diào)壓器電壓的平方成正比，增高，爐溫就上升，的高低由調(diào)壓器滑動觸點的位置所控制，該觸點由可逆轉(zhuǎn)的直流電動機驅(qū)動。爐子的實際溫度用熱電偶測量，輸出電壓。作為系統(tǒng)的反饋電壓與給定電壓進行比較，得出偏差電壓，經(jīng)電壓放大器、功率放大器放大成后，作為控制電動機的電樞電壓。在正常情況下，爐溫等于某個期望值°C，熱電偶的輸出電壓正好等于給定電壓。此時，故，可逆電動機不轉(zhuǎn)動，調(diào)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(shù)值。這時，爐子散失的熱量正好等于從加熱器吸取的熱量，形成穩(wěn)定

2、的熱平衡狀態(tài)，溫度保持恒定。當(dāng)爐膛溫度°C由于某種原因突然下降(例如爐門打開造成的熱量流失)，則出現(xiàn)以下的控制過程：控制的結(jié)果是使?fàn)t膛溫度回升，直至°C的實際值等于期望值為止。CC（1）指出被控對象、被控量和給定量（2）畫出系統(tǒng)方框圖。圖1 爐溫自動控制系統(tǒng)原理圖答：(1) 加熱爐是被控對象，爐溫是被控量，給定量是由給定電位器設(shè)定的電壓（表征爐溫的希望值）。(2) 系統(tǒng)方框圖如下圖所示。爐溫控制系統(tǒng)方框圖2、自動開關(guān)門控制系統(tǒng)原理如圖所示。ur+ _門位置關(guān)開門放大器伺服電動機yc圖2 自動開關(guān)門控制系統(tǒng)原理（1）試說明系統(tǒng)工作原理。（2）畫出系統(tǒng)方框圖。答：(1)控制系統(tǒng)

3、的輸入信號是二進制信號(高電位開門，低電位關(guān)門)，反饋信號是代表門位置的電壓信號。系統(tǒng)工作原理：當(dāng)門處于關(guān)閉狀態(tài)，而指令信號為開門(高電位)信號，使門開啟，門位置向打開方向平穩(wěn)運動，使逐步增大，直到，電機停止工作。關(guān)門過程原理相同，門位置向關(guān)閉方向運動。ycur+ _放大器伺服電動機被控門 （2）系統(tǒng)方框圖為：自動開關(guān)門控制系統(tǒng)方框圖3、圖3是控制導(dǎo)彈發(fā)射架方位的電位器式隨動控制系統(tǒng)原理圖。圖中電位器、并聯(lián)后跨接到同一電源的兩端，其滑臂分別與輸入軸和輸出軸相連接，組成方位角的給定元件和測量反饋元件。輸入軸采用電樞控制的方式工作。系統(tǒng)工作原理：當(dāng)導(dǎo)彈發(fā)射架的方角與輸入軸方位角一致，系統(tǒng)處于相對靜

4、止?fàn)顟B(tài)。圖3 導(dǎo)彈發(fā)射架方位角控制系統(tǒng)原理圖（1）指出被控對象、被控量和給定量（2）畫出系統(tǒng)方框圖。答：（1）導(dǎo)彈發(fā)射架是被控對象，發(fā)射架方位角是被控量，通過手輪輸入的角度是給定值。（2）系統(tǒng)方框圖為： 4、瓦特發(fā)明的采用離心調(diào)速器的蒸汽機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如圖4所示。其工作原理是：當(dāng)蒸汽機帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動的同時，通過圓錐齒輪帶動一對飛錘作水平旋轉(zhuǎn)。飛錘通過鉸鏈可帶動套筒上下滑動，套筒內(nèi)裝有平衡彈簧，套筒上下滑動時可撥動杠桿，杠桿另一端通過連桿調(diào)節(jié)供汽閥門的開度。在蒸汽機正常運行時，飛錘旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力與彈簧的反彈力相平衡，套筒保持某個高度，使閥門處于一個平衡位置。如果由于負(fù)載增大使蒸汽機轉(zhuǎn)速下降，則

5、飛錘因離心力減小而使套筒向下滑動，并通過杠桿增大供汽閥門的開度，從而使蒸汽機的轉(zhuǎn)速回升。同理，如果由于負(fù)載減小使蒸汽機的轉(zhuǎn)速增加，則飛錘因離心力增加而使套筒上滑，并通過杠桿減小供汽閥門的開度，迫使蒸汽機轉(zhuǎn)速回落。這樣，離心調(diào)速就能自動地抵制負(fù)載變化對轉(zhuǎn)速的影響，使蒸汽機的轉(zhuǎn)速保持在某個期望值附近。圖4離心調(diào)速器的蒸汽機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖（1）指出被控對象、被控量和給定值。（2）畫出系統(tǒng)方框圖。答：（1）蒸汽機是被控對象，蒸汽機的轉(zhuǎn)速是被控量，給定值是設(shè)定的蒸汽機希望轉(zhuǎn)速。離心調(diào)速器感受轉(zhuǎn)速大小并轉(zhuǎn)換成套筒的位移量，經(jīng)杠桿傳調(diào)節(jié)供汽閥門，控制蒸汽機的轉(zhuǎn)速，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。（2）系統(tǒng)方框圖為

6、：5、攝像機角位置自動跟蹤系統(tǒng)如圖5所示。當(dāng)光點顯示器對準(zhǔn)某個方向時，攝像機會自動跟蹤并對準(zhǔn)這個方向。系統(tǒng)的工作原理：控制系統(tǒng)的任務(wù)是使攝像機自動跟蹤光點顯示器指示的方向。當(dāng)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(xié)調(diào)方向。當(dāng)光點顯示器轉(zhuǎn)過一個角度，時，自整角機輸出與失諧角成比例的電壓信號（其大小、極性反映了失諧角的幅值和方向），經(jīng)電位器后變成，經(jīng)放大器放大后驅(qū)動伺服電動機旋轉(zhuǎn)，并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(dá)到一致時為止。測速發(fā)電機測量電動機轉(zhuǎn)速，進行速度反饋，用以改善系統(tǒng)

7、性能。（1）指出被控對象、被控量和給定值。（2）畫出系統(tǒng)方框圖。圖5 攝像機角位置自動跟蹤系統(tǒng)原理圖答：（1） 攝像機是被控對象，攝像機的方向角是被控量，給定值是光點顯示器指示的方向角。（2）系統(tǒng)方框圖為：6、許多機器，像車床、銑床和磨床，都配有跟隨器，用來復(fù)現(xiàn)模板的外形。圖6就是這樣一種跟隨系統(tǒng)的原理圖。在此系統(tǒng)中，刀具能在原料上復(fù)制模板的外形。該類跟隨系統(tǒng)的工作原理是：模板與原料同時固定在工作臺上。X、Y軸直流伺服馬達(dá)接受控制器的指令，按輸入命令帶動工作臺做X、Y方向運動。模板隨工作臺移動時，觸針會在模板表面滑動，跟隨刀具中的位移傳感器將觸針感應(yīng)到的反映模板表面形狀的位移信號送到跟隨控制器

8、，控制器的輸出驅(qū)動Z軸直流伺服馬達(dá)帶動切削刀具連同刀具架跟隨觸針運動，當(dāng)?shù)毒呶恢门c觸針位置一致時，兩者位置偏差為零，Z軸伺服馬達(dá)停止。圖6 跟隨系統(tǒng)的工作原理（1）指出被控對象、被控量和給定值。（2）畫出系統(tǒng)方框圖。答：（1）刀具是被控對象，刀具位置是被控量；給定值是由模板確定的觸針位置，是隨機變化的信號。（2）系統(tǒng)方框圖為：、圖7為水溫控制系統(tǒng)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。 工作原理是：溫度傳感器不斷測量交換器出口處的實際水溫，并在溫度控制器中與給定溫度相比較，若低于給定溫度，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

9、溫度升高，直至偏差為零。如果由于某種原因，冷水入流量或熱水處理量增大，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(xiàn)按冷水流量進行順饋補償，保證熱交換器出口的水溫不發(fā)生大的波動。這是一個按擾動前饋補償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)。圖7 水溫控制系統(tǒng)原理圖（1）指出被控對象、被控量、給定值和擾動量。（2）畫出系統(tǒng)方框圖。答：（1）熱交換器是被控對象，實際熱水溫度為被控量，給定值（期望溫度值）在控制器中設(shè)定；冷水入流量和熱水出流量是擾動量。（2）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖為：8、采用自整角機作為角度測量元件的火炮方位角控制系統(tǒng)如圖8所示。圖中的自整角機工作在變壓器狀態(tài)，自整角發(fā)送機BD的

10、轉(zhuǎn)子與輸入軸聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)子繞組通入單相交流電；自整角接收機BS的轉(zhuǎn)子則與輸出軸(炮架的方位角軸)相連接。其工作原理是：圖8火炮方位角控制系統(tǒng)原理圖（1）指出被控對象、被控量和給定值。（2）畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖。答：（1）火炮是被控對象，火炮方位角是被控量，給定量是由手柄給定的方位角。（2）系統(tǒng)的統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖如下圖所示?；鹋诜轿唤强刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖 9、飛機-自動駕駛儀是一種能保持或改變飛機飛行狀態(tài)的自動裝置。它可以穩(wěn)定飛機的姿態(tài)、高度和航跡；可以操縱飛機爬高、下滑和轉(zhuǎn)彎。飛機和駕駛儀組成的控制系統(tǒng)稱為飛機-自動駕駛儀系統(tǒng)。如同飛行員操縱飛機一樣，自動駕駛儀控制飛機飛行是通過控制飛機的三個操縱面（升降

11、舵、方向舵、副翼）的偏轉(zhuǎn)，改變舵面的空氣動力特性，以形成圍繞飛機質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)力矩，從而改變飛機的飛行姿態(tài)和軌跡。圖9為飛機-自動駕駛儀系統(tǒng)穩(wěn)定俯仰角的工作原理示意圖。圖中，垂直陀螺儀作為測量元件用以測量飛機的俯仰角，當(dāng)飛機以給定俯仰角水平飛行時，陀螺儀電位計沒有電壓輸出；如果飛機受到擾動，使俯仰角向下偏離期望值，陀螺儀電位計輸出與俯仰角偏差成正比的信號，經(jīng)放大器放大后驅(qū)動舵機，一方面推動升降舵面向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生使飛機抬頭的轉(zhuǎn)矩，以減小俯仰角偏差；同時帶動反饋電位計滑臂，輸出與舵偏角成正比的電壓信號并反饋到輸入端。隨著俯仰角偏差的減小，陀螺儀電位計輸出信號越來越小，舵偏角也隨之減小，直到俯仰角回到期望值，這時，舵面也恢復(fù)到原來狀態(tài)。圖9 飛機-自動駕駛儀系統(tǒng)原理圖（1）指出被控對象、被控量、給定值和擾動量。（2）畫出系統(tǒng)方框圖。答：（1）飛機是被控對象，俯仰角是被控量，給定值是給定的常值俯仰角，陣風(fēng)或氣流沖擊等是擾動量。控制系統(tǒng)的任務(wù)就是在任何擾動（如陣風(fēng)或氣流沖擊）作用下，始終保持飛機以給定俯仰角飛行。（2）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖為：飛機-自動駕駛儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖10、以下幾位工程師或科學(xué)家對經(jīng)典自動控制技術(shù)與理論的發(fā)展做出過什么貢獻。（1）James Watt（2）JCMaxwell（3）EJRouth 和AHurwitz （4）H. Black（5）HNyqui