自动控制原理课后习题答案.pdf

第1章控制系统概述

【课后自测】

1-1试列举几个日常生活中的开环控制和闭环控制系统，说明它们的工作原理并比较开

环控制和闭环控制的优缺点。

解：开环控制一一半自动、全自动洗衣机的洗衣过程。

工作原：被控制量为衣服的干净度。洗衣人先观察衣服的脏污程度，根据自己的经验,

设定洗涤、漂洗时间，洗衣机按照设定程序完成洗涤漂洗任务。系统输出量（即衣服的干净

度）的信息没有通过任何装置反馈到输入端，对系统的控制不起作用，因此为开环控制。

闭环控制一一卫生间蓄水箱的蓄水量控制系统和空调、冰箱的温度控制系统。

工作原：以卫生间蓄水箱蓄水量控制为例，系统的被控制量（输出量）为蓄水箱水位

（反应蓄水量）。水位由浮子测量，并通过杠杆作用于供水阀门（即反馈至输入端），控制供

水量，形成闭环控制。当水位达到蓄水量上限高度时，阀门全关（按要求事先设计好杠杆比

例），系统处于平衡状态。一旦用水，水位降低，浮子随之下沉，通过杠杆打开供水阀门，

下沉越深，阀门开度越大，供水量越大，直到水位升至蓄水量上限高度，阀门全关，系统再

次处于平衡状态。

开环控制和闭环控制的优缺点如下表

控制系统优点缺点

开环控制简单、造价低、调节速度快调节精度差、无抗多因素干扰能力

闭环控制抗多因素干扰能力强、调节精度高结构较复杂、造价较高

1-2自动控制系统通常有哪些环节组成？各个环节分别的作用是什么？

解：自动控制系统包括被控对象、给定元件、检测反馈元件、比较元件、放大元件和执

行元件。各个基本单元的功能如下：

（1）被控对象一又称受控对象或对象，指在控制过程中受到操纵控制的机器设备或过

程。

（2）给定元件一可以设置系统控制指令的装置，可用于给出与期望输出量相对应的系

统输入量。

（3）检测反馈元件一测量被控量的实际值并将其转换为与输入信号同类的物理量，再

反馈到系统输入端作比较，一般为各类传感器。

（4）比较元件一把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的给定值进行比较，

分析计算并产生反应两者差值的偏差信号。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和

电桥等。

（5）放大元件一当比较元件产生的偏差信号比较微弱不足以驱动执行元件动作时，可

通过放大元件将微弱信号作线性放大。如电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、

晶闸管等组成的电压放大器和功率放大级加以放大。

（6）执行元件一用于驱动被控对象，达到改变被控量的目的。用来作为执行元件的有

阀、电动机、液压马达等。

（7）校正元件：又称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方

式连接在系统中，以改善控制系统的动态性能和稳态性能。

1-3试阐述对自动控制系统的基本要求。

解：自动控制系统的基本要求概括来讲，就是要求系统具有稳定性、准确性和快

速性。

稳定性是对系统最基本的要求，不稳定的系统是无法正常工作的，不能实现预定控制任

务。系统的稳定性，取决于系统的结构和参数，与外界因素无关。所谓稳定性是指：当受到

外作用后(系统给定值发生变化或受到干扰因素影响)，系统重新恢复平衡的能力以及输出

响应动态过程振荡的振幅和频率。简单来讲，若一个系统稳定，则当其在外部作用下偏离原

来的平衡状态，一旦外部作用消失，经过一定时间，该系统仍能回到原来的平衡状态。反之,

系统不稳定。

准确性是衡量系统控制精度的指标，用稳态误差来表示。当系统达到稳态后，稳态误差

可由给定值与被控量稳态值之间的偏差来表示，误差越小，表示系统的输出跟随给定输入信

号的精度越高。

快速性反应系统输出响应动态过程时间的长短，表明系统输出信号跟踪输入信号的快慢

程度。系统响应越快，说明系统的输出复现输入信号的能力越强，表明性快速性越好。

在同一个系统中，上述三方面的性能要求通常是相互制约的。

1-4直流发电机电压控制系统如图所示，图1-17(a)为开环控制，图1-17(b)为闭

环控制。发电机电动势与原动机转速成正比，同时与励磁电流成正比。当负载变化时，由于

发电机电枢内阻上电压降的变化