自动控制原理与系统部分课后答案孔凡才第3版机械工业出版社.pdf

课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 第第 1 1 1 1 章章 疑难问题解答疑难问题解答 思考题：思考题：1-11-11-11-1 开环控制与闭环控制的特征、优缺点和应用场合 （1）对于开环控制，系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响。 优点：无反馈环节，一般结构简单、系统稳定性好、成本低。 缺点：当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直接影响输出量，而系统不能自动进行补偿。特别 是当无法预计的扰动因素使输出量产生的偏差超过允许的限度时，开环控制系统便无法满足技术要求。 应用场合：一般应用在输出量和输入量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或 这些扰动因素产生的误差可以预先确定并能进行补偿的情况下，应尽量采用开环控制系统。 （2）对于闭环控制，系统输出量通过反馈环节返回作用于控制部分，形成闭合回路。 优点：可以自动进行补偿，抗干扰能力强、精度高。 缺点：闭环控制要增加检测、反馈比较、调节器等部件，会使系统复杂、成本提高。而且闭环控制会 带来副作用，使系统的稳定性变差，甚至造成不稳定。 应用场合：用于输入量与输出量关系为未知，内外扰动对系统影响较并且控制精度要求不高的场合。 1-31-31-31-3 对自动控制系统性能指标的基本要求 一 稳，意谓系统稳定性好，动态过程的超调和振荡小 二 准意谓系统稳态性能好，无静差或静差小 三 快意谓系统失稳后调整时间短，能尽快恢复或达到新的稳定状态 1-4 组成自动控制系统的主要环节有哪些？它们各有什么特点？起什么作用？ 答：主要环节有： （1）给定元件：由它调节给定信号，以调节输出量的大小。 （2）检测元件：由它检 测输出量的大小，并反馈到输入端，此处为热电偶。 （3）比较环节：在此处，反馈信号与给定信号进行叠 加，信号的极性以“+”或“”表示。 （4）放大元件：由于偏差信号一般很小，因此要经过电压放大及 功率放大，以驱动执行元件。 （5）执行元件：驱动被控制对象的环节。 （6）控制对象：亦称被调对象。 （7） 反馈环节：由它将输出量引出，再回送到控制部分。 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 1、习题 1-6 解解 ：最大超调量，调整时间，振荡次数，技术性能最差。 ：，技术性能较好。 ：，技术性能最好。 2、习题 1-7 解解 要画出控制系统方块图，第一步（也是关键的一步）就是搞清系统的工作原理或工作过程。 在如图 1-17 所示的电路中，被控量是负载（电阻）上的电压(输出电压)。若不采用稳压 电源，将负载直接接到整流电路（图中未画出）的输出电压上，则当负载电流增加（减 小）时，整流电源的等效内阻上的电压降落将增加，使整流输出电压（此时即为负载上的电 压）降低。当然，若电网电压波动，也会使整流输出电压产生波动。设整流输出电压的波动为 ，它是造成负载上电压不稳定的主要原因。 如今增设了稳压电路，此时负载上的电压不再是整流电压，而是整流电压在经调整管 的调节后输出的电压。导通程度愈大，则输出电压大些，反之将小些。由图可见，调 整管的导通程度将取决于放大管的导通程度。管的发射极电位由电阻和稳压管构 成的稳压电路提供恒定的电位。管基极电位取决于负载电压（由和构成的分压电 路提供输出的负载电压的采样信号） 。 当负载电压因负载电流增加（或电网电压下降）而下降时，则下降；由于发射极 电位恒定， 于是将减小； 这将导致的集电极电流减小， 此电流在电阻的压降 （） 也将减小；这将是调压管的基极电位升高，的导通程度加大，使输出电压增加，从而 起到自动补偿的作用。其自动调节过程参见下图。 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 图（图（1-11-1）稳压电源电路的框图及自动调节过程）稳压电源电路的框图及自动调节过程 由以上分析可知，此系统的输出量为,给定值取决于稳压管的稳压值，检测元件为 、构成的分压电路，反馈信号为电压负反馈，执行元件为调压管，放大元件为，扰 动量为整流输出电压的波动。由此可画出如图所示的框图。 3、习题 1-8 解解 在图 1-18 所示的控制系统中，合上“开门“开关（“关门“开关联动断开） ，给定电位器便向放 大器送出一个给定电压信号。 此时反映大门位置的检测电位器向放大器送出一个反馈电压信号。 这两个电压信号在放大器的输入端进行迭加比较，形成偏差电压。此电压经放大后驱动电动机 带动卷筒使大门向上提升。这一过程要一直继续到大门的开启位置达到预期值，反馈电压与给 定电压相等，偏差电压为零时才停止。若大门开启的程度不够大（门未全开） ，则可调节给定电 位器，使与“开门“开关相连的触点上移即可。 由以上分析可知，此系统的控制对象是仓库大门，执行单元是直流电动机和卷筒，给定信 号由“开门“（或“关门“）开关给出，调节给定电位器（的触点）即可改变大门的开启（或关闭） 的程度。 （当然，整定检测电位器触点与大门的对应位置，也可调整大门的开启程度） 。通过与 大门相连的连杆带动的检测电位提供位置反馈信号。由以上分析可画出如下图所示的系统组成 框图： 4、题 1-11 解解 图 1-21 所示系统的组成框图和自动调节过程如下图所示： 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 图（图（1-31-3） 直流调速系统组成框图和自动调节过程直流调速系统组成框图和自动调节过程 5、题 1-9 图 1-19 系统组成框图如下： 6、习题 1-10 第第 2 2 2 2 章章 疑难问题解答疑难问题解答 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 1、题 2-1 解 2、题 2-2 解 3、题 2-3 解 0 ； 5 ； ； 0 。 第第 3 3 3 3 章章 疑难问题解答疑难问题解答 题 3-1 定义传递函数时的前提条件是什么？为什么要附加这个条件？ 答：传递函数定义为：在初始条件为零时，输出量的拉氏变换式与输入量的拉氏变换式之比。这里所谓初 始条件为零，一般是输入量在 t=0 时刻以后才作用于系统，系统的输入量和输出量及其各阶导数在 t0 时的值也均为零。现实的控制系统多属于这种情况。在研究一个系统时，通常总是假定该系统原来处于稳 定平衡状态，若不加输入量，系统就不会发生任何变化。系统中的各个变量都可用输入量作用前的稳定值 作为起算点，因此，一般都能满足零初始条件。 1.题 3-2 惯性环节在什么条件下可近似为比例环节？在什么条件下可近似为积分环节？ 答：惯性环节在动态响应初期，它近似为一积分环节，而在响应后期（近稳态时）则近似为 一比例环节，此外，从频率响应看（参见第 4 章分析） ，在高频段，惯性环节近似为积分环节， 而在低频段则近似为一比例环节。 2.题 3-3 答：不能。从它们串联（或并联）后的等效传递函数来分析，就可得到这个结论： 比例积分环节的传递函数为 比例微分环节的传递函数为 (1)两者串联后的传递函数 上式可见,无论参数如何调节，都无法使 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom （2）两者并联后的函数 由上式同样可见，无论参数如何调节，也都无法使 题 3-7 方框图等效变换的原则是什么？ 答： （1）环节前后比较点的移动：根据保持比较点移动前后系统的输入/输出关系不变的等效原则，可以 将比较点向环节前或后移动。 （2）环节前后引出点的移动：根据保持引出点移动前后系统的输入/输出关系不变的等效原则，可以 将引出点向环节前或后移动。 （3）连续比较点、连续引出点的移动：由于信号具有线性性质，它们的相加次序可以任意交换，因而 它们的引出点也可以任意交换。 3.题 3-9 解a）（由分压公式求取） 上式中，此为一惯性微分环节。 b）（由分压公式求取） 上式中，此为无源校正环节（这在第 六章中介绍） 。 c）由求取 上式中，此为有源校正环节（这在第六章中介绍）。 d） 上式中， 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 4.题 3-10 解与图 3-27 所示系统对应的系统框图，如下图所示： (1)图中为比例系数可调的比例积分（PI）调节器，其传递函数。 由图 3-27 可见， 此运放反馈回路取样电压不是， 而是经 3.3K电位器与 300 电阻分压后的。 由图可见： 反馈电压的减小，相当反馈电阻增大为倍，因此其增益为 其时间常数s (2)为比例环节 。 (3)为比例微分环节 式中 ， 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom (4)为惯性环节 式中 ， (5)为积分环节 式中 (6)由于均为反相输入端输入，中均应带一负号，由于书中约定，为简 化起见，一般将此负号省略，最终极性有实际状况确定。 此处由五个（奇数）环节，所以极性应变号，因此，此为负反馈。其反馈系数由分压电 路可知。 5.题 3-11解由图 3-28 并参考式（3-45）有 6.题 3-13 解（）对图 3-29a 所示系统，要特别注意的是：系统框图中的 H1(s)构成的回路不是反 馈回环，而是 G1(s)、G2(s)的并联支路。于是先并联后，再应用式（3-38） ，可求得 （）图 3-29b 的闭环传递函数可直接应用式（3-46）求得 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 7.题-14 解由图 3-30 并参考式（3-45）有 第第 4 4 4 4 章章 疑难问题解答疑难问题解答 题 4-4 应用频率特性来描述系统（或元件）特性的前提条件是什么？ 答：频率特性又称为频率响应，它是系统（或元件）对不同频率正弦输入信号的响应特性。对线性系统， 若其输入信号为正弦量，则其稳态输出响应也将是同频率的正弦量。但是其幅值和相位一般都不同于输入 量。 题 4-5 频率特性有哪几种分类方法？ 答：以坐标分为直角坐标（实频特性和虚频率特性）和极坐标（幅频特性和相频特性） 以图形分为幅相极坐标图和对数频率特性（对数幅频特性和对数相频特性） 以研究角度分为开环频率特性和闭环频率特性。 1、题4-11解先将PI调节器传递函数化成标准形式： 于是如图 4-18b ）所示，其低频渐进线为 斜直线，转角频率，经处变为水平线，其高度为 。图读者自画。 、题 4-12解 由题 3-9 解答有 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 上式中， 于是可画出对数幅频特性如下图所示 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 图（4-1） 由于其中惯性环节的作用占主导地位，因此它是一个相位滞后的环节。 3、题 4-13解 由图 4-42 可见，系统的固有部分的传递函数为 串联调节器后，系统开环传递函数为 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 上式中，； ； 。 于是可画出如下图所示的对数幅频特性。 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 图（4-2） 4、题 4-14解 若，则串联比例调节后的开环传递函数为 在上式中， 。 于是可画出如下图所示的对数幅频特性 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 图（4-3） 、题 4-15解 由图 4-43 可见，此环节有 4 个交接频率，他们分别是： ， 。 此环节低频渐近线为dB/dec 水平线，所以不含积分环节。另由水平线高度为有， 可得。因此，由图可得出其传递函数为 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 、题 4-16解 7、题 4-17解 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 8、题 4-18解 （1）校正前，系统仿真及阶跃响应曲线 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom （2）比例积分（PI）校正后，系统仿真及阶跃响应曲线 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 、题 4-19解 （2）比例（P）校正后，系统仿真及阶跃响应曲线 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 10、题 4-20（答）参见题 5-24（3）解答中的分析 第第 5 5 5 5 章章 疑难问题解答疑难问题解答 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 1.题 5-1 答由于位置跟随系统的输出量为角位移，而调速系统的输出量为转速 n，两者间的 关系。因此，在同一个系统中，作为位置跟随系统将较调速系统多包含一个积 分环节，它将使系统的相位稳定裕量显著下降（减少），系统的稳定性明显变差。因此作 为一个稳定系统的调速系统，当它改作位置跟随系统，采用位置负反馈后，便可能成为一个不 稳定系统（这也是在位置跟随系统中，较少像调速系统那样，直接采用 PI 调节器，而是采用 PID 调节器来作为位置调节器的主要原因）。 2.题 5- 答当速度调节器为比例积分（PI）调节器的调速系统发生持续振荡时，可采取的措 施有： （1）(PI）调节器的传递函数=/(s)，减小调节器的增益，可 使系统的稳定性改善（相位裕量增加）。 （2）适当增加速度调节器的时间常数(即增大)，这一方面可使系统的总增益下降注 意调节器传递函数分母中含有，有利系统稳定。另一方面，的分子中 的增加，使它产生的相位增大，它使系统的相位稳定裕量增加，系统稳定性改 善。 （3）将构成调节器的运放电路中的反馈电容短接。这样便将比例积分（）调 节器变换成比例（）调节器，这将使相位稳定裕量增加，系统的稳定性明显改善。原先 调节器使相位滞后的电角为，如今变为。但这是以牺牲稳态精度为 代价的（详见第章.节分析）。 （）与调节器反馈回路并联一个高值（）电阻。这会使调节器造成的相 位滞后减少，相位稳定裕量增大，系统稳定性改善。当然这种办法也会使稳定精度有所下降， 但较上一种办法影响小。因此这是常采用的方法之一。 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom （）在调节器输入回路电阻0 上并联一个电容0，这实质上使增加了一个比例微 分环节，它将使相位裕量增大，系统稳定性改善。但这时的调节器已不再是调节器，而是 调节器了（详见第章分析）。 以上这五种办法中，（1）、（2）是调节 PI 调节器参数，（3）、（4）、（5）是将 PI 调节器变成其他类型的调节器，以改善系统的稳定性. 3.题- 答铜箔轧制系统通常是由多台电动机同步联动驱动的，若电动机转速不稳定，便会 产生铜箔厚薄不均匀的现象。因此当发现轧制出来的铜箔严重不均匀时，便可推断可能是电动 机的转速不稳定造成的。对这种传动精度和稳定性的要求都是比较高的场合，一般都采用双闭 环直流调速系统。而且为了保证有足够的稳定裕量，常常采用上题（题）解答中介绍的 （） 、 （） 、 （）三种方法。并且尽量采用转动惯量较小的电动机和尽量使铜箔厚度检测点 靠近轧制点（以减少反馈量在时间上的延迟） 。 4.题- 答造成系统不稳定的物理原因，主要是系统中存在惯性或延迟环节，它们使系统反 馈信号产生时间上的滞后，使反馈量在某个（或某些）频率上对给定信号形成正反馈，可能导 致系统产生不稳定现象。 开环系统大多说来是稳定的，但也有不稳定的，这是因为开环系统中的某些部件，本身就 是一个闭环系统（如直流电动机，电势即构成闭环），就可能是一个振荡环节。 5. 题- 答稳定，稳定边界（属不稳定），不稳定，稳定，稳定。 6.题- 答若某控制系统对跟随信号为无静差，对扰动信号则不一定为无静差，因为这要看系统 所含的积分环节在扰动量作用点之前还是之后，若是后者则为有静差。若对扰动量系统为无静 差，这说明前向通路中含有积分环节。这样，对跟随信号也将是无静差的。 7.题- 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 答由于调速系统为恒值控制系统，所以通常以阶跃信号作为典型输入量（阶跃信号 的稳态即为恒值信号） 。而在随动系统中，输入量一般是变化着的。在不断变化着的信号中， 等 速信号是最简单的一种，所以在分析跟随性能时，通常以等速信号作为典型输入量。 .题-23 解由图 5-28 有 ， K=100；，所以 9.题 5-24 解(1)， (2)校正前 ()校正后 ()分析:校正前,比例校正使增益降为 1/2,使,相对稳定性有改善, 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 但不明显。 采用 PI 调节器后变为,相对稳定性变差,接近稳定边界,所以不宜采用. 10.题 5-25 解()先求出系统在未计及测量环节在时间上的延迟时的相位稳定裕量.此时系统的 开环传递函数 由上式可知 ,此时由 上述数字可知，此时，所以穿越频率，于是可得相位裕量 (2)若计及延迟环节影响，要使系统能稳定运行，则延时环节造成相位上的滞后 ，不能超过相位裕量。即 由于测量环节延迟的时间，代入上式有 ，于是有 有以上计算可知，测量仪器离轧制点的最大允许距离为。 11.题 5-26 解图 5-18 所示系统为三个惯性环节，它的图如图 5-10曲线所示。 由图 5-18 可见， 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 开环增益， ， ， ； 此时的算越频率如图(5-2)e 所示， 于是有：， 于是由式（5-7）有： （已不稳定） 12.题 5-27 解（1）由图 5-29 可见，系统前向通路中含有一个积分环节，由于给定输入量为阶跃 信号，所以其跟随稳态误差。（2）由图可见，在扰动量作用电前不含积分环节， ，所以扰动误差为 于是 （3）此系统对跟随信号来说为 I 型，对扰动信号来说为 O 型系统 （4）系统的稳态输出 系统的输出量（拉氏式）由图 5-29 可得 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 系统输出量得稳态值可应用终值定理求得，即 以前式代入上式（当时，分母中的“1”与 1/s 项相比，可略而不计， 于是当 s0 时，可简化成，代入上式于是有 13.题 5-28 解（1）图 5-30 所示系统中，扰动量作用点前，不含积分环节，由于及， 不可采用近似公式，所以，由式（5-27）有 （2）此时的转速 n 由终值定理可求得 （题意即） 静差率 （3）增大增益K，在D(s)前采用 PI 或 PID 调节器。 14题 5-29 解与标准形式对照得，。由以上参数由公式或曲线图 得，次（显然，动态指标很差）。 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 第章第章【疑难问题解答】【疑难问题解答】 题题 6-16-16-16-1 什么是系统校正？系统校正有哪些类型？ 答：当自动控制系统的稳态性能或动态性能不能满足所要求的性能指标时，首先可以考虑调整系统中可以 调整的参数： （如增益、时间常数等） ；若通过调整参数仍无法满足要求时，则可以在原有的系统中，有目 的地增添一些装置和元件，人为地改变系统的结构和性能，使之满足所要求的性能指标。我们把这种方法 系统校正。 根据校正装置在系统中所处的地位不同，一般分为串联校正、反馈校正和顺馈补偿。在串联校正中，根据 校正环节对系统开环频率特性相位的影响，又可分为相位超前校正、相位滞后校正和相位滞后-超前校正。 在反馈校正中，根据是否经过微分环节，又可分为软反馈和硬反馈，在顺馈补偿中，根据补偿采样源的不 同，又可分为给定顺馈补偿和扰动顺馈补偿。 1题 6-6 答 PID 串联校正是在低频段使系统的相位滞后，可改善系统的稳态性能；而在中频段， 它使系统的相位超前，可增加系统的相位裕量和穿越频率，使系统的稳定性和快速性得到改善； 由于人们分析频率特性时，通常由低频段中频段高频段的顺序去探讨问题的，因此按此顺序命 名为相位滞后-超前校正。此外，由于相位的滞后与超前，不是在同一个频率点发生的。 因此 不能相互抵消。若采取在低频段使相位超前，而在中频段使相位滞后，则效果与上述相反，将 使系统的稳态性能和稳定性，快速性全面变差，因此，这是不可取的。 2题 6-7 答 在教材图 6-11a 所示的随动系统中，若串联校正装置的传递函数： 与对应的 与对应的 此校正环节的伯德图如图（6-1）所示。 由图可见，它为相位超前校正，将改善系统的稳定性和快速性，使最大的超调量减小，振 荡次数减少，调整时间缩短。 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 图(6-1)校正环节的伯德图 3题 6-9 答比例(P)串联校正； 比例加微分(PD)串联校正； 比例加积分(PI)串联校正； 比例加积分加微分(PID)串联校正； 转速负反馈（位置微分负反馈） ； 转速微分负反馈（角加速度负反馈） ； 位置负反馈（主反馈） ； 扰动顺馈补偿； 扰动微分顺馈补偿； 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 输入顺馈补偿； 输入微分顺馈补偿。 4 4题题 6-116-11 解（1） （2） 在式中此为 PI 调节器。 其电路图如表 6-2a)所示。 若选取 则(取) 由有,(取) (3) (4) 稳态性能:校正后,系统由 O 型变为 I 型，对阶跃信号由有静差为无静差，稳态性能 明显改善。 稳定性:由于 PI 调节器的增益，增益减小，使相位裕量有所增加(由 )，稳定性改善，与均有减小。由此例可见，适当降低增益，可弥补 PI 校正 对稳定性的消极影响。 快速性:由，快速性变差。 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 5.5.题题 6-126-12 解被微分负反馈（）包围后变为: 系统开环传递函数 与式（5-33）对照有及， 可得校正前、后的性能对比如表(6-6)所示。 表表(6-6)(6-6)校正前后性能对比校正前后性能对比 注：注：( (对阶跃信号而言对阶跃信号而言) ) 由于微分负反馈，在稳态不起作用，所以对稳态性能无影响。微分负反馈对惯性环节的影由于微分负反馈，在稳态不起作用，所以对稳态性能无影响。微分负反馈对惯性环节的影 响是使惯性时间常数变大，响是使惯性时间常数变大， 这将使系统的稳定性和快速都变差这将使系统的稳定性和快速都变差( (由由，由由 ），所以这种方案不宜采用。），所以这种方案不宜采用。 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 6 6、题、题 6-136-13解解 1、校正前，系统仿真及阶跃响应曲线 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 2、对大惯性环节，采用硬反馈校正后的系统统仿真及阶跃响应曲线 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 结论：对照校正前后的阶跃响应曲线，不难发现，对大惯性环节采用硬反馈校正后，超调结论：对照校正前后的阶跃响应曲线，不难发现，对大惯性环节采用硬反馈校正后，超调 量明显减小（量明显减小（由由 50%50%25%25%），快速性明显加快（），快速性明显加快（由由 7 7 秒秒3.53.5 秒），系统性能明显改善。秒），系统性能明显改善。 第章第章【疑难问题解答】【疑难问题解答】 1. 题 7-4、题 7-5 答在反馈控制系统中，控制器的的输入量通常是给定量与反馈量的偏差量（）， =-, 式中为给定量,为反馈量。通常相对（或）是很小的，例如 设，则=0.5 。当反馈信号线断线（）或反馈信号线接反（ ）时,则变为 (或 .),为原来的 20 倍(或 39 倍),这时控制器 输入端的信号变得如此的大,将会使输出量大幅度增加,甚至造成严重事故。 2. 题 7-6 答电流负反馈环节、电流微分反馈环节和电流截止负反馈环节在结构、特点和作用上的 区别如表(7-1)所示。由于它们之间不存在相互的制约因素，因此在同一个控制系统中，可以同 时采用。 表（ 7-1）电流负反馈、电流微分负反馈和电流截止负反馈 环节比较 3题 7-8 答 PI 调节器的反馈回路并联一个电阻后，其传递函数由变为 （参见题 3-9d 答案）。这意味着由惯性环节取代了积分环节，将使系统 相对稳定性改善，但稳态性能变差。 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 4题 7-9 答不为零。这电压靠反馈电容器上的充电电压维持的。 5题 7-10 答增添微分环节，将加速启动过程（如采用 PID 调节器）。增添给定积分环节，将使启 动过程平稳（如采用给定积分电路）。 6题 7-11 答 a.降低比例调节器增益； b.采用比例微分调节器； c.采用 PID 调节器。 由截止电流可知、减小值（电位器 RP3 滑点左移），即可减少截止 电流的值（即启动电流的值）。 a.增大增益； b.采用 PI 调节器; C.采用 PID 调节器。以上均以降低系统稳定性 为条件，因此要注意系统动态性能改变的情况。 7题 7-12 答参见题 7-11解答 8题 7-13 答主要调节速度调节器参数，并参见题 7-11解答。 9题 7-14 答在图 7-34 中， A3 为调节器，由图 7-32 可见,A3 构成的为比例调节器，所以是有静差 调速系统。若要实现无静差，则与串联电容器（改为 PI 调节器）即可。 10.题 7-16 答 V1 与 V2 同时导通会对电源形成短路，烧坏元件。常用的防止措施是在驱动电路中增 加延时环节，使后面的管子延时导通。 11.题 7-17 答仍为无静差。因为调速系统是否无静差取决于速度调节器。 12.题 7-18 答系统偏差电压，为无静差；，则为有静差。 13题 7-22解 二极管 VD4 极性接反，控制电路（包括电压放大电路）与电源间的连接将被 VD4 阻断， 系统无法工作。 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 若稳压管断路，电流截止负反馈信号将无法送出，电路机启动时将会产生很大 的启动电流，把晶闸管烧坏。 若稳压管短路，则电流截止负反馈变为电流负反馈，它将抑制电流上升，使启动过程 变慢，机械特性变软。 电位器 RP5 右移，将使电流正反馈电压增大，它将使机械特性变硬，但过大也可能 造成系统震荡。 电位 RP3 下移，意味着给定电压下降，它将使电动机的转速降低。 14.题 7-23解 由图可见 , 模块的输出端 A、B 直接供给一永磁式直流伺服电动机。此 外模块中的偏差放大器的反相输入端 4 是接入给定指令（电压），而其正相输入端 3 则接入直 流测速发电机的输出信号，因此这是转速负反馈。不难推断，这是一个直流调速系统。 由于集成模块的桥式功放电路的供电电压，所以伺服电动机的最大供电 电压为。 由于此模块的最大输出电流为，所以供给电动机的最大电流也是 。由此可见，系统中的直流伺服电动机是一个微型电动机。 由于输出端 A、 B（ 12、 13 脚）能交替产生正、反向电压（=“+”时， “0”；反之当=“+”时，=“0”）。所以能实现可逆驱动。 此时偏差放大器的输入回路阻抗为一电阻，而它的输出端 5 与输入端 4 之间，接入并 联着的电阻、电容；所以这是一个惯性调节器。它的作用是实现平稳过渡。 由于 模块的结构所致，它只能输出单极性 波形的电压。因此伺 服电动两端的电压波形便是单极性的脉宽调制波。 由于具有转速负反馈环节，所以它是闭环控制系统。又由于系统的调节器是惯性调节 器，对调速系统来说，它将是一个有静差控制系统若要实现无静差，应采用比例积分() 调节器，即在 4、5 脚之间，接入 一个电阻与电容串联的阻抗。 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom （8）此模块输出的电压的开关频率式中。由上式可见， 虽然可以通过改变电容量 C 来调节频率，但电容值一般不准，而且调节很不方便；所以最方便 的方法，便是调节。若将脚 1、2 之间与脚 7、9 之间的电阻换成适当阻值的电位器；这 样，整定这两个电位器，便可调节，从而较方便地实现了开关（载波）频率的整定。 15题 7-28 解 A：给定电位器， B：给定积分器， C：带输出限幅的 PI 调节器（速度调节器）， D： PI 调节器（电流调节器）， E：逻辑控制器， F：整流电路， G：触发电路， H：反并联晶闸 管， ：快速熔断器， J：电流互感器， K：交流电抗器， L：总熔断器。 此为逻辑无环流控制的转速、电流双闭环三相晶闸管可逆直流调速系统。 16题 7-26 实例分析 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 图 7-46 为一直流调速系统线路图 (1) 主电路：图中 为直流电动机（控制对象）。它由单相半控桥式整流电路供电。电路中 VD2 为续流二极管（由于电动机为感性负载，它为感性负载提供放电回路，使晶闸管在交流电 压 过零时能关断）。VD1 为正组与负组对接的硒堆（吸收交流侧浪涌电压）。在元件两端和直 流侧的阻容吸收电路为吸收作用于元件和直流侧的尖脉冲过电压。为分流器，（为电流表 提供电流取样信号）。（）为过电流继电器（过电流保护，它对主电路的保护，线路图中 未画出）。RC 为电枢电流取样电阻，RP5 为调节电流取样信号的电位器。 RP6 是调节电枢电压 取样信号的电位器。电动机的励磁回路由 电源经二极管桥式整流电路供电。 (2) 触发电路：它由单晶体管组成的自激震荡电路产生触发脉冲（其工作原理可参见教材 中的有关论述）。其脉冲输出经电压放大后供给脉冲变压器一次线圈，与线圈并联的 VD5 为续 流二极管。脉冲变压器有两个二次线圈，分送两个晶闸管门极。与门极并联的电容是限制门极 电压的大，与门极反并联一二极管为门极反向过电压限幅保护，二极管 VD7 为阻挡反向 脉冲形成。与脉冲输出电路并联一个（容量较大的）电解电容，是为了让它在脉冲输出时向脉 冲变压器一次线圈放电，以增加脉冲功率和脉冲前沿陡度。为了避免此电容使触发电路同步电 压的过零点消失，因此增设了隔离二极管 VD6。 (3) 控制电路：给定电压由电位器 RP1 给出，它与转速负反馈电压叠加后（此两电压极性 相反）送往放大触发电路。（在分析控制电路时，要首先注意找出公共端线，在此系统中，与 电位器 RP3 滑动端相联的线为公共端线）。图中 RP2 为调节最大给定电压（亦即整定系统的最 高转速），RP3 调节最小给定电压（亦即整定最低转速）。在放大器的输入端设有由二极管构 成的正、反向限幅电路。 (4) 反馈环节：此系统含有的反馈环节有： 1) 转速负反馈，它由测速发电机提供反馈信号，与给定电压反向串联叠加后送往控制 电路。它的作用是保持系统转速恒定。电位器 RP9 调整反馈电压大小。 与测速发电机并联的电压表读数与转速成正比，因此可做转速指示，电位器 RP8 整定转速 的读数。 2)电压微分负反馈，它由电位器迫 RP6 取出电压反馈信号，再经电阻与电容输出，形成电 压微分负反馈（因其极性与给定电压相反）（注意 RP6 的上端为公共端）。此电压信号与给定 信号在放大器输入端为并联输入。 电压微分负反馈环节主要是抑制电枢电压的上升率 （）， 使系统的动态过程平稳。限制过大，也可对起保护作用。 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 课后吧课后吧httphttphttphttp:/:/:/:/comcomcom 3)电流截止负反馈，它由电位器 RP5 取出电流信号电压再与稳压管 V2 的阈值电压（转 折电压）进行比较后去控制 三极管的基极（此三极管对形成锯齿波的充放电电容 器构成放电电路）。当电枢电流超过某允许值（截止电流）时，电流信号电压超过稳压管的转 折电压，将稳压管“击穿”，使旁路三极管导通，它将使电容的充电过程放慢，延迟了脉冲产 生的时刻，使晶闸管导通时刻延迟，整流输出电压平均值下降，使电枢电流下降，从而达到限 制最大电流的目的。 (5) 电位器 RP1RP9 下移（或右移）对系统产生的影响如下： 1) RP1 下移：调节电动机转速，（使转速下降）。 2) RP2 下移：整定系统最高转速（增加），（RP