自动控制复习题2010-理工大学建筑设备专业.doc

复习题：一、概念及简答部分1. 什么叫自动控制原理即负反馈调节原理：被控变量馈送回来，与参考输入比较，得偏差(误差)量e(t)，然后利用偏差e(t)使偏差减小。如此积累下去，使偏差减小到给定范围。简言之，就是利用反馈形成误差信号，然后用误差来减小误差，直到误差减小到给定范围内。2. 什么叫自动控制？自动控制系统？自动控制系统的组成，并画出自动控制系统的框图所谓自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如设备或生产过程等）自动地按照预定的规律运行或变化的手段（或操作）另一种定义：是指机器设备在没有人直接参与的情况下，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制实现预期的目标。为了达到自动控制的目的，由相互制约的各个部分，按一定规律组成的具有一定功能的整体称为自动控制系统。它是由被控对象、传感器（或变送器）、控制器和执行器等组成。 图1 框图3. 自动化、自动控制及控制论区别及联系可以这样理解: 控制论是理论的,学它是为你解决一个思想方法,思考方法。是对控制论作宏观的描述，它不仅在自动化上有用，它的经典，比如开环、闭环在企业管理上一样有用（因为管理也是控制）。 自动控制是具体的、非抽象的。它是指导你在实践中设计、设想对过程实现控制的自动执行的具体方法。 自动化它几乎是一个哲学、政治词汇，也可以理解为对前两项的总称，同时根据汉语大词典的解释是动词，是实现自动控制。 4. 自动控制系统中常用术语被控对象简称对象，指自动控制系统中要进行控制的设备或生产过程的一部分或全部。被控变量：被控对象中要求实现自动控制的物理量，例如温度、湿度、压力等。给定值又称设定值，即通过控制作用，使被控变量达到要求的数值。传感器：是将被测（控）量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的元件。例如热电阻、热电偶等。控制器：将被控变量的实测值信号与给定值信号相比较、检测偏差并对偏差进行运算、按照预定的规律发出控制指令的部件。因此，它一般具有给定、比较、指示、运算和操作功能。控制器又称调节器。执行器：将来自控制器的控制信号，转变为操作量的部件，它由执行机构和调节机构组成。例如，电动调节阀是由电动执行机构（电动机、减速器）和调节阀组成。操作量：它是为使被控变量受到干扰后，再恢复到新稳定值而需要通过调节机构向对象输入（或从对象中输出）的物料量或能量。干扰：引起被控量发生变化的外部原因. 5. 自动控制系统的分类按信号流向（控制系统结构）：开环、闭环和复合控制系统按系统输入信号：恒值调节系统(自动调节系统)，随动系统(跟踪系统)，程序控制系统。6. 自动控制系统的两个特点对希望值和实际值进行比较，自动修正并消除偏差。信息总是沿个方向传递，经反馈支路形成闭环。7. 画图说明什么是闭环系统？它具有什么特点？既有前项通道，又有反馈通道，输出信号对输入信号有影响。具有控制精度高、适应性强的特点，是基本的控制系统，存在系统稳定性问题。 8. 画图说明什么是开环系统？它具有什么特点？只有前项通道，无反馈通道，输出信号对输入信号无影响。不存在系统稳定性问题。9. 开环控制系统属于自动控制系统吗，为什么？开环控制系统不属于自控系统，但属于控制系统。这是因为开环控制系统对实际值、期望值的差异不具备识别能力，所以不具备自动减小此差异的能力。10. 自动控制系统的静态和动态？静态：当输入恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂时不动作，它们的输出都处于相对静止状态，这种状态称为静态。 同样，对任何一个环节来说，也存在静态。在保持平衡时的输出与输入关系称为环节的静态特性。动态：从输入开始，经过控制，直到再建立静态，在这段时间中整个系统的各个环节和参数都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。在另一方面，当给定值变化时，也引起动态过程，调节装置力图使被控参数在新的给定值或其附近建立平衡。11. 自动控制系统的过渡响应当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量随时间不断变化，最终稳定下来。被控变量随时间而变化的过程称为系统的过渡响应，又称系统的过渡过程，也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。12. 什么是阶跃作用 是一种突然地从一个数值变化到另一个数值，而且一经加入就持续下去的作用。13. 什么是动态性能指标？动态性能指标有哪些？（理解定义，能在图中指出）描述稳定的系统在单位阶跃函数作用下，过程随时间变化状况的指标，称为动态性能指标。对于单位阶跃响应，欠阻尼二阶系统的动态性能指标如下。峰值时间 过渡过程曲线达到第一峰值时间，它表明控制系统的灵敏度。调节时间 系统受到输入作用后，被控变量从过渡状态恢复到新的平衡状态所需的时间称为调节时间。它表明系统克服扰动的能力。上升时间 具有衰减震荡的随动系统过渡过程曲线，第一次上升到终值所需时间。若是非震荡的随动系统的过渡过程曲线，响应从终值的10%上升到90%所需时间。超调量 响应的最大偏离量与终值之差的百分比，即：衰减比:衰减比是表示衰减程度的指标，它是反映系统稳定程度即相对稳定性.它是前后两个波峰值之比. 静差又称余差，是指过渡过程终了时的残余偏差，也就是被控变量的稳定值与给定值之差。用C表示，可正可负。 控量偏离给定值的最大值称是最大偏差，又称动态偏差。对于衰减振荡过渡响应，最大偏差是第一个波的峰值.用A表示，是衡量控制质量的一个重要指标。振荡周期:过渡过程从第一个波峰到第二个波峰之间的时间叫振荡周期，它反映了系统的快速性。14. 环节特性，环节的静特性就是指环节的输出和输入的关系。静特性是表示环节在稳态时，输出信号增量与输入信号增量之比。用Ki表示，i=1, 2, 3.，又称放大系数。 15. 环节的动态特性与静特性相对应的特性是动态特性。动态特性是控制理论的重要特性，求动态特性时与系统过渡响应相同也常用阶跃信号。与阶跃信号相对应的响应称为过渡响应。16. 对于一个自动控制系统的性能要求可以概括为三个方面：准确性、稳定性和快速性。17. 试述传递函数的定义。如何由描述对象动态特性的微分方程式得到相应的传递函数？并写出传递函数的一般形式。对于线性定常系统、对象或环节的传递函数的定义可以表述为：当初始条件为零时，系统、对象或环节输出变量的拉氏变换式与输入变量的拉氏变换式之比。如果已知系统、对象或环节的动态数学模型用下述线性常系数微分方程式来描述：式中y 为输出变量， x为输入变量， 表示y(t) 的n 阶导数， 表示x(t) 的 m阶导数。对于一般实际的物理系统， 。假定初始条件为零，对上式的等号两边进行拉氏变换，得:式中Y(s)是y(t) 的拉氏变换， X(s)是x(t) 的拉氏变换，于是可得传递函数：上式就是传递函数的一般形式。由此可见，传递函数一般可以表示为两个的多项式之比，而且分母多项式的阶次总是大于或等于分子多项式的阶次。18. 传递函数的性质（1）只适用于线性定常系统（2）只取决于系统（或元件）的结构和参数，而与外施小和形式无关，它表示了系统的固有特性。（3）传递函数的分母多项式s的最高阶次n总是大于或等于其分子多项式s的最高阶次m。（4）传递函数是在零初始条件下定义的，因而它不能反映非零初始条件下系统的运动过程。（5）传递函数表达式中的分子与分母多项式，可表示因式连乘的形式，其分子的根为零点，分母的根为极点。传递函数分母多项式就是相应微分方程的特征多项式，传递函数的极点就是微分方程的特征根，它决定了系统动态过程的性质。 19. 各种环节的输入和输出之间关系 答 环节的输入输出模型可以用微分方程和传递函数来表示。前者是它的时域形式，后者是它的复域形式。下面列表说明各典型环节的输入输出模型（以y(t) 表示输出， x(t)表示输入）。表1 典型环节的输入输出模型20. 在方块图中，方块之间的基本连接形式有哪几种？从这几种基本连接形式可归纳出哪些方块图的基本运算法则？方块图的基本连接形式有串联、并联和反馈三种，它们的连接形式与相应的基本运算法则：串联：图2表示三个环节串联。 图2 方块的串联若干个环节串联时，总的传递函数等于各方块传递函数的乘积。并联 图3表示三个环节关联。若干个环节并联时，总的传递函数等于各方块传递函数之代数和。相应于图3，则有：图3 方块的并联 图4 负反馈连接 图5 正反馈连接 反馈 图4表示负反馈连接，图5表示正反馈连接。负反馈连接时，其闭环传递函数 为：式中G(s)称为前向通道传递函数，H(s)称为反馈通道传递函数， G(s)H(s)称为开环传递函数。当反馈通道传递函数H(s)=1时，称为单位反馈系统，此时有：正反馈连接时，如图5所示，则有：21. 方块图的等效变换有哪些基本运算规则？系统的方块图有时不一定只是环节串联、并联和反馈三种基本连接的简单组合，而可能具有较复杂的连接方式，这时可以通过方块图的等效变换，将方块图逐步简化为上述三种基本连接关系，然后再运用其相应的传递函数求得整个系统的传递函数，从而建立系统的复域模型。方块图等效变换的基本运算规则列表2。表2 方块图等效变换的基本运算规则22. 说明时间常数的物理意义。当对象受到阶跃作用后被控变量达到新的稳态值K1m的63.2%所需时间就是时间常数，其物理意义是：当对象受到阶跃作用后，被控变量以初始最大的变化速度变化到新的稳态值所需的时间，时间常数大小反映了对象受阶跃作用信号后，被控变量达到新的稳态值的快慢。23. 微分控制为什么不能单独使用？微分控制对纯迟延有无作用？为什么？ 微分控制器的稳定特性是，偏差变化一停止，微分控制作用就不复存在，因此微分控制不能单独使用。对于过程的真正时滞，由于在时滞的这段时间内，被控变量不起响应，变化趋势也不显现，引入微分作用起不道改善品质的作用。24. 为什么一般不单独采用微分或积分控制规律？积分控制的优点是没有静差，但动态偏差大，调节时间长， 故一般不单独使用。微分控制器的稳定特性是，偏差变化一旦停止，微分控制作用就不复存在，因此微分控制不能单独使用。25. 对象的三大特征参数时间常数、放大系数、滞后26. 对象的容积、容积系数？对象的容积是指对象能够存放物质或能量的能力。对象的容积是指被控变量变化一个单位时所需要对象储存量的变化量。二、计算及框图化简1一个水池水位自动控制系统如图所示。试简述系统工作原理，指出主要变量和各环节的构成，画出系统的方框图。解：在这个水位控制系统中，水池的进水量 来自由电动机控制开度的进水阀门，出水量 由用户阀门确定。该系统能在用户用水量 随意变化的情况下，保持水箱水位在希望的高度上不变。希望水位高度由电位器触头A设定，浮子测出实际水位高度。由浮子带动的电位计触头B的位置反映实际水位高度。A、B两点的电位差 反映希望水位与实际水位的偏差。当实际水位低于希望水位时， 。通过放大器驱使电动机转动，开大进水阀门，使进水量 增加，从而使水位上升。当实际水位上升到希望值时，A、B两个触头在同一位置， ，电动机停转，进水阀门开度不变，这时进水量 和出水量 达到了新的平衡。若实际水位高于希望水位， ，则电动机使进水阀门关小，使进水量减少，实际水位下降。图6 水池水位控制系统原理图这个系统是个典型的镇定系统，在该系统中：控制量: 希望水位的设定值被控制量: 实际水位扰动量: 出水量 被控对象: 水池测量元件: 浮子比较元件： 电位器放大元件： 放大器执行元件： 电动机、减速器、进水阀门系统的方框图如图7所示。控制系统中各元件的分类和方框图的绘制不是惟一的，只要能正确反映其功能和运动规律即可。图7 水池水位控制系统方框图2 设描述系统的微分方程为：试求：系统的传递函数；解:将微分方程两端在零初始条件下取拉氏变换，得：于是可求得传递函数：3.为了建立水银温度计的测量值与被测温度之间的数学模型，我们忽略温度计玻璃本身的热容，只考虑温度计内水银的热容。水银具有的热量Q为：图8 水银温度计Q=McT式中 M水银的重量；c水银的比热容。单位时间由周围环境（温度为 ）传给水银温度计的热量应该等水银内蓄存热量的变化率，因此可写成下列式子：式中a水银温度计的等效导热系数；F水银温度计的外表面积。上述方程式可改写为：如令 ，则有： 其相应有传递函数G(s)为：4一个温度计插入100水中测温，经3min后，指示95，如果温度计可视做一个一阶环节并且K=1 ，求：时间常数T；写出其数学模型；t=1min 时，单位阶跃响应是多少？分析 一阶对象的标准模型为 ，且当输入变量做阶跃变化时，输出变量达到新稳态值（100）的95%时所需的时间称为调节时间（过渡时间，恢复时间）。解法1 因为3T=3min ，所以 T=1min 当t=1min时： 解法2 写出一阶环节的标准传函因为： 所以：依题意： 解出： T=1 5.空调房间温度对象的数学模型为：。式中：Tn为回风温度；Ts为送风温度；Tf为干扰折算成送风温度。求干扰通道传递函数 调节通道传递函数 6.设多环系统的方框图如图9所示，试对其进行化简，并求闭环传递函数，要求画出简化过程。 图9(注意4、5的处理，是先把4计算在内后再把5计算在内)7. 已知系统的方块图如图10所示。图10 方块图试通过方块图的等效变换，求出 ；解 这是一个多回路的方块图，且在 、 、 之