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1、自动控制原理c维持不变,1.1 图1.18是液位自动控制系统原理示意图。在任意情况下，希望液面高度 试说明系统工作原理并画出系统方块图。用来设置期望液位高度 c* (通常点位器的上下位移来实现 )。当电位器电刷位于中点位置时，电动机不动，控制阀门有一定的开度， 使水箱的流入水量和流出水量相等，从而使液面保持在希望高度 c*上。一旦流出水量发生变化(相当于扰动)， 例如当流出水量减小时， 液面升高，浮子位置也相应升高， 通过杠杆作用使电位器电刷从中 点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的液体流量减少。这时，水箱液位下降浮子位置相应下降，直到电位
2、器电刷回到 中点位置为止，系统重新处于平衡状态，液位恢复给定高度。反之，当流出水量在平衡状态 基础上增大时，水箱液位下降，系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升到给定高度c* 。系统方框图如图解1.4.1所示。图S 1-4.1液位自动控制垂统方框图1.2恒温箱的温度自动控制系统如图1.19所示。(1) 画出系统的方框图；(2) 简述保持恒温箱温度恒定的工作原理；（3）指出该控制系统的被控对象和被控变量分别是什么。图1.19恒温箱的温度自动控制系统解：恒温箱采用电加热的方式运行，电阻丝产生的热量和调压器电压平方成正比，电压增高，炉温就上升。调压器电压由其滑动触点位置所控制，滑臂则由伺服电
3、动机驱动炉子的实际温度用热电偶测量， 输出电压作为反馈电压和给定电压进行比较，得出的偏差电压经放大器放大后，驱动电动机经减速器调节调压器的电压。在正常情况下，炉温等于期望温度 T,热电偶的输出电压等于给定电压。 此时偏差为零， 电动机不动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上。 这时，炉子散失的热量正好等于 从电阻丝获取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。当炉温由于某种原因突然下降 （例如炉门打开造成热量流失 ）时，热电偶输出电压下降， 和给定电压比较后出现正偏差，经放大器放大后，驱动电动机使调压器电压升高，炉温回升，直至温度值等于期望值为止。当炉温受扰动后高于希望温度时，调节的过程
4、正好相反。最终达到稳定时，系统温度可以保持在要求的温度值上。系统中，加热炉是被控对象，炉温是被控变量，给定量是给定电位器设定的电压（表征炉温的希望值）。给定电位计是给定元件，放大器完成放大元件的功能，电动机、减速器和 调压器组成执行机构，热电偶是测量元件。系统方框如图解1.4.5所示。1.3解：当负载（和接收自整角机 TR的转子固联）的角位置 入和发送机Tx转子的输入角位置 6 一致时，系统处于相对豫止状态，自整角机输出电压（即偏差电压）为0,放大器输出为 0,电动机不动，系统保持在平衡状态。当R改变时，入和ri失谐，自整角接收机输出和失谐角成比例的偏差电压， 该偏差电压经整流放大器、功率放大
5、器放大后驱动电动机转动，带动减速器改变负载的角位置 乙，使之跟随弓变化，直到和千一致，系统达到新的平衡状态时 为止。系统中采用测速发电机 TG作为校正元件，构成内环反馈，用于改善系统动态特性。二。，给定量是发送自整角该系统为随动系统。被控对象是负载；被控量为负载角位置 机TX转子的角位置丁。自整角机完成测量、比较元件的功能，整流放大器、功率放大器共同完成放大元件的功能，电动机 SM和减速器组成执行机构，测速发电机TG是校正元件,系统方框图如图解146所示。图解14" 自整角机随动案统方框图1.4解 工作原理：温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温，并在温度控制器中和给定温度相比较，
6、若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大，进入热交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为零。如果由于某种原因，冷水流量加大，则流量值由流量计测得，通 过温度控制器，开大阀门，使蒸汽量增加，提前进行控制，实现按冷水流量进行前馈补偿， 保证热交换器出口的水温波动不大。系统中，热交换器是被控对象，实际热物料温度为被控变量，冷水流量是干扰量。 系统方框图如图解144所示。这是一个按干扰补偿的复合控制系统。图解1泡,水觀揑方框图1.5解 带上负载后，由于负载的影响，图(a)和图(b)中的发电机端电压开始时都要下降，但图中所示系统的电压能恢复到110 v,而图(b)中的系统却不能。理由如下；对图(a)所
7、示系统，当输出电压 u低于给定电压时，其偏差电压经放大器 K，使电机SM 转动，经减速器带动电刷减小发电机 G的激磁回路电阻，使发电的激磁电流 if增大，提高 发电机的端电压，从而使偏差电压减小，直至偏差电压为零时，电机才停止转动。因此，图(a)系统能保持110V电压不变。对图(b)所示系统，当输出电压u低于给定电压时，其偏差电压经放大器K，直接使发电机激磁电流if增大，提高发电机的端电压，使发电机G的端电压回升，偏差电压减小,if =0，发电机就不能工作。偏但是偏差电压始终不可能等于零，因为当偏差电压为零时,差电压的存在是图（b）系统正常工作的前提条件。即图（b）中系统的输出电压会低于110
8、V。第二章dt2dxodxflL （不考虑物块的重力）(b)f(KiK2)芽 KlK"Klfdxdt(c)f KlX2.2-h1IF<CLb)A J ,-B :-(电匸 K-2(a)Uo(s)R2C2sR1R2C1C2s2 (R1C1 R2C2)s 1(b)Ui(s)A点:B点:R2C2 sR1 1+ C1sGsdx dxo)K2(xf2(dt dt2RiR2C1C2s(R1C1 &C2 R1C2)s 11dx、韦）（1）(2)由（1）和（2 ）得dx 吹）K2（x-xo）+xf2 （ dtdt由（3）解出x，并代入（2）得:(3)K1K2 dt2 K1 K2 十聲 X
9、。K1K2 dt经比较可以看出，电网络（a）和机械系统（b）两者参数的相似关系为2.3K1 丄，K1 丄，f1 R1,f2R2CiCiQ = K P2.'Po2.4 G(S)s2 4s 22s 3s 2g(t) = L112、4 八、tc2ts+卡，一 °一+2°一2.5Ri='q1 (1)C1d 也-g 一 q dt=h2q2(3)二几qi 92(4)d ：h2C2dtG(s)H2G) R22.6G(s)Qi(s)C(s)RQR2C2S2 (RG R2C2 R2C1 )s 110E(s) 3s 52H(sFC(s) 10G(s)R(s) 1 G(s)H(s
10、)100(4 s 1)212s23s 25E(s)R(s)101 G(s)H(s)10(12s223s 5)12s223s 252.7Uo(s)Ui(s)R0C0RGS2 (R0C0 RCJs 1R0 1R0C1sCos2.8( 1)Ko30旦=0c nm 330”18010180V / rad11二(2)假设电动机时间常数为 Tm，忽略电枢电感的影响，可得直流电动机的传递函数为3，Km为电动机的传递系统，单位为(rad s')/V。Ua(s)TmS 1又设测速发电机的传递系数为Kt (V / (rad sJ)由此可画出条统的结构圈如图解Z 4.15所承"系统的传递函数为:0
11、。 1 G 孑1心心心气KoQQKsKmKoQQ&Km2.9M <a)可将图Z, 4. 65(a)筹效嵐图解乱所示。故有C'(5)_ G 亠 GRG) 1 + GGffi *2- 4.17(a)(b)同Q)等效结椅图如图iff 2r 4. 17(5)所示.敏有CG) _土些 HQSU7 J + Hj H, - EG3同理等隸变换过程如图解2. 4. 17(c)所示散有c(s)+ g丽 _ i F £ +G H2)图蘇 2. 4. 17(b)图解 2. 4.17(c)(d)等效变换过程如图解2. 4.17(d)所示。哉有gg?gUs)RM(1丄GHJ(1+G区)_
12、 G'GgG? H?(1+GiHjXl + GjHs) bG?G；GGG1 十 G Hi + G2 H? + G+ (7i Hi G(e)同理等效变换过程如图解2417(e)所示。故有C(s)_ z-i 1G】G G351 十 GG3H2+GH1-GGHi用解2筑I7(d>HI m 17(e)(D等效变换如图解2. 4. 17(f)所示。故有Qs_ G?(Gi + G3)RG) = 1 代GHiffl解24 17(02.10N (a)令NG)=。，求简化纳构如图朗瓷4185妇所示"GG1十门十E'GG令Rg = m求C/N(s) 其結枸简化过程如图解2. 4. 18(a?),C(s国娜 2.4. lS(a2)敬冇(一心1 + G Gf H 丿1 亠GG 団+ G G? H1 + G G(b)令NU) = 0.求 S/RS简化第构如圈解2. 4. 18CL1)所示.故有C( j) _ G (G G + G + G) 丽=i + gg十為a令=供求C3/Ny 简化结构如圈解£ 4,18<b2)所示"故有3 = _$G4 _JVC j) J J tjj (G；十 G) I 中 G# G + G G*ig（Gg）图 2.4.18(H)图解 2. 4. 18(b2)