第一章 纸质作业答案
一、调节阀的流量特性是指通过调节阀的流量与阀杆行程之间的关系。 调节阀的流量特性有线性型，等百分比型，快开型，抛物线型
调节阀流量特性选择的目的主要是从非线性补偿的角度来考虑，利用调节阀的非线性来补偿广义对象中其它环节的非线性，从而使整个广义对象的特性近似为线性。
二、简单控制系统是由一个被控对象、一个测量元件及变送器、一个控制器和一个执行器所构成的单闭环控制系统，也成为单回路控制系统。
简单控制系统的典型方块图为
三．按照已定的控制方案，确定使控制质量最好的控制器参数值。 经验凑试法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法 四、解：
(1) 选择流出量o Q 为操纵变量，控制阀安装在流出管线上， 贮槽液位控制系统的控制流程图为
(2) 被控对象：液体贮槽
控制器
执行器
被控对象
测量元件及变送器
+
－
控制信号
操纵变量
被控变量
测量值
偏差
扰动变量
给定值
被控变量：贮槽液位
操纵变量：贮槽出口流量
主要扰动变量：贮槽进口流量
五、解：
Q为操纵变量，控制阀安装在流入管线上，
(1) 选择流入量
i
贮槽液位控制系统的控制流程图为
为了防止液体溢出，在控制阀气源突然中断时，控制阀应处于关闭状态，所以应选用气开形式控制阀，为“+”作为方向。
Q增加时，被控变量液位是上升的，故对象为“+”作用方向。由于操纵变量即流入量
i
控制阀与被控对象都是“+”作用方向，为使控制系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用。
Q为操纵变量，控制阀安装在流出管线上，
(2) 选择流出量
o
贮槽液位控制系统的控制流程图为
为了防止液体溢出，在控制阀气源突然中断时，控制阀应处于全开状态，所以应选用气关形式控制阀，为“-”作为方向。
Q增加时，被控变量液位是下降的，故对象为“-”作用方向。由于操纵变量即流出量
o
控制阀与被控对象都是“-”作用方向，为使控制系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用。
六、（1）加入积分作用后，系统的稳定性变差，最大动态偏差增大、余差减小
加入适当的微分作用后，系统的稳定性编号，最大动态偏差减小，余差不变。
（2）为了得到相同的系统稳定性，加入积分作用后应增大比例度，加入微分作用后应适当的减小比例度。
第二章纸质作业答案
一．由两个控制器组成，分别接受来自被控对象不同部位的测量信号。一个控制器的输出作为下一个控制器的给定值，后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构来看，两个控制器是串级工作的，称为串级控制系统。
方框图如下
二．答：
前馈控制系统方块图
前馈控制器
执行器
对象
干扰
测量变送
反馈控制系统方块图
反馈控制器执行器
测量变送
给定
对象
干扰
前馈-反馈控制系统方块图
三、前馈控制的特点
（1）基于不变性原理，比反馈控制及时、有效
（2）前馈是开环控制
（3）前馈控制规律随对象特性的不同而不同
（4）一种前馈只能克服一种干扰
为什么采用前馈＋反馈的复合控制系统可以大大提高控制系统的品质
（1）从前馈控制角度，由于反馈，减轻了对前馈控制模型的精度要求，并可对未做前馈补偿的干扰进行校正
（2）从反馈角度，前馈控制事先起了一个粗调的作用，大大减少了反馈的负担
四、均匀控制的目的是实现前后设备在供求关系上达到相互协调，统筹兼顾
均匀控制的特点是（1）反映前后供求矛盾的两个变量都是变化的，且变化是缓慢的
（2）两个变量的变化均应保持在允许的范围内
五、定义：用一台控制器去操作几只阀门，并且按输出信号的不同区间去操作不同的阀门
主要应用场合：（1）用于扩大调节阀的可调范围，（2）用于控制两种不同的介质，以满足工艺生产的要求，（3）用于生产安全的防护措施
六、（1）副控制器的正反作用改变，而主控制器的正反作用不改变。
（2）调节阀口径由20变为25，则调节阀的静态增益Kv增大，为保证副回路的控制品质不变，则应该增大副控制器的比例度，积分时间不需要改变。由于主控制器对副回路中副对象、副回路控制阀具有鲁棒性，所以主控制器的比例度和积分时间不需要改变。
七、1、控制流程图如下：
2、从安全角度考虑，选择调节阀为气开阀。
3、根据对控制器正反作用的分析，有P C控制器为反作用控制器，TC为反作用控制器。为了在阀后压力过高（PC的输出很低）的条件下能够选择PC控制器进行控制，则选择低选器
第五－七章纸质作业答案
一、当压缩机的负荷降低到一定程度，气体的排出量会出现强烈的振荡，因而机身也发生剧烈振动，这种现象称为喘振。
压缩机的喘振保护曲线方程：
12
112θQ b a P P +=
其中，1P 为压缩机入口压力，2P 为压缩机出口压力，b a ,为系数，
1θ为压缩机入口温度，1Q 为压缩机入口流量。
当1
2
112θQ b a P P +>，就会发生喘振 （或者可以说，当压缩机的负荷低于某一极限流量时，会发生喘振） 二、（1）改变泵的出口调节阀开度（直接出口节流） （2）改变泵的转速 （3）改变泵的回流量。
三、温差控制：灵敏板温度与塔顶（或塔底）附近某块塔板的温度之差作为被控变量来间接控制塔的产品的成分。
双温差控制：分别在精馏段及提馏段上选取温差信号，然后将两个温差信号相减，作为控制器的测量信号（控制系统的被控变量）
四、一般水位特性，蒸气流量提高，导致水位下降。但汽包水位特殊，蒸气流量提高，意味
着汽包水位下降，饱和水迅速汽化，水容积增大，水位上升。与一般水位动态特性叠加，表现为水位先升后降，称为“虚假液位”。
这种反向变化特性给控制带来困难，可以采用双冲量或三冲量控制。 五、解：
1、装在离心泵的出口。因为如调节阀装在泵的入口，调节阀会产生较大的压降，导致离心泵入口压力过低，使液体部分汽化，使得泵丧失排送能力，这叫气缚。或者汽化后的蒸汽在离心泵出口又急剧的冷凝，会对离心泵的叶轮和机壳产生较大的冲蚀，从而损坏离心泵，这叫气蚀。这两种情况都会影响离心泵的正常工作，所以调节阀一般装在泵的入口。 2．控制流程图如下：
优点：方案简单易行。
缺点：小流量的时候，总的机械效率过低。
六、1、精馏装置一般由精馏塔塔身、冷凝器、再沸器、回流罐等设备组成。物料流程图如
下图所示。
2、一种参考的能量平衡控制方案如图
蒸汽
七、1、采用前馈－反馈控制（根据塔釜温度进行反馈控制，根据进料量进行前馈控制），控制流程图如下：
或采用如下前馈＋串级控制方案
控制系统方框图如下：
2、选择气关阀，（提馏段温度控制，对塔釜采出液纯度要求较高，失气时控制阀打开，加
大加热蒸汽量，使得釜液大量汽化返回到塔釜，确保塔釜采出液的纯度）。
3、TC控制器选择正作用。
控制工程基础习题解答 第一章 1-1．控制论的中心思想是什么？简述其发展过程。 维纳（N.Wiener）在“控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学”中提出了控制论所具有的信息、反馈与控制三个要素，这就是控制论的中心思想 控制论的发展经历了控制论的起步、经典控制理论发展和成熟、现代控制理论的发展、大系统理论和智能控制理论的发展等阶段。具体表现为： 1．1765年瓦特（Jams Watt）发明了蒸汽机，1788年发明了蒸汽机离心式飞球调速器，2．1868年麦克斯威尔（J.C.Maxwell）发表“论调速器”文章；从理论上加以提高，并首先提出了“反馈控制”的概念； 3．劳斯（E.J.Routh）等提出了有关线性系统稳定性的判据 4．20世纪30年代奈奎斯特（H.Nyquist）的稳定性判据，伯德（H.W.Bode）的负反馈放大器； 5．二次世界大仗期间不断改进的飞机、火炮及雷达等，工业生产自动化程度也得到提高； 6．1948年维纳（N.Wiener）通过研究火炮自动控制系统，发表了著名的“控制论—关于在动物和机器中控制和通讯的科学”一文，奠定了控制论这门学科的基础，提出 了控制论所具有的信息、反馈与控制三要素； 7．1954年钱学森发表“工程控制论” 8．50年代末开始由于技术的进步和发展需要，并随着计算机技术的快速发展，使得现代控制理论发展很快，并逐渐形成了一些体系和新的分支。 9．当前现代控制理论正向智能化方向发展，同时正向非工程领域扩展（如生物系统、医学系统、经济系统、社会系统等）， 1-2．试述控制系统的工作原理。 控制系统就是使系统中的某些参量能按照要求保持恒定或按一定规律变化。它可分为人工控制系统（一般为开环控制系统）和自动控制系统（反馈控制系统）。人工控制系统就是由人来对参量进行控制和调整的系统。自动控制系统就是能根据要求自动控制和调整参量的系统，系统在受到干扰时还能自动保持正确的输出。它们的基本工作原理就是测量输出、求出偏差、再用偏差去纠正偏差。 1-3．何谓开环控制与闭环控制？ 开环控制：系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。系统特点：系统简单，容易建造、一般不存在稳定性问题，精度低、抗干扰能力差。 闭环控制：系统的输出端和输入端存在反馈回路，输出量对控制作用有直接影响。闭环的反馈有正反馈和负反馈两种，一般自动控制系统均采用负反馈系统，闭环控制系统的特点：精度高、抗干扰能力强、系统复杂，容易引起振荡。 1-4．试述反馈控制系统的基本组成。 反馈控制系统一般由以下的全部或部分组成（如图示）： 1．给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号
自动控制元件部分课后题答案 第一章直流伺服电动机 1-1直流伺服电动机的电磁转矩和控制电流由什么决定？ 答：a ：由T em =C m ΦI a 知电磁转矩由每极磁通量和绕组电流大小决定。b ：由T em =T 0+T 2=CmΦIa 控制电流由负载转矩(T 2)和空载转矩(T 0)大小决 定。 1-2当直流伺服电动机的负载转矩恒定不变时，控制电压升高将使稳态的电磁转矩、控制电流、转速发生怎样的变化？为什么？ 答：a ：电磁转矩T em =T 0+T 2可见电磁转矩也不变。由T em =C m ΦI a 知控制电流I a 也不变b ：KeKt RaTem Ke Ua n -=知T em 不变可见U a 转速升高理想空载转速变大导致转速n 升高。 1-3已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V ，额定运行时电枢电流Ia=0.4A ，转速n=3600rpm ，它的电枢电阻Ra=50欧姆，负载阻转矩To=15mN.m 。试问该电动机额定负载转矩是多少？ 答：Ea=Ua-IaRa=110-0.4×50=90V Ea=CeΦn,Ce=0.105Cm CmΦ=0.2383600 0.10590n 105.0=?=?Ea T em =T 0+T 2=CmΦIa→T 2=CmΦIa-T 0=0.40.238=0.0952-15×10-3=80.2mN.m 1-6当直流伺服电动机电枢电压、励磁电压不变时，如将负载转矩减少，试问此时电动机的电枢电流、电磁转矩、转速将怎样变化？并说明由原来的状态到新的稳态的物理过程。 答：磁转矩T em =T 0+T 2可见T 2↓电磁转矩也↓。由T em =C m ΦI a 知控制电流I a ↓Ea=Ua-IaRa 可见I a ↓知Ea↑，由Ea=CeΦn 知Ea↑知n↑ 第二章直流测速发电机 2-4某直流测速发电机，其电枢电压U=50V ，负载电阻R L =3000Ω，电枢电阻Ra=180Ω，转速n=3000rpm ，求该转速下的空载输出电压Uo 和输出电流Ia 。Ea =Ua IaRa Ia=300050=0.0167A Ea=50Ea =50+3000 50×180=53空载Uo =Ea =53第三章步进电动机 3-8某五相反应式步进电动机转子有48个齿，试分析其有哪几种运行方式及对应的步距角，并画出它们的矩角特性曲线族。 答:5相单5拍A→B→C→D→E→A Θb ==?=48 5360NZr 360 1.5°T emA =-T jmax sin(Θe )T emB =-T jmax sin(Θe -52π)T emC =-T jmax sin(Θe -5 4π)
1-6 试说明如题图1-6(a)所示液面自动控制系统的工作原理。若将系统的结构改为如题图1-6(b)所示，将对系统工作有何影响？ 答：（a ）图所示系统，当出水阀门关闭时，浮子处于平衡状态，当出水阀门开启，有水流出时，水槽中的水位下降，浮子也会下降，通过杠杆作用，进水阀门开启，水流进水槽，浮子上升。 （b ）图所示系统，假设当前出水阀门关闭时，浮子处于平衡状态，当出水阀门开启，有水流出时，水槽中的水位下降，浮子也会下降，通过杠杆作用，进水阀门会随着水的流出而逐渐关闭，直至水槽中的水全部流出。 2-7 用拉氏变换的方法解下列微分方程 （2）220,(0)0,(0)1x x x x x ''''++=== 2222 "2'20(0)0,'(0)1 ()(0)'(0)2()2(0)2()0(22)()1 11 ()22(1)1()sin t x x x x x s x s sx x sx s x x s s s x s x s s s s x t e t -++===--+-+=++=== ++++=解： 3-1求题图3-1(a)、(b)所示系统的微分方程。 (a) (b) 题图1-6 液面自动控制系统 (b) 题图 3-1
（b ）解：(1) 输入f(t),输出y(t) (2)引入中间变量x(t)为12,k k 连接点向右的位移，（y>x ） (3)12()=-k x k y x ① ()"2f k y x my --= ② (4)由①、②消去中间变量得："12 12 k k my y f k k +=+ 3-2 求题图3-2(a)、(b)、(c)所示三个机械系统的传递函数。图中，x 表示输入位移，y 表示输出位移。假设输出端的负载效应可以忽略。 （b ）解：（1）输入,r x 输出c x （2）引入中间变量x 为1k 与c 之间连接点的位移 ()>>r c x x x （3）'' 1()()-=-r c k x x c x x ① '' 2()-=c c c x x k x ② （4）消去中间变量x,整理得： ' '1221 ()++=c c r c k k x k x cx k （5）两边拉氏变换： 1221 () ()()()++=c c r c k k sX s k X s csX s k （6）传递函数：12 2 1 ()()()()= =++c r X s cs G s c k k X s s k k 题图3-2
第三章 习题及答案 传递函数描述其特性，现在用温度计测量盛在容器内的水温。发现需要时间才能指示出实际水温的98%的数值，试问该温度计指示出实际水温从10%变化到90%所需的时间是多少? 解： 41min, =0.25min T T = 1111()=1-e 0.1, =ln 0.9t h t t T -=-T 21T 22()=0.9=1-e ln 0.1t h t t T -=-， 210.9 ln 2.20.55min 0.1 r t t t T T =-=== 2.已知某系统的微分方程为)(3)(2)(3)(t f t f t y t y +'=+'+''，初始条件2)0( , 1)0(='=--y y ，试求： ⑴系统的零输入响应y x (t )； ⑵激励f (t ) (t )时，系统的零状态响应y f (t )和全响应y (t )； ⑶激励f (t ) e 3t (t )时，系统的零状态响应y f (t )和全响应y (t )。 解：(1) 算子方程为：)()3()()2)(1(t f p t y p p +=++ ) ()e 2 5e 223()()()( ) ()e 2 1e 223()()()( )()e e 2()(2 112233)( )2(; 0 ,e 3e 4)( 34 221e e )( 2x 2222x 212 121221x t t y t y t y t t t h t y t t h p p p p p p H t t y A A A A A A A A t y t t t t t t f f t t t t εεεε------------+=+=+-==-=?+-+= +++= -=??? ?-==????--=+=?+=∴* ) ()e 4e 5()()()( )()e e ()(e )()( )3(2x 23t t y t y t y t t t h t y t t t t t f f εεε------=+=-==* 3.已知某系统的微分方程为)(3)(')(2)(' 3)(" t f t f t y t y t y +=++，当激励)(t f =)(e 4t t ε-时，系统
二 题目：已知()t t f 5.0=，则其()[]=t f L 【 】 A. 25.0s s + B. 25.0s C. 2 21s D. s 21 分析与提示：由拉氏变换的定义计算，可得()[]2 1 5 .0s t f L = 答案：C 题目：函数f (t )的拉氏变换L[f(t)]= 。 分析与提示：拉氏变换定义式。 答案：dt e t f st ? ∞ -0 )( 题目：函数()at e t f -=的拉氏变换L[f(t)]= 。 分析与提示：拉氏变换定义式可得，且f(t)为基本函数。 答案：a s +1 题目：若t e t t f 22 )(-=，则( )=)]([t f L 【 】 A. 22+s B. 3 )2(2 +s C.2 2-s D. 3 ) 2(2 -s 分析与提示：拉氏变换定义式可得，即常用函数的拉氏变换对，3 )2(2 )]([+=s t f L 答案：B 题目：拉氏变换存在条件是，原函数f(t)必须满足 条件。 分析与提示：拉氏变换存在条件是，原函数f(t)必须满足狄里赫利条件。 答案：狄里赫利 题目：已知()15.0+=t t f ，则其()[]=t f L 【 】 A. 25.0s s + B. 25.0s
C. s s 1212+ D. s 21 分析与提示：由拉氏变换的定义计算，这是两个基本信号的和，由拉氏变换的线性性质，其拉氏变换为两个信号拉氏变换的和。()[]s s t f L 1 15 .02 += 答案：C 题目：若()s s s s F ++= 21 4，则()t f t ∞→lim )=( )。 【 】 A. 1 B. 4 C. ∞ D. 0 分析与提示：根据拉氏变换的终值定理)(lim )(lim )(0 s sF t f f s t →∞ →==∞。即有 41 4lim )(lim 20 =++=→∞ →s s s s t f s t 答案：B 题目：函数()t e t f at ωcos -=的拉氏变换L[f(t)]= 。 分析与提示：基本函数t ωcos 的拉氏变换为 2 2ω+s s ，由拉氏变换的平移性质可知 ()[]() 2 2 ω +++= a s a s t f L 。 答案：()2 2ω +++a s a s 题目：若()a s s F += 1 ，则()0f )=（）。 分析与提示：根据拉氏变换的初值定理)(lim )(lim )0(0 s sF t f f s t ∞ →→==。即有 111lim 1 lim )(lim )0(0 =+ =+==→→→s a a s s t f f s s t 答案：1 题目：函数()t t f =的拉氏变换L[f(t)]= 。 分析与提示：此为基本函数，拉氏变换为 2 1s 。
自动控制元件 2．输入信号是电枢电压a u ，输出信号是电机转角θ。绘出直流电动机动态框图，标出)(s I a ， ),(),(s T s E em a 及扰动力矩)(s T c 。 3．绘出直流电动机电枢控制的调节特性和机械特性曲线，标出始动电压、理想空载转速和堵转转矩，标出电动机、发电机和反接制动状态。 4．直流电动机的主要优点和缺点是什么？ 优点：力矩大，控制容易。 缺点：有机械换向器，有火花，摩擦大，维护较复杂，价高，结构复杂。 5.电机铁心多用硅钢片叠压而成。采用片状材料的目的是什么？ 减小涡流损耗 6.性能优良的永磁直流力矩电动机现在一般采用什么永磁材料？ 钕铁硼 e t K K 、大，电枢扁平状。 7.与直流伺服电动机相比，直流力矩电动机的e K 、t K 有什么特点？电枢的几何形状有什么特点？ 二．（20分） 1.异步电动机等效电路图中s s r 1'2上的热损耗表示什么？
2.简述两相对称绕组产生椭圆形旋转磁场的条件。 3画出两相电机幅相控制时的电路图。 3．磁场) F- =ω表示什么磁场？为什么？ A sin(x t 4.绘出圆形旋转磁场时异 步电动机的两条典型机械 特性曲线（转子电阻大和小）。 5．推导两相伺服电动机传递函数) s s GΩ =,并说明其中的参数与静态特性曲线 ( U /) (s ( ) 的关系。
6．绘出三相异步电动机 从基频向下变频调速时 的机械特性。 7.异步电动机从基频向下变频调速时，若电压保持不变将产生什么现象？用公式说 明。 8．一台三相异步电动机空载转速是1450 r/min，电源频率50 Hz。这是几极电机？ 为什么？ 三、（7分） 1.简述永磁同步电机同步运行时的工作原理，画出必要的图形，写出电磁转矩公式。 2.写出磁阻同步电动机电磁转矩表达式并说明参数的含义。 3.哪种同步电动机不加鼠笼绕组就能 自行起动并具有较大的起动转矩？ （） 绘出它的机械特性曲线。
第一章纸质作业答案 一、调节阀的流量特性是指通过调节阀的流量与阀杆行程之间的关系。 调节阀的流量特性有线性型，等百分比型，快开型，抛物线型 调节阀流量特性选择的目的主要是从非线性补偿的角度来考虑，利用调节阀的非线性来补偿广义对象中其它环节的非线性，从而使整个广义对象的特性近似为线性。 二、简单控制系统是由一个被控对象、一个测量元件及变送器、一个控制器和一个执行器所构成的单闭环控制系统，也成为单回路控制系统。 简单控制系统的典型方块图为 三．按照已定的控制方案，确定使控制质量最好的控制器参数值。 经验凑试法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法 四、解： (1) 选择流出量 Q为操纵变量，控制阀安装在流出管线上， o 贮槽液位控制系统的控制流程图为 (2) 被控对象：液体贮槽
被控变量：贮槽液位 操纵变量：贮槽出口流量 主要扰动变量：贮槽进口流量 五、解： (1) 选择流入量 Q为操纵变量，控制阀安装在流入管线上， i 贮槽液位控制系统的控制流程图为 为了防止液体溢出，在控制阀气源突然中断时，控制阀应处于关闭状态，所以应选用气开形式控制阀，为“+”作为方向。 操纵变量即流入量 Q增加时，被控变量液位是上升的，故对象为“+”作用方向。由于 i 控制阀与被控对象都是“+”作用方向，为使控制系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用。 (2) 选择流出量 Q为操纵变量，控制阀安装在流出管线上， o 贮槽液位控制系统的控制流程图为
为了防止液体溢出，在控制阀气源突然中断时，控制阀应处于全开状态，所以应选用气关形式控制阀，为“-”作为方向。 操纵变量即流出量 Q增加时，被控变量液位是下降的，故对象为“-”作用方向。由于 o 控制阀与被控对象都是“-”作用方向，为使控制系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用。 六、（1）加入积分作用后，系统的稳定性变差，最大动态偏差增大、余差减小 加入适当的微分作用后，系统的稳定性编号，最大动态偏差减小，余差不变。 （2）为了得到相同的系统稳定性，加入积分作用后应增大比例度，加入微分作用后应适当的减小比例度。 第二章纸质作业答案 一．由两个控制器组成，分别接受来自被控对象不同部位的测量信号。一个控制器的输出作为下一个控制器的给定值，后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构来看，两个控制器是串级工作的，称为串级控制系统。 方框图如下 二．答： 前馈控制系统方块图
自动控制元件(第四版) 习题答案
部分习题答案，仅供参考！ 直流测速发电机 1.为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势? 答：电枢连续旋转，导体ab和cd轮流交替地切割N极和S 极下的磁力线，因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。 由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，如电刷A始终与处在N极下的导体相连接，而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，因而电刷两端得到的电势极性不变，为直流电势。 2. 如果图 2 - 1 中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和A、 B电刷的极性如何? 答：在图示瞬时，N极下导体ab中电势的方向由b指向a，S 极下导体cd中电势由d指向c。电刷A通过换向片与线圈的a端相接触，电刷B与线圈的d端相接触，故此时A电刷为正，B电刷为负。 当电枢转过180°以后，导体cd处于N极下，导体ab 处于S极下，这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相
反，于是线圈电势的方向也变为由a到d，此时d为正，a为负，仍然是A刷为正，B刷为负。 4. 为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给定值? 答：转速越高，负载电阻越小，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大，为了减少电枢反应对输出特性的影响，直流测速发电机的转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不能低于最小负载电阻值，以保证线性误差在限度的范围内。而且换向周期与转速成反比，电机转速越高，元件的换向周期越短；eL正比于单位时间内换向元件电流的变化量。基于上述分析，eL必正比转速的平方，即eL∝n2。同样可以证明ea∝n2。因此，换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比，使输出特性呈现非线性。所以，直流测速发电机的转速上限要受到延迟换向去磁效应的限制。为了改善线性度，采用限制转速的措施来削弱延迟换向去磁作用，即规定了最高工作转速。 第三章 1. 直流电动机的电磁转矩和电枢电流由什么决定? 答;直流电动机的电枢电流不仅取决于外加电压和本身的内阻，而且还取决于与转速成正比的反电势（当?=常数时）
目录 1自动控制系统的基本概念 1.1内容提要 1.2习题与解答 2自动控制系统的数学模型 2.1内容提要 2.2习题与解答 3自动控制系统的时域分析 3.1内容提要 3.2习颗与他答 4根轨迹法 4.1内容提要 4.2习题与解答 5频率法 5.1内容提要 5.2习题与解答 6控制系统的校正及综合 6.1内容提要 6.2习题与解答 7非线性系统分析 7.1内容提要 7.2习题与解答 8线性离散系统的理论基础 8.1内容提要 8.2习题与解答 9状态空间法 9.1内容提要 9.2习题与解答 附录拉普拉斯变换 参考文献 1自动控制系统的基本概念 1. 1内容提要 基本术语：反馈量，扰动量，输人量，输出量，被控对象； 基本结构：开环，闭环，复合； 基本类型：线性和非线性，连续和离散，程序控制与随动； 基本要求：暂态，稳态，稳定性。 本章要解决的问题，是在自动控制系统的基本概念基础上，能够针对一个实际的控制系统，找出其被控对象、输人量、输出量，并分析其结构、类型和工作原理。
1.2习题与解答 题1-1图P1-1所示，为一直 流发电机电压白动控制系统示 意图。图中，1为发电机；2为减速器； 3为执行电机；4为比例放大器； 5为可调电位器。 (1)该系统有哪些环节组成， 各起什么作用” (2)绘出系统的框图，说明当 负载电流变化时，系统如何保持发 电机的电压恒定 (3)该系统是有差系统还是无 差系统。 (4)系统中有哪些可能的扰动， 答 (1)该系统由给定环节、比较环节、中间环节、执行结构、检测环节、 发电机等环节组成。 给定环节:电压源0U 。用来设定直流发电机电压的给定值。 比较环节:本系统所实现的被控量与给定量进行比较，是通过给定电 压与反馈电压反极性相接加到比例放大器上实现的 中间环节:比例放大器。它的作用是将偏差信号放大，使其足以带动 执行机构工作。该环节又称为放大环节 执行机构:该环节由执行电机、减速器和可调电位器构成。该环节的 作用是通过改变发电机励磁回路的电阻值，改变发电机的磁场，调节发 电机的输出电压 被控对象:发电机。其作用是供给负载恒定不变的电压. 检测环节跨接在发电机电枢两端、且与电压源0U 反极性相接到比 例放大器输人端的导线。它的作用是将系统的输出量直接反馈到系统的 输人端。 (2)系统结构框图如图1-5所示。当负载电流变化如增大时，发电 机电压下降，电压偏差增大，偏差电压经过运算放大器放大后，控制可逆 伺服电动机，带动可调电阻器的滑动端使励磁电流增大，使发电机的电压 增大直至恢复到给定电压的数值上，实现电压的恒定控制。 图P1-7电压自动控制系统示意图
自动控制元件 一．（20分） 1. 1台永磁直流力矩电机，反电势系数),rad/s V/( 2=e K 摩擦转矩m N 2.0?=f T ，转动惯量3104-?=J kg ?m 2，电感02.0=a L H 。连续堵转时电流A 51=I ，电压V 201=U 。 （1）求机电时间常数m τ，电磁时间常数e τ，连续堵转的电磁转矩1T 。 答案：33e 1410s 510s 10N m m T ττ--=?=?=?，， （2）电枢电压2U =25V ，求起动时的输出转矩20T 和此电压对应的空载转速20ω。 答案：202012.3N m 12.3rad/s T ω=?=， （3）电机转速rad/s 103=ω，电磁转矩m N 23?=T 时，求电枢电压3U 和输出 转矩30T 。 答案：33024V 1.8N m U T ==?， （4）写出该电机的传递函数)(/)(s U s a Ω。 答案： （4） 2()0.50.5()(0.041)(0.0051)0.000020.041 a s U s s s s s Ω=≈++++ 2．输入信号是电枢电压a u ，输出信号是电机转角θ。绘出直流电动机动态框图，标出)(s I a ，),(),(s T s E em a 及扰动力矩)(s T c 。 答案： 3．绘出直流电动机电枢控制的调节特性和机械特性曲线，标出始动电压、理想空载转速和堵转转矩，标出电动机、发电机和反接制动状态。 答案：
4．直流电动机的主要优点和缺点是什么？ . 优点：力矩大，控制容易。 缺点：有机械换向器，有火花，摩擦大，维护较复杂，价高，结构复杂。 5.电机铁心多用硅钢片叠压而成。采用片状材料的目的是什么？ 5.减小涡流损耗。 6.性能优良的永磁直流力矩电动机现在一般采用什么永磁材料？ 6.钕铁硼。 7.与直流伺服电动机相比，直流力矩电动机的e K 、t K 有什么特点？电枢的几何形状有什么特点？ 7.e t K K 、大，电枢扁平状。 二．（20分） 1.异步电动机等效电路图中s s r -1' 2上的热损耗表示什么？ 答案.电机一相绕组产生的机械功率。 2.简述两相对称绕组产生椭圆形旋转磁场的条件。 答案.两相电流相位差：090θ<< 两相电压相位差90o，幅值不等。 3画出两相电机幅相控制时的电路图。 4.绘出圆形旋转磁场时异步电 动机的两条典型机械特性曲线（转子电阻大和小）。 5．推导两相伺服电动机传递函数)(/)()(s U s s G Ω=,并说明其 中的参数与静态特性曲线的关系。 答案： d (,)d T J U T t ωωω==?，
第一章 绪论 1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点. 解答：1开环系统 (1) 优点:结构简单，成本低，工作稳定。用于系统输入信号及扰动作用能预先知道时，可得到满意的效果。 (2) 缺点：不能自动调节被控量的偏差。因此系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。 2 闭环系统 ⑴优点：不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量 偏离给定值，都会产生控制作用去清除此偏差，所以控制精度较高。它是一种按偏差调节的控制系统。在实际中应用广泛。 ⑵缺点：主要缺点是被控量可能出现波动，严重时系统无法工作。 1-2 什么叫反馈？为什么闭环控制系统常采用负反馈？试举例说 明之。 解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反馈。 闭环控制系统常采用负反馈。由1-1中的描述的闭环系统的优点所证明。例如，一个温度控制系统通过热电阻（或热电偶）检测出当前炉子的温度，再与温度值相比较，去控制加热系统，以达到设定值。 1-3 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型（线性，非 线性，定常，时变）？ （1）22 ()()() 234()56()d y t dy t du t y t u t dt dt dt ++=+ （2）()2()y t u t =+ （3）()()2()4()dy t du t t y t u t dt dt +=+ （4）() 2()()sin dy t y t u t t dt ω+= （5）22 ()() ()2()3()d y t dy t y t y t u t dt dt ++= （6）2() ()2() dy t y t u t dt +=
第一章 1．试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。 开环控制系统具有一些特点，如系统结构比较简单、成本低、响应速度快、工作稳定，但是，当系统输出量有了误差无法自动调整。因此，如果系统的干扰因素和元件特性变化不大，或可预先估计其变化范围并可预先加以补偿时，采用开环控制系统具有一定的优越性，并能达到相当高的精度。 闭环控制系统的优点是，当系统的元件特性发生变化或出现干扰因素时，引起的输出量的误差可以自动的进行纠正，其控制精度较高。但由于控制系统中总有贮能元件存在，或在传动装置中存在摩擦、间隙等非线性因素的影响，如果参数选择不适当将会引起闭环控制系统振荡，甚至不能工作。因此，控制精度和稳定性之间的矛盾，必须通过合理选择系统参数来解决。另外，一般说来，闭环控制系统的结构复杂，相对于开环系统成本高。 2．试列举几个日常生活中的开环和闭环控制系统，并说明它们的工作原理。
3．图1-15所示是水箱液位控制系统。试说明其工作原理，找出输入量、输出量、扰动量及被控对象，并绘制出职能方框图。 图1-15 解： 图1-15所示是水箱液位控制系统，控制目的是保证液面高度不变。当出水截门打开时，水箱水位下降，通过浮子反馈实际液面高度，并与希望的液面高度比较，得出液面偏差，经过杠杆使阀门（锥塞）开大，液面上升；达到控制水位后，阀门关闭，从而保持液面高度不变。这是一个具有负反馈的闭环控制系统。 输入量（控制量）：希望的液面高度 输出量（被控制量）：实际液面高度 扰动量：流量的变化（出水截门打开导致的流量的变化） 被控对象：水箱
4. 图1-16所示是仓库大门垂直移动开闭的自动控制系统原理示意 图。试说明系统自动控制大门开闭的工作原理。 解: 当合上开门开关时，电位器桥式测量电路产生偏差电压，经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，使大门向上提起。与此同时，与大门连在一起的电位器点刷上移，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，开门开关自动断开。反之，当合上关门开关时，伺服电动机反向转动，带动绞盘使大门关闭。从而实现了远距离自动控制大门开闭的要求。 图1-16 题4图仓库大门垂直移动开闭的自动控制系统职能方框图
自动控制元件 部分课后题答案 第一章 直流伺服电动机 1-1直流伺服电动机的电磁转矩和控制电流由什么决定？ 答：a ：由T em =C m ΦI a 知电磁转矩由每极磁通量和绕组电流大小决定。 b ：由T em =T 0 +T 2 =CmΦIa 控制电流由负载转矩(T 2)和空载转矩(T 0)大小 决定。 1-2当直流伺服电动机的负载转矩恒定不变时，控制电压升高将使稳态的电磁转矩、控制电流、转速发生怎样的变化？为什么？ 答：a ：电磁转矩T em =T 0 +T 2可见电磁转矩也不变。由T em =C m ΦI a 知控制电流 I a 也不变 b ：KeKt RaTem Ke Ua n -=知T em 不变可见U a 转速升高理想空载转速变大导致转速n 升高。 1-3已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V ，额定运行时电枢电流Ia=0.4A ，转速n=3600rpm ，它的电枢电阻Ra=50欧姆，负载阻转矩To=15mN.m 。试问该电动机额定负载转矩是多少？ 答：Ea= Ua- IaRa=110-0.4×50=90V Ea=Ce Φn, Ce=0.105Cm Cm Φ=0.2383600 0.10590n 105.0=?=?Ea T em =T 0 +T 2=CmΦIa→T 2=CmΦIa -T 0 =0.40.238=0.0952-15×10-3=80.2mN.m 1-6当直流伺服电动机电枢电压、励磁电压不变时，如将负载转矩减少，试问此时电动机的电枢电流、电磁转矩、转速将怎样变化？并说明由原来的状态到新的稳态的物理过程。 答：磁转矩T em =T 0 +T 2可见T 2 ↓电磁转矩也↓。由T em =C m ΦI a 知控制电流I a ↓
第一章绪论 1-1试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点. 解答：1开环系统 (1)优点:结构简单，成本低，工作稳定。用于系统输入信号及扰动作 用能预先知道时，可得到满意的效果。 (2)缺点：不能自动调节被控量的偏差。因此系统元器件参数变化， 外来未知扰动存在时，控制精度差。 2 闭环系统 ⑴优点：不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量 偏离给定值，都会产生控制作用去清除此偏差，所以控制精度较高。 它是一种按偏差调节的控制系统。在实际中应用广泛。 ⑵缺点：主要缺点是被控量可能出现波动，严重时系统无法工作。 1-2 什么叫反馈？为什么闭环控制系统常采用负反馈？试举例说明之。 解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反馈。 闭环控制系统常采用负反馈。由1-1中的描述的闭环系统的优点所证 明。例如，一个温度控制系统通过热电阻（或热电偶）检测出当前炉 子的温度，再与温度值相比较，去控制加热系统，以达到设定值。 1-3 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型（线性，非线性，定常，时变）？ （1） 2 2 ()()() 234()56() d y t dy t du t y t u t dt dt dt ++=+ （2） ()2() y t u t =+ （3） ()() 2()4() dy t du t t y t u t dt dt +=+ （4） () 2()()sin dy t y t u t t dt ω += （5） 2 2 ()() ()2()3() d y t dy t y t y t u t dt dt ++= （6） 2 () ()2() dy t y t u t dt += （7） () ()2()35() du t y t u t u t dt dt =++? 解答：（1）线性定常（2）非线性定常（3）线性时变（4）线性时变（5）非线性定常（6）非线性定常 （7）线性定常
浙江大学远程教育学院 《自动控制元件》课程作业 姓名： 陈阳阳 学 号： 712030202013 年级： 12秋电气工程及其自动化 学习中心： 合肥学习中心 第一章 直流伺服电动机 1-1直流伺服电动机的电磁转矩和控制电流由什么决定？ 答：1. 由T em =C m ΦI a 可知电磁转矩由每极磁通量和绕组电流大小决定。 2. 由T em =T 0 +T 2 =CmΦIa 控制电流由负载转矩(T 2)和空载转矩(T 0)决定。 1-2当直流伺服电动机的负载转矩恒定不变时，控制电压升高将使稳态的电磁转矩、控制电流、转速发生怎样的变化？为什么？ 答：1. 电磁转矩T em =T 0 +T 2可见电磁转矩不变; 由T em =C m ΦI a 知控制电流I a 也不变; 2. KeKt RaTem Ke Ua n -=可见U a 升高使得理想空载转速变大导致转速n 升高。 1-3已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V ，额定运行时电枢电流Ia=0.4A ，转速n=3600rpm ，它的电枢电阻Ra=50欧姆，负载阻转矩To=15mN.m 。试问该电动机额定负载转矩是多少？ 答：Ea= Ua- IaRa=110-0.4×50=90V Ea=Ce Φn, Ce=0.105Cm 所以Cm Φ=90/0.105/3600= 0.238; T em =T 0 +T 2=CmΦIa , 所以T 2=CmΦIa -T 0 =0.4*0.238 – 15*10-3=0.0952-15×10-3=80.2mN.m 1-6当直流伺服电动机电枢电压、励磁电压不变时，如将负载转矩减少，试问此时电动机的电枢电流、电磁转矩、转速将怎样变化？并说明由原来的状态到新的稳态的物理过程。 答：电磁转矩T em =T 0 +T 2可见T 2 ↓电磁转矩也↓; 由T em =C m ΦI a 知控制电流I a ↓;
现代控制理论第版课后习 题答案 Prepared on 22 November 2020
《现代控制理论参考答案》 第一章答案 1-1 试求图1-27系统的模拟结构图，并建立其状态空间表达式。 解：系统的模拟结构图如下： 系统的状态方程如下： 令y s =)(θ，则1x y = 所以，系统的状态空间表达式及输出方程表达式为 1-2有电路如图1-28所示。以电压)(t u 为输入量，求以电感中的电流和电容上的电压作为状态变量的状态方程，和以电阻2R 上的电压作为输出量的输出方程。 解：由图，令32211,,x u x i x i c ===，输出量22x R y = 有电路原理可知：? ? ? +==+=++3 213 222231111x C x x x x R x L u x x L x R 既得 2 221332 2222131111111111x R y x C x C x x L x L R x u L x L x L R x =+- =+-=+-- =? ? ? 写成矢量矩阵形式为： 1-4 两输入1u ，2u ，两输出1y ，2y 的系统，其模拟结构图如图1-30所示，试求其状态空间表达式和传递函数阵。 解：系统的状态空间表达式如下所示： 1-5系统的动态特性由下列微分方程描述 列写其相应的状态空间表达式，并画出相应的模拟结构图。 解：令.. 3. 21y x y x y x ===，，，则有
相应的模拟结构图如下： 1-6 （2）已知系统传递函数2 )3)(2() 1(6)(+++=s s s s s W ,试求出系统的约旦标准型的实现， 并画出相应的模拟结构图 解：s s s s s s s s s W 31 233310)3(4)3)(2()1(6)(22++++- + +-=+++= 1-7 给定下列状态空间表达式 []??? ? ? ?????=???? ??????+????????????????????----=??????????321321321100210311032010x x x y u x x x x x x ‘ （1） 画出其模拟结构图 （2） 求系统的传递函数 解： （2）???? ??????+-+-=-=31103 201 )()(s s s A sI s W 1-8 求下列矩阵的特征矢量 （3）???? ??????---=6712203 010 A 解：A 的特征方程 0611667122301 23=+++=?? ?? ??????+---=-λλλλλλλA I 解之得：3,2,1321-=-=-=λλλ
题目已知f t =0.5t ,则其Lftl-【】 答案：C 题目 函数f (t )的拉氏变换L[f(t)]= _________________ 分析与提示：拉氏变换定义式。 答案： 'f (t )e'tdt 题目：函数f t =e^的拉氏变换 L[f(t)]= ________________ 分析与提示：拉氏变换定义式可得，且 f(t)为基本函数。 1 答案：^^ s +a 题目：若 f(t) =t 2e^t ,则 L[f (t)H 【 】 2 (S 2)3 分析与提示：拉氏变换定义式可得，即常用函数的拉氏变换对， L[f(t)] 3 (S 2)3 答案：B 题目：拉氏变换存在条件是，原函数 f(t)必须满足 _________________ 条件。 分析与提示：拉氏变换存在条件是，原函数 f(t)必须满足狄里赫利条件。 答案：狄里赫利 题目：已知f t =0.5t 1 ,则其L Ifd =【】 2 2 A. S 0.5S B. 0.5S 2 A. S 0.5s B. 0.5s 2 C. 1 2S 2 D. 分析与提示：由拉氏变换的定义计算，可得 1 2S 1 Llf d = 0.5 2 S A. C. 2 S -2 D. 2 (S - 2)3
J 1 J 若 FS=——，则 f 0 )=()。 s + a 1 1 f (t) = lim S lim 1 T s+a ι% 丄 a 1 + S 答案: 1 此为基本函数，拉氏变换为 —2。 S 题目: 函数 f t =t 的拉氏变换L[f(t)]= C. 2S 2 S D. 1 2s 分析与提示：由拉氏变换的定义计算， 这是两个基本信号的和， 由拉氏变换的线性性质, 1 1 Llfd= 0.5 2 S S 其拉氏变换为两个信号拉氏变换的和。 答案：C 4s +1 题目：若 F S A -2—,则 Iim f t )=( S +s t -?? )。 A. 1 C. ∞ B. 4 D. 0 分析与提示: 根据拉氏变换的终值定理 f (：：) = lim f (t) = lim SF(S)。即 有 S )0 ! im f (t)τs m o 答案：B s*4 S S 题目：函数f t =e& cos 的拉氏变换L[f(t)]= 分析与提示： 基本函数cos t 的拉氏变换为 S 7 2,由拉氏变换的平移性质可知 S ■ ■ ■ L l -f t I- s +a s ? a 2 ‘2 答案: (s +a f +ω2 题目: 分析与提示: 根据拉氏变换的初值定理 f(0) =Iim f (t) = Iim SF(S)。即有 t 「0 S ]：: f(0) =Iim tτ 分析与提示:
作业 P81-3,1-4。1-3 1-4
(P72)2-1，2-2。 2-1-a 22,u u u u u u i c i c -==+ dt du dt du c RC RC R i u i 22-==dt du dt du i RC u RC =+22 2-1-b 221Kx B B dt dx dt dx =- dt dx dt dx B Kx B 122=+ 2-1-c 2u u u i c -= 2212()(1212R C C R i i u R u R u dt du dt du R c i i -+-=+= i dt du dt du u R C R R u R R C R R i 22121221)(2+=++ 2-1-d 22211121x K x K x K B B dt dx dt dx =-+- 1122112)(x K B x K K B dt dx dt dx +=++ 2-1-e 1211R u R u R i i -= ???-+-= +=dt u dt u u u dt i R i u C R i C R R R i R R R C R 21 1211 21211121 2 i dt du dt du u C R u C R R i +=++22212 )(
? (P72)2-1，2-2 2-1-f dt dy B y K X K y K x K x K x K =--=-2222222111, 12212 1)1(x x y K K K K -+= dt dx K BK dt dx K K B x K x K K x K 12122 1)1()(1122122-+=-+- 111212112)(x K BK x K K K B dt dx dt dx +=++ 2-2 2 222212 121212222311311)( ,)( )(dt x d dt dx dt dx dt dx dt x d dt dx dt dx dt dx m B x K B m B B x K t f =--- =-- --22322 32 2 221 )(x K B B m B dt dx dt x d dt dx +++= 3 132222 1211 3311) () (dt x d dt x d dt x d dt dx dt t df m B B B K =++-- 2 2222 223 233 3122 223 13 2322 22322 )(]) ([]) ([dt x d dt dx dt x d dt x d B B B dt dx dt x d B K dt t df B K B B m x K B B m ++++- +++-+2 22 32132 333214 24321)(dt x d B K m dt x d B B B m dt x d B m m + + = + 2 2 23 234 24] [) (12323121213212312121dt x d dt x d dt x d K m B B B B B B K m B m B m B m B m m m +++++++++dt t df dt dx B x K K B B K B B K )(32213213122 )]()([=+++++ ? （P72）2-3:-2)、-4)、-6)；2-4:-2)。 2-3:-2) 21)2)(1(321)(++++++==s A s A s s s s G