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运动控制系统习题集
电力拖动自动控制系统
—运动控制系统习题
第一篇直流调速系统
习题一闭环控制的直流调速系统
1-1为什么PWM-电动机系统比晶闸管-电动机调速系统能够获得更好的动态性能?
1-2试分析有制动通路的不可逆PWM变换器进行制动时,两个VT是如何工作的?
1-3调速范围和静差率的定义是什么?
调速范围、静态速降和最小静差率之间有什么关系?
为什么说“脱离了调速范围,要满足给定的静差率也就容易多了”?
1-4某一直流调速系统,测得的最高转速特性为nmax=1500r/min,最低转速特性为nmin=150r/min电动机额定转速为,带额定负载时的速度速降nN=15r/min,且在转速下额定速降nN如不变,
试问系统能够达到的调速范围有多大?
系统允许的静差率是多少?
1-5某闭环调速系统的调速范围1500~150r/min,要求系统的静差率S≤20%,那么系统允许的静态速降是多少?
,如果开环系统的静态速降是100r/min,则闭环系统的开环放大倍数是多少?
1-6某闭环调速系统的开环放大倍数为15时,额定负载下电动机的速降为8r/min,如果将开环放大倍数提高到30,它的速降为多少?
在相同静差率要求下,调速范围可以扩大多少倍?
1-7某调速系统的调速范围D=20,额定转速nN=1500r/min开环转速降落nOP为240r/min,如果要求系统的静差率由10%减少到5%,则系统的开环放大倍数将如何变化?
1-8转速单闭环调速系统有那些特点?
改变给定电压能否改变电动机的转速?
为什么?
如果给定电压不变?
调节测速反馈电压的分压比是否能够改变转速?
为什么?
如果测速发电机的励磁发生了变化,系统有克服着种干扰的能力?
1-9在转速负反馈调速系统中,当电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻、测速发电机的励磁各量发生变化时,都会引起转速变化,问系统有没有调节能力?
1-10有一V—M调速系统,电动机参数为PN=2.2KW,UN=220V,IN=12.5A,nN=1500r/min,Ra=1.2,整流装置内阻Ra=1.5,触发整流环节的放大系数Ks=35,要求调速范围D=20,静差率s≤10%。
试:
①计算开环系统的稳态速降nOP和调速要求所允许的闭环稳态速降nCL。
②采用转速负反馈组成闭环系统,试画出系统的原理图和静态结构图。
③调整该系统参数,使u*n=15V时,IN=Idn=nN,此时转速反馈系数α应为多少?
(un≈u*n)
④计算所需的放大器放大系数。
1-11在题1-10的转速负反馈系统中增设电流截止环节,要求堵转电流Idbl=2IN,临界截止电流Idcr=1.2IN,应该选用多大的比较电压和电流反馈采样电阻?
要求电流反馈采样电阻不超过主电路总电阻的
如果做不到,需要增加电流反馈放大器,试画出系统的原理图和静态结构框图,并计算电流反馈放大系数.这时电流反馈采样电阻和比较电阻各为多少?
1-12某调速系统原理图如下图所示,,已知数据如下:
电动机PN=18KW,UN=220V,IN=94A,nN=1000r/min,Ra=0.15,整流装置内阻Ra=0.3,触发整流环节的放大系数Ks=40,最大给定电压u*nm=15V,当主电路电流达到最大值时,整定电流反馈电压u*im=10V,
设计指标:
要求系统满足调速范围D=20,静差率s≤10%,Idbl=1.5IN,Idcr=1.1IN。
试画出系统的静态结构框图,并计算:
1转速反馈系数α。
②调节器放大系数KP。
2ASR转速调节器R1的数值(放大器输入电阻R0=20KΩ)
④ASR转速调节器R2的数值和稳压管的击穿电压值.
1-13、在电压负反馈单闭环有静差调速系统中,当下列参数发生变化时,系统是否有调节作用?
为什么?
1-14有一V—M调速系统,已知:
电动机PN=2.8KW,UN=220V,IN=15.6A,nN=1500r/min,Ra=1.5,整流装置内阻Rrec=1,触发整流环节的放大系数Ks=35,
①系统开环工作时,试计算调速范围D=30时的静差率s值.
②当D=30,s=10%,计算系统的稳态速降。
③如组成转速负反馈有静差调速系统,要求D=30,s=10%,在u*n=10V时,IN=Id,n=nN,计算转速反馈系数α和放大器放大系数KP.
④如将上述调速系统该为电压负反馈有静差调速系统,还要求在u*n=10V时,IN=Id,n=nN,并保持原来的开环放大系数K不变,试求在D=30时的静差率。
1-15在题1-10的系统中,若主电路电感L=50mH,系统运动部分的飞轮惯量GD2=1.6Nm2,整流装置采用三相零式电路,试判断按题1-10要求设计的转速反馈系统能否稳定运行?
如要保证系统稳定运行,允许的最大开环放大系数K是多少?
1-16、电机的分类?
①发电机(其他能→电能)直流发电机
交流发电机
②电动机(电能→其他能)直流电动机:
有换向器直流电动机(串励、并励、复励、他励)
无换向器直流电动机(又属于一种特殊的同步电动机)
交流电动机:
同步电动机
异步电动机:
鼠笼式
绕线式
:
伺服电机
旋转变压器
控制电机自整角机
力矩电机
测速电机
步进电机(反应式、永磁式、混合式)
1-17为什么用积分调节的调速系统是无静差的?
在转速单闭环调速系统中,当积分调节器的输入偏差为零时,调节器的输出电压是多少?
它取决于哪些因素?
1-18在无静差的转速单闭环调速系统中,转速的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机精度的影响?
。
1-19采用比例积分调节器控制的电压负反馈调速系统,稳态运行时的速度是否有静差?
为什么?
试说明理由。
1-20请比较直流电机调速系统、交流异步电机调速系统、同步电机调速系统的优缺点,并说明今后电力传动系统的发展的趋势.
1-21:
衡量调速系统的性能指标是哪些?
(D、S、和负载匹配)
1-22:
直流电机有哪几种?
直流电机调速方法有几种?
请从调速性能、应用场合和优缺点等方面进行比较.哪些是有级调速?
哪些是无级调速?
1-23:
带有比例调节器的单闭环直流调速系统,如果转速的反馈值与给定值相等,
则调节器的输出为()
A、零;B、大于零的定值
C、小于零的定值;D、保持原先的值不变
1-24、直流调速系统用的可控直流电源有:
旋转变流机组(G-M系统)、静止可控整流器(V-M系统)、直流斩波器和脉宽调制变换器(PWM)。
1-25、名词解释G-M系统V-M系统PWMPFM
1-26、哪些是控制系统的稳态性能指标、稳定性指标和动态性能指标?
①稳态性能指标是:
调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin和静差率S=△nnom/n0*100%
②稳定性指标:
柏德图(对数幅频特性和对数幅频特性)
典型Ⅰ型系:
对数幅频特性以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线,只有保证足够的中频带宽度,系统就一定是稳定的,且有足够的稳定裕量。
γ=90-tg-1ωcT>45
典型Ⅱ型系统:
对数幅频特性以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线。
γ=180-180+tg-1ωc-tg-1ωcT=tg-1ωc-tg-1ωcT
③动态性能指标分跟随性能指标和抗扰性能指标:
跟随性能指标上升时间:
在典型的阶跃响应跟随过程中,输出量从零起第一次上升到稳态
所经过的时间(有些教材定义为10%--90%)
超调量:
在典型的阶跃响应跟随过程中,输出量超出稳态值的最大偏移量
与稳态值之比。
调节时间:
又称过度过程时间原则上是系统从给定量阶跃变化到输出量完全
稳定下来的时间。
一般在阶跃响应曲线的稳态值附近,
取±5%(或±2%)的范围作为允许误差。
抗扰性能指标:
动态降落:
在系统稳定时,突加一个约定的标准的扰动量,在过度过程中引起
的输出量最大降落值。
恢复时间:
从阶跃扰动作用开始,到输出量基本恢复稳态,距新稳态值之差
进入某基准量的±5%(或±2%)范围之内所需的时间。
1-27、在单闭环调速成系统中,为了实施限流保护,可以引进()环节。
A、电流截止正反馈;B、电流截止负反馈;
C、电压截止正反馈;D、电压截止负反馈
1-28、电流正反馈可以作为调速系统的补偿控制,在实际系统中应用的是电流正反馈的()
A、欠补偿;B、全补偿;
C、过补偿;D、临界补偿
1-29、直流调速系统的可控直流电源可以用旋转变流机组组成,它是由交流电动机拖动直流发电机实现变流。
1-30、晶闸管整流器的输出电压是用晶闸管的触发控制角来控制导通的,晶闸管是半控器件。
1-31、某调速系统的调速范围:
100r/min~1000r/min,要求静差率S=2%,此时系统允许的稳态速度降是;如果开环系统的稳态速降是150r/min,此时闭环系统的开环放大系数为。
1-32什么叫PWM?
直流可逆PWM变换器主电路有哪几种结构型式,试简述其优缺点。
1-33对于H型PWM变换器电路,采用何种控制方式可使输出电压频率为两倍开关频率?
试简述这种电路的工作原理和优点,并画出VT1~VT4的控制电压和输出电压等波形。
解答见参考资料[1]的P86例题4-4
1-35为什么晶体管PWM-电动机系统比晶闸管-电动机系统能获得更高的动态性能?
1-36什么是脉宽调制器,常用的脉宽调制器有哪几种?
请分别简述其工作原理。
1-37PWM变换器的输出电压要等到下一周期才能改变,可看成一个滞后环节;当整个系统开环频率特性截止频率时,滞后环节可看成一个一阶惯性环节;因此,脉宽调制器和变换器(简称PWM装置)的传递函数可看成:
一阶惯性环节。
W(S)=
1-38PWM变换器中电力晶体管工作在什么状态?
PWM变换器带电动机负载怎样避开击穿?
1-39什么是泵升电压?
应采用什么电路限制泵升电压?
1-40在单极性可逆PWM变换器中,随着负载的减小,电流将()。
A、断续,不改变方向;B、保持连续,不改变方向
C、断续,来回变向;D、保持连续,来回变向
1-41在H型可逆PWM变换器主要电路中,只有二个三极管交替通断,而其它二个的通断是受电动机转向控制的是()
A、双极性;B、单极性
C、受限单极性;D、受限双极性
1-42当脉宽调速系统减速时,电能通过PWM变换器回送给滤波电容,而使电源电压升高。
1-43脉宽调速系统中,电流脉动量大的是_单极式H型式PWM变换器。
1-44在SPWM逆变器的控制中,对SPWM波有几种调制方式,并分别指出其优、缺点。
习题二转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法
2-1在转速、电流双闭环调速系统中,若要改变电动机的转速,应调节什么参数?
改变转速调节器的放大倍数Kn行不行?
改变电力电子变换器的放大倍数Ks行不行?
改变转速反馈系数α行不行?
若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的哪些参数?
2-2在转速、电流双闭环调速系统稳态运行时,两个调节器的输入偏差电压和输出电压各是多少?
为什么?
2-3在转速、电流双闭环调速系统的转速调节器不是PI调节器,而是P调节器,对系统的静、动态性能将会产生什么影响?
2-4试从下述五个方面来比较转速、电流双闭环调速系统和带电流截止环节的转速单闭环调速系统:
①调速系统的静态性能;②动态限流性能;③启动的快速性
④抗负载扰动的性能;⑤抗电源波动的性能
2-5在转速、电流双闭环调速系统中,两个调节器均采用PI调节器。
当系统带额定负载运行时,转速反馈线突然断线,当系统重新进入稳定运行时电流调节器的输入偏差信号Ui是否为零?
2-6在转速、电流双闭环调速系统中,给定信号U*n未变,增加转速反馈系数,系统稳定后转速反馈电压Un是增加、减小还是不变?
2-7在转速、电流双闭环调速系统中,两个调节器均采用PI调节器。
已知电动机参数为:
PN=3.7KW,UN=220V,IN=20A,nN=1000r/min,电枢绕组总电阻Ra=1.5,U*nm=U*im=U*cm=8V,电枢回路最大电流Idm=40A,电力电子变换器的放大倍数Ks=40,试求:
①电流反馈系数和转速反馈系数
②当电动机在最高转速发生堵转时的Ud0、U*I、Ui、Uc值.
2-8在转速、电流双闭环调速系统中,ASR、ACR两个调节器均采用PI调节器。
当ASR的输出达到U*im=8V时,主电路电流达到最大电流80A,当负载电流由40A增加到70A,试问:
①U*I如何变化?
②Uc如何变化?
③Uc值.由哪些条件决定?
2-9在转速、电流双闭环调速系统中,电动机拖动恒转矩负载在额定工作点正常运行,现因某种原因使电动机励磁电源突然下降一半,系统工作情况会如何变化?
写出Ud0、U*i、Uc、Id、n在系统重新进入稳定后的表达式。
2-10某反馈控制系统已校正成典型Ⅰ型系统。
已知时间常数T=0.1S,要求阶跃响应超调量σ≤10%
①求系统的开环增益;②计算过渡过程时间ts和上升时间tr
③画出开环对数特性。
如要求上升时间tr<0.25s,则K=?
σ=?
2-11有一个系统,其控制对象的传递函数为Wobj(S)=
=
,要求设计一个无静差系统,在阶跃输入下系统超调量σ≤5%(按线性系统考虑),试决定调节器的结构,并选择其参数。
2-12有一个系统,其控制对象的传递函数为Wobj(S)=
=
,要求校正为典型Ⅱ型系统,在阶跃输入下系统超调量σ≤25%(按线性系统考虑),试决定调节器的结构,并选择其参数。
2-13调节对象的传递函数为Wobj(S)=
,要求分别校正成典型Ⅰ型系统和典型Ⅱ型系统,求调节器的结构和参数。
2-14在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中,已知电动机额定参数:
PN=360KW,UN=220V,IN=308A,nN=1000r/min,电动势系数Ce=0.196V.min/r,主回路总电阻R=0.18,触发整流环节的放大倍数Ks=35,电磁时间常数Tl=0.012S,机电时间常数Tm=0.12S,电流反馈滤波时间常数Toi=0.0025S转速反馈滤波时间常数Ton=0.015S.额定转速时给定电压U(*n)N=10V,调节器ASR、ACR饱和输出电压U*im=8V,Ucm=6.5V,
系统的静、动态指标为:
稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量σi≤5%,空载启动到额定转速时的转速超调量σn≤5%,试求:
①电流反馈系数(假定启动电流限制在339A以内)和转速反馈系数
②试设计电流调节器ACR,计算其参数Ri、Ci、Coi,画出其电路图
(调节器输入回路电阻R0=40K
③设计转速调节器ASR,计算其参数Rn、Cn、Con,R0=40K
④计算电动机带40%额定负载启动到最低转速时的转速超调量σn
⑤计算空载启动到额定转速的时间
2-15有一个转速、电流双闭环调速系统,主电路采用三相桥式整流电路,已知电动机额定参数:
PN=555KW,UN=750V,IN=760A,nN=375r/min,电动势系数Ce=1.82V.min/r,主回路总电阻R=0.14,允许电流过载倍数λ=1.5,触发整流环节的放大倍数Ks=75,电磁时间常数Tl=0.03S,机电时间常数Tm=0.112S,电流反馈滤波时间常数Toi=0.002S转速反馈滤波时间常数Ton=0.02S.设调节器输入电压U*nm=U*im=Ucm=10V,调节器输入回路电阻R0=40K
设计指标:
稳态无静差,电流超调量σi≤5%,空载启动到额定转速时的转速超调量σn≤10%,可电流调节器已按典型Ⅰ型系统设计,并取参数KT=0.5,试求:
①选择转速调节器ASR结构,计算其参数Rn、Cn、Con,R0=40K
②计算电流环的截止频率c和转速环的截止频率n,并考虑他们是否合理.
2-16在一转速、电流双闭环V-M系统中,转速调节器ASR、电流调节器ACR均采用PI调节器。
①在此系统中,当转速给定信号最大值U*nm=15V,n=nN=1500r/min;电流给定信号最大值U*im=10V,允许最大电流Idm=30A,电枢回路总电阻R=2,晶闸管装置的放大倍数Ks=30,电动机的额定电流IN=20A,电动势系数Ce=0.128V.min/r,现系统在U*n=5V,IdL=20A时稳定运行.求此时的稳态转速n=?
ACR的输出电压UC=?
②当系统在上述情况下运行时,电动机突然失磁(φ=0),系统将会发生什么现象?
试分析并说明.若系统能够稳定下来,则稳定后n=?
Un=?
U*I=?
Ui=?
Id=?
UC=?
③该系统转速环按典型Ⅱ型系统设计,且按Mmin准则选择参数,取中频宽h=5,转速环小时间常数T∑n=0.05,求转速环在跟随给定作用下的开环传递函数,并计算出放大系数及各时间常数.
④该系统由空载(IdL=0)突加额定负载时,电流Id和转速n的动态过程波形是怎样的?
已知机电时间常数Tm=0.05S,计算其最大动态降落△nmax和恢复时间tv.
2-17有一转速、电流双闭环控制的H型双极式PWM直流调速系统,已知电动机参数为:
PN=200KW,UN=48V,IN=3.7A,nN=200r/min,电枢电阻Ra=6.5,电枢回路总电阻R=8,允许电流过载倍数λ=2,电动势系数Ce=0.12V.min/r,电磁时间常数Tl=0.015S,机电时间常数Tm=0.2S,电流反馈滤波时间常数Toi=0.001S转速反馈滤波时间常数Ton=0.005S.设调节器输入电压U*nm=U*im=Ucm=10V,调节器输入回路电阻R0=40K,已计算出电力晶体管D202的开关频率f=1kHz,PWM环节的放大倍数Ks=4.8
试对该系统进行动态参数设计,设计指标:
稳态无静差,电流超调量σi≤5%,空载启动到额定转速时的转速超调量σn≤20%,过渡过程时间ts≤0.1S
问题2-18:
哪些是控制系统的稳态性能指标、稳定性指标和动态性能指标?
2-19转速、电流双闭环调速系统启动过程的特点是饱和非线性控制、转速超调和准时间最优。
2-20、调节器的设计顺序是先内环后外环:
从内环开始,逐步向外扩展。
常用的调节器设计方法有工程设计方法、调节器最佳整定方法、模型系统法和振荡指标法。
2-21、转速、电流双闭环调速系统中,转速环按典型Ⅱ型系统设计,抗扰能力强,稳态无静差。
2-22、转速、电流双闭环调速系统中,电流环按典型Ⅰ型系统设计,抗扰能力较差,超调小。
2-23、在电机调速控制系统中,对于()的扰动,系统是无能为力的。
A、运算放大器的参数的变化;B、电机励磁电压的变化;
C、转速反馈参数的变化;D、电网电压的变化
2-24带有比例调节器的单闭环直流调速系统,如果转速的反馈值与给定值相等,
则调节器的输出为()
A、零;B、大于零的定值
C、小于零的定值;D、保持原先的值不变
2-25带有比例积分调节器的单闭环直流调速系统,如果转速的反馈值与给定值相等,
则调节器的输出为()
A、零;B、大于零的定值
C、小于零的定值;D、保持原先的值不变
2-26、无静差调速系统的PI调节器中P部份的作用是()
A、消除稳态误差;B、不能消除稳态误差也不能加快动态响应
C、既消除稳态误差又加快动态响应;D、加快动态响应
2-27、双闭环调速系统在稳定时,控制电压Uct的大小取决于()。
P51
A、转速n;B、负载电流Idl
C、转速n和负载电流Idl;D、电流反馈系数β
2-28转速电流双闭环调速系统在起动的恒流升速阶段中,两个调节器的关系为()
A、ASR和ACR均饱和限幅输出;B、ASR不饱和,ACR饱的限幅输出
C、ASR饱和限幅输出,ACR不饱和;D、ASR和ACR均不饱和
2-29、带电流变化率内环的三环调速系统中的电流变化率调节器一般采用积分调节器.
2-30、带电压内环的三环调速系统中的电压调节器一般采用积分调节器.
2-31转速微分负反馈的引入,可使转速调节器在起动时转速调节器退饱和时间提前τdn,使得转速调节器提前进入调节状态,从而抑制了超调。
2-32、带比例调节器的单闭环调速系统的开环放大系数_大于_临界放大系数时,系统将不稳定。
P29
2-33、有一采用PI调节器的双闭环调速系统,已知电动机参数:
Unom=220V,Inom=100A,nnom=1000r/min,=1.5,U*n=10V,Ks=30,ASR、ACR限幅值为U*im=10V,Uctm=8V,电枢主回路总电阻R=1,系统的转速反馈系数=10/1000=0.001,=10/150=0.067,系统原来稳定运行在额定工作状态,突然转速反馈线断线,系统重新稳定后,U*i=__10V___,n=___1000r/min_,Uct=__8V_,Id=_100A_.
2-34、在转速、电流双闭环调速系统中,电流环为什么校正成典型Ⅰ型系统,转速环为什么校正成典型II型系统?
2-35、弱磁控制的直流调速系统属于()。
A、恒转矩调速B、恒功率调速
C、恒磁通调速;D、不能确定
2-36、典Ⅰ型系统在阶跃输入:
R(t)=R0的稳态误差是()。
A、0;B、R0
C、R0/K;D、无穷大
2-36、典Ⅰ型系统在阶跃输入:
R(t)=R0的稳态误差是()。
A、0;B、R0
C、R0/K;D、无穷大
2-37、典Ⅰ型系统在斜坡输入:
R(t)=V0t的稳态误差是()。
A、0;B、v0
C、v0/K;D、无穷大
2-38、典Ⅰ型系统在加速度输入:
R(t)=
R0的稳态误差是()。
A、0;B、a0
C、a0/K;D、无穷大
2-39、典II型系统在阶跃输入:
R(t)=R0的稳态误差是()。
A、0;B、R0
C、R0/K;D、无穷大
2-40、典Ⅰ型系统在斜坡输入:
R(t)=V0t的稳态误差是()。
A、0;B、v0
C、v0/K;D、无穷大
2-41、典Ⅰ型系统在加速度输入:
R(t)=
R0的稳态误差是()。
A、0;B、a0
C、a0/K;D、无穷大
习题三直流调速的数字控制
3-1直流电动机额定转速nN=1000r/min,电枢电流额定值IdN=760A,允许过流倍数=1.5,计算机内部定点数占一个字的位置(16位),试确定数字控制系统的转速反馈存储系数和电流反馈存储系数,适当考虑余量。
解答见参考资料[1]的P86例题4-6
3-2旋转编码光栅数为1024,倍数系数为4,高频时钟脉冲频率f0=1MHZ,旋转编码器输出的脉冲个数和高频时钟脉冲个数均采用16位计数器,M法和T法测速时间均为0.1S,求转速n=1500r/min和n=150r/min时的测速分辨率和误差率最大值.
解答见参考资料[1]的P87例题4-7
3-3将习题2-14设计的模拟电流调节器进行数字化,采样周期Tsam=0.5ms,调节器输出限幅及积分限幅均为±Um,写出位置式和增量式数字PI调节器的表达式,并用已掌握的汇编语言设计实时控制程序.
τi=Tl=0.01
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