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运控复习题
2012年运控复习题
《运动控制系统》复习思考题
第1章
1.1、要想调节直流电动机的转速,有哪几种方法?
各自有什么特点?
1.2、常用的可控直流电源有哪几种?
各自有什么特点?
1.3、双极式控制的桥式可逆PWM变换器的工作原理及特点?
1.4、什么叫泵升电压?
怎样限制?
1.5、调速系统的稳态性能指标有哪些?
各是什么含义?
1.6、开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系?
1.7、闭环系统能减少稳态速降的实质是什么?
1.8、掌握转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图。
1.9、带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图。
1.10、掌握转速负反馈闭环直流调速系统动态结构框图。
1.11、掌握比例积分控制规律;无静差调速系统为什么能实现无静差?
1.12、课本P50:
1-4、1.5、1-6、1-7、1-8、1-9、1-10、1-11、1-12、1-13、1-14、1-15
1.13、由三相桥式全控整流电路供电的V-M系统,电动机数据如下:
PN=90kW,UN=440V,IN=220A,nN=1800r/min,电枢电阻Ra=0.874Ω,忽略整流桥内阻和平波电抗器电阻,假设空载电枢电流为额定电流的10%,而且电流是连续的。
1)试求控制角α=00和300时的空载转速;
2)若要在额定电流时达到额定转速,求此时的控制角α、系统功率因数以及静差率s。
答:
1).α=00时的空载转速为2119r/min,300时的空载转速为1824r/min;
2).α=280,cosϕ=0.82,s=0.0395
1.14、在电压负反馈单闭环有静差调速系统中,当下列参数变化时系统是否有调节作用,为什么?
1)放大器的放大系数Kp2)供电电网电压3)电枢电阻4)电动机励磁电流5)电压反馈系数
答:
1)、2)参数变化时,系统有调节作用。
3)、4)、5)参数变化时,系统无调节作用。
1.15、试回答下列问题
1)在转速负反馈单闭环有静差调速系统中,突减负载后又进入稳定运行状态,此时晶闸管整流装置的输出电压Ud较之负载变化前是增加、减少还是不变?
2)在无静差调速系统中,突加负载后进入稳定时转速n和整流装置的输出电压Ud是增加、减少、还是不变?
3)在采用PI调节器的单闭环自动调节系统中,调节对象包含有积分环节,突加给定后PI调节器没有饱和,系统到达稳态前被调量会出现超调吗?
答:
1)Ud减少2)n不变,Ud增加3)一定超调
1.16、转速单闭环控制系统如下图所示,已知数据如下:
电动机:
,
,
,
,
。
整流装置内阻
触发整流环节的放大倍数
。
最大给定电压
,当主电路电流达到最大值时,整定电流反馈电压
。
设计指标:
要求系统满足调速范围
,静差率
。
1.计算Ce,额定负载时,开环系统的稳态速降Δnop,满足静差率要求时,闭环系统的稳态速降Δncl及闭环系统的开环放大系数K。
2.转速反馈系数
,调节器放大系数
。
3.定性画出当
时,
和
的闭环静特性。
4.系统是否有静差?
若有静差,应采取何种实际可行的措施消除静差。
(计算时小数点后保留3位,若数值较小时,应保留三位有效位)(15分)
1.17、在某一调速系统中,要求调速范围1000~100r/min,静差率s=5%,试问此时允许的静态转速降是多少?
若开环静态速降是100r/min,则闭环系统的开环放大系数为多大?
解:
由
得
第2章
2.1、掌握双闭环直流调速系统电路原理图,注意
与
的极性。
2.2、掌握双闭环直流调速系统稳态结构框图中各变量的稳态工作点和稳态参数计算。
2.3、掌握双闭环直流调速系统动态结构框图、起动过程分析(三个阶段)。
2.4在转速、电流双闭环调速系统中,转速调节器有哪些作用?
其输出限幅值应按什么要求来整定?
电流调节器有哪些作用?
其输出限幅值应如何整定?
2.5、在设计双闭环系统时,选择转速和电流环结构的依据是什么?
(P71)
答:
典型I型系统在动态跟随性能好,但抗干扰能力差,而典型II型系统的超调量大,抗干扰能力好。
因此电流环设计成典型I型系统,转速环设计成典型II型系统。
2.6、在设计电流环时,如何处理反电动势的作用?
答:
相对于电流变化而言,反电动势变化相对缓慢,所以在设计电流环时,反电动势的变化忽略不计。
2.7、课本P95:
2-5、2-6、2-7、2-8、2-9、2-14(前三小题)
(注意2-5与2-7中反馈线断线、堵转的区别)
2.8、课本P79:
例题2-1、2-2。
2.9、双闭环直流调速系统的起动过程有三个特点。
2.10、在转速、电流双闭环调速系统中,转速调节器有哪些作用?
其输出限幅值应按照什么要求来整定?
电流调节器有哪些作用?
其限幅值应如何整定?
2.11、按下述两种情况定性分析转速、电流双闭环直流调速系统的转速和电流的变化规律,两个调节器的输出与控制作用,定性画出转速、电流的过渡曲线:
①负载电流为
时,突加给定的起动过程,设最大电枢电流为
;
②系统稳定后,负载电流由
加大到
,
。
2.12、有一转速、电流双闭环调速系统,已知电动机参数为:
PN=5.5kw,UN=220V,IN=28A,nN=1490r/min,电枢回路电阻R=0.8Ω,允许电流过载倍数λ=1.8,电磁时间常数TL=0.048s,机电时间常数Tm=0.185s,主电路采用三相桥式整流电路,触发整流环节的放大倍数Ks=35,整流电装置内阻Rres=1.3Ω,平均失控时间常数Ts=0.0017s,最大输入、输出电压均为10V,电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s,转速反馈滤波时间常数Ton=0.015s。
(1)计算电流反馈系数β,转速反馈系数α。
(2)按典型I型系统设计电流调节器结构和参数,其中KT=0.5。
(3)按典型II型系统设计转速调节器,其中h=5,选择调节器结构并计算参数。
(计算时小数点后保留3位,若数值较小时,应保留三位有效位)
第3章
3.1、掌握采用旋转编码器的三种测速方法(M法、T法、M/T法)、应用场合及各自的精度指标。
第4章
4.1、两组晶闸管装置反并联的可逆线路中有哪几种环流?
它们是怎样产生的?
各有哪些害处和益处?
答:
有环流可逆调速系统的优点是:
在可控环流系统中存在少量环流,可将环流作为流过晶闸管的基本负载电流,即使在电动机空载或轻载时,也可以使晶闸管装置工作在电流连续区,避免了电流断续引起的非线性现象对系统静、动态性能的影响;而且保证电流的无间断反向,加快反向时的过渡过程。
有环流可逆系统的缺点是:
在环流可逆系统中需要设置环流电抗器,体积大,投资大。
无环流可逆系统的优点是:
在无环流可逆系统中无需设置环流电抗器,没有附加环流损耗,从而可节省变压器和晶闸管的附加设备容量。
无环流可逆系统的缺点是:
1.由于延时造成了电流换向死区,影响过渡过程的快速性;因为没有设置环流电抗器,因此决不允许系统中出现环流。
4.2、分析配合控制的有环流可逆系统反向的起动和制动过程。
画出各参变量的动态波形,并说明在每个阶段中ASR和ACR各起什么作用?
VR和VF各处于什么状态?
(参照P128图4-10)
4.3、掌握逻辑控制无环流可逆调速系统的组成和工作原理。
4.4、论述逻辑无环流可逆晶闸管-直流电动机调速系统的由正向电动到反向电动的过程,如何实现电枢电流的反向。
第5章
5.1、常见的异步电动机调速方法有哪些?
从能量转换的角度看,其调速方法可分为哪几类?
5.2、简述交流变压调速系统的优缺点及适用场合。
5.3、写出定子绕组感应电动势E和气隙磁场
的表达式,分析异步电机变频调速的电压频率协调控制规律,论述基频以下和基频以上,定子电压U、电源频率
、气隙磁场
的变化规律,在低频时,应作何处理,画出电压频率特性曲线,不同频率的机械特性(画出4条,
,其中
为低频,
为额定频率)。
第6章
6.1、在
、
、
三种协调控制规律下,异步电机调速系统的机械特性各有什么特点?
P163
6.2、电流型与电压型逆变器相比,在性能上有哪些差异?
P168
6.3、SVPWM控制模式有什么特点?
P182
6.4、掌握P185页图6-37通用变频器—异步电动机调速系统原理图中各个模块的作用。
6.5、根据电压空间矢量合成的表达式,画出空间矢量图,在图中标出相应的参数,说明参数和矢量的意义,求出零矢量的作用时间。
6.6、分析转差频率控制的变压变频调速系统。
答:
系统结构如图所示,转速调节器ASR的输出信号是转差频率给定信号
,
与实测转速信号ω相加,即得定子频率给定信号
,即
,由
和定子电流反馈信号Is从Us=f(ω1,Is)函数中查得定子电压给定信号
,用
和
控制PWM电压型逆变器。
FBS
电压型逆变器
M
3~
ASR
PWM
6.7、转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统不能完全达到直流双闭环系统调速的水平,存在差距的原因是什么?
P190页
6.8、异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,体现在哪些方面?
P191
6.9、坐标变换的目的是什么?
不同电动机模型彼此等效的原则是什么?
6.10、矢量控制系统的基本思路是什么?
6.11、掌握按转子磁链定向的矢量控制系统及其解耦算法。
6.12、根据矢量图写出旋转变换阵,当异步电机达到稳态时,且dq坐标系与旋转磁动势同步时,两个坐标系中电流的本质区别。
综合模拟练习(注:
非考题)
一、填空题:
1.在直流调速系统中,为了进行定量分析,定义了两个稳定性能指标,分别是____和____。
2.对于直流调速系统,双闭环系统和单闭环系统的差别仅在于多了一个____和电流调节器,其它均相同,对于调速系统,最主要的抗扰性能是指____和____性能。
3.通常电机测速方法有三种,分别是____、____和____。
4.数字PI调节器有两种算式:
____和____。
5.对于异步电动机调速系统,在精度要求不高的场合,采用转速开环的____和转速闭环的____。
6.对于单闭环直流调速系统,如果转速的反馈值与给定值相等,若调节器为比例调节,则其输出为____,若调节器为PI调节,则调节器的输出为____。
7.转速、电流双闭环调速系统的启动过程特点是____、____和____。
8.转速、电流双闭环调速系统中,转速环按典型____型系统设计,抗扰能力____,稳态____。
电流环按典型按典型____型系统设计,抗扰能力____,超调____。
9.无静差调速系统的调节器中P部分的作用是__________,I部分的作用是________。
10.直流调速系统的调速范围是1000~100r/min,要求静差率s=2%,那么系统允许的稳态速降是_______r/min。
11.变频器从结构上看,可分为直接变频、间接变频两类,从变频电源性质看,可分为电流型、电压型两类。
12.交流异步电动机变频调速的常规控制策略有:
恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。
13.三相异步电动机的数学模型包括:
电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。
14.三相异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
15.异步电动机A、B、C坐标系的数学模型经三相静止/两相静止/两相旋转坐标变换,可得到d-q-o坐标系的数学模型。
16.在转差率s很小的范围内,只要能够维持气隙磁通φm不变,异步电动机的转矩就近似与转差角频率ωs成正比,即在异步电机中,控制转差率就代表了控制转矩,这就是转差频率控制的基本概念。
二、简答题
2-1试回答下列问题:
1)双闭环调速系统中,给定信号
未变,增加反馈系数α,系统稳定后转速反馈电压Un是增加、减小还是不变?
2)ASR、ACR均采用PI调节器的双闭环调速系统,在带额定负载运行时,转速反馈线突然断线,当系统重新进入稳定时电流调节器的输入偏差信号∆Ui是否为零?
答:
1)Un不变2)不为零
2-2在双闭环调速系统稳态特性的平直段和下垂段,ASR和ACR分别工作在线性状态还是限幅状态?
答:
平直段:
ASR与ACR工作在线性状态;下垂段:
ASR工作在限幅状态,ACR工作在线性状态
2-3双闭环调速系统稳态运行时,两个PI调节器的偏差输入(给定与反馈之差)是多少?
她们的输出电压是多少?
为什么?
答;系统稳定运行时,两个调节器的偏差输入均为零;
转速调剂前输出电压为
;电流调节器的输出电压为
2-4ASR和ACR均采用PI调剂前的双闭环调速系统
,主电路最大电流Idm=100A,当负载电流由20A增加到30A时,试问:
1)
应如何变化?
2)Uct应如何变化?
3)Uct由哪些条件决定?
答:
1)从2V增加到3V2)略有增加3)转速和负载电流(稳态时的)决定
2-5在转速、电流双闭环调速系统中,出现电网电压波动和负载扰动时,哪个调节器起主要的调节作用?
答:
电网电压波动时ACR起主要调节作用;负载扰动时ASR起主要调节作用。
2-6在转速、电流双闭环调速系统中,转速调节器有哪些作用?
其输出限幅值应按照什么要求来整定?
电流调节器有哪些作用?
其限幅值应如何整定?
答;转速调节器输出限幅值按最大电流值Idm和β值整定,即
;
电流调节器输出限幅值应安下式整定:
,并保证最小控制角的限制。
2-7在非独立控制励磁调速系统中,当电动机转速上升到95%(或90%)nN时即进入弱磁升速阶段,为何电动机转速不是上升到100%nN时才开始弱磁升速?
答:
因为反电动势给定信号Ue*是给定在95%(或90%)nN,所以在升速过程Ue不可能超过Ue*;若给定为100%nN,这Ue可以跟随到100%nN后开始弱磁升速。
2-8非独立控制励磁调速系统,已知参数为:
电动机:
,UN=220V,IN=160A,nN=2430r/min,电枢电阻Ra=0.1Ω,IrN=8A;电动机反馈系数αe=0.033,励磁电流反馈系数βf=0.8V/A;若要求E=90%EN时开始弱磁升速,试求Ue*的值和AER输出限幅各为多少?
答:
当AER和AFR采用PI调节器时,
2-9在设计双闭环系统时,选择转速和电流环结构的依据是什么?
答:
典型I型系统在动态跟随性能好,但抗干扰能力差,而典型II型系统的超调量大,抗干扰能力好。
因此电流环设计成典型I型系统,转速环设计成典型II型系统。
2-10在设计电流环时,如何处理反电动势的作用?
答:
相对与电流变化而言,反电动势变化相对缓慢,所以在设计电流环时,反电动势和变化忽略不计。
2-11交流异步电动机的恒压频比控制有哪三种方式?
试就其实现难易程度、机械特性等方面进行比较。
2-12什么是矢量控制系统VCS或TCS矢量闭环控制系统?
请画出矢量控制系统的构思框图并简述其工作原理。
【答:
将异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机,那么,模仿直流电动机的控制方法,求的直流电动机的控制量,经过坐标反变换,就能够控制异步电动机。
由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势)的空间矢量,所以这样通过坐标变换的控制系统就叫做思量控制系统VCS(VectorControlSystem)或矢量变换控制系统TCS(Trans-vectorControlSystem),构思框图:
P207图6-53】
三、计算题
3-1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,已知电动机的额定数据为:
PN=60kW,UN=220V,IN=308A,nN=1000r/min,电动势系数Ce=0.196V.min/r,主电路总电阻R=0.18Ω,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。
额定转速时的给定电压(
)N=10V,调节器ASR,ACR饱和输出电压
。
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%,空载在起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%。
试求:
(1)确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在390以内)和转速反馈系数α;
(2)试设计电流调节器ACR,计算参数Ri、Ci、Coi。
画出其电路图,调节器输入回路电阻R0=40kΩ;
(3)设计转速调节器ASR,计算其参数Rn、Cn、Con;
(4)计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn;
(4)计算空载起动到额定转速的时间。
解:
(1)
3-2有一转速、电路双闭环调速系统,主电路采用三相桥式整流电路。
已知电动机参数为:
PN=555kW,UN=750V,IN=760A,nN=375/min,电动势系数Ce=1.82V.min/r,电枢回路总电阻R=0.14Ω,触发整流环节的放大倍数Ks=35,允许电流过载倍数λ=1.5。
电磁时间常数Tl=0.031s,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ASR,ACR输入电压
,调节器输入回路电阻R0=40kΩ。
设计指标为:
稳态无静差,电流超调量σi≤5%,空载在起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%。
电流调节器已按典型I型系统设计,并取参数KT=0.5。
(1)选择转速调节器结构,并计算其参数;
(2)计算电流环的截止频率ωci和转速环的截止频率ωcn,并考虑它们是否合理。
第3章
3-1何谓有源逆变与无源逆变?
晶闸管的换流方式两者有何不同?
答:
有源逆变:
将直流变换为交流后,反馈到电网;
无源逆变:
将直流变换为交流后,能量不反馈回电网,而是提供给其它负载。
有源逆变的换流方式是自然换流;无源逆变的换流方式是强迫换流。
3-2两组晶闸管装置反并联的可逆线路中有哪几种环流?
它们是怎样产生的?
各有哪些害处和益处?
答:
有静态换流和动态换流,静态换流又分为直流平均换流和瞬时脉动换流。
直流平均换流是由于Udof>Udor,即α<β时产生的。
瞬时脉动换流是由于Udof和Udor瞬时值不等产生的。
动态换流在稳态运行时不产生,只有在控制角改变的动态过程中产生。
换流的害处是:
增加了晶闸管和变压器的负担,消耗无用的功率,换流太大时甚至会导致晶闸管损坏。
环流的益处:
若存在少量环流,可将环流作为流过晶闸管的基本负载电流,即使在电动机空载或轻载时,也可以使晶闸管装置工作在电流连续区,避免了电流断续引起的非线性现象对系统静、动态性能的影响;而且保证电流的无间断反向,加快反向时的过渡过程。
3-3解释待逆变、正组逆变和反组逆变,并说明这三种状态常出现在何种场合?
答:
待逆变:
在可逆系统中,当正组工作时,逆变组只有逆变电压,没有逆变电流,处于等待逆变状态。
正组逆变是指正组进行回馈制动使所进行的逆变。
反组逆变是指反组正在进行逆变,是反向制动阶段。
3-4有环流系统和无环流系统比较,有何优缺点?
并说明有环流可逆系统的适用场合。
答:
有环流可逆调速系统的优点是:
在可控环流系统中存在少量环流,可将环流作为流过晶闸管的基本负载电流,即使在电动机空载或轻载时,也可以使晶闸管装置工作在电流连续区,避免了电流断续引起的非线性现象对系统静、动态性能的影响;而且保证电流的无间断反向,加快反向时的过渡过程。
有环流可逆系统的缺点是:
在环流可逆系统中需要设置环流电抗器,体积大,投资大。
无环流可逆系统的优点是:
在无环流可逆系统中无需设置环流电抗器,没有附加环流损耗,从而可节省变压器和晶闸管的附加设备容量。
无环流可逆系统的缺点是:
1.由于延时造成了电流换向死区,影响过渡过程的快速性;因为没有设置环流电抗器,因此决不允许系统中出现环流。
一、简答题
1.请写出直流电动机在稳态时的机械特性表达式,从中可以得到哪几种调速方法?
2.在转速单闭环调速系统中,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,系统有克服这种扰动的能力?
为什么?
3.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、测速发电机励磁各量发生变化时,都会引起转速的变化,试问系统对上述各量有无调节能力?
为什么?
4.在带电流截止环节的转速负反馈调速系统中,电流截止环的作用是什么?
5.在带电流截止环节的转速负反馈系统中,如果截止比较电压发生变化,对系统的静特性有什么影响?
如果电流反馈电阻Rs的大小发生变化,对静特性有什么影响?
6.为什么用积分控制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电压ΔU=0时,调节器的输出电压是多少?
它决定于哪些因素?
7.在对调速系统进行稳态、动态性能分析时,经常使用的稳态、动态性能指标有哪些?
8.无静差调速系统的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机精度的影响?
为什么?
9.在转速、电流双闭环调速系统中,转速调节器、电流调节器分别有哪些主要作用?
10.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(给定与反馈之差)电压是多少?
它们的输出电压是多少?
为什么?
11.如果转速、电流双闭环调速系统的转速调节器不是PI调节器,而是比例调节器,对系统的静、动态性能会有什么影响?
12.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,转速反馈突然断线,系统重新进入稳态后,电流调节器的输入偏差电压△Ui是否为零?
为什么?
13.在转速、电流双闭环调速系统中,转速给定信号Ui*未改变,若增大转速反馈系数α,系统稳定后转速反馈电压Un是增加还是减少?
为什么?
15.采用旋转编码器的数字测速方法有哪三种?
其适用范围分别是什么?
16.在直流调速系统的数字控制中,常用的有哪几种数字滤波方法?
17.位置随动系统的主要特征是什么?
18.位置随动系统与调速系统的主要区别是什么?
二、系统的开环对数幅频特性渐进线(伯德图)如下图所示,定性说明中频段、低频段、高频段和截止频率
(或称剪切频率)与闭环系统稳定性、稳态精度和动态响应的关系。
(8分)
一、某转速负反馈闭环直流调速系统的稳态结构图如图一,其中Kp是放大器的电压放大系数,Ks是电力电子变换器的电压放大系数,α是转速反馈系数,Ud0是电力电子变换器理想空载输出电压,根据P调节的特点,试回答下面的问题:
二、某带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构图如下所示,其中Kp是放大器的电压放大系数,Ks是电力电子变换器的电压放大系数,α是转速反馈系数,Ud0是电力电子变换器理想空载输出电压,Ucom是比较电压,现作如下假设:
(1)系统中各环节的输入输出关系是线性的。
(2)忽略控制电源和电位器的内阻,试回答下面问题:
(1)简要说明电流截止环节在系统运行中的作用。
(2)推导该闭环调速系统的机械静特性表达式,并画出它的机械特性曲线。
(3)带电流截止负反馈的闭环调速系统,与转速、电流双闭环直流调速系统的启动性能是否相同?
试简要分析。
三、在转速、电流双闭环调速系统中,两个调节器ASR、ACR均采用PI调节器,UPE为电力电子变换器。
假设反馈系数α、β,额定转速n0,负载电流Idl,电枢电路电阻R,UPE放大系数Ks均为已知数。
(1)简要说明直流双闭环调速系统是怎样达到比较理想的快速启动的目的的?
(可附图说明)
(2)在系统稳
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