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1、运动控制系统习题集解(直流部分)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行不行改变转速反应系数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答：在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速,应调节的参数有：转速给定电压U*n，由于转速反应系统的转速输出服从给定。改变转速调节器的放大倍数Kn，只是加快过渡经过，但转速调节器的放大倍数Kn的影响在转速负反应环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。因而，不能通过改变转
2、速调节器的放大倍数Kn，来改变转速改变改变电力电子变换器的放大倍数Ks，只是加快过渡经过，但转电力电子变换器的放大倍数Ks的影响在转速负反应环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。因而，不能通过改变电力电子变换器的放大倍数Ks，来改变转速改变转速反应系数，能改变转速。转速反应系数的影响不在转速负反应环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统没有调节和抑制能力。因而，能够通过改变转速反应系数来改变转速，但在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行最终的转速还是服从给定。若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的参数有：转速的给定U*n、转速调节器的放大倍数Kn、转速调节器的限幅值、转速反
3、应系数等，由于它们都在电流环之外。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何答：在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行时，转速调节器退饱和，PI的作用使得转速调节器的输入偏差电压为0，转速调节器的输出电压由于维持在U*imn*。在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行时，电流调节器不饱和，PI的作用使得电流调节器的输入偏差电压为0，构成一个电流随动子系统，力图使Id尽快跟随其给定U*i.电流调节器的输出电压UC又后面的环节决定。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答：在转速、电流
4、双闭环调速系统中，转速调节器采用P调节器，整个系统成为一个有静差的系统。转速调节器不饱和，一直处于主导地位；电流调节器不饱和，构成一个电流随动子系统，无法构成在最大电流下在最短时间内使速度上升/下降最快，动态响应较慢。2-4试从下述五个方面来比拟转速、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：调速系统的静态性能；动态限流性能；启动的快速性抗负载扰动的性能；抗电源波动的性能答：调速系统的静态性能:在转速、电流双闭环调速系统中，转速调节器采用PI调节器，整个系统成为一个无静差的系统。带电流截止环节的转速单闭环调速系统中，转速调节器采用PI调节器，整个系统成为一个无静差的系统。动态限流
5、性能:在转速、电流双闭环调速系统中，电流调节器采用PI调节器，将电流限制在Idm内。带电流截止环节的转速单闭环调速系统中，将电流限制在Idcr-Idbl内。启动的快速性:在转速、电流双闭环调速系统在启动/制动经过中，转速调节器饱和，电流调节器在最大电流Idm附近进行PI调节，时间最短，提高了启动/制动的快速性。带电流截止环节的转速单闭环调速系统中，在启动/制动经过中，当电流大于截止电流Idcr时，电流调节器起作用，并不是在最大电流附近进行调节，启动/制动的快速性较差。抗负载扰动的性能：在转速、电流双闭环调速系统中，负载扰动在转速外环中，负载扰动作用在电流环之后，因而只能靠转速调节器ASR来产生
6、抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。带电流截止环节的转速单闭环调速系统中，负载扰动立即引起电流变化，当电流大于截止电流Idcr时，电流调节器起作用，能够进行调节。抗电源波动的性能在转速、电流双闭环调速系统中，由于增设了电流内环，电压波动能够通过电流反应得到比拟及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反应回来，抗电源波动的性能大有改善。在电流截止环节的转速单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用遭到多个环节的延滞，因而单闭环调速系统抵抗电源电压扰动的性能要差一些。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
7、速反应线忽然断线，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能否为零答：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，转速反应线忽然断线，转速调节器反应电压突变为为0，转速调节器输入偏差突变为最大，转速调节器PI调节器饱和，转速开环，系统变为电流单闭环调节。转速调节器的输出突变为正极限值U*im,电流调节器的输入偏差变大，电流调节器为PI调节器作用，直至进入新的稳定状态，电流无静差。当重新进入稳定运行时，电流调节器PI调节器的输入偏差信号Ui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，增加转速反应系数，系统稳定后转速反应电压Un是
8、增加、减小还是不变答：在转速、电流双闭环调速系统中，给定信号U*n未变，增加转速反应系数，转速调节器反应电压增加，转速调节器输入偏差变大，转速调节器输出变大即电流调节器给定变大，电流调节器输入偏差变大，电流调节器输出变大即电机电流变大，进入重新调节阶段。系统稳定后，转速、电流无静差。转速调节器输入偏差为0，转速反应电压Un等于转速给定信号U*n，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，UN220V，IN=20A，nN=1000rmin，电枢绕组总电阻Ra1.5，U*nm=U*imU*cm=8V，电枢回路最大电流Idm=40A,电力电子变换器
9、的放大倍数Ks=40,试求:电流反应系数和转速反应系数当电动机在最高转速发生堵转时的Ud0、U*I、Ui、Uc值.解：稳态运行时，转速调节器不饱和，输入偏差为0，=nUn*=NnmnU*8/1500=稳态运行时，电流调节器不饱和，输入偏差为0，=nUi*=dmimiU*=8/40=当电动机在最高转速发生堵转时,电枢回路最大电流Idm=40A,电流调节器反应电压最大U*im=8V,电流调节器输入偏差最大大，电流调节器饱和,输出最大U*cm=8V,电流开环.经过电力电子变换器后的Ud0=Ks*Uc=40*8=320V.,电机转速很小;几乎为0,转速反应电压很小,转速调节器输入偏差很大,转速调节器饱
10、和，转速开环,转速调节器输出U*im8V.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的输出到达U*im=8V时，主电路电流到达最大电流80A，当负载电流由40A增加到70A，试问：U*I怎样变化Uc怎样变化Uc值.由哪些条件决定答: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的输出到达U*im=8V时，ASR饱和不起作用;主电路电流到达最大电流80A，电流调节器的给定电压U*i=U*im=8V最大保持不变,当负载电流由40A增加到70A，电流调节器反应电压Ui增加,电流调节器的输入偏差电压减小,电流调节器的输出电压
11、Uc减小.Uc值.由:电流调节器的输入偏差电压(电流调节器的给定电压U*i-电流调节器反应电压)、条电流调节器的比例放大系数、电流调节器积分时间常数以及电机的运行状态等条件决定。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忽然下降一半，系统工作情况会怎样变化写出Ud0、U*i、Uc、Id、n在系统重新进入稳定后的表达式。答: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忽然下降一半，电机的电磁转矩减小为原来的一半，转速下降，转速调节器反应电压Un减小,转速调节器的输入偏差电压增大
12、,转速调节器的输出电压即电流调节器的给定电压U*i增大.电流调节器的输出电压Uc增大，转速上升，到达新的稳定。在系统重新进入稳定后Ud0=U*i=Uc=Id=n=2-10某反应控制系统已校正成典型型系统。已知时间常数T=，要求阶跃响应超调量10%求系统的开环增益；计算过渡经过时间ts和上升时间tr画出开环对数特性。如要求上升时间trWI(S)Wobj(S)=)101.0(10+SSKI为典型型系统.查典型型系统阶跃输入跟随性能指标表可知超调量5%,KT=K=50KI=52-12有一个系统,其控制对象的传递函数为Wobj(S)=)1(1+TSSk=)102.0(10+SS，要求校正为典型型系统,
13、在阶跃输入下系统超调量25%(按线性系统考虑),试决定调节器的构造,并选择其参数。解:要求校正为典型型系统,调节器构造选用PI调节器,WPI(S)=SSkPI11)1(+,1=hT=7*=WPI(S)Wobj(S)=)102.0()118.0(2.512+SSS为典型型系统.查典型型系统阶跃输入跟随性能指标表可知超调量30%,h=72-13调节对象的传递函数为Wobj(S)=)102.0)(125.0(18+SS，要求分别校正成典型型系统和典型型系统,求调节器的构造和参数。解:要求校正为典型型系统,调节器构造选用PI调节器,WPI(S)=SSkPI11)1(+,1=T1=要求校正为典型型系统,
14、调节器构造选用PI调节器,以为STST11111+T1T2WPI(S)=SSkPI11)1(+,1=hT2一般取h=51=hT2=5*=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:PN360KW，UN220V，IN=308A，nN=1000rmin，电动势系数Ce=.minr,主回路总电阻R，触发整流环节的放大倍数Ks=35,电磁时间常数Tl=,机电时间常数Tm=,电流反应滤波时间常数Toi=转速反应滤波时间常数Ton=.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=,系统的静、动态指标为：稳态无
15、静差，调速范围D=10，电流超调量i5%,空载启动到额定转速时的转速超调量n5%,试求:电流反应系数(假定启动电流限制在339A以内)和转速反应系数试设计电流调节器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设计转速调节器ASR，计算其参数Rn、Cn、Con，R0=40K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n计算空载启动到额定转速的时间解：稳态运行时，电流调节器不饱和，输入偏差为0，=nUi*=dmimiU*=8/339=稳态运行时，转速调节器不饱和，输入偏差为0，=nUn*=NnmnU*=10/1000=*电磁时间常数Tl=,三相零式晶闸
16、管整流装置的平均失控时间TS=,电流反应滤波时间常数Toi=电流环的小时间常数Ti=TS+Toi=+=,*根据设计要求:稳态无静差，电流超调量i5%,因而可按典型型系统设计,电流调节器选用PI型。检查对单源电压的抗扰性：iLTT=,参考典型型系统的动态抗扰性能,各项指标是能够接受的.*ACR超前时间常数：i=Tl=电流环开环增益：要求i5%时，应取KITi=,因而KI=TI=S-1于是，ACR的比例系数为:Ki=siIKRK=*/*38)=*根据电流调节器原理图，取R0=40K,则Ri=KiR0=*40=(取9K)Ci=i/Ri=9=F(取F)Coi=4i/R0=4*40=F(取F)*电流环等
17、效时间常数为2TI=,转速反应滤波时间常数Ton=转速环最小时间常数Tn=2TI+Ton=,机电时间常数Tm=,电动势系数Ce=.minr,*由于设计要求无静差，转速调节器必须有积分环节；又跟据动态要求，空载启动到额定转速时的转速超调量n5%,应按典型型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器.*按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为n=hTn=5*=KN=2221nThh+=220266.05215?+=Kn=0266.018.0001.05212.0196.0024.0)15(2)1(?+=+nmeRThTCh=*由转速调节器的原理图可知，取R0=40K,则Rn=K
18、n*R0=*40=2828K(取Rn=2830K)Cn=n/Rn=2830=F(取Cn=F)Con=4Ton/R0=4*40=F(取Con=F)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nn%=cmax/Cb%2-Z(nnom/n*)(Tn/Tm)当h=5时，cmax/Cb%=%，而nnom=IdnomR/Ce=*=minn%=%*2*(1600*=%反应滤波时间常数Toi=转速反应滤波时间常数Ton=.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i5%,空载启动到额定转速时的转速超调量n10%,可电流调节器已按
19、典型型系统设计，并取参数KT=,试求:选择转速调节器ASR构造，计算其参数Rn、Cn、Con，R0=40K计算电流环的截止频率wc和转速环的截止频率wn，并考虑他们能否合理.解:*电流调节器已按典型型系统设计，并取参数KT=,由于设计要求无静差，转速调节器必须有积分环节；又跟据动态要求，空载启动到额定转速时的转速超调量n10%,应按典型形系统设计转速环。故ASR选用PI调节器.*三相桥式晶闸管整流装置的平均失控时间TS=,电流环最小时间常数Ti=TS+Toi=+=转速环最小时间常数Tn=2TI+Ton=2*+=按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为n=hTn=5*=K
20、N=2221nThh+=220217.05215?+=nUn*=NnmnU*=10/375=nUi*=dmimiU*=10/*760)=Kn=0137.018.0027.05212.0196.0009.0)15(2)1(?+=+nmeRThTCh=*由转速调节器的原理图可知，取R0=40K,则Rn=Kn*R0=*40=76K(取Rn=76K)Cn=n/Rn=76=F(取Cn=F)Con=4Ton/R0=4*40=2F(取Con=2F)计算电流环的截止频率wc的计算和验证如下：根据设计要求:稳态无静差，电流超调量i5%,因而可按典型型系统设计,电流调节器选用PI型。检查对单源电压的抗扰性：iLT
21、T=10参考典型型系统的动态抗扰性能,各项指标是能够接受的.*ACR超前时间常数：i=Tl=,要求i5%时，应取KITi=,因而KI=TI=S-1电流环截止频率ci=KI=1/s晶闸管装置传递函数近似条件：1/3Ts=1/(3=sc,知足近似条件。忽略反电动势对电流环的影响的条件:ci3lmTT13lmTT1=03.0112.013?=3*=53c知足近似条件。和转速环的截止频率wnwc的计算和验证如下：转速环截止频率为：n=KN/i=KNn=*=12S-1电流环传递函数简化条件：0037.01.1353131=iITK=S-1n知足简化条件。转速环小时间常数近似处理条件：02.01.1353
22、131=onITK=n,知足近似条件。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。在此系统中,当转速给定信号最大值U*nm=15V,n=nN=1500rmin;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R2,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=.minr,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=当系统在上述情况下运行时,电动机忽然失磁(=0),系统将会发生什么现象试分析并讲明.若系统能够稳定下来,则稳定后n=,Un=
23、,U*I=,Ui=,Id=,UC=,该系统转速环按典型型系统设计,且按Mmin准则选择参数,取中频宽h=5,转速环小时间常数Tn=,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.该系统由空载(IdL=0)突加额定负载时,电流Id和转速n的动态经过波形是如何的已知机电时间常数Tm=,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:PN200KW，UN48V，IN=3.7A，nN=200rmin，电枢电阻Ra,电枢回路总电阻R8，允许电流过载倍数=2,电动势系数Ce=.minr,电磁时间常数Tl=,
24、机电时间常数Tm=,电流反应滤波时间常数Toi=转速反应滤波时间常数Ton=.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=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i5%,空载启动到额定转速时的转速超调量n20%,过渡经过时间ts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稳态性能指标是：调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin和静差率S=nnom/n0*100%稳定性指标：柏德图对数幅频特性和对数幅频特性典型型系：对数幅频特性
25、以20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只要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。=90-tg-1cT45典型型系统：对数幅频特性以20dB/dec的斜率穿越零分贝线。=180-180+tg-1ct-tg-1cT=tg-1ct-tg-1cT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经过中，输出量从零起第一次上升到稳态值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经过中，输出量超出稳态值的最大偏移量与稳态值之比。调节时间：又称过度经过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，在过度经过中引起的输出量最大降落值。