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1、-运动控制系统课后答案-第 27 页习题解答（供参考）习题二2.2 系统的调速范围是1000100，要求静差率s=2%，那么系统允许的静差转速降是多少？解：系统允许的静态速降为。2.3 某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为，最低转速特性为 ，带额定负载时的速度降落，且在不同转速下额定速降 不变，统允许的静差率是多少？解：1）调速范围 (均指额定负载情况下） 2) 静差率 2.4 直流电动机为PN=74kW,UN=220V，IN=378A，nN=1430r/min，Ra=0.023。相控整流器内阻Rrec=0.022。采用降压调速。当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。如果s=30
2、%时，则系统的调速范围又为多少？解：2.5 某龙门刨床工作台采用V-M调速系统。已知直流电动机，主电路总电阻R=0.18,Ce=0.2Vmin/r,求：（1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落为多少？（2）开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率多少？（3）若要满足D=20,s5%的要求，额定负载下的转速降落又为多少?解：(1) (2) (3) 2.6 有一晶闸管稳压电源，其稳态结构图如图所示，已知给定电压、比例调节器放大系数、晶闸管装置放大系数、反馈系数=0.7。求：（1）输出电压；（2）若把反馈线断开，为何值？开环时的输出电压是闭环是的多少倍？（3）若把反馈系数减至=0.35，当保持同
3、样的输出电压时，给定电压 应为多少？解：（1） (2) ,开环输出电压是闭环的22倍 (3) 2.7 某闭环调速系统的调速范围是1500r/min150r/min，要求系统的静差率，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应有多大？解： 1）2）2.8 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8 r/min，如果将开环放大倍数提高到30，它的速降为多少？在同样静差率要求下，调速范围可以扩大多少倍？解： 如果将开环放大倍数提高到30, 则速降为：在同样静差率要求下，D可以扩大倍2.9 有一V-M调速系统：电动机参数PN
4、=2.2kW, UN=220V, IN=12.5A, nN=1500 r/min，电枢电阻Ra=1.5，电枢回路电抗器电阻RL=0.8，整流装置内阻Rrec=1.0,触发整流环节的放大倍数Ks=35。要求系统满足调速范围D=20，静差率S35.955相矛盾，故系统不稳定。要使系统能够稳定运行，K最大为30.52。2.12 有一个晶闸-电动机调速系统，已知：电动机：，r/min，=1.5，整流装置内阻=1, 电枢回路电抗器电阻=0.8， 触发整流环节的放大倍数。(1)系统开环工作时，试计算调速范围时的静差率值。(2)当，时，计算系统允许的稳态速降。(3)如组成转速负反馈有静差调速系统，要求，在时
5、，计算转速负反馈系数和放大器放大系数。解：（1）（2）（3）2.13旋转编码器光栅数1024，倍频系数4，高频时钟脉冲频率，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法测速时间为0.01s，求转速和时的测速分辨率和误差率最大值。解：（1）M法：分辨率最大误差率：时， 时，时，时，可见M法适合高速。（2）T法：分辨率：时，时，最大误差率：，当时，当时，时，时，可见T法适合低速习题三3.1双闭环调速系统的ASR和ACR均为PI调节器，设系统最大给定电压=15V，=1500r/min，=20A，电流过载倍数为2，电枢回路总电阻=2，=20，=0.127Vmin/r，求：（1）当
6、系统稳定运行在=5V，=10A时，系统的、和各为多少？（2）当电动机负载过大而堵转时，和各为多少？解：(1)（2）堵转时，3.2 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。已知参数：电动机：=3.7kW， =220V， =20A， =1000 r/min ,电枢回路总电阻=1.5,设 =8V，电枢回路最大电流=40A,电力电子变换器的放大系数=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值。解:1） 2) 这时： ，ASR处于饱和，输出最大电流给定值。 3.3 在转速、电流双闭环调速系统中，调节器ASR，ACR均采用PI调节器
7、。当ASR输出达到 =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时，试问：（1） 应如何变化？（2）应如何变化？（3）值由哪些条件决定？解: 1) 因此当电流从40A70A时， 应从4V7V变化。 2) 要有所增加。 3) 取决于电机速度和负载大小。因为 3.5 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10。（1） 系统的开环增益。（2） 计算过渡过程时间 和上升时间 ；（3） 绘出开环对数幅频特性。如果要求上升时间 0.25s, 则K=?，=?解：取(1) 系统开环增益：(2) 上升时间过度过程时间：（3）如要求，查表3-1
8、则应取 , 这时,超调量=16.3%。3.6有一个系统，其控制对象的传递函数为，要求设计一个无静差系统，在阶跃输入下系统超调量5（按线性系统考虑）。试对系统进行动态校正，决定调节器结构，并选择其参数。解：按典型I型系统设计，选。选I调节器，校正后系统的开环传递函数为，已选KT0.5, 则K0.5/T=50, 所以，积分调节器：。3.7有一个闭环系统，其控制对象的传递函数为，要求校正为典型型系统，在阶跃输入下系统超调量30（按线性系统考虑）。试决定调节器结构，并选择其参数。解：应选择PI调节器，对照典型型系统， ，满足设计要求。 这样，3.8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
9、速系统中，已知电动机的额定数据为：kW , V , A , r/min , 电动势系数=0.196 Vmin/r , 主回路总电阻=0.18,触发整流环节的放大倍数=35。电磁时间常数=0.012s,机电时间常数=0.12s,电流反馈滤波时间常数=0.0025s,转速反馈滤波时间常数=0.015s。额定转速时的给定电压(Un*)N =10V,调节器ASR，ACR饱和输出电压Uim*=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5% ,空载起动到额定转速时的转速超调量10%。试求：（1）确定电流反馈系数(假设起动电流限制在以内)和转速反馈系数。（2）试
10、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=40。（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%额定负载起动到最低转速时的转速超调量n。（5）计算空载起动到额定转速的时间。解：（1）（2）电流调节器设计 确定时间常数：电流调节器结构确定：因为，可按典型I型系统设计，选用PI调节器，, 电流调节器参数确定: ，。校验等效条件：可见满足近似等效条件，电流调节器的实现：选,则：,取9K.由此（3）速度调节器设计 确定时间常数：a) 电流环等效时间常数:因为则 速度调节器结构确定：按照无静差的要
11、求，应选用PI调节器，, 速度调节器参数确定：校验等效条件：可见满足近似等效条件。转速超调量的校验 (空载Z=0）转速超调量的校验结果表明，上述设计不符合要求。因此需重新设计。查表，应取小一些的h，选h=3进行设计。按h=3，速度调节器参数确定如下：校验等效条件：可见满足近似等效条件。转速超调量的校验：转速超调量的校验结果表明，上述设计符合要求。速度调节器的实现：选,则,取310K。4) 40%额定负载起动到最低转速时:5) 空载起动到额定转速的时间是：(书上无此公式）仅考虑起动过程的第二阶段。所以：3.10 有一转速、电流双闭环调速系统,主电路采用三相桥式整流电路。已知电动机参数为：PN =
12、500kW，UN =750V，IN =760A，nN=375 r/min，电动势系数Ce =1.82Vmin/r, 电枢回路总电阻R=0.14,允许电流过载倍数=1.5,触发整流环节的放大倍数Ks=75,电磁时间常数=0.031s,机电时间常数=0.112s,电流反馈滤波时间常数=0.002s,转速反馈滤波时间常数=0.02s。设调节器输入输出电压Unm*=Uim*= Unm =10V,调节器输入电阻R0=40k。设计指标:稳态无静差，电流超调量5%，空载起动到额定转速时的转速超调量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
13、电流环的截止频率和转速环的截止频率，并考虑它们是否合理?解：（1）电流调节器已按典型I型系统设计如下：确定时间常数：电流调节器结构确定：因为%5%，可按典型I型系统设计，选用PI调节器， WACR(s)=Ki(is+1)/is， Tl/Ti=0.031/0.00367=8.25cn b) 1/3(KI/Ton)1/2=1/3(136.24/0.02)1/2=27.51s-1cn可见满足近似等效条件。速度调节器的实现：选R0=40K，则 Rn=Kn*R0=10.5*40=420K 由此 Cn=n/Rn=0.1367/420*103=0.325F 取0.33F C0n=4T0n/R0=4*0.02
14、/40*103=2F2) 电流环的截止频率是：ci=KI=136.24 s-1 速度环的截止频率是： cn=21.946 s-2 从电流环和速度环的截止频率可以看出，电流环比速度环要快，在保证每个环都稳定的情况下，再求系统的快速性，充分体现了多环控制系统的设计特点。3.11 在一个转速、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Unm*=15V时,n=nN=1500 r/min;电流给定信号最大值Uim*=10V时,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 ,电动机额定电流IN =2
15、0A ,电动势系数Ce =0.128Vmin/r。现系统在Un*=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(=0) , 系统将会发生什么现象? 试分析并说明之。若系统能够稳定下来,则稳定后n=? Un=? Ui*=? Ui=? Id=? Uc =? （3）该系统转速环按典型型系统设计, 且按Mrmin准则选择参数,取中频宽h=5, 已知转速环小时间常数Tn =0.05s ,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(=0)突加额定负载时,电流和转速的动态过程波
16、形是怎样的?已知机电时间常数=0.05s,计算其最大动态速降和恢复时间。1) = U*nm/nN =15/1500=0.01 Vmin/r = U*im/Idm = 10/30=0.33 V/A U*n =5 V，n=U*n/=5/0.01=500 r/min Uc=Ud0/Ks=(E+IdR)/Ks=(Cen+IdLlR)/Ks=(0.128*500+20*2)/30=3.467 V2) 在上述稳定运行情况下，电动机突然失磁（=0）则电动机无电动转矩，转速迅速下降到零，转速调节器很快达到饱和，要求整流装置输出最大电流Idm 。因此，系统稳定后， n=0，Un=0 U*i=U*im =10，
17、Ui=U*i =10 Id=Idm=30A Uc=Ud0/Ks=(E+IdR)/Ks=(0+30*2)/30=2 V3) 在跟随给定作用下，转速环处于线性状态，此时系统的开环传递函数是：n=hTn=5*0.05=0.25sTn=0.05sKN=(h+1)/2h2T2=6/2*25*0.052=48s-24) 空载突加额定负载时，转速有动态降落。（p93,94)nb=2(-z)nNTn/Tm=2*(1-0)*20*2/0.128*(0.05/0.05)= 625 r/min Cb=2FK2T=2IdNRTn/CeTm=2*20*2*0.05/0.128*0.05=625 r/min 最大动态速降
18、：nmax=(Cmax/Cb)*nb=81.2%*625 =507.5 r/min恢复时间：tv=8.8T=8.8*0.05=0.44s(p81表）习题五5.8两电平PWM逆变器主回路，采用双极性调制时，用“1”表示上桥臂开通，“0”表示上桥臂关断，共有几种开关状态，写出其开关函数。根据开关状态写出其电压空间矢量表达式，画出空间电压矢量图。解：两电平PWM逆变器主回路：采用双极性调制时，忽略死区时间影响，用“1”表示上桥臂开通，“0”表示下桥臂开通，逆变器输出端电压：以直流电源中点为参考点00001001100100110011011110空间电压矢量图：5.9当三相电压分别为、，如何定义三相
19、定子电压空间矢量、和合成矢量，写出他们的表达式。解：A,B,C为定子三相绕组的轴线，定义三相电压空间矢量：合成矢量：5.10忽略定子电阻的影响，讨论定子电压空间矢量与定子磁链的关系，当三相电压、为正弦对称时，写出电压空间矢量与定子磁链的表达式，画出各自的运动轨迹。解：用合成空间矢量表示的定子电压方程式：忽略定子电阻的影响，即电压空间矢量的积分为定子磁链的增量。当三相电压为正弦对称时，定子磁链旋转矢量电压空间矢量：5.11采用电压空间矢量PWM调制方法，若直流电压恒定，如何协调输出电压与输出频率的关系。解：直流电压恒定则六个基本电压空间矢量的幅值一定，零矢量作用时间增加，所以插入零矢量可以协调输
20、出电压与输出频率的关系。5.12 两电平PWM逆变器主回路的输出电压矢量是有限的，若期望输出电压矢量的幅值小于直流电压，空间角度任意，如何用有限的PWM逆变器输出电压矢量来逼近期望的输出电压矢量。解：两电平PWM逆变器有六个基本空间电压矢量，这六个基本空间电压矢量将电压空间矢量分成六个扇区，根据空间角度确定所在的扇区，然后用扇区所在的两个基本空间电压矢量分别作用一段时间等效合成期望的输出电压矢量。习题六61 按磁动势等效、功率相等的原则，三相坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵为现有三相正弦对称电流，求变换后两相静止坐标系中的电流和，分析两相电流的基本特征与三相电流的关系。解：两相静止坐标系中
21、的电流其中，两相电流与三相电流的的频率相同，两相电流的幅值是三相电流的的倍，两相电流的相位差。62 两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换阵为将上题中的两相静止坐标系中的电流和变换到两相旋转坐标系中的电流和，坐标系旋转速度。分析当时，和的基本特征，电流矢量幅值与三相电流幅值的关系，其中是三相电源角频率。解：两相静止坐标系中的电流两相旋转坐标系中的电流当时，两相旋转坐标系中的电流电流矢量幅值64笼型异步电动机铭牌数据为：额定功率，额定电压，额定电流，额定转速，额定频率，定子绕组Y联接。由实验测得定子电阻，转子电阻，定子自感，转子自感，定、转子互感，转子参数已折合到定子侧，系统的转动惯量，电机稳定运行在额定工作状态，试求：转子磁链和按转子磁链定向的定子电流两个分量、。解：由异步电动机稳态模型得额定转差率额定转差电流矢量幅值由按转子磁链定向的动态模型得稳定运行时，故，解得转子磁链