《自动控制系统及应用》复习资料

复习

一、填空题

1、如图，埸效应管VT5的作用是零速封锁即在给定为零且反馈为零使调节器输出为零，以防止由于PI中由于积分作用输出不为零，使得移相控制角可能处于最小，出现全压启动导致过电流故障。电位器RP1可调整输出正限幅值，RP2可调整输出负限幅。C11是积分电容，C5和R9接入速度反馈构成微分调节器。C6、C7是输入滤波电容。

2、电流断续时KZ—D系统的机械特性变软，相当于电枢回路的电阻值增大。

3、脉宽调速系统中，开关频率越高，电流脉动越小，转速波动越小，动态开关损耗越大。 4、采用转速—电流双闭环系统能使电动机按允许的最大加速度起动，缩短起动时间。 5、典型I型系统的超调量比典型II型系统小，抗扰动性能比典型II型系统差。 6、下图为单闭环转速控制系统。

(1)图中V是 ；

(2)图中Ld是 ，它的作用是 ；

(3)图中采用的是 调节器，它的主要作用是 ； (4)此系统主电路由 相交流电供电； (5)此系统具有 负反馈环节； (6)改变转速，应调节___________电位器；

(7)整定额定转速1500转/分，对应8V，应调节___________电位器； (8)系统的输出量(或被控制量)是___________。 解：

(1)图中V是 晶闸管整流器；

(2)图中Ld是平波电抗器 ，它的作用是 抑制电流脉动和保证最小续流电流 ；

1

(3)图中采用的是PI即比例积分调节器，它的主要作用是 保证动静态性能满足系统要求； (4)此系统主电路由 三 相交流电供电； (5)此系统具有 转速（速度） 负反馈环节； (6)改变转速，应调节___RP1__电位器；

(7)整定额定转速1500转/分，对应8V，应调节_RP2_电位器； (8)系统的输出量(或被控制量)是_转速_。

7、下图为异步电动机矢量控制原理结构图，A，B，C，D分别为坐标变换模块，请指出A 是 矢量旋转逆变换 VR?1，

B是二相静止坐标变成三相静止坐标变换，C是三相静止坐标系变成二相静止坐标变换，D 矢量旋转变换，上述等效变换的原则是旋转磁场等效或磁动势等效。

? 给定信号 ~ i*A i*B B i*C iA 电流控制iB 变频器 iC i? C iβ ? im D 等效直流电动机模型 i*m i*t A i*? i*? ? 控制器 + ?1 反馈信号 异步电动机 it

8、下图为异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型，A，B分别为坐标变换模块，请指出A是三相静止坐标系变成二相静止坐标变换，B是矢量旋转变换，其等效变换的原则是旋转磁场等效或磁动势等效。

iAisα?ismiBiCA isβB LmTrp?1ΨrTL?istnpLmLr× TenpJp?

9、采用光电式旋转编码器的数字测速方法中，M法适用于测高速，T法适用于测低速。 10、只有一组桥式晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统在位能式负载下能实现制动。 11、可逆脉宽调速系统中电动机的转动方向（正或反）由驱动脉冲的宽窄决定。 12、α=β配合工作制的可逆调速系统的制动过程分为本组逆变和它组制动两阶段。 13、电压闭环会给闭环系统带来谐波干扰，严重时会造成系统振荡。

14、永磁同步电动机自控变频调速中，需增设位置检测装置保证转子转速与供电频率同步。 15、SVPWM以圆形旋转磁场为控制目标，而SPWM以正弦电压为控制目标。 二、选择题

1、关于变压与弱磁配合控制的直流调速系统中，下面说法正确的是（A ）。 A 当电动机转速低于额定转速时，变压调速，属于恒转矩性质调速。 B 当电动机转速高于额定转速时，变压调速，属于恒功率性质调速。 C 当电动机转速高于额定转速时，弱磁调速，属于恒转矩性质调速。 D 当电动机转速低于额定转速时，弱磁调速，属于恒功率性质调速。

2

2、在晶闸管反并联可逆调速系统中，

???配合控制可以消除（A ）。

A 直流平均环流 B 静态环流 C 瞬时脉动环流 D 动态环流

3、在三相桥式反并联可逆调速电路和三相零式反并联可逆调速电路中，为了限制环流，需要配置环流电抗器的数量分别是（D ）。

A 1个和2个 B 2个和1个 C 2个和4个 D 4个和2个

4、交流异步电动机采用调压调速，从高速变到低速，其转差功率（ B ）。 A不变 B全部以热能的形式消耗掉了 C大部分回馈到电网中

5、异步电动机串级调速系统中，串级调速装置的容量（A ）。 A 随调速范围的增大而增大 B 随调速范围的增大而减小 C 与调速范围无关 D 与调速范围有关，但关系不确定

6、在恒压频比控制（即（C ）。

Us?1=常数）的变频调速系统中，在基频以下变频调速时进行定子电压补偿，其目的是

A 维持转速恒定 B 维持定子全磁通恒定 C 维持气隙磁通恒定 D 维持转子全磁通恒定

7、直流双闭环调速系统中出现电源电压波动和负载转矩波动时，（ A）。 A ACR抑制电网电压波动，ASR抑制转矩波动 B ACR抑制转矩波动，ASR抑制电压波动 C ACR 放大转矩波动，ASR抑制电压波动 D ACR放大电网电压波动，ASR抑制转矩波动

8、桥式可逆PWM变换器给直流电动机供电时采用双极性控制方式，其输出平均电压

?t??2t?Ud??on?1?UsUd??on?1?Us?T??T?A B

Ud等于（B）。

C

Ud?tonTUs D

Ud?2tonTUs

9、与机组相比，相控整流方式的优点是（A、B、C、D ），缺点是（ E、F ）。 A 功率放大倍数小于1000倍 B 可逆运行容易实现 C 控制作用的快速性是毫秒级 D 占地面积小，噪音小 E 高次谐波丰富 F 高速时功率因数低

10、当理想空载转速n0相同时，闭环系统的静差率

sb与开环下的3

sk之比为（ D ）。

A 1 B 0 （K为开环放大倍数） C 1+K D 1/（1+K） 11、速度单闭环系统中，不能抑制（ D ）的扰动。 A 调节器放大倍数 B 电网电压波动 C 负载 D 测速机励磁电流

12、转速—电流双闭环不可逆系统正常稳定运转后，发现原定正向与机械要求的正方向相反，需改变电机运行方向。此时不应（ C ）。

A 调换磁场接线 B 调换电枢接线

C 同时调换磁埸和电枢接线 D 同时调换磁埸和测速发电机接线 13、一个设计较好的双闭环调速系统在稳态工作时（ C ）。 A 两个调节器都饱和 B 两个调节器都不饱和 C ST饱和，LT不饱和 D ST不饱和，LT饱和 14、α＝β配合控制有环流可逆调速系统的主回路中（D ） A既有直流环流又有脉动环流 B有直流环流但无脉动环流 C既无直流环流又无脉动环流 D 无直流环流但有脉动环流

15、普通逻辑无环流（既无推β又无准备）可逆调速系统中换向时待工作组投入工作时，电动机处于（ B ）状态。

Ａ 回馈制动 Ｂ 反接制动 Ｃ 能耗制动 Ｄ 自由停车

16、转速PID调节器的双闭环系统与转速PI调节器的双闭环系统相比，（C） A 抗负载干扰能力弱 B 动态速降增大

C 恢复时间延长 D 抗电网电压扰动能力增强

17、带二极管整流器的SPWM变频器是以正弦波为逆变器输出波形，是一系列的（A）矩形波。 A 幅值不变，宽度可变 B 幅值可变，宽度不变 C 幅值不变，宽度不变 D 幅值可变，宽度可变

18、绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（B）

A 0?S?1，输出功率低于输入功率 B S?0，输出功率高于输入功率 C 0?S?1，输出功率高于输入功率 D S?0，输出功率低于输入功率 19、普通串级调速系统中，逆变角??，则（C）。

A 转速上升，功率因数下降 B 转速下降，功率因数上升 C 转速上升，功率因数上升 D 转速下降，功率因数下降

20、绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（C）

Ａ

n?n1，输出功率低于输入功率 B

n?n1，输出功率高于输入功率

C

n?n1，输出功率高于输入功率 D

n1n?n1，输出功率低于输入功率

（注：n为电动机实际转速，

为电动机同步转速）

21、与矢量控制相比，直接转矩控制（D）

4

A 调速范围宽 B 控制性能受转子参数影响大 C 计算复杂 D 控制结构简单 22、异步电动机VVVF调速系统的机械特性最好的是（C） A恒U1?1控制 B

恒Eg?1控制

C恒Er?1控制 D 恒I1?1控制 23、异步电动机VVVF调速系统的机械特性最好的是（D）

A恒压频比控制B恒定子磁通控制C恒气隙磁通控制D恒转子磁通控制

三、简答题

1、下图为调速范围D≤3的串级调速系统主回路单线原理框图，试说明起动时各电器开关正确的合闸顺序和停机时的分闸顺序，并说明理由。

间接起动操作顺序

1.先合上装置电源总开关S，使逆变器在 ?min 下等待工作。

2.然后依次接通接触器K1 ，接入起动电阻R , 再接通K0 ，把电机定子回路与电网接通，电动机便以转子串电阻的方式起动。

3.待起动到所设计的nmin（smax）时接通K2 ，使电动机转子接到串级调速装置，然后断开K1 , 切断起动电阻，此后电动机就可以串级调速方式继续加速到所需的转速运行。 停车操作顺序

1.由于串级调速没有制动能力，应先将转速降至nmin , 再合上K1 ，然后断开K2 ，使电动机转子回路与串级调速装置脱离；

2.最后断开K0 ，以防止当K0断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。

2、调速系统的静态性能指标有哪些？它们是怎么定义的？它们之间有什么关系？

调速系统的静态性能指标有

①转速降?n?n0?nN ②调速范围D?nNs?n(1?s)nmaxnmin?nNnmin ③静差率s??nn0

它们之间的关系为：D?

3、在转速、电流双闭环调速系统中，若电流调节器采用PI调节器，其作用是什么？其输出限幅值应如何整定？ 答：电流调节器（ACR）的作用：1）对电网电压波动起及时抗扰作用；2）起动时保证获得允许的最大电流Idm；

5

3）在转速调节过程中，使电流跟随给定电压U*i变化；4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的

自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。 电流调节器（ACR）的输出限幅值：Ucm?Ud0Ks?CenN?IdmRKs

4、典型I型系统和典型Ⅱ型系统在稳态误差和动态性能上有什么区别？

答：稳态误差：对于典型I 型系统，在阶跃输入下，稳态时是无差的；但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与K值成反比；在加速度输入下稳态误差为? 。对于典型II型系统，在阶跃和斜坡输入下，稳态时均无差；加速度输入下稳态误差与开环增益K成反比。

动态性能：典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差；典型Ⅱ型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。

5、双闭环系统的起动过程有何特点？为什么一定会出现转速超调？

解：(1) 特点：1)饱和非线性控制 2) 转速超调（退饱和超调）3)准时间最优控制

(2) 由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调， ASR的输入偏差电压 △Un为负值，才能使ASR退出饱和。这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。

6、在逻辑控制的无环流可逆调速系统中，实现无环流的原理是什么？

答：在逻辑控制的无环流可逆调速系统中，逻辑无环流控制器（DLC）在任何时候都封锁一组晶闸管的触发脉冲，确保两组晶闸管不可能同时导通，所以不会产生环流。

7、异步电动机串级调速机械特性的特征是什么？

答：1）在串级调速时，理想空载转速与同步转速是不同的。当改变逆变角 ? 时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变；在不同的 ? 角下，异步电动机串级调速时的机械特性是近似平行的。

2）异步电动机串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多。

3）串级调速时的最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。 8、交流异步电动机数学模型具有哪些性质？

答：交流异步电动机数学模型具有高阶、非线性、强耦合、多变量的性质。 9、双闭环调速系统中如反馈断线会出现什么情况，正反馈会出什么情况？

答：反馈断线后，Un?0，ASR 饱和，输出为限幅值，转速环开环，相当于堵转，电流给定为ASR的输出最大值，电流闭环，按最大电流值恒流加速，转速上升，但由于转速反馈断线，触发移相控制电压增大到极限，触发角最小移至

?min，转速达到最高值。n?四、计算题

Ud?IdlR?Ce?Ud0cos?min?IdlR?Ce，同样，正反馈时，也是一样。

1、某龙门刨床工作台采用晶闸管整流器-电动机调速系统。已知直流电动机PN=60KW ,UN=220V，IN=305A，nN=1000r/min，主电路总电阻R=0.18?，Ce=0.2V·min/r，求：

（1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落?nN 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SN 多少?

（3）额定负载下的转速降落?nN为多少，才能满足D=20，s≤%5 的要求。

6

2、有一晶闸管-电动机调速系统，已知：电动机PN=2.8kW，UN=220V，IN=15.6A，Nn=150r/min，Ra=1.5 ?，整流装置内阻Rrec=1 ?，电枢回路电抗器电阻RL=0.8 ?触发整流环节的放大倍数Ks=35，求： （1）系统开环时，试计算调速范围D=30时的静差率s。 （2）当D=30，s=10%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D=30，s=10%，在U*n=10V时Id=IN，n=nN，计算转速反馈系数α和放大器放大系数Kp。

3、在转速、电流双闭环直流调速系统中，两个调节器ASR和ACR均为PI调节器。已知参数：电动机PN=3.7kW,UN=220V,IN=20A，nN=1000r/min，电枢回路总电阻R=1.5 ?，设U*nm=U*im=Ucm=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β和转速反馈系数α；

（2）当电动机在最高转速发生堵转时的Ud0，U*i，Ui和Uc的值。

7

4、双闭环直流调速系统的ASR和ACR均为PI调节器，设系统最大给定电压U*nm=U*im=15V，nN=1500r/min，IN=20A，电流过载倍数为2，电枢回路总电阻R=2 ?，Ks=20，Ce=0.127V·min/r，求： （1）当系统稳定运行在U*n=5V，IDl=10A时，系统的n、Un、U*i、Ui和Uc各为多少？ （2）当电动机负载过大而堵转时，Ui和Uc各为多少？

*

5、某转速负反馈单闭环直流调速系统的开环放大系数K=20；电动机参数为：UN=220V、IN=68.6A、Ra=0.23Ω、nN=1500 r/min、GD2 =10 N·m2；电枢回路总电阻RΣ=0.5Ω（包括Ra）, 电枢回路总电感L∑=30 mH ；晶闸管整流装置采用三相桥式电路。试求：

（1）满足静差率S≤5%的调速范围有多大？ （2）电动机带额定负载运行的最低速是多少？

8

（3）画出转速单闭环调速系统的动态结构图。 （4）判断该系统动态是否稳定。 解：Ce?UN?RaINnNR?IN?220?0.23?68.615000.5?68.60.136?(1?20)?0.136(V?min/r)

?nN?Ce(1?K)??12(r/min)

1）D?nNS?nN(1?S)?1500?0.0512?(1?0.05)?6.6

2）nmin?nND?15006.6?227(r/min)

3）转速单闭环调速系统的动态结构图，如下图所示。

4）TS?12mfGD?12?6?50?R?0.00167(s) Tl?L?R??0.030.5?0.06(s)

2Tm?375CeCm?10?0.5375?0.13622?9.55?0.075(s)

K?Tm(Tl?Ts)?TsTlTs?0.075?(0.06?0.00167)?0.001670.06?0.001672?46

即当K≤46时系统是稳定的，现在K=20所以该系统是稳定的。 6、单闭环负反馈系统调节对象的传递函数为： Wobj(s)20(0.6s?1)(0.045s?1)(0.005s?1)

试用PI调节器将其校正成典型Ⅰ型系统，写出调节器传递函数。画出调节器电路图，计算调节器RC元件参数。若在设计过程中对调节对象的传递函数进行了近似处理，说明是何种近似。 ( 要求:阻尼比 ξ=0.707, 调节器输入电阻R0=40KΩ)

Wobj(s)?20(0.6s?1)(0.045s?1)(0.005s?1)?20(0.6s?1)(0.05s?1)

WPI(s)?Ki?s?1?s

W(s)?WPI(s)?Wobj(s)?Ki取 ??0.6(s)

?s?1?s?20(0.6s?1)(0.05s?1)

9

W(s)?WPI(s)?Wobj(s)?取ξ= 0.707，则KT?20Ki/0.6s(0.05s?1)?Ks(0.05s?1)

20Ki0.6 Ki?0.3 R1?KiR0?0.3?40?12K?

C1??0.05?0.5

?R1?0.612?103?106?50?F

将低频段上的两个小时间常数惯性环节近似为一个等效惯性环节。

7、如下图，转速、电流双闭环调速系统中，ASR、ACR均采用PI调节器。已知参数：电动机：PN?3.7KW，UN?220V，电枢回路总电阻R?1.5?，设UnN?1000r/min，IN?20A，

电力电子变换器的放大系数Ks?40。 试求：

*nm?Uim?10V，电枢回路最大电流为Idm?30A，

*（1） （2）

电流反馈系数?和转速反馈系数?；（5分）

突增负载后又进入稳定运行状态，则ACR的输出电压Uc、变流装置输

出电压Ud，电动机转速n，较之负载变化前是增加、减少，还是不变？为什么？（5分） （3） （4）

如果速度给定Un不变时，要改变系统的转速，可调节什么参数？（5分）

若要改变系统起动电流应调节什么参数？此时，设Un为正电压信号，在如图ASR中应调节中哪个电位器？（5分）

** 10

（5）

当电动机在最高转速发生堵转时的Ud,Ui*,Ui,Uc值；（10分） ??UnnUimIdm**?Unmnm1030*?101000?0.01V/rpm解：(1)

??

??0.33V/A评分标准：各2.5分，公式对数值结果错扣1分，量纲错扣0.5分，公式错不给分。

TL??IdL??Uc?Un?c,n?c*Cen?ILRKs(2)

?CeUn?IdLRKs*??Ud?KsUc?

(3) 因为U*n?Un??n,n?Un*?,所以调节?可以改变转速n。

*(4)因为Ui*?Ui??Id，起动时转速调节器ASR饱和，输出限幅值Uim??Idm，所以改变ASR限幅值可以改变起动电

*流Idm，Un为正时，起动时ASR输出为负，所以应调节RP5来改变起动电流。不能改变电流反馈系数，因为它还影响

电流环的动特性。 (5)

Un?Un??nUn?10V,Un?0V,|Ui|?|Ui|?10V,Ud?IdmR?30?1.5?45V,Uc?UdKs?Cen?IdRKs?IdlRKs?30?1.540?1.13V***

11

（5）

当电动机在最高转速发生堵转时的Ud,Ui*,Ui,Uc值；（10分） ??UnnUimIdm**?Unmnm1030*?101000?0.01V/rpm解：(1)

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??0.33V/A评分标准：各2.5分，公式对数值结果错扣1分，量纲错扣0.5分，公式错不给分。

TL??IdL??Uc?Un?c,n?c*Cen?ILRKs(2)

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(3) 因为U*n?Un??n,n?Un*?,所以调节?可以改变转速n。

*(4)因为Ui*?Ui??Id，起动时转速调节器ASR饱和，输出限幅值Uim??Idm，所以改变ASR限幅值可以改变起动电

*流Idm，Un为正时，起动时ASR输出为负，所以应调节RP5来改变起动电流。不能改变电流反馈系数，因为它还影响

电流环的动特性。 (5)

Un?Un??nUn?10V,Un?0V,|Ui|?|Ui|?10V,Ud?IdmR?30?1.5?45V,Uc?UdKs?Cen?IdRKs?IdlRKs?30?1.540?1.13V***

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