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=1500 r/min, 最低转速特性为nmin=150 r/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？

n?nD?maxs?N

nminn01-5 某闭环调速系统的调速范围1500～150 r/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8 r/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=1500 r/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= Id n= 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,

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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1, 如果3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。

② ASR转速调节器R1的数值(放大器输入电阻R0=20KΩ) ④ ASR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?

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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 PWM PFM

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-1 ωcT > 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-1ωct-tg-1ωcT=tg-1ωct-tg-1ωcT③ 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；

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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。

1-37 PWM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）=

KS TS?11-38 PWM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？

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

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。

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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： ① U*I如何变化？ ② Uc如何变化？ ③ Uc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)=

k110=，要求设计一个无静差系统,在

TS?10.01S?1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。

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