电力拖动自动控制系统习题集及解答.doc

第二章 习题集及解答2-1、某可控硅供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：，Ra0.2，电枢回路总电阻，平波电抗器，调节器的限幅值为10V，反馈滤波时间常数，。设计要求：稳态指标：无静差。动态指标：电流超调量，起动额定转速时的转速超调量。解：电流环设计：。三相桥式可控硅整流装置的滞后时间常数：电流环的小时间常数：，因此可按典型I型系统设计，选电流调节器为PI调节器，其传递函数为：选，因为要求取因此校验条件：满足条件满足条件满足条件电流调节器的参数：取R0=40K，R0=KiR0=41.36K，取0.75f按上述指标设计：，满足设计要求。转速环设计：1、 确定常数：电流环等效时间常数为：（）转速滤波时间常数（根据所用测速发电机纹波情况）转速环小时间常数2、 选择转速调节器结构：由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为：3、 选择转速调节器参数：按跟随和抗扰性能都较好的原则，则h=5,则ASR的超前时间常数为，转速开环增益：PI调节器传递函数为4、 校验近似条件：，满足条件，满足条件5、计算ASR调节器的电阻和电容参数，取，取470K，取0.2f5、 校验转速超调量：当h=5时，；而因此满足要求。2-2、双闭环调速系统中已知数据为：电动机，电枢回路总电阻，。电枢回路最大电流，ASR和ACR均采用PI调节器，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的值。解：1、2、 最高转速时，即2-3、ASR和ACR均采用PI调节器的双闭环调速系统，主电路最大电流当负载电流由20A增加到30A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、系统稳定时有：应由2V3V。2、3、2-4、在转速电流双闭环调速系统中，若ASR和ACR均采用PI调节器。则1、 试作出负载突增时、和n在调整过程中的波形。2、 若15V，n1500rpm，10V，20A，R=2。20，0.127V/rpm，当5V，10A时，求稳态运行时的n, ,和。3、 若系统中测速机励磁和电网电压发生变化，系统有没有克服过两种扰动的能力？为什么？解：1、2、3、若测速机励磁发生变化，系统不能克服这种扰动。若电源发生变化，系统可以克服这种扰动。2-5、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小于5%，试对系统进行动态校正，决定调节器结构，并选择其参数。解：要求无静差，故选用I调节器，要求，所以选用I型且KT=0.5，调节器原理图如下：、2-6、有一个闭环系统，其控制对象的开环传递函数为，要求校正为典型型系统，在阶跃输入下，试决定调节器结构，并选择其参数。解：选用PI调节器，根据，取h=7或8,，取，2-7、调节对象的传递函数为，要求用PI调节器分别将其校正成典型I型和型系统，并求调节器参数。解：1、I型系统取：,取，取，取27K，2、型，取h=5，满足条件2-8、某系统调节对象的传递函数为用串联校正使之成为典型I型系统，要求校正后，试决定调节器结构及其参数。并画出幅频特性。解：如果用PI调节器，且取，满足要求2-9、有一双闭环V-M调速系统，采用三相桥式全控整流电路，整流变压器采用/Y接法，二次侧相电压有效值，主电路在最小电流为时仍能连续，已知电动机参数为：Z2-61型，。电动机的，对电网扰动和负载扰动有较好的抗扰性，试设计ACR和ASR的参数。其中，。解：对于三相桥式全控整流电路，2-10、某双闭环调速系统，采用三相桥式整流电路，已知电动机参数为：，允许电流过载倍数1.5,R=0.1,，调节器输入电阻设计指标：稳态无静差，电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量，电流调节器已按典型I型系统设计，并取KT=0。5，速度环按典型II型设计，且h取5。试求：1、 选择转速调节器结构，并计算其参数。（10分）2、 计算电流环和转速环的截止频率和。（10分）解：三相桥式整流电路,.电流调节器选用PI,小时间常数.根据电流环性能指标要求,取,则电流环校验：满足,满足,满足电流调节器的实现：取R0=40K，f,RiR0=21K, f 转速调节器选用PI调节器，取h=5,则满足要求。校验：满足64满足转速调节器的实现：取R0=40K，f,RnR0=3.5K, f 2-11、带转速微分负反馈的双闭环调速系统，采用三相桥式整流电路。已知电动机的参数为：，R0.5，电流过载倍数2，。转速环已按典型型系统进行设计，取h=5。电流环已按典型I型且。1、 要求在带20%额定负载条件下起动到额定转速的，试求：a、 微分负反馈环节参数b、 退饱和时间和退饱和转速2、 当突加150%额定负载扰动时，试求系统的动态速降和恢复时间。解：,1、a、,取，=875.8rpm2、=2（查表211）， 动态速降为：恢复时间为： 2-12、V-M调速系统存在几个很难克服的问题是：a、 存在电流的谐波分量，因而在深调速时转矩脉动大，限制了调速范围。b、 深调速时功率因数低，也限制了调速范围。要克服上述困难，就必须加大平波电抗器的电感量，但是电感大大限制了系统的快速性。2-13、在双闭环直流调速系统启动过程中，电机电流很快升至最大电流，转速调节器很快饱和。只有电流调节器起调节作用。这时是利用电机的最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使系统尽可能用最大的加速度起动，以尽量缩短起动过程的时间，以提高生产效率。在稳定运行时，转速调节器起主要作用。电流调节器起电流跟随作用，并且主回路电流等于负载的等效电流，稳定转速由和决定。触发电压等于。2-14、在双闭环调速系统中，两个调节器一般均使用PI调节器，并且两个调节器均带限幅，速度调节器的限幅值，决定了电流调节器给定电压的最大值，即，电流调节器的输出限幅值，它限制晶闸管整流器的最大电压值。并且电流调节器一般不会达到饱和状态。速度调节器有饱和和非饱和之分。2-15、标出下图双环调速系统各点的电压极性（其中触发单元的输入电压为正）。2-16、画出上图的静态结构图和动态结构图，并写出其特性表达式。解：, 2-17、某调节器的电路图如下所示。其中运算放大器的限幅值为+17V，当时，试画出其输出的波形图（初始条件为0）。解：2-18、在转速、电流双闭环调速系统中，电动机、晶闸管整流装置及其触发装置都可按负载的工艺要求选择和设计，转速和电流反馈系数可以通过稳态参数计算得到；转速和电流调节器的结构与参数，一般则应在满足稳态精度的前提下，按照动态校正的方法确定。2-19、典型I型系统的开环传递函数为，它在阶跃输入时的稳态误差为0，在单位斜坡输入时的稳态误差为1/K；在加速度输入时稳态误差为；所以典型I系统称为I阶无差系统。对于典型的I型系统为 了保证系统稳定，且有一足够的稳定余量。对数幅频特性的中频段应以的斜率穿越0dB线，要做到这一点，开环截止频率或，则相角稳定裕度，开环放大倍数与开环截止频率的关系为。由于KT0时，Uc和Usa叠加的结果使Us点电压在Usa三角波基础上移Uc。Uc0时，Uc和Usa叠加的结果使Us点电压在Usa三角波基础下移Uc。其波形图如下：第五章 习题集及解答51、随动系统一般可分两类,一类是模拟式随动系统,另一类是数字随动系统。52、位置随动系统中常用的位移检测装置有自整角机,旋转变压器,感应同步器及光电编码器等。53、位置随动系统常用的校正方法有串联校正、并联校正及复合控制。54、简述串联校正调节器的自整角位置随动系统,在输入为阶跃,速度和加速度信号时,其原理误差的物理意义55、简述串联校正调节器的自整角机位置随动系统,在输入为阶跃,速度和加速度信号时,其原理误差的物理意义.5-18、某小功率随动系统的结构如图所示。已知系统开环增益K=500S-1，K3=27.6密位/（V.S）,直流放大器零点漂移折合到输入端的电压，电机的死区电压，求：1、速度输入1000密位/S的稳态原理误差是多少？2、当位置输入下稳态误差要求指标为e1密位时系统的增益分配（K1，K2）应为何值？解：K1K2K3=500 K1K2=500/27.6=18.121、，当时，2、为了不使直流放大器的零点漂移对系统有影响，则由引起的系流位置误差为0，而引起的系流误差不为0，令取K10.67*10-3 V/密位，则K2=27*1025-19、某自整角机随动系统动态结构图，已知：自整角机放大系数，相敏整流放大系数Kph=5,PID调节器放大系数Kp=3,功率放大器放大系数Ks=20,直流电动机电动势转速比Ce=0.125V/rpm,齿轮减速比i=120,试计算输入信号为（t的单位为S）时的系统原理误差。解：PID调节器的传递函数为：其动态结构图为：5-20、如图所示的自整角机位置随动系统，原始数据如下：伺服电机：S661型，230W，110V，2.9A，2400r/min，Ra=3.4。电枢回路总电阻R=5.1,减速器速比i=60,自整角机，自整角机的检测误差。负载转矩为29.4Nm,输入轴最高转速如果要求系统的稳态误差不超过2o，试求的值。解：系统原理误差为： 扰动误差为：，系统总误差为5-21、未考虑校正装置时的随动系统动态结构图如下图所示。已知数据为：自整角机的检测误差，自整角机放大系数，相敏整流器放大系数为 ，负载所引起的相应电压减速器速比i=200，电动机参数为，试求输出轴最高转速时,系统的稳态误差为1.2o情况下，功放的放大系数和系统的开环放大系数。解：所以系统总误差为 ：开环放大倍数为：5-22、某随动系统的结构图如下图示，试求：1、输入时的系统原理误差表达式。2、在干扰作用下系统扰动误差表达式。解：1、2、5-23、在某自整角机对组成的随动系统中，已知：电动机的，电枢回路总电阻R=3.4,PWM功率放大器电源电压Us=110V,其最大输入电压Uc=12V,自整角机放大系数，相敏放大器比例系数Kph=22，减速器速比i=60,负载转矩，自整角机输入轴最高转速，系统未加校正装置。要求：1、画出该系统的动态结构图。2、求系统的稳态误差。解：1、系统动态结构图如下：2、系统稳态误差开环放大倍数KKbsKphKsKg/Ce1.2522(110/12)(6/60)/0.042605K1= KbsKphKs=1.2522(110/12)=126原理误差为：VK2506050.416负载扰动误差为：RIdl/K1=3.4(N/Cm/i)/K1=6.664/384.175=0.017系统总误差为：0.4160.0170.433524、某自整角机位置随动系统的动态结构图如下：其中0.007S，0.9S，0.003S，希望系统满足下列性能指标：速度品质因数1000；阶跃输入下的过渡过程时间0.25S，阶跃输入下的超调量，求。（对于典型型系统h=7时）。解：变换结构图得：小闭环等效传函：当时，当时，分别作出、和的伯德图，由图可得不到小闭环的传递函数为，所以开环传递函数为：由于都很小，可近似为一个大惯性环节，所以开环传递函数为 ：，根据性能指标的要求取h=7，则，由伯德图得：，根据即取校验：故设计符合要求。525、某自整角机位置随动系统的动态结构图如下：希望系统的试决定Kp。解:对结构图进行如下变换:分别做出、和的伯德图:由伯德图可得出小闭环近似传递函数为:所以开环传递函数526、某位置随动系统采用PID调节器进行校正,其动态结构图如下:要求系统满足下列指标:1.加速度品质因数;2.阶跃响应动态指标:.(典型型系统h=7时,),求:解:开环传递函数:令,则为典型型系统取h=7,则,527.某自整角机随动系统,电机数据如下:230W,110V,2.9A,2400rpm,Ra=3.4,电枢回路总电阻R=5.1,自整角机的检测误差,分别求和时的稳态误差是多少?解:反电势常数为：,当时,系统原理和负载扰动误差为:所以系统总误差为:当时,系统原理误差和扰动误差为0,所以系统总误差为5-28、试比较位置随动系统与调速系统的异同。答：1、随动系统和调速系统一样都是反馈控制系统，即通过对系统的输出量和给定量进行比较，组成闭环控制，因此两者的控制原理是相同的。2、调速系统的给定量是恒值，不管外界扰动情况如何，希望输出量能够稳定，因此系统的抗扰性能往往显得十分重要。而位置随动系统中的位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置随动系统的主要特征。也就是说，系统的跟随性能成了主要指标。3、随动系统可以在调速系统的基础上增加一个位置环，位置环是位置随动系统的主要结构特征。因此，随动系统在结构上往往要比调速系统复杂一些。5-29、自整角机是角位移传感器，在随动系统中总是成对应用的。与指令轴相联的自整角机称为发送机，与执行轴相联的称作接收机。5-30、按用途不同，自整角机可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两类。力矩式自整角机可以不经中间放大环节，直接传递角信息，使相距甚远而又无机械联系的两轴能同步旋转。力矩式自整角接收机的负载一般是仪表指针，属于微功率同步旋转系统，对功率较大的负载，力矩式自整角机带不动了，可采用控制式自整角机，将自整角接收机接成变压器状态，其输出电压通过中间放大环节带动负载，组成自整角机随动系统。5-31、感应同步器具有两种结构形式，一种用来测角位置，叫圆形感应同步器，另一种用来测直线位移，称为直线式感应同步器。5-32、旋转变压器、感应同步器、自整角机、光电码盘的精度由高到低排顺序？答：光电码盘、感应同步器、旋转变压器、自整角机。5-33、影响随动系统稳态精度，导致系统产生稳态误差的因素有哪些？答：有检测元件引起的检测误差；由系统的结构和输入信号引起的原理误差；负载扰动引起的扰动误差。 检测误差取决于检测元件本身的精度，检测误差是稳态误差的主要部分，这是系统无法克服的。原理误差是由系统自身的结构形式，系统特征参数和输入信号的形式决定的。随动系统所承受的各种扰动可归为三类：第一类是负载扰动；第二类是系统参数发生变化产生的扰动；第三类是噪声干扰。5-34、自整角机位置随动系统，位置调节器采用P调节器时，单位阶跃输入的原理误差为0的物理意义是：在随动系统中电机的转速到位移之间是一个积分环节，只要0，就有控制电压和整流电压，电机就要转动，当忽略电机轴上负载时，电机将一直转到偏差电压等于0时为止。因此稳态原理误差为0。5-35、自整角机位置，位置调节器采用P调节器时，单位速度输入的原理误差为开环增益的倒数的物理意义是：在速度输入下，要实现准确跟踪，输出轴必须与输入轴同步旋转，因此电枢上必须有一定数值的电压。要维持一定的电枢电压，放大器入口必须有一个偏差电压。若偏差0，则0，0，电机就停止不转了，所以系统输入输出之间一定是有差的。显然，放大器增益愈大，稳态原理误差就愈小。5-36、自整角机位置随动系统，位置调节器采用P调节器时，等加速度输入原理误差为无穷大的物理意义是：加速度输入相当于输入轴的速度不断增加，若要准确跟踪，输出轴的速度也应不断增加，电枢电压也要不断增加。不断增加要求不断增加，不断增加要求不断增加，故当t时，。5-37、自整角机位置随动系统，位置调节器采用PI调节器时，单位阶跃输入的原理误差为0的物理意义是：若0，则PI调节器的输出电压00，电机转动，使下降；只有0时，才有可能使00，电机停转，否则电机就会转动。5-38、自整角机位置随动系统，位置调节器采用PI调节器时，单位等速输入的原理误差为0的物理意义是：若0，则PI的输出就要增减，则增减，电机就要增减速。只有0时，PI输出恒定，恒定，电机恒速转动。5-39、自整角机位置随动系统，位置调节器采用PI调节器时，单位等加速度输入的原理误差为开环增益到数的物理意义是：单位等加速度输入时，要使输出跟随上输入电机必须以恒定的加速度转动，即要求不断增加，要使线性增加，要求线性增加，要使不