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宿迁学院自动化专业试题库之：自动控制系统运动控制系统陈伯时（3、4）版第一章 闭环控制的直流调速系统第一节 可控直流电源电动机系统暨直流驱动单元1对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以（调节电枢供电电压）的方式为最好。改变（电阻）只能有级调速；减弱（磁通）虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。2调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。3常用的可控直流电源有以下三种：n 旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。n 静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。n 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。4简称为G-M的系统，具有四象限连续运行的功能，国际上通称Ward-Leonard系统。5晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Udo ，从而实现平滑调速。6用触发脉冲的相位角（控制角）a 控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。Ud0与触发脉冲相位角（控制角） a 的关系因整流电路的形式而异；不同整流电路的整流电压值7在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：n 设置平波电抗器；n 增加整流电路相数；n 采用多重化技术。8平波电抗器的计算n 单相桥式全控整流电路 n 三相半波整流电路 n 三相桥式整流电路 9晶闸管触发与整流装置动态结构：考虑到 Ts 很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节9脉冲宽度调制（PWM）变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、幅值一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。10采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWMM调速系统11可逆PWM变换器直流电动机的主电路有多种形式，最常用的是桥式，也称为H形主电路。12H形主电路的PWMM系统，电路中A、B两点间电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，现代最常用的是双极式控制的可逆PWM变换器电动机系统。13双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为14双极式控制可逆PWM变换器电动机系统即PWMM系统调速时， r 的可调范围为01， 1g 0.5时， g 为正，电机正转；n 当r 0.5时， g 为负，电机反转；n 当r = 0.5时， g = 0 ，电机停止。15双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间应设置逻辑延时环节。16对于PWM变换器电动机系统中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，电机制动时不可能回馈电能，只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电容量就不可能很小，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。在大容量或负载有较大惯量的系统中，为了限制电容器过高的泵升电压，这时，可以采用下图中的镇流电阻Rb 来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许数值时接通。第二节 单闭环直流调速系统17对于调速系统的转速控制的基本要求有以下三个方面（1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节转速；（2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；（3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。18某直流调速系统电动机额定转速为1430 r/min，额定速降 Dn N = 115r/min，当要求静差率30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？解：192-2；1。4调速系统的调速范围是1000100 r/min，要求静差率S=2%，那麽系统允许的稳态转速降是多少？解：202-3；1。5 某一调速系统，在额定负载下，最高转速为n 0max=1500r/min ，最低转速为n 0min=150r/min，带额定负载时的速度降落，且在不同转速下额定速降不变，试问系统的调速范围有多大？系统的静差率是多少？解：212-4；1。6 直流电动机：晶闸管整流器内阻系统采用降压调速，当生产机械要求静差率S=20%，求系统的调速范围有多大？如果要求静差率S=30%，则系统的调速范围又有多大？解：22-1例题 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻，电动机电动势系数。如果要求调速范围 D = 20，静差率5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？ 解：22-2。2-5；1.7 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，采用V-M系统，已知电动机额定数据如下：。求： 当电流连续时，在额定负载下的转速降落 开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率 额定负载下的转速降落为多少，才能满足D = 20，静差率S5%的要求解：22-3。尔例2-12-2 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，采用V-M系统，已知电动机额定数据如下：。且已知晶闸管与触发装置的放大倍数转速负反馈系数为满足D = 20，静差率S5%的要求： 开环系统能否满足要求？ 接成转速负反馈单闭环系统，为满足要求，计算放大器的电压放大系数！解：22-4。尔例2-12-22-3 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，采用V-M系统，已知电动机额定数据如下：。且已知晶闸管与触发装置采用三相桥式电路，放大倍数转速负反馈系数，电枢回路总电感，整个系统的飞轮惯量为满足D = 20，静差率S5%的要求：(1) 开环系统能否满足要求？(2) 接成转速负反馈单闭环系统，为满足要求，计算放大器的电压放大系数！(3) 判断系统的稳定性解：22-5。参李已知转速负反馈单闭环系统参数：电动机额定数据：。且已知晶闸管与触发装置采用三相桥式电路，放大倍数转速负反馈系数，为满足D = 10，静差率S0。05%的要求，进行静态计算：Kop、Kp。解：23根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统中由负载引起的的转速降落是转速偏差，显然，引入转速闭环负反馈将使调速系统应该能够大大减少转速降落。24闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。 25在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速偏差电压 DUn ，经过放大器 A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc ，用以控制电动机转速 n。26转速负反馈单闭环有静差直流调速系统中各环节的稳态关系如下： 27转速负反馈单闭环有静差直流调速系统的静特性方程式28闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多29采用比例放大器（调节器），使得闭环系统的开环放大系数KOP值越大，系统的稳态性能越好。然而，KOp =常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。只有 KOP = ，才能使 Dncl = 0，而这是不可能的。因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。30系统中，除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用”。 30-12-7；2。1 转速闭环调速系统的调速范围是1500150 r/min，要求静差率S5%，那麽系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是100 r/min，则闭环系统的开环放大倍数是多少？解：30-22-7；2。1 转速闭环调速系统的调速范围是1500150 r/min，要求静差率S2%，那麽系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是100 r/min，则闭环系统的开环放大倍数是多少？解：31为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，使电流不超过允许值或能够保持设定值而基本不变。具体实施方案：采用电流截止负反馈或转速-电流双闭环控制系统。32对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。对于转速负反馈单闭环有静差直流调速系统，存在临界放大系数 Kcr,当 KOP Kcr 时，系统将不稳定；33例题 晶闸管可控整流器供电的V-M系统。已知数据如下：电动机：晶闸管可控整流器：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压 U2l = 230V，电压放大系数 KS = 44；电枢回路总电阻：R = 1.0；测速发电机：永磁式，额定数据为23.1W，110V，0.21A，1900r/min；若生产机械要求调速范围D=10，静差率5%，试计算调速系统的稳态参数解：33-12-9；2。5 晶闸管可控整流器供电的V-M系统。已知数据如下：电动机：晶闸管可控整流器：内阻，电压放大系数 KS = 35； 电枢回路电抗电阻：RL = 0。8；若生产机械要求调速范围D=20，静差率s10%， 计算开环系统的静态速降和调速要求所允许的闭环静态速降； 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 调整该系统的参数，使得时，转速负反馈系数=？ 计算放大器的放大倍数解：图1-24 采用转速负反馈的闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntgKpKsa 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKs 无静差： 有静差： 33-22-10；2。6 晶闸管可控整流器供电的V-M系统。已知数据如下：电动机：晶闸管可控整流器：内阻，电压放大系数 KS = 35； 电枢回路电抗电阻：RL = 0。8；若生产机械要求调速范围D=20，静差率s10%，调整该系统的参数，使得时，转速负反馈系数=0。01若增设电流截止环节，要求，应选择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回路（原）总电阻的1/3；如果作不到，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图，并计算电流反馈放大系数。这时的电流反馈采样电阻和比较电压各为多少？题意要求不明确，题解是多样的首先计算采样电阻： 计算：加电流放大器：改变电阻R2的数值即可！33-32-9；2。5 晶闸管可控整流器供电的V-M系统。已知数据如下：电动机：晶闸管可控整流器：内阻，电压放大系数 KS = 35； 若生产机械要求调速范围D=20，静差率s10%， 计算开环系统的静态速降和调速要求所允许的闭环静态速降； 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 调整该系统的参数，使得时，转速负反馈系数=？ 计算放大器的放大倍数解：图1-24 采用转速负反馈的闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntgKpKsa 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKs 无静差： 有静差： 33-4童例1-3 晶闸管可控整流器供电的V-M系统。已知数据如下：电动机：晶闸管可控整流器：内阻，电压放大系数 KS = 30； 若生产机械要求调速范围D=20，静差率s10%， 计算开环系统的静态速降和调速要求所允许的闭环静态速降； 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 调整该系统的参数，使得时，转速负反馈系数=？ 计算放大器的放大倍数解：图1-24 采用转速负反馈的闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntgKpKsa 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKs 无静差： 有静差： 34例题 晶闸管可控整流器供电的V-M系统。已知数据如下：电动机：晶闸管可控整流器：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压 U2l = 230V，电压放大系数 KS = 44； 电枢回路总电阻：R = 1.0；测速发电机：永磁式，额定数据为23.1W，110V，0.21A，1900r/min；系统运动部分的飞轮惯量若生产机械要求调速范围D=10，静差率5%，试判断系统的稳定性。解：35例题 IGBTPWMM转速负反馈单闭环有静差直流调速系统：电动机：电枢回路参数：；系统运动部分的飞轮惯量PWM变换器：若生产机械要求调速范围D=10，静差率5%，试判断系统的稳定性。解：36例题 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，采用V-M系统，已知电动机额定数据如下：；要求调速范围 D = 20，静差率5%；接成转速负反馈单闭环有静差直流调速系统，已知：；求解比例放大器的放大系数解：37例题 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，采用V-M系统，已知电动机额定数据如下：；要求调速范围 D = 20，静差率5%；接成转速负反馈单闭环有静差直流调速系统，已知：；三相桥式电枢回路参数：；系统运动部分的飞轮惯量判断系统的稳定性解：38例题 IGBTPWMM转速负反馈单闭环有静差直流调速系统，已知电动机额定数据如下：电枢回路参数：PWMM变换器：。要求调速范围 D = 20，静差率5%，系统能否稳定？在保证系统稳定的最大调速范围？解：39自动控制系统伯德图与系统性能的关系：n 中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB线，而且这一斜率覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好；n 截止频率（或称剪切频率）越高，则系统的快速性越好；n 低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高；n 高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。40采用比例（P）放大器控制的直流调速系统，可使系统稳定，并有一定的稳定裕度，同时还能满足一定的稳态精度指标。带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统。采用积分（I）调节器或比例积分（PI）调节器代替比例放大器，构成无静差调速系统。41采用P放大器控制的有静差的调速系统，Kp 越大，系统精度越高；但 Kp 过大，将降低系统稳定性，使系统动态不稳定。 42采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。43采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起、制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要44限流保护电流截止负反馈为了解决单闭环负反馈调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，就应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。n 仅采用电流负反馈，不要转速负反馈：这种系统的静特性如图中B 线，特性很陡。显然仅对起动有利，对稳态运行不利。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这些方法之一：叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。 电枢回路串电流采样电阻的电路，起静态结构图：电流负反馈被截止时电流负反馈没有被截止时启动电流即堵转电流 电枢回路不串电流采样电阻的电路，其静态结构图：电流负反馈被截止时电流负反馈没有被截止时启动堵转电流45-1即：33-22-10；2。6 晶闸管可控整流器供电的V-M系统。已知数据如下：电动机：，晶闸管可控整流器：内阻，电压放大系数 KS = 35；电枢回路电抗电阻：RL = 0。8；若生产机械要求调速范围D=20，静差率s10%，调整该系统的参数，使得时，转速负反馈系数=0。01；若增设电流截止环节，要求，应选择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原主回路总电阻的1/3；如果作不到，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图，并计算电流反馈放大系数。这时的电流反馈采样电阻和比较电压各为多少？首先计算： 计算：加电流放大器45-2即：33-22-10；2。6 晶闸管可控整流器供电的V-M系统。已知数据如下：电动机：，晶闸管可控整流器：内阻，电压放大系数 KS = 30；若生产机械要求调速范围D=20，静差率s10%，调整该系统的参数，使得时，转速负反馈系数=0。02；若增设电流截止环节，要求，应选择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原主回路总电阻的1/3；如果作不到，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图，并计算电流反馈放大系数。这时的电流反馈采样电阻和比较电压各为多少？首先计算： 计算：加电流放大器462。8 某调速系统如图所示，已知数据如下：电动机： 整流装置内阻：，触发整流环节的放大倍数：，最大给定电压：V，当主电路电流达到最大值时，整定电流反馈电压V，设计指标：D20，要求：画出系统的静态结构图；计算速度反馈系数、电流反馈系数；调节器放大系数Kp（R0=20k）；稳压管VST的稳压值Uz；电阻R2与Ro的比值R2/Ro？解： 系统的静态结构图 第三节 转速、电流双闭环控制的直流调速系统47采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。48理想起动过程波形：起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是以可能的最大电流（可能的最大转矩）时调速系统所能获得的最快的起动过程。、49把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。50为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 P I 调节器，两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Ud0m。51自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度低，而型和型以上的系统很难稳定。 因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多选用I型和II型系统。52饱和：输出达到限幅值当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环！当调节器不饱和时， PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。 53典型I型系统的动态结构图，开环传递函数：，其闭环传递函数的一般形式为： 开环对数频率特性：54典型I型系统的开环传递函数包含两个参数：开环增益 K 和时间常数 T 。其中，时间常数 T 在实际系统中往往是控制对象本身固有的，能够由调节器改变的只有开环增益 K ，也就是说，K 是唯一的待定参数。设计时，需要按照性能指标选择参数 K 的大小。 55在阶跃输入下的 I 型系统稳态时是无差的；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；因此，I型系统不能用于具有加速度输入的系统。56典型I型系统中：57典型II型系统的开环传递函数：；与典型 I 型系统相仿，时间常数T也是控制对象固有的。所不同的是，待定的参数有两个： t 和K，这就增加了选择参数工作的复杂性。为了分析方便起见，引入一个新的变量：；一般要求。根据T、h和相应的（不同的）设计准则，计算K值。图中三个频段的特征可以判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面：中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB线，而且这一斜率覆盖足够的频带宽度（h），则系统的稳定性好；截止频率（或称剪切频率）越高，则系统的快速性越好；低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高；高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。58在阶跃和斜坡输入下，II型系统稳态时均无差；加速度输入下稳态误差与开环增益K成反比。59典型II型系统按Mrmin（Mpmin）准则确定关系时，阶跃输入跟随性能指标60典型II型系统按Mrmin（Mpmin）准则确定关系时，阶跃扰动输入抗扰性能指标h345678910Cmax/Cb78572288577597581210538401126863119588112608961322908tm /T 27253 14 2。7352939304231463249335234tv /T1561361371051298814313017116920219823222826325961传递函数近似处理 高频段小惯性环节（群）的近似处理：当系统有一组小惯性群时，在一定的条件下，可以将它们近似地看成是一个小惯性环节，其时间常数等于小惯性群中各时间常数之和。 二阶环节的近似处理近似条件：c3/T 允许误差为10% 低频段大惯性环节的近似处理：当系统中存在一个时间常数特别大的惯性环节时，可以近似地将它看成是积分环节62转速、电流双闭环调速系统的实际动态结构图63系统设计的一般原则：“先内环后外环”； 从内环开始，逐步向外扩展。首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。64电流调节器的作用：（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）的变化而变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（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。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。65电流调节器结构的选择：从稳态要求上看，希望电流无静差，并能得到理想的堵转特性，电流调节器采用P I调节器；从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。若要求具有较好的抗扰性能，则应按典型型系统设计。66电流环设计的一般准则：稳态无静差、理想快速（跟随）过程、超调量越小越好。参考原则：Tl/Ti5 只能校正为典型系统Tl/Ti10 一般按近似的校正为典型系统，其抗扰性能显著优于典型系统5Tl/Ti10 给定响应快、超调量小，校正为典型系统因此一般把电流环校正为典型系统从提高抗扰动性能的观点来看又希望把电流环校正为典型系统当Tl10 Ti 时一般把电流环校正为典型系统67电流环的结构图的简化动态结构图化简：等效单位反馈系统固有环节近似处理后：；Ti=Toi +Ts，近似条件：电流环的等效闭环传递函数：值根据不同的设计原则取不同的数值，校正为典型系统、且按“二阶最佳参数”设计法，=2。68转速调节器结构的选择转速环的动态结构：转速环的动态结构的化简：Tn=Ton+2Ti转速调节器选择：为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求；由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为调速系统的开环传递函数：为此：转速调节器应有69转速调节器退饱和、启动超调的计算启动过程：线性系统的超调量是很大的、可以查表估算；但是，现在的系统，突加阶跃速度给定电压后不久，转速调节器进入饱和状态，输出、并保持恒定的电压，使电动机在，从而转速n以可能的最大加速度线性增长；PI调节器一旦饱和，只有出现“超调”即输入U有“+”、“-”极性符号的变化后才能退出饱和!ASR刚刚退出饱和，由于，电机继续升速，直到时，转速才降低下来，系统才能进行自动调节。这种超调称做“退饱和超调”，其量值并不很大，其计算方法如下：t1t2区间：加速度dn/dt退饱和时刻：“退饱和超调”的计算：用等效负载扰动方法分析、计算 （Cmax/Cb） 查表获取退饱和恢复时间：tV=（tV /T）Tn，（tV/T）查表获取70-13-5；2。14 某反馈控制系统已校正成典型型系统。已知时间常数，要求阶跃响应超调量。求： 系统的开环增益 计算过度过程时间和上升时间 绘出开环对数幅频特性。如果要求上升时间，求。解：- 62 -宿迁学院 机电系 自动化学科 勾厚政 2010年10月4日星期一70-2尔-例2.4 某反馈控制系统已校正成典型型系统。已知时间常数，要求阶跃响应超调量。求： 系统的开环增益 此时的各为多少？解：70-3尔-例2.5 已知典型II型系统的被控对象的时间常数，已经选定，试分别按准则确定。解：按准则确定：按准则确定：70-4参李 二阶典型电流控制系统的结构图：已知参数：系统要求阶跃给定的电流超调量试求直流电压突降时的最大电流动态降和恢复时间解：根据的技术要求，电流控制系统应该按照典型I型系统设计，且取最佳参数；所以：713-6；2。17-2-11 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，在阶跃输入下超调量（按线性系统考虑），对系统进行动态校正，决定调节器的结构，并选择其参数。解：723-7；2。18-2-12 闭环系统，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（按线性系统考虑），决定调节器的结构，并选择其参数。 解：73-13-8；2。20-2-14在一个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，已知数据如下：电动机： ；主回路总电阻：，触发整流环节的放大倍数：；最大给定电压：V、设计指标：稳态无静差，D10， 电流超调量，空载启动到额定转速时的超调量；试求： 确定电流反馈系数（启动电流为1。5IN）和转速反馈系数， 设计电流调节器ACR，计算参数；画出电路图； 设计电流调节器ASR，计算参数 () ；画出电路图； 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； 计算空载启动到额定转速的时间解：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计算空载启动到额定转速的时间73-2尔-例2.6 某转速、电流双闭环调速系统，其转速环已经按典型II型系统确定参数，并已知：。求电动机在理想空载下启动到额定转速时的超调量。按准则确定按准则确定74. 3-10；在一个三相桥式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知数据如下：电动机： ,主回路总电阻：;触发整流环节的放大倍数：;最大给定电压：V、允许电流过载倍数设计指标：稳态无静差， 电流超调量，空载启动到额定转速时的超调量；电流调节器已经按典型I型系统设计，并取KT=0.5； 选择速度调节器的结构，并计算参数（）, 计算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。741.2.22-2-15在一个转速、电流双闭环调速系统中，主回路采用三相桥式晶闸管整流装置供电，已知数据如下：电动机： ,主回路总电阻：;触发整流环节的放大倍数：,最大给定电压：V、允许电流过载倍数设计指标：稳态无静差， 电流超调量，空载启动到额定转速时的超调量；电流调节器已经按典型I型系统设计，并取KT=0.5； 选择速度调节器的结构，并计算参数（） 计算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。 723-11；2.23-2-16在一个转速、电流双闭环VM系统中，ASR、ACR均采用PI调节器；在（1）在此系统中,电动机：现在系统在条件下运行。求：稳态转速？ ACR的输出？（2）系统在上述情况运行时，电动机突然失磁，系统会发生什么现象？若系统能够稳定下来，稳定后的（3）该系统转速环按照典型II型系统设计，且按Mrmin准则选择参数，切取，求转速环在跟随给定作用下的开环传递函数，并计算出放大倍数及各时间常数。（4）该系统由空载突加额定负载时，电流和转速的动态过程波形是怎样的？已知计算最大动态速降和恢复时间。解：（1）（2）(3) (4) 第二章 直流调速系统的数字控制第一节 微型计算机数字控制的主要特点1微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。2为了把模拟的连续信号输入计算机，必须首先在具有一定周期的采样时刻对它们进行实时采样，形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。3采样后得到的离散信号本质上还是模拟信号，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号，这就是数字化。 4Shannon 采样定理根据 Shannon 采样定理，采样频率 fsam 应不小于信号最高频率 fmax 的2倍，即 fsam 2 fmax 这时，经采样及保持后，原信号的频谱可以不发生明显的畸变，系统可保持原有的性能。第二节 转速检测的数字化5模拟测速一般采用直流测速发电机，其输出电压不仅表示了转速的大小，还包含了转速的方向，在调速系统中（尤其在可逆系统中），转速的方向也是不可缺少的。因此必须经过适当的变换，将双极性的电压信号转换为单极性电压信号，经A/D 转换后得到的数字量送入微机。但偏移码不能直接参与运算，必须用软件将偏移码变换为原码或补码，然后进行闭环控制。6设被测转速由 n1 变为 n2 时，引起测量计数值改变了一个字（计数值增量“1”），则测速装置的分辩率定义为：Q = n1 - n2 （转/分）Q 越小，测速装置的分辩能力越强；Q 越小，系统控制精度越高。7测速精度是指测速装置对实际转速测量的精确程度，常用测量值与实际值的相对误差来表示，即：测量误差 d 越小，测速精度越高，系统控制精度越高。d 的大小取决于测速元件的制造精度和测速方法。8由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。脉冲数字（P/D）转换方法：（1）M法脉冲直接计数方法；（2）T 法脉冲时间计数方法；（3）M/T法脉冲时间混合计数方法9M法测速工作原理：由计数器记录PLG发出的脉冲信号；定时器每隔时间Tc向CPU发出中断请求INTt；CPU响应中断后，读出计数值 M1，并将计数器清零重新计数；根据计数值 M 计算出对应的转速值 n。10T法测速工作原理：计数器记录来自CPU的高频脉冲 f0；PLG每输出一个脉冲，中断电路向CPU发出一次中断请求；CPU 响应 INTn中断，从计数器中读出计数值 M2，并立即清零，重新计数。11M/T法测速M法测速在高速段分辨率强；T法测速在低速段分辨率强；因此，可以将两种测速方法相结合，取长补短。既检测 Tc 时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数M2，用来计算转速，称作M/T法测速。 第三节 数字PI调节器12PI调节器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器，在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。 13PI调节器的传递函数PI调节器时域表达式将上式离散化成差分方程，其第 k 拍输出为其第 k-1 拍输出为增量式PI调节器算法13-1数字PI调节器算法：有位置式和增量式两种算法：位置式算法特点是：比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的累积。 位置式PI调节器的结构清晰，P和I两部分作用分明，参数调整简单明了，但需要存储的数据较多。 3-9将习题3-8设计的转速调节器进行数字化，采样周期ms，调节器输出限幅及积分限幅，写出位置式和增量式数字PI调节器的表达式。解：继前题：速度调解器第四节 改进的数字PI算法 14积分分离算法在微机数字控制系统中，把 P 和 I 分开。当偏差大时，只让比例部分起作用，以快速减少偏差；当偏差降低到一定程度后，再将积分作用投入，既可最终消除稳态偏差，又能避免较大的退饱和超调。152-13；2.24-3-2 旋转编码器光栅线数为1024，倍频系数为4，高频时钟频率，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法和T法测速时间均为0.01s，求转速为时的测速分辨率和误差率最大值。解：M法测速时T法测速时163-9；2.21-3-3 将模拟调节器进行数字化，采样周期（1）（2）第四章 异步电动机变频调速系统第一节 异步电机的变压变频调速基础知识1异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广!2变压变频调速的基本控制方式 ：在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 Fm 为额定值不变，根据电磁转矩可知，这样才能保证可能的最大出力。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。3基频以下调速 要保持 Fm 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使 即采用恒值电动势频率比的控制方式。4然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得；这就是恒压频比的控制方式。5但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子阻抗压降。6在基频以上调速时，频率应该从f1N 向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。7如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时额定转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时额定转矩降低，基本上属于“恒功率调速”8交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过不控整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流；由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器9PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：（1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。 （2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变输出电压大小的影响。 10在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。11电压源型逆变器（Voltage Source Inverter-VSI ），直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒电压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。12电流源型逆变器（Current Source Inverter- CSI），直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器13采用电压源型的交-直-交变压变频装置的调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。14交-直