自动控制系统题集

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《自动控制系统》复习及试题选讲

曾毅编著

山东大学控制科学与工程学院2023-6-10

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《自动控制系统》是自动化专业的终止课程之一，是“电工技术

（电路）〞、“电子技术（模电、数电）〞、“自动控制理论〞、“电力电子技术〞、“电机与拖动基础〞和“传感器与信号调理〞等课程的集成与知识的系统。

说《自动控制系统》入门十分简单，是由于此课程仅使用了上述七门课程中最基础、最常见的知识；说《自动控制系统》学精、学深不易，是由于任何一个自动控制系统都是由上述七门课程中的相关知识，依照“特定的规律〞集成在一起的，要想把握这种“特定的规律〞，除了学习前人构造系统的知识与经验以外，更需要读者去进行工程实践，从中体会“特定的规律〞。

对《自动控制系统》进行系统的复习，有助于学习“特定的规律〞；对《自动控制系统》进行试题分析，更有助于把握和运用“特定的规律〞。

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第一章自动控制系统的构造方法

一、本章主要内容

本章主要讲授了构造自动控制系统的常用定理与方法：

1、功能添加法

定义：每增加一种功能原运动控制线路的功能保持不变，这种设计方法称为“功能添加法〞。

功能添加法是其它设计方法的基础，功能添加法能独立的进行工程设计，而其它设计方法不能独立的进行工程设计。因此应当熟练把握功能添加法的设计思想，灵活运用功能添加法。

使用功能添加法的方法是：首先从满足工程所需求的最基本、最简单功能入手，然后保持原功能不变基础上逐渐地去满足工程所需求的其它功能。

2、步进公式法

Ki?(ST?Ki?1?Ki)?Ki?1

步进规律公式的使用方法：

1）先把运行轨迹分成若干程序步并定义转步信号（位置检测信号）。

2）根据运行轨迹结构写出决定物体运动状态的输出电路的规律代数方程组。

输出方程定义：假设能决定物体某运动状态或方向的变量是y，那么，输出方程为

y??(物体在该运动状态或方向上的程序步)

注意：假使输出方程同时控制同一台电动机时，输出方程之间一定要有互锁。

3）套用步进公式写出控制电路的规律代数方程组，假使有必要可绘出其运动控制电路原理图(控制方程组是由步进公式依照某一生产工艺要求所组成的规律代数方程组)。

3、最小程序步判定定理

定理1在一个连通图内，假使物体的运动轨迹的结点都是偶数结点，那么被控物体可以不重复地连续走完每一条轨迹，并且起点与终点是同一个结点。

定理2在一个连通图内，假使物体的运动轨迹的结点有两个奇数结点，那么被控物体可以不重复地连续走完每一条轨迹，并且从一个奇数结点开始到另外一个奇数结点终止。推论在一个连通图内，假使物体的运动轨迹的结点有N（N>2）个奇数结点，那么被控物体需要使用N/2次才能不重复的走完每一条轨迹。

应用时应特别注意：

1）在任何一个连通图内奇数结点只能是偶数个，不可能出现奇数个奇数结点。定理1与定理2合称最少程序步判别定理或一笔画定理。

2）为了降低转弯次数，只有当物理路径改变方向时，控制路径才决定改变运行方向。

4、抑制定理、反馈定理和多环组合方法

1）抑制定理：对于反馈环内前向通道上的元件参数发生变化时，闭环系统有抑制能力。对于给定、反馈元件和反馈环外的元件参数发生变化时，闭环系统无抑制能力。

*熟悉提高抑制能力的方法。

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*熟练把握抑制定理，灵活运用抑制定理对分析控制系统的抗干扰能力十分有用。*抑制定理是工程师在选购元器件时所遵循的基本原则，抑制定理决定：哪些元器件必需选高质量的；哪些元器件可以选非高质量的。

2）反馈定理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应当引入这个物理量的负反馈与恒值给定相比较，形成闭环系统。

*反馈定理是自动控制系统设计人员遵守的基本定理。

*反馈信号的具体采样点和安装的稳固、可靠性将会关系到一个工程项目的成与败。

3）多环组合方法

在一个控制系统中，假使有多个被反馈的物理量需要构造闭环，并且这些被反馈的物理量是同一个物理量所产生，那么延迟时间最短的那个物理量的反馈环建在最里面，延迟时间最长的那个物理量的反馈环建在最外面。

注意：在多环控制结构中，外环是决定系统性能的根本因素，而内环主要起改造对象特性以利于外环控制的作用；各种扰动给内环带来的误差可以由外环控制加以弥补或抑制。

二、试题解析

1、在一个至少有6个偶数结点的联通域内，假使结点总数有9个，那么机器人能否不重复的走遍该联通域内的每一条支路？

2、某可逆调速控制系统如图1-3所示，分析此控制系统的工作原理回复下述问题：

图1-3

1）此控制系统在设计上具有哪些主要功能？

答：具有可逆运行功能；具有过流（或限流）保护功能；具有给定缓冲功能；具有四种程序步转速设定功能；具有能耗制动功能。

2）设1Q为正向点动按钮；2Q为反向点动按钮；BP5为点动速度设定电位器；S为自动

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与点动速度选择开关，其中S-1和S-2为分别是自动运行和点动运行触点。生产工艺要求点动与自动运行(Q按钮)互锁。试根据图1-3修改原控制系统，实现此功能。解：设计结果如图1-5所示：

图1-5

3、设计题

图3-1送货机器人(小车)运行轨迹

1）已知电动机Ｍ1带动小车左右运动；电动机Ｍ2带动小车上下运动。生产工艺要求的运动轨迹如图5-1所示。假设：KM1得电小车向右运行，KM2得电小车向左运行；KM3得电小车向上运行，KM4得电小车向下运行。生产工艺要求：按动启动按钮S1时小车的运行轨迹如图5-1(A)所示；按动启动按钮S2时小车的运行轨迹如图5-1(B)所示；按动启动按钮S3时小车的运行轨迹如图5-1(C)所示；当小车在运行期间按动按钮S4时小车能以最短的路径返回初始原点(A)。试设计满足该运动轨迹的运动控制的输出方程组和控制方程组。

解：（1)定义程序步及转步信号：

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根据程序步的定义可知此运行轨迹的可分为如下7步K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7，如图5-1所示。每步的转步信号分别设为ST1、ST2、ST3、ST4、ST5，如图5-1所示。

（2）写出规律代数方程组：

根据运动轨迹可以直接写出该控制系统的输出方程组：

→KM1?K1?KM2←KM2↑KM3

?(K2?K7)?KM1

?(K3?K6)?KM4

↓KM4?(K4?K5)?KM3

设急停按键为ST，那么满足图5-1a)所示运行轨迹的控制方程组为：

图5-1

K1?(S1?K1)?K2?STK2?(ST2?K1?K2)?K3?STK3?(ST3?K2?K3)?K4?STK4?(ST4?K3?K4)?K5?STK5?(ST3?K4?K5)?K6?STK6?(ST5?K5?K6)?J7?STK7?(ST3?K6?K7)?ST1?ST那么同时满足图5-1b)所示运行轨迹的控制方程组为：

K1?(S1?S2?K1)?K2?STK2?(ST2?K1?K2)?K3?STK3?(ST3?K2?K3)?K4?STK4?(ST4?K3?K4)?K5?K7?STK5?(ST3?K4?KA1?K5)?K6?STK6?(ST5?K5?K6)?J7?STK7?(ST3?(K6?K4?KA1)?K7)?ST1?STKA1?(S2?KA1)?ST1

那么同时满足图5-1c)所示运行轨迹的控制方程组为：

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K1?(S1?S2?S3?K1)?K2?STK2?(ST2?K1?K2)?K3?K5?STK3?(ST3?K2?KA2?K3)?K4?STK4?(ST4?K3?K4)?K5?K7?STK5?(ST3?(K4?KA1?K2?KA2)?K5)?K6?STK6?(ST5?K5?K6)?J7?STK7?(ST3?(K6?K4?KA1)?K7)?ST1?STKA1?(S2?KA1)?ST1KA2?(S3?KA2)?ST1当按动回原位按钮S4时，假使小车在水平线上，那么同时满足上述所示运行轨迹的控制方程组为：

K1?(S1?S2?S3?K1)?K2?ST?K7K2?(ST2?K1?K2)?K3?K5?ST?K7K3?(ST3?K2?KA2?K3)?K4?ST?KA0K4?(ST4?K3?K4)?K5?K7?STK5?(ST3?(K4?KA1?K2?KA2)?K5)?K6?STK6?(ST5?K5?K6)?J7?STK7?(ST3?(K6?K4?KA1)?KA0?K7)?ST1?STKA1?(S2?KA3?KA1)?ST1KA2?(S3?KA2)?ST1KA0?((K1?K2)S4?KA0)?ST1当按动回原位按钮S4时，假使小车在水平线的上方，那么同时满足上述所示运行轨迹的控制方程组为：

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K1?(S1?S2?S3?K1)?K2?ST?K7K2?(ST2?K1?K2)?K3?K5?ST?K7K3?(ST3?K2?KA2?K3)?K4?ST?KA0K4?(ST4?K3?KA3?K4)?K5?K7?STK5?(ST3?(K4?KA1?K2?KA2)?K5)?K6?STK6?(ST5?K5?K6)?J7?STK7?(ST3?(K6?K4?KA1)?KA0?K7)?ST1?STKA1?(S2?KA3?KA1)?ST1KA2?(S3?KA2)?ST1KA0?((K1?K2)S4?KA0)?ST1KA3?((K3?K4)S4?KA3)?ST1

当按动回原位按钮S4时，假使小车在水平线的下方，那么同时满足上述所示运行轨迹的控制方程组为：

K1?(S1?S2?S3?K1)?K2?ST?K7K2?(ST2?K1?K2)?K3?K5?ST?K7K3?(ST3?K2?KA2?K3)?K4?ST?KA0K4?(ST4?K3?KA3?K4)?K5?K7?STK5?(ST3?K4?KA1?ST3?K2?KA2?K5)?K6?STK6?(ST5?K5?KA4?K6)?J7?STK7?(ST3?(K6?K4?KA1)?KA0?K7)?ST1?STKA1?(S2?KA3?KA1)?ST1KA2?(S3?KA2)?ST1KA0?((K1?K2)S4?KA0)?ST1KA3?((K3?K4)S4?KA3)?ST1KA4?((K5?K6)S4?KA4)?ST1

2、在上述已知条件基础上，假设电动机Ｍ1和Ｍ2都是直流电动机并且分别由两个规律环流双闭环可逆直流调速器驱动，如图5-2所示，生产工艺要求每一步的运行速度都一致，但是速度的大小可调。该调速器的部分控制端子的功能说明参见表5-1，图5-2已经完成了部分原理图绘制，试补充绘制完成直流调速器的控制原理图的设计。

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表5-1590系列调速器部分控制端子功能端子号A4功能速度给定端。当A4=+10V时，电动机的转速达到正向最高速；当A4=-10V时，电动机的转速达到反向最高速；当A4=0V时，电动机的转速为零。A6电枢电流限幅端。当A6=+10V时，正向电枢电流的限幅为200%；当A6=-10V时，反向电枢电流的限幅为200%最高速。B1B3B4B80V+10V电源-10V电源急停控制端。当B8=0V(或悬空)时，调速器紧急中止。当B8=24V时，急停不起作用。C3起动控制端。当C3=24V时，调速器起动运行，转速稳定后等于“A4〞的设定值。当C3=0V时，调速器不能运行。C5控制信号允许输入。当C5=24V时，给电动机施加励磁电压；当C5=0V(或悬空)时，电动机无励磁电压。C9+24V电源

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图4-1

答：图4-1(B)是修改ASR的正向输出限幅值所出现的仿真结果。

5、已知某双闭环可逆调速系统的仿真试验电路的仿真结果如图5-1(A)所示，将该仿真试验电路中的一个模块参数修改后，出现的仿真结果如图5-1(B)所示。对此有如下结论：

图5-1

A)图5-1(B)是仿真电网电压波动，出现的仿真结果。()B)图5-1(B)是仿真转速给定电压突然增大，出现的仿真结果。()C)图5-1(B)是仿真负载电流突然增大，出现的仿真结果。()D)图5-1(B)是仿真负载电流突然减少，出现的仿真结果。()试选择正确的结论。

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第三章多闭环控制系统的构造及

Profibus网络组态

一、本章主要内容

1、转速、电流双闭环调速控制系统及其静特性

1）原理图

2）稳态结构图

图3-1-1双闭环调速控制系统静态结构图

3）动态结构图

图3-2-1双闭环调速控制系统的动态结构框图

4）静特性及稳态参数之间的关系

（1）静特性

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（2）稳态参数之间的关系

UCn?IdL?RUct?do?e?KSKSCe?Un??IdL?RKS

?Un的大小决定了电动机稳态转速n的大小；IdL的大小决定了转速调理器ASR稳态

输出Ui的大小。由下式可知：Un和IdL的大小决定了电流调理器ACR稳态输出Uct的大小。

（3）?、?的确定公式：

??UnmUim????Idmne??2、转速、电流双闭环调速控制系统的动态性能及其仿真

1）转速、电流双闭环调速控制系统的起动过程

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电流上升阶段为“Ⅰ〞阶段。转速上升阶段为“Ⅱ〞阶段。转速调理阶段为“Ⅲ〞阶段

当电枢电流接近最大允许电流Idm时即转速调理器ASR的饱和值时，转速环失去了作用，表现出了仅有一个电流环的特点。当电枢电流小于最大允许电流Idm时，电流环失去了单独调理的作用，变成了转速环的前向通道上一个环节，表现出了双闭环调速控制系统特点。

注意：

①转速与电流随时间的变化规律都遵循着下面公式所表达的函数关系。

T?TdLGD2dn?375dt②在恒流升速(“Ⅱ〞)阶段，电流调理器ACR的输入偏差等于不为零的常数③转速必需出现超调(n?ne)才能使速度调理器ASR退出饱和状态④由于“Ⅰ〞和“Ⅲ〞阶段存在，不能实现理想的时间最优控制

2）动态性能和两个调理器的作用

①动态跟随性能：双闭环调速系统的转速由低变高时能实现时间上的准最优控制。当转速由高变低时，系统处于自由停车状态，造成制动时失控。

②动态抗扰性能：当负载扰动(IdL变化)时，由于存在电流环，从而加快了转速环的调理过程。当电网电压波动时，可以通过电流反馈环得到及时的调理控制作用，不必等到影响到转速环才起作用。因此在转速电流双闭环调速控制系统中，由电网电压波动而产生的动态速降比转速单闭环调速系统中的速降小得多。

③转速调理器(ASR)的作用

*转速调理器是调速系统的主导调理器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差。

*对负载变化起主要抗扰作用。

*其输出限幅值决定电机最大允许的起动电流。④电流调理器(ACR)的作用

*作为内环的调理器，在外环转速的调理过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调理器的输出量）变化。

*对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

*在突加给定起动过程中，能使电机以最大允许的电流起动，是实现时间最优控制的执行环节。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，系统马上自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

3)调理器的设计与存在的问题

①调理器的参数设计的基本原则是：先设计内环，后设计外环。②转速从高速变低速时控制系统失控；第Ⅰ和第Ⅲ段的电流上升和下降的变化率不能控制；起动终止时，转速必需出现超调才能使速度调理器ASR退出饱和状态进入线性调理状态。

3、转速电流双闭环调速控制系统构造小结

转速电流双闭环调速控制系统，依靠在突加给定起动时速度调理器输出的饱和限幅特

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性，使得系统表现出只有一个电流环的效果，从而实现了恒流起动，实现了时间最优控制；起动终止后，速度调理器输出自动退出饱和限幅的状态，使得系统表现出只有一个转速环的效果，达到了稳速抗干扰的目的。

4、无转速超调的转速电流双闭环控制系统

1）瞬间降低转速给定电压U*n2）自动提高转速反馈电压Un

*改变转速反馈系数；采用转速微分负反馈。

5、多闭环调速控制系统的构造过程及性能分析

1）带电流变化率内环的三环调速系统

为了尽可能的缩小第Ⅰ阶段的比例或根据实际工程的需求能够随意设置Ⅰ阶段宽度，必需解决对电流变化率进行控制的问题。

2）全状态反馈调速控制系统(准全状态反馈)①电压反馈引出位置选择原因

此时的电压反馈引出点应当尽可能的在靠近可控整流输出端位置引出，由于，这样

图3-5-1带电压内环的三环调速系统原理框图

做Ud能尽可能的接近理想的Ud0，用Ud代替Ud0还能提高系统的抗干扰能力。②电压反馈与电流微分反馈的作用基本一样

由于从物理量纲上分析，电流的微分就是电压，所以电压反馈与电流微分反馈的作用基本一致。

注意：一个储能元件决定一个状态变量。

3）带能耗制动单元的全状态反馈调速控制系统

解决控制系统转速由高变低时失控问题的最简方案是采用能耗制动。4）闭环数目的限制与带预控制调理器的闭环系统①闭环数目的限制

*被控对象状态变量多少的限制；控制系统自然稳定条件的限制；生产工艺性能要求及控制效果的限制

②带预控制调理器的闭环系统(了解内容)

6、弱磁控制的直流调速控制系统

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对于独立控制励磁式调速系统存在单独弱磁不能升速的问题，

因此出现了非独立控制励磁式调速系统，如图3-6-1所示。

图3-6-1非独立控制励磁式调速系统

注意：弱磁调速的条件：在改变励磁时应保证反电势E不变。

7、PROFIBUS通信和网络组态

使用PROFIBUS后，可使分散式数字化控制器或控制系统，从现场到车间级网络化；使用PROFIBUS后，由于减少了硬件成份(I/O，终端块、隔离栅)，因此节省了工程设计调试费用、硬件和安装费用；使用PROFIBUS后，将会提高控制系统的可靠性、安全性和灵活性。1）PROFIBUS-DP的主要特点

*它用在自动控制系统和外围设备之间进行通信，可以取代价格昂贵的24V及4～20mA并行信号线。

*总线循环时间必需小于中央控制器(主站)的程序循环时间，一般状况下主站程序循环时间不会高于10ms。

*在同一条总线上最多可连接126个站点(主站或从站)。

*一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的从站交换信息。典型的主设备包括可编程序控制器(PLC)、个人计算机(PC)、数控设备(CNC)和机器人控制器。

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*二级DP主站是触摸屏、操作面板或编程器、组态设备等。它们在DP系统控制操

作和组态时使用，以达到系统操作和监视的目的。

*DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备，这些外围设备可以成为DP从站、数字或模拟输入输出设备、直流调速器、变频器、阀门等，也有一些只提供输入或输出信息的设备。输入和输出信息量的多少取决于具体设备类型，但最多不会超过246字节。

2）PROFIBUS-DP网络组态过程及数据传输命令①调速控制系统PROFIBUS-DP网络的组态步骤如下第一步：设置直流调速器(6RA70)的从站地址其次步：在主站PLC上进行网络组态*进入新建项目向导对话窗口

*选择主站CPU的型号和编程口地址*选择PLC的组织块“OB〞和编程语言*上传“UPLODA〞网络组态第三步：设置触摸屏地址

②功能块SFCl4读从站的参数，其命令为“DPRD_DAT〞；③功能块SFCl5设置从站的参数，其命令为“DPWR_DAT〞

3）PROFIBUS-DP网络常见通信故障的处理

①假使PROFIBUS-DP网络出现时通时断现象，除接触不良等原因外，主要原因是

网络通信受到了某种干扰，解决的主要方法是检查接终端电阻是否连接或是否有效。

②假使新购置的大量网络通信模块同时出现通信故障问题，除地址设置有误等原因外，主要原因是网络集成操作人员带电插接网络端子所致。

③假使PROFIBUS-DP网络总有一个从站或二级主站不能正常通信，说明主站在设置该类型的从站或二级主站的连接数量少于实际数量，解决的主要方法是检查该主站的通信设置数量是否正确。

二、试题解析

1、在双闭环调速系统中，假使在突加给定起动时电动机的电枢电流超过最大允许值，应调理什么参数才能降低电动机的电枢电流？答：应降低速度调理器的输出限幅值UI

2、有两种PROFIBUS-DP网络连接方法如图3-1所示，假设“on〞的左端是黑色时，表示内部终端电阻已经接入，否则没有接入。你认为哪一种是正确的？

*22

图3-1

答：A网络的连接方法是正确的。

3、某PROFIBUS-DP网络如图3-2所示，此网络共有四个触摸屏，假使每次开机运行时总有一个触摸屏与网络无法通讯，可能的原因是什么呢？

图3-2

答：在主站中设置选择触摸屏数量参数不正确。

4、某控制的直流调速系统如图4-1所示，假使该系统需要在基速以上运行，单独降低给定电位器RPe能否实现弱磁升速？

图4-1

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答：不能实现弱磁升速。由于?在转速环内的前向通道上，所以根据抑制定理可得，?变化不会引起转速发生变化。

5、某调速控制系统如图4-2所示，已知转速反馈系数??0.01，??0.01电枢回路总电阻R?1?，KS?30，Ce??0.02，IdL?40A。假使双闭环调速系统处于稳定状态，那么速度调理器的输入偏差电压?Un?(Un?Un)等于多少？假使此时Un?10V，**那么U*ct和UI各是多少？

图4-2

解：?U*n?(Un?Un)＝0Ud0ct?UKs?Ce??n?IdL?R0.02?100.01?40?160K?s30?30?2

U*I?UI???IdL

?0.01?40?4V

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第四章可逆调速控制系统及全数字调速控制器

一、本章内容概述

本章的核心问题：正反两组如何正确协同问题。

1、晶闸管—电动机系统的可逆线路及回馈制动

1）晶闸管-电机系统的四个象限运行方法

*采用两组反并联控制系统的方法，不但能解决电枢电流迅速改变极性的问题同

时也解决了转速由高变低时的转速失控问题和振荡次数的控制问题。

*对于反并联可逆调速系统假使正反两组协同不好，就会出现两套可控整流桥短

路的现象发生。因此研究可逆调速系统的核心问题就是：正反两组如何正确协同问题。

2）晶闸管-电动机系统的回馈制动条件

晶闸管可控整流装置实现有源逆变的两个条件：①内部条件：控制角α>90°，使晶闸管可控整流装置侧产生一个负的平均电压-Ud0。②外部条件：外电路必需要有一个直流电源，并且极性必需与闸管可控整流装置的整流极性Ud0一致，其数值应稍大于│-Ud0│，以产生和维持逆变电流。

2、可逆线路中的环流及其抑制措施

1)环流及其种类

*环流的分类：直流环流、瞬时脉动环流和动态环流三种

*环流的二重性：环流的存在会显著地加重晶闸管和变压器的负担，消耗无用的功率，环流太大时甚至会导致晶闸管损坏，因此必需予以抑制。但是利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，即使在电动机空载或轻载时也可使晶闸管装置工作在电流连续区，避免了电流断续引起的非线性现象对系统静、动态性能的影响。而且在可逆系统中存在少量环流，可以保证电流的无休止反向，加快反向时的过渡过程。

2)瞬时脉动环流及其抑制措施

*抑制方法的理论根据：在平均脉动电流一致的状况下，脉动环流的幅值越高

所消耗的电网功率也就越大。

*抑制脉动环流的方法是：在环流流经的线路上增加限制环流峰值的电抗器。*三相桥式非独立电源电路必需用四个环流电抗器；三相桥式独立电源电路必需用二个环流电抗器。

3、有环流可逆调速控制系统及控制系统仿真

有一定的环流可以使系统当负载比较小时能越过电流不连续区，这样会给控制系统带来两个好处：①提高系统的快速反向和快速制动能力，②还可以降低控制系统的繁杂程度（避免建立三环系统来抑制电流断续对系统动态、静态的影响）。

1)典型协同控制系统的制动过程分析

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*由于电感上的电流不能发生突变,所以尽管反组桥触发角在整流区但外部条件还没有满足，故此时属于待整流状态。虽然电流Id在减小，但是电流Id方向没有发生变化，由于正组桥此时的触发角在逆变区，所以在t1至t2的区间内称为本桥逆变状态。

*从电流Id反向到电流调理器ACR的输出Uct退出饱和这段区间内（t2至t3的区间内），反组桥的输出电压与电动机的反电势的电压极性一致，形成反接制动，所以此时的反向电流Id迅速增大。

*由于负载转矩TdL和电磁转矩T的极性相反，导致制动加速度将是起动加速度的3倍。假使起动时间是3秒，那么制动时间只有是1秒。

*在恒流期间（转速调理器还没有退出饱和状态期间）电流调理器的输入偏差(UI?UI)是一个不为零的常数。

*

图4-3-1典型协同控制有环流可逆系统正向制动过程波形

*当转速降的比较小时，为了保持最大允许制动电流Idm不变，反组桥由逆变状态进入整流状态来维持Idm基本不变。

*当转速n在t5时刻开始过零超调之后。一方面，转速调理器ASR输出UI退出饱和状

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态；另一方面，由于电动机带的负载IdL是抵挡性恒转矩负载，所以制动转矩会在t5时刻突然变小，

使得可逆调速控制系统的超调十分小或者几乎可以忽略不计。

2)环流自控可逆调速控制系统

让处于非整流状态的电流调理器所组成的电流环的反馈信号不但有环

流反馈信号的成分，还有

随着负载电流IdL的增大而增大的信号成分，假使系统是一个稳定性系统，那么必然会造成环流反馈信号的自动减小。

4、无环流可逆调速系统及控制系统仿真(1)问题的提出

①对于大功率系统即使很小的环流都会造成电能的巨大浪费。所以需要无环流可逆调速控制系统。

②环流的存在不仅增大控制系统的初次投资(增加抑制环流的电抗器)，还会增大控制系统的体积。

(2)规律控制装置的设计过程

所谓规律控制的无环流可逆调速系统是指：在反并联可逆线路中，当一组功率器件(例如：晶闸管)工作时，用规律电路封锁另一组功率器件的触发脉冲或信号，使它完全处于阻断状态，确保在任何状况下最多只有一组处于工作状态。

①控制规律输出状态的最少输入信号是：速度调理器的输出信号Ui和电流反馈信号Ui的过零时刻。

②规律代数关系式存在的问题

*系统状态翻转时会出现两正反两组同时开放现象*制动初期本桥逆变还没有终止，电流Id瞬时过零问题*晶闸管阻断时不会马上关断会出现“暂留视〞现象

*C1的充电时间不能小于单管最大可能没有电流的时间；C2的充电时间是单管最大阻断时间与C1的充电时间之和。

③规律装置的应用问题如图4-4-1所示

*输出必需加规律保护环节和开关管故障保护环节*输出加功率放大环节，输入电平检测环节*根据用户和工艺要求增加其它保护环节

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*

图4-4-1规律切换装置原理图

5、直流脉宽调速控制系统及控制电路仿真

1)PWM主电路的形成过程

*每个周期内的波头数目越高，在平均电流一致的状况下，电流也就越简单连续。负载轻时电流连续，既能省去主电路的平波电抗器，又能提高电动机的调速范围。

*每个周期内的波头数目越高，失控时间就越短，快速响应性能也就越好，动态抗扰能力也就越强。控制系统结构也就越简单，控制系统的稳定性也就越好。

2)脉宽调制变换器的工作原理及构造过程

①不可逆PWM变换器如图4-5-1所示*电机两端得到的平均电压为

Ud?式中

tonUS??UST??

tonT

4-5-1不可逆PWM变换器原理图

②可逆PWM变换器如图4-5-2所示

假使在一个开关周期内施加给电动机电枢两端的电压有正负两个极性，那么此可逆PWM变换器称为双极控制方式可逆PWM变换器，简称双极式；假使只有一个正或负极性电压，那么此可逆PWM变换器称为单极控制方式可逆PWM变换器，简称单极式。

*双极控制方式如图4-5-3所示

不同负载下的电流波形及流向如图4-5-4所示

图4-5-2可逆PWM变换器原理图

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图4-5-3双极式可逆PWM变换器的开关脉冲施加方式

a)栅极控制电压b)电流流经路径

图4-5-4双极式可逆PWM变换器正向运行时的电压、电流波形

a)负载充分大时的电流波形b)负载充分小时的电流波形

3)脉宽调制器的仿真电路如图4-5-6所示。

时间模块(Clock)、自定义重复函数模块(rem)和查表模块(Look-UpTable1)组成三角波发生器，产生Ust信号。

两个求和模块(Sum)和两个继电器模块(Relay)构成了运算放大器、开放延时和封锁不延时环节。

4）可逆脉宽调速控制系统仿真电路如图4-5-7所示。

图4-5-6三角波PWM器仿真模型图

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图4-5-7可逆脉宽调速调速系统的开环仿真模型图

5)脉宽调速系统的特别问题*泵升电压问题

*电压变化率过大问题

6、全数字直流调速器的结构与控制系统软件组态

1)通用全数字直流调速器参数设置过程及优化方法参数自动优化的一般原则是：在保证控制系统稳定的条件下，使系统的输出跟随给定的速度最快并且动态误差最小。

2)直流调速器常见故障的维修方法及实例①调速器有故障显示，但实际上并没有发生此故障②调速器通电后无任何显示

③调速器正常运行数年后出现转速不稳④调速器正常运行数年后出现过流报警⑤电动机负载增大后转速下降

⑥调速器的给定增大电动机转速变化不大或调不上去

二、试题解析

1、可逆调速系统一定用于生产工艺要求电动机可逆运行的场合吗？

答：不一定。由于对于动态性能指标要求较高的不可逆运行场合，也需要可逆调速系统。

2、在不可逆调速系统中也会发生本桥逆变现象吗？

答：在不可逆调速系统中也会发生本桥逆变现象。由于电感上的电流不能发生突变。

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3、某调速控制系统的主电路如图3-4所示，对于此主电路有如下结论，请选择正确的结论。

A)电抗器LC1、LC2、LC3和LC4的作用是：提高环

流波形的连续性。()

B)电抗器LC1、LC2、LC3和LC4的作用是：避免晶

闸管出现电流断续现象。()

C)电抗器LC1、LC2、LC3和LC4的作用是：使正反

两组晶闸管整流电路切换时无电流断续区。()

D)电抗器LC1、LC2、LC3和LC4的作用是：降低环

流的功率损耗。()

4、在无环流可逆调速控制系统中，主电路是由两个三相全控桥构成的正组桥和反组桥。已知在系统制动过程中，只要在0.02/6秒内电流没有出现，规律控制装置就认为本桥逆变就已经终止。假使正组桥(或反组桥)中有一个晶闸管烧断，在系统制动时，造成本桥逆变颠覆的原因是：

A)此时规律控制装置误认为本桥逆变已经终止，提前封锁了本桥。()B)此时规律控制装置误认为本桥逆变已经终止，延时封锁了本桥。()C)此时规律控制装置误认为反组桥制动已经开始，提前开放了反组桥。()D)此时规律控制装置误认为反组桥制动已经开始，延时开放了反组桥。()5、某调速系统的仿真模型电路如下图3-7所示。为避免同一桥臂上下两个开关管同时导通现象发生，应调理什么模块的参数？

图3-4

图3-7

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答：在图3-7中应调理Relay和Relay1这两个模块中的有关参数可以控制两个开关管的死区时间。

6、某可逆调速系统的规律切换装置的原理图如图4-1所示，试分析VD2、C2和VD2、C2的作用。

图4-1

答：VD2、C2的作用是原工作组真正阻断之后才能开放非工作组马上封锁工作组即：延迟开放非工作组马上封锁工作组；VD1、C1的作用是判断电枢电流真正过零后才进入封锁工作组开放非工作组的延迟状态。

7、某PWM调速控制系统的主电路如图4-2所示，假使电流①的流经路径是：US+→VT1→电机M→VT4→US-，试分析电流②的流经路径。

图4-2

答：电流②的流经路径是：US-→VD2→电机M→VD3→US+。

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第五章系统的人机界面设计及触摸屏的

使用方法

一、本章主要内容

1、人机界面研究的内容及常用认知心理学知识

1)人机界面的定义及研究的主要内容

*人能读懂，机器也能认识的这个界面称为“人机界面〞*人机界面研究的主要内容是：如何确凿、迅速的显示与控制自动控制系的状态变量和信息的问题。

2)研究人机界面所需要的基础知识

研究人机界面所需要三个方面的基础知识：自动控制系统构造的知识；常用认知心理学的基础知识和图形构造艺术。

2、显示与控制界面的设计原则

1)显示与控制界面的布局设计原则*重要性原则*操作频率原则*功能分组原则*操作次序原则

*控制件与显示窗口和文字说明的位置关系用手动操作的器件文字说明在器件的上方；不用手动操作的器件，文字说明在器件的下方。

2)控制柜壳体内部设计原则

①发热量最大的器件放在控制柜的上部②易损部件下方不能放置控制器件

③发热量较小并且重量最重的器件放在控制柜的下部

3、MT500系列触摸屏画面组态与数据通信

能将手指或其它物体微弱接触具有感应膜显示屏的指定位置或表面时所产生的人为输入信息自动转化为机器或控制系统能认识的控制信号，这种设备称为触摸屏。

(2)E