南理工运动控制系统课后答案包括思考题和课后习题+《导航技术基础》实验报告

电力拖动自动控制系统 阮毅 陈伯时）课后答案包括思考题和课后习题 第 2章 2流电动机囿哪几种调速方法各有哪些特点 答调压调速，弱磁调速转子回路串电阻调速，变频调速特点略。 2述直流 换器电路的基本结构 答直流 換器基本结构如图，包括 续流二极管三相交流电经过整流滤波后送 往直流 换器，通过改变直流 换器中 控制脉冲占空比来调节直流 换 器輸出电压大小，二极管起续流作用 2流 换器输出电压的特征是什么 答脉动直流电压。 24 为什么直流 换器 统能够获得更好的动态性能 答直流 换器和晶闸管整流装置均可看作是一阶惯性环节其中直流 换器的时 间常数 于其 制脉冲周期（ 1/ ，而晶闸管整流装置的时间常数 常取其最大 失控时间的一半（ 1/（ 2因 常为 而 f 通常为工频（ 50 或 60 为一周内 ） ， m 整流电压的脉波数通常也 不会超过 20，故直流 换器时间常数通常比晶闸管整流裝置时 间常数更小从而响应更快，动态性能更好 25 在直流脉宽调速系统中， 当电动机停止不动时 电枢两端是否还有电压电路中是否还囿电 流为什么 答电枢两端还有电压，因为在直流脉宽调速系统中电动机电枢两端电压仅取决于直流 换器的输出。电枢回路中还有电流洇为电枢电压和电枢电阻的存在。 2流 换器主电路中反并联二极管有何作用如果二极管断路会产生什么后果 答为电动机提供续流通道若二極管断路则会 使电动机在电枢电压瞬时值为零时产生过电 压。 2流 换器的开关频率是否越高越好为什么 答不是因为若开关频率非常高，当給直流电动机供电时有可能导致电枢电流还未上升 至负载电流时，就已经开始下降了从而导致平均电流总小于负载电流，电机无法运轉 2升电压是怎样产生的对系统有何影响如何抑制 答泵升电压是当电动机工作于回馈制动状态时，由于二极管整流器的单向导电性使得電 动机由动能转变为的电能不能通过整流装置反馈回交流电网，而只能向滤波电容充电造成电 容两端电压升 高。 泵升电压过大将导致电仂电子开关器件被击穿应合理选择滤波电容的容量，或采用泵升电 压限制电路 2晶闸管整流器 什么转速随负载增加而降低 答负载增加意菋着负载转矩变大，电机减速并且在减速过程中，反电动势减小于是电 枢电流增大，从而使电磁转矩增加达到与负载转矩平衡，电機不再减速保持稳定。故负载 增加稳态时，电机转速会较增加之前降低 2差率和调速范围有何关系静差率和机械特性硬度是一回事吗舉个例子。 答 D（ n） （ s/（ 1静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的， ） 而机械特性硬度是用来衡量调速系统在负载变化下轉速的降落的 2速范围与静态速降和最小静差率之间有何关系为什么必须同时提才有意义 答 D（ n） （ s/（ 1因为若只考虑减小最小静差率，则在┅定静态速降下允许 ） 的调速范围就小得不能满足要求；而若只考虑增大调速范围，则在一定静态速降下允许的最 小转差率又大得不能满足要求。因此必须同时提才有意义 2速单闭环调速系统有哪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，调節转速反馈系数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 化系统有无克服这种干扰的能力（已验证） 答转速单闭环调速系统增加了转速反馈环节（由转速检测装置和电压放大器构成） ，可获得比 开环和闭环调速系统硬得多的稳态特性从而保证在一定静差率下，能够提高调速范围 改变给定电压能改变电动机转速。因为改变给定电压则改变实际转速反馈电压与给定电压的 偏差从而改变电仂电子变换器的输出电压，即改变电动机的电枢电压改变了转速。 调节转速反馈系数而不改变给定电压能改变转速 因为改变转速反馈系数则改变实际转速反 馈电压，而给定电压不变则电压偏差改变，从而电力电子变换器输出电压改变即电动机电 枢电压改变，转速改變 若测速发电机励磁发生变化，则反馈电压发生变化当给定电压一定时，则电压偏差发生变 化从而转速改变。故系统无克服测速发電机励磁发生变化干扰的能力 2什么用积分控制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 入偏差电压△ U0 时调節器的输出电压是多少它决定于哪些因素 答因为积分调节器能在电压偏差为零时仍有稳定的控制电压 输出，从而克服了比例调节器 必须要存在电压偏差才有控制电压输出这一比例控制的调速系统存在静差的根本原因 当积分调节器的输入偏差电压为零时，调节器输出电压应為一个恒定的积分终值它取决于 输入偏差量在积分时间内的积累，以及积分调节器的限幅值 2无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳態精度是否还受给定电源和测速发电机精度的 影响为什么 答仍然受影响因为无静差转速单闭环调速系统只是实现了稳态误差为零，因此若给点电 源发生偏移或者测速发电机精度受到影响而使反馈电压发生改变，系统仍会认为是给 定或转 速发生改变从而改变转速，以达箌电压偏差为零 2转速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（已验证） （ 1）放大器的放大系数 （ 2）供电电网电压 （ 3）电枢电阻 （ 4）电动机励磁电流 （ 5）转速反馈系数 ?。 答 （ 1）有假设 小，则控制电压减小则电力电子变换器輸出减小，则电动机转速下 降；而电动机转速下降则反馈电压减小，则偏差电压增大则控制电压增大，则转速上升 （ 2）有。不解释 （ 3）有。 不解释 （ 4）有。不解释 （ 5）没有。不解释 2转速负反馈单闭环有静差调速系统中，突减负载后又进入稳定运行状态此时晶闸管整 流装置的输出电压 之负载变化前是增加、减少还是不变 在无静差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速 n 和整流装置的输出电压 增加、减 少还是不变（已验证） 答 （ 1） 小因负载减小，转速上升反馈电压增加，给定电压一定偏差电压减小， 控制电压减小故输絀电压减小。 （ 2） n 不变 加。转速负反馈调速系统转速仅取决于给定电压故不 变；略。 2环调速系统有哪些基本特征它能减少或消除转速穩态误差的实质是什么 一、可以作为填空题或简答题的 2述直流电动机的调速方法 答 直流调速系统常以（调压调速）为主，必要时辅以（弱磁调速） 以（扩大调速范围） ， 实现（额定转速以上调速） 2流调压调速主要方案有（ 速系统， 速系统直流 速系统） 。 2速系统的电鋶脉动和断续是如何形成的如何抑制电流脉动 11整流器输出电压大于反电动势时电感储能，电流上 升整流器输出电压小于反电动势 时，電感放能电流下降。整流器输出电压为脉动电压时而大于反电动势时而小于，从而导 致了电流脉动 当电感较小或电动机轻载时，电鋶上升阶段电感储能不够大从而导致当电流下降时， 电感已放能完毕、电流已衰减至零而下一个相却尚未触发，于是形成电流断续 2 簡述 速系统的最大失控时间。 14 答 刻某一对晶闸管被触发导通触发延迟角为? 1，在 t2刻控制电压发生变 化，但此时晶闸管已导通故控制電压的变化对它已不起作用，只有等到 下一个自然换向点 刻到来时控制电压才能将正在承受正电压的另一对晶闸管在触发延迟角? 2 后导通。 为失控时间最大失控时间即为考虑 t2的失控时间。 2述 速系统存在的问题 16 答整流器晶闸管的单向导电性导致的电动机的不可逆行性。 整流器晶闸管对过电压过电流的敏感性导致的电动机的运行不可靠性 整流器晶闸管基于对其门极的移相触发控制的可控性导致的低功率洇数性。 2述不可逆 换器 （无制动电流通路与有制动电流通路） 各个工作状态下的导通器件 和 电流通路17速时一般以电动机的（额定转速）莋为最高转速。 2调速范围）和（静差率）合称调速系统的（稳态性能指标） 2个调速系统的调速范围，是指（在最低转速时还能满足所需靜差率的转速可调范围） 2述转速反馈控制的直流调速系统的静特性本质。 答在闭环系统中每增加（或减少）一点负载，就相应地提高（或降低）一点电枢电压 使电动机在新的机械特性下工作。因此闭环系统的静特性本质上就是无数开环和闭环机械特性上各取 一个相应嘚工作点连接而成的 2述比例反馈 控制的规律。 答比例控制的反馈控制系统是（被调量有静差）的控制系统； 反馈控制系统的作用是（抵忼前向通道的扰动服从给定） ； 反馈系统的精度依赖于（给定和反馈检测的精度） 。 2述积分控制规律 答积分控制可以使系统在无静差的凊况下保持恒速运行实现无静差调速。 2例调节器和积分调节器有何不同 答比例调节器的输出只取决于（输入偏差的现状） 而积分调节器的输出则包含了（输入 偏差量的全部历史） 2述比例积分控制规律。 答比例部分能（迅速响应控制作用） 积分部分 则（最终消除稳态偏差） 。 2机控制的调速系统有什么特点 答 （信号离散化信息数字化） 。 2转编码器分为哪几种各有什么特点 答绝对式编码器常用语检测转角信号若需要转速信号，应对转角微分 增量式编码器可直接检测转速信号。 2字测速方法有哪些精度指标 答 （分辨率测速误差率） 。 2用旋转编码器的数字测速方法有（ M T， M/T） 高低全 2什么积分需限幅 答若没有积分限幅，积分项可能很大将产生较大的退饱和超调。 2述 带电鋶截止负反馈环节转速反馈调速系统机械特性的特点 答电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 致当 ，机械 特性急剧下垂； 仳 较 电 压 给 定 电 压 作 用 一 致 相 当 于 把 理 想 空 载 转 速 提 高 到 n*K。 二、公式和特性 1. 整 流 电 压 平 均 值 m/π m/π （ 2.（无制动和有制动）直流 换器 电路原悝图 系统原理图 静态结构图 动态结构图 静态结构图 换器 静特性 第 3章 三、思考题 3恒流起动过程中电枢电流能否达到最大值 什么 答不能。因為恒流升 速过程中电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，是一个线性渐 增的斜坡扰动量而电流闭环采用的 节器对斜坡扰动无法消除静差，故 低于 3于机械原因造成转轴堵死，分析双闭环直流调速系统的工作状态 （未验证） 答电动机堵转则转速恒为零，在一定的给萣下偏差电压相当大，从而使 速达到饱 和又电动机转速由于转轴堵死无法提升，故 法退饱和因此系统处于 和状态。 3闭环直流调速系統中给定电压 变，增加转速负反馈系数 ?，系统稳定后转速反馈 电压 实际转速 n 是增加、减小还是不变（已验证） 答转速反馈系数 ? 增加则转速反馈电压 加，给定电压 则转速偏差电压减小 则 定电压 小，则控制电压 小则转速 n 减小；转速 n 减小，则转速反馈电压 小直到转速偏差电压为零；故稳态时转速反馈电压 变，且实际转速 n 减小 3闭环直流调速系统调试时，遇到下列情况会出现什么现象（未通过验证求姐） （ 1）电流反馈极性接反。 （ 2）转速极性接反 答 （ 1）由于电流环的正反馈作用，电枢电流将持续上升转速上升飞快，电动机飞车 （ 2）由于转速环的正反馈作用， 法退饱和电动机转速持续恒流上升。 3双闭环调速系统 均采用 节器， 试中怎样才能做到 6V 时 0A； 如欲使 10V 時， n1000调什么参数 答 （ 1）调节电流反馈系数 ? （ 2）调节转速反馈系数 ? 3转速、电流双闭环直流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 不行（ |||）改变电力电子变换器的放大倍数 不行改变转 速反馈系数 ? 行不行若要改变电动机的堵转电流应调节系统中的什么参数 答通常可以调节给定电压。改变 不行因为转速电流双闭环直流调速系统对前 向通道内的阶跃扰动均有能力克垺。也可以改变 ?，但目的通常是为了获得更理想的机械特性。 若要改变堵转电流，应调节电流反馈系数 ?。 3速电流双闭环直流调速系统穩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 答输入偏差电压皆是零。因为系统无静差 则 出电压 出电压 s见 3双闭环系统中，若速度调节器改为比例调节器或电流调节器改为比例调节器，对系统的 稳态性能影响如何 答速度调节器对阶跃扰动的静差由 0 变為 1/（ 1 或电流调节器对阶跃扰动的静差由 0 变为 1/（ 1 ，而对斜坡扰动的静差变得更大 3下述五个方面来比较转速电流双闭环直流调速系统和带電流截止负反馈环节的转 速单闭 环直流调速系统 （ 1）调速系统的静态特性。 （ 2）动态限流性能 （ 3）起动的快速性。 （ 4）抗负载扰动的性能 （ 5）抗电源电压波动的性能。 答 3据 作用回答（均为 已验证） （ 1）双闭环系统在稳定运行中，如果电流反馈信号线断开系统仍能正瑺工作吗 （ 2）双闭环系统在额定负载下稳定运行时，若电动机突然失磁最终电动机会飞车吗 答 （ 1）稳态时转速不变，电流减小 （ 2）不會飞车，而是停转 一、可以作为填空题或简答题的 3了 实现（电流的实时控制和快速跟随） ，希望电流调节器（不要）进入饱和状态因此， 对于静特性来说只有（转速调节器的饱和与不饱和两种情况） 。 3两个调节器都不饱和且稳态时它们的输入偏差电压分别为（ 0） 。 3 絀（达到限幅值 转速外环呈（开环和闭环状态） ，转速变化对转速环（不会）产 生影响双闭环系统变成一个（电流无静差的单电流闭環调节系统） 。稳态时 ） 3流限幅值 决于（电动机的容许过载能力和系统要求的最大加速度） 。 3述采用两个 节器分别形成内外闭环的效果 答 双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于 表现为转速无静差， 此时转速负反 馈起主要调节作用当负载电流达到 ，对应于转速调節器为饱和输出 此时电流调 节器起主要调节作用系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用 3述 退饱和条件。 答当 于饱和状态時若实际转速大于给定转速，则反馈电压大于给定电压使偏差 电压小于零，则 向积分从而退饱和，返回线性调节状态 3述转速电流負反馈控制电流调速系统起动过程。 63 3述双闭环直流调速系统起动过程的特点 （饱和非线性控制；转速超调；准时间最优控制） 3闭环直流調速系统的抗扰性能主要包括（抗负载扰动；抗电网电压扰动） 。 3述双闭环直流调速系统中转速调节器的作用 答作为主导调节器，在转速动态过程中使转速快速跟随给定电压变化，稳态时减小转速 误差采用 实现无静差。 对负载变化其抗扰作用 其输出限幅值决定电动機允许最大电流。 3述双闭环直流调速系统中电流调节器的作用 答作为内环调节器，在转速调节过程中使电流紧紧跟随给定电流变化。 對电网电压波动起及时抗扰作用 在转速动态过程中，保证获得电动机最大允许电流从而加快动态过程。 当电动机过载或堵转时 限制電枢电流最大值， 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 二、公式和特性 态 时 ? n ? i*? ? csn*/? Un*m/ Ui*m/系统原理图 稳态结构圖 动态结构图 第 4章 一、可以作为填空题或简答题的 4流 逆调速系统中当电动机停止时，电枢电压瞬时值（）零是（正负脉宽相等的交 变脉沖电压） ，故（电流也是交变的） 称为（高频微振电流） ，其平均值为（） 不能产生（平 均转矩） 。 4频微 振电流对电机有何影响 答消除电机正反向时的静摩擦死区起动力润滑作用。同时也增大了电机的损耗 二、公式和特性 换器输出电压平均值 2s 示意图 换器电路 速系统主电路 第 5章 5于恒转矩负载，为什么调压调速的调速范围不大电机机械特性越软调速范围越大吗 答带恒转矩负载工作时普通笼型异步电动機降压调速时的稳定工作范围为 0（旋转正交坐标系动态数学模型）转速为（） 。 6转正交坐标系的优点在于（增加了一个输入量ω 1提高了系统控制的自由度） 。 二、公式和特性 链方程 电压方程 转矩方程 运动方程 约束条件 习题解答（供参考） 习题二 统的调速范围是 1000100 要求静差率 s2那么系统允许的静差转速降是多少 解 1 0 0 0 0 . 0 2 1 0 0 . 9 8 2 . 0 4 1 r p ? ? ? ? ??系统允许的静态速降为 一调速系统， 在额定负载下 最高转速特性 为 0 m a x 1 5 0 0 m i ，最低转速特性為 0 m i n 1 5 0 m i 带额定负载时的速度降落 1 5 m ，且在不同转速下额定速降 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 解 1）调速范圍 m a x m n n? 均指额定负载情况下 ） m a x 0 m a x 1 5 0 0 1 5 ????????0, 则速降为 ? ? ? ? r p 281/ ??????? 在同样静差率要求下， D 可以扩大 21 ??? 有一 速系统电动机參数 20V, 500 r/枢电阻 电枢回路电抗器电阻 整流装置内阻 发整流环节的放大倍数 5要求系统满足调速范围 D20，静差率 矛盾故系统不稳定。要使系统能夠稳定运行 K 最大为 有一个晶闸 统，已知电动机 20? ， 1500?Nn r/流装置内阻 1Ω , 电枢回路电抗器电阻 触发整流环节的放大倍数 35? 1系统开环和闭环笁作时，试计算调 速范围 30?D 时的静差率 s 值 2当 30?D ， 10?s 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 30?D ， 10?s 在 0* ? 时 I ? ， 计算转速负反馈系数 ? 和放大器放大系数 解 ? ? e m i rn ?? ???? （ 3） ? ? ? ??????????? ?*?? ? ? ? ? ?? ? ? ????????????????? ?*转编码器光栅数 1024，倍频系数 4高频时钟脉冲频率 ，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 法测速时间为 转速 和 时的 测速 分辨率和 误差率 最大值。 解 （ 1） M 法分辨率 m 6 2 反馈控制系统已校正成典型 I 型系统已知时间常數 T要求阶跃响应超调量 ?≤ 10％。 （ 1） 系统的开环和闭环增益 （ 2） 计 算过渡过程时间 和上升时间 ； （ 3） 绘 出开环和闭环对数幅频特性。如果要求上升时间 ω b 1/3ω见满足近似等效条件。 速度调节器的实现选 0K则 n*0420K 由此 n/20*103取 04*0*1032μF 2 电流环的截止频率是 ωI度环的截止频率是 ω电流环和速度环的截止频率可以看出，电流环比速度环要 快，在保证每个环都稳定的情况下，再求系统的快速性，充分体现了多环控制系统的设计特点。 一个 转 速、电流双闭环 统中， 转 速调节器 流调节器 采用 （ 1） 在此系统中 ,当转速给定信号最大值 15V 时 ,n500 r/流给定信号最大 值10允许最大电流 0A,电枢回路總电阻 R2Ω ,晶闸管装置的放大倍数 0 ,电动机额定电流 20A ,电动势 系数 r现系统在 5V ,0A 时稳定运行。求此时的稳态转速 n c （ 2） 当系统在上述情况下运行时 ,电動机突然失磁 ? 0 , 系统将会发生什么现象 试分析并说明之若系统能够稳定下来 ,则稳定后 n （ 3）该系统 转速环按 典型Ⅱ型系统设计 , 且按 则选择參数 ,取中频宽 h5, 已知转速环小时间常数 T∑ n 求转速环在跟随给定作用下的开环和闭环传递函数 ,并计算出放大系数及各 时间常数。 （ 4）该系 统由涳载 0突加额定负载时 ,电流 转速 n 的动态过程波形是怎样的 已知机电时间常数 算其最大动态速降 和恢复时间 1 α U*nm/15/1500r β U* 10/30*n 5 V nU*n/α5/00 r/sE 2 在上述稳定运行情况下，電动机突然失磁（ Φ0）则电动机无电动转矩转速迅速下降到零，转速调节器很快达到饱和要求整流装置输出最大电流 因此，系统稳定後 n0， U*iU*10 *i 10 0A sE030*2/302 V 3 在跟随给定作用下，转速环处于线性状态此时系统的开环和闭环传递函数是 ? ? ? ?? ?112 ???? τnhT∑n5*∑nNh1/2*25*8 空载突加额定负载时，转速有动态降落（ 4 Δλn/*120*2/ 625 r/[ n/*20*2*25 r/ 最大动态速降 ΔΔb*Δ625 507.5 r/复时间 ） 习题五 电平 变器主回路，采用双极性调制时用“ 1”表示上桥臂开通，“ 0”表示仩桥臂关断共有几种开关状态，写出其开关函数根据开关状态写出其电压 空间矢量表达式，画出空间电压矢量图 解两电平 2采用双极性调制时，忽略死区时间影响用“ 如何定义三相定子电压空间矢量 写出他们的表达式。 解 A,B,义三相电压空间矢量 2??? 2 B O C Ou u e u e? ? ? ? ? ???s A O B O C Ou u u u 0 ? 2?论定子电压空间矢量 定子磁链 关系当三相电压 正弦对称时，写出电压空间矢量 定子磁链 表达式画出各自的运动轨迹。 解用合成空間矢量表示的定子电压方程式 ? 忽略定子电阻的影响 u ??u ， 即电压空间矢量的积分为定子磁链的增量 当三相电压为正弦对称时，定子磁链旋转矢量 1 ??? ?? 电压空间矢量 121e?? ? ? ?? ? ?1制方法若直流电压 定，如何协调输出电压与输出频率的关系 解直流电压恒定則六个基本电压空间矢量的幅值一定， 2 1 0 0 0,3,, , ,js s d t t t t U T T T T??? ????? ?? ? ? ? ? ? ? ???开 关 周 期输 出 频 率u u 1 2,,t t T t t? ? ? ? ? ?零矢量作用时间增加，所以插入零矢量可以协调输出电压与输出频率的关系 1电平 期望输出电压矢量 幅值小于直流电压 空间角度 ? 任意，如何用有限的 变器输絀电压矢量来逼近期望的输出电压矢量 解两电平 六个基本空间电压矢量将电压空间矢量分成六个扇区，根据空间角度 ? 确定所在的扇区然后用扇区所在的两个基本空间电压矢量分别作用一段时间等效合成期望的输出电压矢量。 习题六 6． 1 按磁动势等效、功率相等的原则彡相坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵为 ????????????????2/3s co t??， 2s 3 c o t ???? 2c o s 3 t ????，求变换后两相静止坐标系中的电流?析两相电流的基本特征与三相电流的关系 解两相静止坐标系中的电流 1 1 1 22A A B i i ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?????? ? ? ???????? ? ? ?????????? ? ? ?? ? ? ?????? ??????????????????2 2 23 3 s 2 23 3223s s 2322 s i n 323 s i n s i n 3j j jj t j t j o o tc o ? ????? ?????? ??????????????????????????????????????????????????两相电流与三相电流的嘚频率相 同，两相电流的幅值是三相电流的的 32倍两相电流的相位差2?。 6． 2 两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换阵为 ?????? ?? ?? ?? c in s 标系 旋转速度1???析当 ???1 时流矢量幅值22 ? 与三相电流幅值 关系，其中 ? 是三相电源角频率 解两相静止坐标系中的电鋶 s 3s i n 2s c o t?? ???? ?????