运动控制第二章_课后习题答案.doc

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1、课后思考题2.1转速单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，系统有无克服这种干扰的能力？答：1）闭环调速系统可以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，所需付出的代价是需增设电压放大器以及检测与反馈装置。2）能。因为，由公式可以看出，当其它量均不变化时，随着的变化而变化3）能。因为转速和反馈电压比有关。4）不，因为反馈控制系统只对反馈环所包围的前向通道上的扰动起抑制作用 ，而测速机励磁不是。2.2为什么用积分控制的调速系统是

2、无静差的?在转速负反馈调速系统中,当积分调节器的输入偏差电压时,调节器的输出电压是多少?它取决于那些因素?答： 使用积分控制时可以借助积分作用，使反馈电压与给定电压相等，即使为零一样有输出，不再需要来维持，由此即可使输出稳定于给定值使调速系统无静差。 当时调节器的输出为电压，是对之前时刻的输入偏差的积累。 它取决于的过去变化，当为正增加，当为负下降，当为零时不变。2.3在无静差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?试说明理由;答： 在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度同样受给定电源和测速发电机精度的影响。无静差转速单闭环调速系统只是消除了误差，使输

3、出的转速基本稳定于给定的转速。但是，这种系统依然属于反馈控制系统，只能抑制被反馈环包围的前向通道上的扰动，对于其他环节上的精度影响无可奈何。2.4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？（）放大器的放大倍数（）供电电网电压（）电枢电阻（）电动机励磁电流（）电压反馈系数a答：3）电枢电阻，）电动机励磁电流，（）电压反馈系数a无调节作用。因为反馈控制系统所能抑制的只是被反馈包围的前向通道上的扰动。2.10在转速、电流双闭环调速系统中，若改变电动机的转速，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

4、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：改变转速，调节给定电压，改变转速调节器放大倍数 不行，改变也不行，改变行。改变堵转电流调节电流反馈系数.2.11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？答：两个调节器的输入偏差电压均为0，如果不为0则和继续变化，就不是稳态。转速调节器的输出电压为：电流调节器的输出电压为：2.13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：（） 调速系统的静态特性;（） 动态限流性能;（） 起动的快速性;（） 抗负载扰动的性能;（） 抗电源电压波动的性能;

5、答：（1）单闭环：在系统稳定时实现转速无静差。 双闭环：可实现转速无静差和电流无静差。（2）单闭环：只能在超过临界电流后，限制电流冲击 双闭环：电流调节器通过电流反馈系数随时调节控制电流（3）单闭环：快、不平稳 双闭环：起动快、平稳（4）单闭环：差 双闭环：强、靠ASR单闭环：差双闭环：由电流内环ACR及时调节2.14在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器均采用PI调节。当系统带额定负载运行时，转速线突然断线，系统重新进入后，电流调节器的输入偏差电压是否为零？为什么？答：转速和电流调节器的输出达到饱和为止，电流调节器的输入偏差电压不为零，因为稳定后电流反馈依然为只能增加电动机的 转速达到新的

6、平衡2.15在转速、电流双闭环调速系统中，转速给定信号未改变，若增大转速反馈系数，系统稳定后转速反馈电压是增加、减少还是不变？为什么？答：不变。因为增大，在达到新的稳定运行时，依然要是无静差系统，系统的转速下降，在达到同样的时稳定运行。课后习题:2.1某闭环调速系统的调速范围是1500150r/min，要求系统的静差 S2%,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应有多大？1，(对于基速以下的调速系统而nN=nmax)2，2.2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他提高到30，它

7、的速降为多少？在同样静差率要求下，调速范围可以扩大多少倍？同样静差率的条件下调速范围与开环放大倍数加1成正比2.3某调速系统的调速范围D=20，额定转速，开环转速降落，若要求静差率由10%减少到5%则系统的开环增益将如何变化？解：原系统在调速范围D=20，最小转速为：，原系统在静差率为10%时，开环增益为：静差率5%时原系统的开环增益为： 2.4在转速负反馈调节系统中，当电网电压、负载转矩，电动机励磁电流，电枢电流、电枢电阻、测速发电机励磁各量发生变化时，都会引起转速的变化，问系统对于上述各量有无调节能力？为什么？答：系统对于上述各量中电网电压、负载转矩，电动机励磁电流，电枢电流、电枢电阻、有

8、调节能力。因为它们在闭环系统的前向通道中，对于测速发电机励磁各量发生变化，没有调节能力。因为它不在闭环系统的前向通道中。2.5有一V-M调速系统，电动机参数为：电枢电阻，整流装置内阻，触发整流环节的放大倍数。要求系统满足调速范围20，静差率10。（） 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。（） 调整该系统能参数，使当，则转速负反馈系数应该是多少？（） 计算放大器所需的放大倍数。解：（）电动机的电动势系数开环系统静态速降闭环静态速降闭环系统开环放大倍数（2）因为 所以=407.4288 =0.00961（3）运算放大器的放大倍数2.6在题2.5的转速负反馈系统中增设电流截止环节，

9、要求堵转电流，临界截止电流,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阻的1/3，如果做不到，需要加电流反馈放大器，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。这时电流反馈采样电阻和比较电压各为多少？解：（1） 则 也可由下式得： 系统的原理图和静态结构图(给它画出图)（2）显然采样电阻大于主电路2.7*1/3倍，所以增加电流反馈放大器后：新的采样电阻：可选0.5欧姆电流反馈放大系数： 新的比较电压： 所以加上的电流反馈放大器的放大倍数为32.7在题2.5的系统中,若主电路电感L=50mH,系统运动部分的飞轮惯量,整流装置采用三相零式电路,试判断按

10、题1-10要求设计的转速负反馈系统能否稳定运行?如果保证系统稳定运行,允许的最大开怀放大系数K是多少?电磁时间常数 机电时间数 （查表全波为0.00167） 在1-10题中如要系统稳定须保证则系统不稳定。如要系统稳定，允许的最大的开环放大系数为但调速范围不满足了2.8某调速系统原理图如图所示，已知数据如下：电动机18，220，In94，整流装置内阻,触发整流环节的放大倍数。最大给定电压，当主电路电达到最大值时，整定电流反馈电压。设计指标：要求系统满足调速范围20，静差率S10，。试画出系统的静态结构框图，并计算：（） 转速反馈系数。（） 调节器放大系数。（） 电阻的数值。（放大器的输入电阻）（

11、） 电阻的数值和稳压管的击穿电压值。解：(1) 同1-10可得a=0.0145(2) (3)（4）A；A；当主电路电流最大即为时，而当主电路电流为时，为： V此时电流反馈起作用，稳压管的击穿电压可根据确定取稍大值：当主电路的电流增大到时，为起到保护作用应使流过的电流等于流过的电流，以使电机转速迅速降落。此时：mA ; k(取3.5k)系统的静态结构框图2.9有一个V-M系统,已知:电动机: ,Ra=1.5,整流装置内阻,触发整流环节的放大倍数。(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, 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,

12、要求D=30,在,计算转速负反馈系数a 和放大器放大系数Kp;解：（）（原来多加了1）（）当30，10时计算系统允许的稳态速降（）求取的方法同1-10 可得=0.00652 2.10（2）当电动机负载过大而堵转时n=0ASR饱和，输出最大电流给定 由于堵转转速 n0 2.11在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器ASR、ACR均采用PI调节器。已知参数：电动机：电枢回路总电阻R=1.5 ，设，电枢回路最大电流，电力电子变换器的放大系数。试求：（） 电流反馈系数和转速反馈系数;（） 当电动机在最高转速发生堵转时的、值。解：（1）电流反馈系数 转速反馈系数 （2）当电动机在最高转速发生堵转时，n

13、=0。ASR饱和，输出最大电流给定 由于堵转转速 n0 2.12在转速、电流比闭环调速系统中，调节器ASR,ACR 均采用PI调节器。当ASR输出达到时，主电路电流达到最大电流80A。当负载电流由40A增加到70A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）应增加。因为当负载电流由40A增加到70A时增加，是确定的。 由40A 增加到70A时，由4V增加到7V（2）略有增加。因为；的增加使增加，使得增加（3） 由n和决定。2.13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电压突然下降一半,系统工作情况

14、将会如何变化？写出、及n在系统重新进入稳定后的表达式。答：当磁通下降一半时但电动机拖动恒转矩负载运行，为了达到平衡，电枢电流要增加一倍，以保证力矩的平衡。所以2.14某反馈控制系统已校正成典型I型系统。已知时间常数T0.1S，要求阶跃响应超调量（） 求系统的开环增益;（） 计算过渡过程时间和上升时间;（） 绘出开环对数幅频特性。如果上升时间，则K=?， 解：（1）由表2-1（P75）系统开环增益 则要求为获得尽量短的上升时间tr，选择，则 （2）过渡过程时间 上升时间(3)如果要求上升时间 由表2-1（P75）则应取KT=1，这样K=10，取 2.17有一个系统，其控制对象的传递函数为 ,要设

15、计一个无静差系统，在阶跃输入下系统超调量（按线性系统考虑）。试对该系统进行动态校正，决定调节器结构，并选择其参数。解：校正成典型I型系统，调节器传递函数为校正后系统的开环传递函数为： 取 查表得： 2.18有一个闭环系统，其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）。决定调节器结构，并选择其参数。解： 选用PI型调节器系统开环传函为 取 h=7 PI调节器 （参数关系见P89） 取R0=10K，则Ri=28.571K，取30K。2.19调节对象的传递函数为，要求用调节器分别将其校正为典型型和型系统，求调节器的结构与参数。解：校正成典型型系统选择PI调节

16、器： 校正后的开环传递函数为： 令 选 ,这时的稳定性和快速性都可以较好的兼顾。 所以 K=100 (2)校正成典型系统，选择PI调节器： 选择h=5 检验： 满足的近似条件。2.20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，已知电动机的额定数据为：，电动势系统，主电路总电阻，触发整流环节的放大倍数。电磁时间常数，机电时间常数，电流反馈滤波时间常数，转速反馈滤波时间常数。额定转速时的给定电压,调节器ASR，ACR饱和输出电压。系统的静、动态指标为：稳态无静差，调速范围D=10，电流超调量，空载启动到额定转速时的转速超调量。（1）确定电流反馈系统（假设启动电流限制在339A以内

17、）和转速反馈系数。（2）试设计电流调节器ACR，计算其参数Ri，Ci，Coi。画出其电路图，调节器输入回路电阻R0=40。（3）设计转速调节器ASR，计算其参数Rn，Cn，Con（R0=40）（4）计算空载启动到额定转速的时间。(1) 电流反馈系数 转速反馈系数 （2）设计电流调节器ACR 1 确定时间常数整流装置滞后时间常数： （按表1-2,P17）电流滤波时间常数: 电流环小时间常数之和按小时间常数近似处理，取2.选择电流调节器结构 根据设计要求 ，并保证稳态电流无静差，可按典型型设计，电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器。检查对电源电压的抗扰性能： 参照表2-2的典型I性

18、系统动态抗扰性能，各项指标都可以接受。3.计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数 电流开环增益：要求 按表2-1，应取 ，因此所以，ACR的比例系统为4.校验近似条件： 电流截止频率 晶闸管装置传递函数的近似条件 满足近似条件忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件5计算调节器电阻和电容 按照上述参数,电流环可以达到的动态性能跟随指标为满足设计要求。（3）. 设计转速调节器ASR 1.确定时间常数电流环等效时间常数。已取，转速滤波时间常数：转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取2.选择转速调节器结构 ：根据设计要求按典型型系统设计，选

19、择PI调节器 3.计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h=5，则ASR的超前时常数转速开环增益 ASR的比例系数为：4.校验近似条件转速环截止频率（1）电流环传递函数简化条件 满足近似条件(2)转速环小时间常数 满足近似条件（3）校核转速超调量（空载Z=0） 由表2-5查得，由h=5得，不能满足设计要求。实际上，由于表2-4是按照线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。查表2-5，应取小一些的h，选h=3，则ASR的超前时常数转速开环增益 ASR的比例系数为： 校验近似条件转速环截止频率电流环传递函数简化条件

20、满足近似条件转速环小时间常数 满足近似条件校核转速超调量(空载Z=0)由表2-5查得，h=3时，符合设计要求。5.计算调节器电阻电容（取R0=40K） （5）空载起动到额定转速的时间2.22有一转速、电流双闭环直流调速系统，主电路采用三相桥式整流电路。已知电动机参数为，电 动 势 系 数，电枢回路总电阻 R= 0.14 ，允许电流过载倍数=1.5，触发整流环节的放大倍数Ks=75，电磁时间常数，机电时间常数Tm=0.112s，电流反馈滤波时间常数，转速反馈滤波时间常数。设调节器输入输出电压，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

21、型系统设计，并取参数KT=0.5。（ 1 ）选择转速调节器结构，并计算其参数。（ 2 ）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？解：三相桥式整流电路的平均失控时间，电流环小时间常数之和，要求电流超调量，应取，因此（ 1 ）电流环等效时间常数；转速环小时间常数；电流反馈系数转速反馈系数选择转速调节器结构，其传递函数为按跟随和抗扰动性能都较好的原则，取h=5则ASR的超前时间常数为转速环开环增益可得 ASR 的比例系数为取调节器输入电阻，则（ 2 ）电流环的截止频率转速环的截止频率校验近似条件 （1）晶闸管装置传递函数的近似条件 满足近似条件（2）忽略反电动势变化对电流环动态影

22、响的条件 满足近似条件（3）电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件（4）转速环小时间常数 满足近似条件（5）校核转速超调量满足设计要求2.23在一个转速、电流双闭环V-M系统中，转速调节器ASR，电流调节器ACR均采用PI调节器。（1）在此系统中，当转速给定信号最大值时，；电流给定信号最大值时，允许最大电流，电枢回路总电阻 R= 2 ，晶闸管装置的放大倍数Ks=30，电动机额度电流，电 动 势 系 数，现系统在，时稳定运行。求此时的稳态转速n=？ACR的输出电压Uc=？（2）当系统在上述情况下运行时，电动机突然失磁（），系统将会发生什么现象？试分析说明。若系统能够稳定下来，则稳定后各是多少

23、？（3）该系统转速环按典型II型系统设计，且按准则选择参数，取中频宽h=5，已知转速环小时间常数,求转速环在跟随给定作用下的开环传递函数，并计算出放大系统及各时间常数（4）该系统由空载（Idl=0）突加额定负载时，电流Id和转速n的动态过程波形是怎样的？已知机电时间常数Tm=0.05s，计算其最大动态速降和恢复时间tV。解(1) 转速反馈系数 （2）当电机突然失磁时，电机停转。 （3）按典型II型系统设计转速开环增益 （4）该系统由空载（Idl=0）突加额定负载时由表2-5可得2.24旋转编码器光栅数1024，倍频系统4，高频时钟脉冲频率，旋转编码器输出脉冲个数和高频时钟脉冲个数均为16位计数器，M法和T法测速时间均为0.01s，求转速n=1500r/min和n=150r/min时的测速分辨率和误差率最大值。习题2