电力拖动自动控制系统-课后习题答案{全-内含两份-阮毅-陈伯时}.pdf

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1、电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统课后习题答案课后习题答案 全全，内内 含含 两两 份份，二二 无无 一一 失失 运动控制系统第四版上海大学 阮毅 陈伯时1-1 为什么 PWM-电动机系统比晶闸管-电动机系统能够获得更好的动态性能？答：PWM 开关频率高，响应速度快，电流容易连续，系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。1-2 试分析有制动通路的不可逆PWM 变换器进行制动时，两个VT 是如何工作的？答：制动时，由于Ug1的脉冲变窄而导致id反向时，Ug2变正，于是 VT2导通，VT2导通，VT1关断。1-3 调速范围和静差率的定义是什么？调速范围，静态速降和最小静差之间有什么关系？为什

2、么脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了？答：生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即：D nmaxnmin负载由理想空载增加到额定值时，所对应的转速降落nN与理想空载转速n0min之比，称为系统的静差率 S,即：s nNn0min调速范围，静差速降和最小静差之间的关系为：nNsnN(1s)由于在一定的nN下，D 越大，nmin越小nN又一定，则S 变大。所以，如果不考虑D，则S 的调节D 也就会容易，1-4 某 一 调 速 系 统，测 得 的 最 高 转 速 特 性 为n0max1500r/min，最 低 转 速 特 性 为n

3、0min150r/min，带额定负载的速度降落nN15r/min，且不同转速下额定速降nN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大？解D nmaxn0max nN1500 1511nminn0min nN150 15s n1510%n0min1501-5 闭环调速系统的调速范围是1500-150r/min，要求系统的静差 S=2%,那末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，D 2，nmax1500nNS15002%10则n 3.06r/minnmin150D(1 S)10(1 2%)nopncl K 1则

4、K 1001 31.73.061-6 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？K1 15;K2 30;K1 ncl1;K2 ncl 2同样负载扰动的条件下n与开环放大倍数加 1成反比，则（K11）（/K21）ncl 2/ncl1ncl 2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K1115 1ncl18 4r/minK2130 1（K11）（/K21）Dcl1/Dcl 2Dcl 2K2130 1 1.94Dcl1K1115 11-7 某调速系统的调速范

5、围D=20，额定转速n 1500r/min，开环转速降落nNop 240r/min，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：nminnmax1500 75r/min，D20原系统在范围 D=20，静差率为 10%时，开环增益为：nclnclncl10%则ncl8.33r/minn0minnminncl75ncl静差率 10%时原系统的开环增益为：nclnNopK11 31.5r/min K1nNopncl1当s2 5%时，同理可得K2 59.76所以系统的开环增益K将从27.8增加到59.761-8 转速单环调速系统有那些特点？

6、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n*kpksUnCe(1k)RId*，由公式可以看出，当其它量均不变化时，n随着Un的变Ce(1k)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。1-9 在转速负反馈调节系

7、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。1-10 有一 V-M 调速系统，电动机参数为：PN 2.2kW,UN 220V,IN12.5A,nN1500r/min,电枢电阻Ra1.2，整流装置内阻Rrec1.5，触发整流环节的放大倍数KS35。要求系统满足调速范围20，静差率10。（）计

8、算开环系统的静态速降nop和调速要求所允许的闭环静态速降ncl。（）是多少？（）调整该系统能参数，使当Un15V，Id IN，n nN，则转速负反馈系数应该计算放大器所需的放大倍数。UN INRa220 12.51.2 0.1367V min/rnN1500RIdN12.5(1.21.5)246.9r/min开环系统静态速降nopCe0.1367nNs15000.18.33r/min闭环静态速降nclD(1S)20(10.1)nop246.9闭环系统开环放大倍数K 11 28.64ncl9.33解：（）电动机的电动势系数Ce（2）因为n*kpksUnCe(1 k)RIdCe(1 k)所以kpk

9、s=407.4288=K=0.00961V min/rkpKS/CeK28.6411.64KS/Ce0.0096135/0.1367（3）运算放大器的放大倍数Kp在题的转速负反馈系统中增设电流截止环节，要求堵转电流Idbl 2IN，临界截止电流Idcr1.2IN,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）Idbl 2IN 212.5 25AIdcr1.2IN1.212.5 15A则Ucom Idcr Rs15

10、RsIdbl*KpKs(UnUcom)R KpKsRs(142)025 11.635(15 15Rs)(由1 42式）也可（由 1 43）式(1.2 1.5)11.635 Rs*(UnUcom)1515RS得：Idbl(143)；25RsRSRs1.46 1.5Ucom Idcr Rs15Rs151.5 22.5V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：11R(1.21.5)0.9可选 0.5 欧姆33R1.5电流反馈放大系数：Kfis 30.5Rs新的采样电阻：Rs新的比较电压：Ucom IdcrRs15Rs150.5

11、8.5V所以加上的电流反馈放大器的放大倍数为3 某 调 速 系 统 原 理 图 如 图 所 示，已 知 数 据 如 下：电 动 机PN18KW;UN 220V;IN 94A;nn1000r/min;Ra 0.1518，220，In94，整流装置内阻Rrec 0.3,触发整流环节的放大倍数KS 40。最大给定电压Unm15V，当主电路电达到最大值时，整定电流反馈电压Uim10V。设计指标：要求系统满足调速范围20，静差率 S10，Idbl1.5IN，Idcr1.1IN。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KP。（）电阻R1的数值。（放大器的输入电阻R0 20K）

12、（）电阻R2的数值和稳压管的击穿电压值。nNS10000.1100/18 5.56r/minD(1 S)2009U INRa220 940.15CeN 0.20597V min/rnN1000I R940.45nopN 205.44r/minCe0.2059解：(1)nclK nopncl1205.41 35.95(取36）5.56同 1-10 可得 a=0.0145(2)KpK35.9512.8(取13）KS/Ce0.014540/0.2059(3)R1 KpR01320 260k（4）Idbl1.5IN1.594 141A；Idcr1.1IN1.194 103.4A；当主电路电流最大即为I

13、dbl时，Uim10V而当主电路电流为Idcr时，Ui为：UimUiU I10103.4Uiimdcr 7.33VIdblIdcrIdbl141此时电流反馈起作用，稳压管的击穿电压Uvs可根据Ui确定取稍大值：Uvs 7.4V当主电路的电流增大到Idbl时，为起到保护作用应使流过R2的电流IR2等于流过R0的电流，以使电机转速迅速降落。此时：IR2*UnmUUvs107.415 3.47k(取 3.5k)0.75mA;R2imI0.75R020R2系统的静态结构框图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

14、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。有一个 V-M 系统,已知:电动机:（15 分）PN 2.8KW;UN 220V;IN15A;nN1500r/min;Ra 0.15,Ra=1.5,整流装置内阻Rrec1,触发整流环节的放大倍数KS35。（15 分）(1)(2)(3)系统开环工作时,试计算调速范围 D=30 时的静差率 s 值;当 D=30,S 10%时,计算系统允许的稳态速降;如组成转速负反馈有静差调速系统,要求 D=30,S 10%,在,*Un10V,Id

15、IN,n nN,计算转速负反馈系数 a 和放大器放大系数 Kp;（4）如将上述调速系统改为电压负反馈有静差调速系统,仍要求在*Un10V,Id IN,n nN,并保持系统原来的开环放大系数不变，试求在30 时的静差率。U INRa22015.61.5 0.131V min/r（原来多加了 1）解：（）CeNnN1500RI15.6(11.5)nopdN 297.7r/minCe0.131n297.7s 85.61%n0min50297.7（）当30，10时计算系统允许的稳态速降nNS1500*0.15.56r/minD(1S)30(10.1)nop297.7（）K 1152.54ncl5.56

16、求取的方法同 1-10可得=0.00652V min/rK52.54Kp 30.16(取30）KS/Ce0.00652*35/0.131ncl（4）改为电压负反馈有静差调速系统闭环转速降落为：nclINRrecI(R)15.6115.61.5Na 2.224178.6 180.825r min当调速 D 范围不Ce(1 K)Ce0.131(152.54)0.132变时静差率为：sclDnN30180.8100%78.35%nN DnN1500 30180.8显然比速度反馈系统在调速范围不变的情况下静差率大的多，但比无反馈系统静差率小了在题 1-10 的系统中,若主电路电感 L=50mH,系统运

17、动部分的飞轮惯量GD 1.6Nm,整流装置采用三相零式电路,试判断按题 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Tl机电时间数22L0.05 0.0185SR2.7GD2R1.62.7Tm 0.0645TS 0.00333S（查表全波为30375*CeCT3750.01367(或9.55)0.013673.140.00167）TmTlTsTs0.06450.01850.003330.003332K 23.1TlTs0.01850.00333在 1-10 题中K 28.64如要系统稳定须保证K 23.1则系统不稳定。如要

18、系统稳定，允许的最大的开环放大系数为K23.1但调速范围不满足了216.为什么用积分控制的调速系统是无静差的?在转速负反馈调速系统中,当积分调节器的输入偏差电压U 0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Un与给定电压Un相等，即使Un为零UC一样有输出，不再需要Un来维持UC，由此即可使输出稳定于给定值使调速系统无静差。当Un 0时调节器的输出为电压UC，是对之前时刻的输入偏差的积累。它取决于Un的过去变化，当Un为正UC增加，当Un为负UC下降，当Un为零时UC不变。17.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

19、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。18.采用比例调节器控制的电压负反馈系统,稳态运行时的速度是否有静差?为什么?试说明理由;答：有静差。电压负反馈系统中是在转速较高时，Cen IaRaUd0忽略了转速的降落认为电枢电压正比于转速，而实际上是电枢电压无静差，从公式中可以看出速度的降落是不能消除的。因为调节器的输出是电力电子变换器的控

20、制电压UC KPUn。所以只要电动机在运行，就必须有控制电压UC,因而也必须有转速偏差电压Un。*第二章习题答案2-1 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Un，改变转速调节器放大倍数Kn不行，改变Ks也不行，改变行。改变堵转电流调节电流反馈系数.2-2 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

21、 0 则Uc和Ui继续变化，就不是稳态。*UdoCeUn/RId转速调节器的输出电压为：U Id电流调节器的输出电压为：UcKsKs*i*2-3 如果转速、电流双闭环调速系统中的转速调节器不是PI 调节器，而改为 P 调节器，对系统的静、动态性能将会产生什么影响？答：稳态精度变差，但跟随性和抗干扰能力都不会得到改善，使系统成为不稳定系统。答：静特性 1）闭环系统的静特性变软2）存在静差率相对较大。动特性：跟随性和抗干扰能力不会得到改善，动态稳定性降低，而快速性却提高了。2-4 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

22、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;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Idcr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2-5 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Ui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

23、，电流调节器的输入偏差电压Ui不为零，因为稳定后电流反馈依然为UiId只能增加电动机的转速达到新的平衡Udom Cenmax RId*2-6 在转速、电流双闭环调速系统中，转速给定信号Un未改变，若增大转速反馈系数，系统稳定后转速反馈电压Un是增加、减少还是不变？为什么？答：Un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Un时稳定运行。2-7 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：*UimUcm8V，电枢回路最大电流PN 3.7KW;UN 220V,nN1000r/min电枢回路总电阻 R=1.

24、5，设UnmIdm 40A，电力电子变换器的放大系数Ks 40。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Udo、Ui、Ui、Uc值。*Uim8解：（1）电流反馈系数 0.2V/AIdm40*Unm8转速反馈系数 0.008V min/rnmax1000*（2）UiIdm 0.240 8V*Ui Uim 8V（负反馈）由于堵转电流 n0UdoCen IdR IdmR 401.5 60VU60Ucdo1.5VKs40*2-8 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Uim8V时，主电路电流达到最大电流 80A。当负

25、载电流由 40A 增加到 70A 时，试问：（1）Ui应如何变化？*（2）Uc应如何变化？（3）Uc值由哪些条件决定？解：（1）Ui应增加。因为当负载电流由40A 增加到 70A 时Ui增加，Ui是确定的。*Ui*8 0.1V/AIdm80Ui*Id 0.140 4VU Id 0.170 7VId由 40A 增加到 70A 时，Ui*由 4V 增加到 7V（2）Uc略有增加。因为Uc KsUd0 Cen RId；Id的增加使Ud0增加，使得Uc增加（3）Uc由 n 和Id决定。UcUd0/Ks*iCen RIdKs*2-9 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

26、，现因某种原因使电动机励磁电源电压突然下降一半,系统工作情况将会如何变化？写出Ui、Uc、Ud0、Id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2但电动机拖动恒转矩负载运行所以Id 2IdUi*Id 2Id*UdoCeUn/2Id*RUcKsKs*Udo CeUn/2Id*RId 2Id*n Un/2-10 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10%（）求系统的开环增益;（）计算过渡过程时间ts和上升时间tr;（）绘出开环对数幅频特性。如果上升时间tr0.25s，则 K=?，?解：（1）系统开环增益10%KT 0.69K（2）调节时间

27、ts 6T 60.1 0.6s上升时间tr 3.3T 0.33s(3)tr 0.25sKT=1 K=1016.3%(4)用 MATLAB 仿一个为好：2-11 有一个系统，其控制对象的传递函0.69 6.9（参见表 2-2）0.1数为K110,要设计一个无静差s10.01s1调量 5%（按线性系统考虑）。试对该系Wobj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Wpi(s)系统，在阶跃输入下系统超统进行动态校正，决定调节Ki校正后系统的开环传递函数为：sW(s)Wpi(s)Wobj(s)KiK1取K KiK1s(s1)5%查表得：KT 0.5;K W(s)50s(0.0

28、1s 1)K500.5550T 0.01sKiK100.011K1102-12 有一个闭环系统，其控制对象的传递函数为Wobj(s)，要求校正为典型s(Ts 1)s(0.02s 1)型系统，在阶跃输入下系统超调量 30%（按线性系统考虑）。决定调节器结构，并选择其参数。解：30%选用 PI 型调节器Wpi系统开环传函为W WpiWobjKpi(1s1)1101s(0.02s1)h 18h=71 hT 0.027 0.14K 204.12222h T2490.0210KpiK;Kpi K1/10 2.86Kpi(1s1)12-13 调节对象的传递函数为Wobj(s)18，要求用调节器分别将其校正

29、为典型型和型系(0.25s1)(0.005s1)统，求调节器的结构与参数。解：校正成典型型系统选择 PI 调节器：Wpi(s)Kpi(1s1)1s校正后的开环传递函数为：W(s)Wpi(s)Wobj(s)W(s)Kpi(1s1)181s(0.25s1)(0.005s1)令1 0.25K Kpi18/1K100 4.3%KT 0.5K=100ts 6T 0.03s(0.005s 1)s(0.005s 1)K 11000.25Kpi1.391818(2)校正成典型系统，选择 PI 调节器：Kpi(1s1)Wpi(s)1sKpi(1s 1)K1W(s)Wpi(s)Wobj(s)1s(T1s 1)(T

30、2s 1)(T2s 1)h=51 hT2 50.005 0.025ts/T 9.55 ts 9.550.005 0.047 37.6%KpiK1KT1148000.250.25h 16K 22 4800K 4800;K1.67pi2h T500.0052T11K1182-14 在一个三相零式晶闸管整流装置供电的转速-KpiK1T1(1s 1)1S2(将 T1看成大惯性环节）U*im8(1)电流反馈系数 0.0263V/AIdm339*Un10 0.01V min/r转速反馈系数nmax1000（2）设计电流调节器 ACR1 确定时间常数整流装置滞后时间常数Ts 0.00333s Toi 0.0

31、025s电流环小时间常数之和Ti Ts Toi 0.00583s2.选择电流调节器结构WACR电流环控制对象是双惯性型的可用PI 型电流调节器。5%按典型型设计，Ki(s 1)检查对电源电压的抗扰性能：TLT0.012s0.00583s 2.06各项指标可以接受。i3.计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数i TL 0.012 s电流开环增益：要求 5%KiR85.760.012ITi 0.5KKIIKs0.18350.0236 0.2244.校验近似条件电流截止频率W1ci KI 85.76S（1）晶闸管装置传递函数的近似条件13T1100.1S1Wci满足近似条件s30.00333（2）

32、忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件31T 310.120.012 79.06 Wci满足近似条件mTL（）电流环小时间常数近似处理条件11T11161.7S13TWci满足近似条件soi30.00170.0025R0 40KRi KiR0 0.22440 8.96K(9K)（5）计算调节器电阻和电容Ci iR0.012i91031.33FCoi 4Toi40.R002540103 0.25F0动态性能跟随指标为 4.3%5%满足近似条件(3)3.ASR 1.确定时间常数电流环等效时间常数11KKT 0.5K 2Ti 20.00583 0.01166SII转速滤波时间常数Ton 0.015S

33、is1转速环小时间常数TnKTon 0.01166 0.015 0.02666SI2.选择转速调节器结构：按典型型系统设计，选择PI 调节器WKn(ns 1)ARS(S)ns3.计算转速调节器参数取 h=3 ASR 的超前时常数n hTn 30.0266 0.0798SKh 14N转速开环增益2h2T2290.02662 314.07S2K(h 1)CeTm40.02360.n2hRT1960.120.0266 7.73n60.010.18ASR 例系数4.校验近似条件WcnKNn169.60.0798 13.53S1（1）电流环传递函数简化条件1KI3T185.76.00583 40.43

34、Wcn满足近似条件i30(2)转速环小时间常数1KI3T185.760.015 25.2 Wcn满足近似条件on35.计算调节器电阻电容Rn KnR0 7.7340 310KCnnR0.0798310103 0.257FnC4TononR40.01531.5F040102-15(1)选用PI调节*h=5UimIdm107601.5 0.00877V/AUnn10 0.0267V min/rmax375Ti Ts Toi 0.0017 0.002 0.0037S1K 2Ti 20.0037 0.0074SIT1nKTon 0.00740.02 0.0274SI器n hTn 50.0274 0.1

35、37SKNh 16159.8S2222500.02742h T(h 1)CeTm60.008771.820.11210.52hRTn100.02670.140.0274Rn KnR010.540 420KKnCnConnRn0.137 0.33F3420104Ton40.02 2F3R04010（2）KITi 0.51Wci KI 135.1S12TiWcnKNn159.80.137 22S1（）电流环传递函数简化条件1KI1135.1 64S1Wcn满足近似条件3Ti30.00371KI1135.1 27S1Wcn满足近似条件3Ton30.02Unn2-16（1）5n 500r/min0.0115 0.01V min/r1500*Un*Unnmax*U10im 0.33V/AIdm30Cen IdR0.128 202Uc 3.47VKs30*n 0,Un 0,Ui10V,Ui 10V,Uc 2V,IdL 30A