《运动控制系统》期末复习资料

《运动控制系统》期末复习资料修订第3版第1章绪论1.什么是运动控制?电力传动又称电力拖动，是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。运动控制系统是将电能转变为机械能的装置，用以实现生产机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其它应用的要求。2.运动控制系统的组成：现代运动控制技术是以电动机为控制对象，以计算机和其它电子装置为控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制理论和信息处理理论为理论基础，以计算机数字仿真或计算机辅助设计为研究和开发的工具。3.运动控制系统的基本运动方程式：第2章转速反馈控制的直流调速系统1.晶闸管-电动机（V-M）系统的组成：纯滞后环节，一阶惯性环节。2.V-M系统的主要问题：由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。3.稳态性能指标：调速范围D和静差率s。D=𝑛𝑁𝑠∆𝑛𝑁(1−𝑠)，额定速降∆𝑛𝑁，D=𝑛𝑚𝑎𝑥𝑛𝑚𝑖𝑛，s=∆𝑛𝑁𝑛04.闭环控制系统的动态特性；静态特性、结构图？5.反馈控制规律和闭环调速系统的几个实际问题，积分控制规律和比例积分控制规律。积分控制规律：t0ncd1tUU比例积分控制规律：稳态精度高，动态响应快6.有静差、无静差的主要区别：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。比例积分放大器的结构：PI调节器7.数字测速方法：M法测速、T法测速、M/T法测速。8.电流截止负反馈的原理：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。电流截止负反馈的实现方法：引入比较电压，构成电流截止负反馈环节9.脉宽调制：利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的。10.直流蓄电池供电的电流可反向的两象限直流斩波调速系统,已知:电源电压Us=300V,斩波器占空比为30%,电动机反电动势E=100V,在电机侧看,回路的总电阻R=1Ω。问蓄电池的电流Id是多少?是放电电流还是充电电流?答:因斩波电路输出电压u0的平均值:U0=ρ×Us=30%×300=90VEaId=(U0-E)/R=(90-100)/1=-10A是充电电流,电动机工作在第Ⅱ象限的回馈制动状态,直流蓄电池吸收能量。ddddmeLmmmmJTTDKttradmmeLJTTDK2—机械转动惯量（kgm）—转子的机械角速度（rad/s）—转子的机械转角（）—电磁转矩（Nm）—负载转矩（Nm）—阻转矩阻尼系数—扭转弹性转矩系数《运动控制系统》期末复习资料修订第3版11.PWM调速系统的开关频率：答:电力晶体管的开关频率越高，开关动态损耗越大；但开关频率提高，使电枢电流的脉动越小，也容易使电流连续，提高了调速的低速运行的平稳性，使电动机附加损耗减小；从PWM变换器传输效率最高的角度出发，开关频率应有一个最佳值；当开关频率比调速系统的最高工作频率高出10倍左右时，对系统的动态特性的影响可以忽略不计。12.静差率s与空载转速n0的关系：答：静差率s与空载转速n0成反比，n0下降，s上升。所以检验静差率时应以最低速时的静差率为准。13.反馈控制有静差调速成系统原理图,各部件的名称和作用：答：①比较器：给定值与测速发电机的负反馈电压比较,得到转速偏差电压ΔUn。②比例放大器A：将转速偏差电压ΔUn放大，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压Uc。③电力电子变换器UPE：将输入的三相交流电源转换为可控的直流电压Ud。④M电机：驱动电机。⑤TG发电机：测速发电机检测驱动电机的转速。⑥电位器：将测速发电机输出电压降压，以适应给定电压幅值U*n14.分析转速负反馈单闭环调速系统的基本性质,说明单闭环调速系统能减少稳态速降的原因，改变给定电压或者调整转速反馈系数能否改变电动机的稳态转速?为什么?答：负反馈单闭环调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。稳态转速为：从上式可可得：改变给定电压能改变稳态转速；调整转速反馈系数，则K也要改变，因此也能改变稳态转速。15.闭环空载转速n0b比开环空载转速n0k小多少?如何保证n0b=n0k答:n0b是n0k的1/（1+K）。欲使n0b=n0k有两种办法：（1）若给定电源可变，则。（2）一般不能改变给定电源，则在控制器中引入KP为好。16.clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1()1((1)gbgkUUK《运动控制系统》期末复习资料修订第3版17.闭环控制系统具有良好的抗扰能力和控制精度的原因答：闭环控制系统是建立在负反馈基础上，按偏差进行控制。当系统中由于某种原因使被控量偏离希望值而出规偏差时，必定产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控制量与希望值趋于一致，所以闭环控制系统具有良好的抗扰动能力和控制精度。18.闭环控制系统一般由哪几部分组成?有哪些作用量和被控制量?答：闭环控制系统一般由给定元件、比较元件、放大校正元件、执行元件、被控对象、检测反馈元件等组成。系统有给定量(输入量)、反馈量、控制量、扰动量、被控量(输出量)。19.试说明转速负反馈调速系统工作原理。答：转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASR、触发器GT、晶闸管变流器V、测速发电机TG等组成；当电动机负载TL增加时，电枢电流Id也增加，电枢回路压降增加，电动机转速下降，则转速反馈电压Ufn也相应下降,而转速给定电压Ugn不变，ΔU=Ugn-Ufn增加。转速调节器ASR输出Uc增加，使控制角α减小,晶闸管整流装置输出电压Ud增加，于是电动机转速便相应自动回升,其调节过程可简述为：上述过程循环往复，宣至ΔU=0为止。20.反馈控制系统为什么极性不能接错答：控制系统一般都是负反馈系统。如果错接成正反馈系统，对调速系统造成超速“飞车”或振荡等故障，后果非常严重。21.截流环节的主要作用和物理实现的方法答:电流截止负前(反)馈的作用是：(1)限流保护（过载自动保护）;(2)加速起动过程。载流环节的物理实现方法有：(1)比较电压法;(2)稳压管法;(3)封锁运放法。22.有静差系统与无差系统的区别答：根本区别在于结构上(控制器中)有无积分控制作用，PI控制器可消除阶跃输入和阶跃扰动作用下的静差，称为无静差系统，P控制器只能降低静差，却不能消除静差，故称有静差系统。23.比例积分(PI)调节器的特点答:PI调节器的输出电压U0由两部分组成。第一部分KPUi是比例部分,第二部分是积分部分。当t=0突加Ui瞬间，电容C相当于短路，反馈回路只有电阻Rf,此时相当于P调节器，输出电压，随着电容C被充电开始积分，输出电压U0线性增加，只要输入Ui继续存在，U0一直增加饱和值（或限幅值）为止。24.数字PWM调速系统与PWM调速系统有多大差异?答:两者之间没有本质的区别，主要区别是全数字PWM调速系统的控制电路应用微机控制,而一般PWM调速的控制电路应用集成电路控制，（当然其控制性能比微机控制要差很多）。25.转速调节器为PI调节器的直流调速系统，当其反馈系数α增大，系统稳定后转速反馈电压Un是增加、减小还是不变?第3章转速、电流反馈控制的直流调试系统1.双闭环调速系统的组成：ASR（转速调节器）、ACR（电流调节器）、TG（测速发电机）、TA（电流互感器）、UPE（电力电子变换器）2.双闭环调速系统静特性：在正常运行时，为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，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。3.起动过程分析：第I阶段电流上升的阶段、第II阶段恒流升速阶段、第Ⅲ阶段转速调节阶段转速调节器的作用：（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，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，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用（3）输出限幅值决定电机允许的最大电流电流调节器的作用：00,*nncdnnnnUUUUEnUUUU《运动控制系统》期末复习资料修订第3版（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外环调节器的输出量变化。（2）对电网电压波动起及时抗扰作用。（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。4.控制系统的动态性能指标：跟随性能指标和抗扰性能指标5.ASR和ACR均采用PI调节器的双闭环调速系统，Uim*=10V，主电路最大电流Idm=100A，当负载电流由20A增加到30A时,试问:①Ui*应如何变化?②Uct应如何变化?③Uct值由哪些条件决定?答:①Ui*从2V增加到3V。②Uct略有增加。③Uct由转速n和负载电流Idl(稳态时即Id)决定。6.在转速、电流双闭环调速系统中，出现电网电压波动与负载扰动时，哪个调节器起主要调节作用?答：电网电压波动时，ACR起主要调节作用;负载扰动时，ASR起主要抗扰调节作用。7.转速电流双闭环系统中，转速调节器、电流调节器的作用?答：转速调节器和电流调节器的作用：(1)转速调节器ASR的作用。1）转速n跟随转速给定电压Un﹡变化?稳态无静差。2)突加负载时转速调节器ASR和电流调节器ACR均参与调节作用，但转速调节器ASR处于主导作用，对负载变化起抗扰作用。3）其输出电压限幅值决定允许最大电流值。(2)电流调节器ACR的作用1)起动过程中保证获得允许最大电流。2)在转速调节过程中，使电流跟随其电流给定电压Un﹡变化。3）电源电压波动时及时抗扰作用，使电动机转速几乎不受电源电压波动的影响。4)当电动机过载、堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到安全保护作用。8.直流调速系统有哪些主要性能指标?答：直流调速系统主要性能指标包括静态性能指标和动态性能指标两个部分。静态主要性能指标有阔速范围D、静差率s、ΔnN。动态性能指标分成给定控制信号和扰动信号作用下两类性能指标。给定控制信号作用下的动态性能指标有上升时间tr，调节时间ts(亦称过滤过程时间)和超调量σ％。扰动信号作用下的动态性能指标有最大动态速降ΔNmax、恢复时间tv。第4章可逆控制和弱磁控制的直流调速系统1.直流PWM可逆系统的原理：改变PWM变换器输出电压的正、负极性，使得直流电动机可以四象限运行。转速反向的过渡过程：直流PWM功率变换器的能量回馈：PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压，电容C同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。2.V-M可逆直流调速系统的主回路结构：单组V-M系统的可逆运行（带位能性负载）、两组晶闸管反并联可逆V-M系统电动机的平均电枢电流Id先从正向IdL降低为零a→b然后从零上升到允许的制动电流-Idm，其大小受到电流环控制b→c接下来电动机工作在回馈制动状态，转速将减小到0，c→d从d点开始，直流电动机进入了反向起动状态d→e图中e点意味着转速要超调，转速环退保和，最终稳定工作在f点，电枢电流与负载电流相等e→f《运动控制系统》期末复习资料修订第3版3.防止环流的措施：采用封锁触发脉冲的方法，在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作；采用配合控制的策略，使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一组则工作在逆变状态。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器。4.什么叫环流?有环流可逆系统和无环流可逆系统相比较,有何优缺点?并说明有环流可逆系统的适用场合。答：只限于两组晶闸管之间流通的短路电流称为环流。环流具有二重性,缺点是:环流会显著地加重晶闸管和变压器的负担，增加无功损耗，环流过大会损坏晶闸管，影响系统安全工作。环流有可供利用之处，在电动机空载或轻栽时，环流可以保证晶闸管装置工作在电流连续区，避免了电流断续