运动控制系统试题库

目录㈠直流调速系统（复习）P4㈡交流调速系统（回顾）P9㈢交流异步电动机变频调速的理论基础P13㈣交流异步电动机矢量变换控制P17㈤交流异步电动机直接转矩控制P20㈥PWM和SPWMP31㈦双馈调速和内反馈P36㈧绕线转子异步电动机串级调速系统P42㈨无速度传感器调速系统P46㈩同步电机变频调速系统P52(十一)开关磁阻电动机调速控制技术P56(十二)双定子电机调速系统P75(十三)直线电机调速系统P82一、复习：直流调速系统问题1-1：电机的分类？①发电机（其他能→电能）直流发电机3交流发电机②电动机（电能→其他能）直流电动机：有换向器直流电动机（串励、并励、复励、他励）无换向器直流电动机（又属于一种特殊的同步电动机）交流电动机：同步电动机异步电动机：鼠笼式绕线式：伺服电机旋转变压器控制电机自整角机力矩电机测速电机步进电机（反应式、永磁式、混合式）问题1-2：衡量调速系统的性能指标是哪些？①调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin②静差率S=△nnom/n0*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，只能用闭环调速系统。③和负载匹配情况：一般要求：恒功率负载用恒功率调速，恒转矩负载用恒转矩调速。问题1-3：请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点，并说明今后电力传动系统的发展的趋势.*直流电机调速系统优点：调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好。缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。*交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。缺点：调速性能比直流电机差。*发展趋势：用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能；或采用同步电机调速系统.问题1-4：直流电机有哪几种？直流电机调速方法有哪些?请从调速性能、应用场合和优缺点等方面进行比较.哪些是有级调速？哪些是无级调速？直流电动机中常见的是有换向器直流电动机，可分为串励、并励、复励、他励四种，无换向器直流电动机属于一种特殊的同步电动机。根据直流电机的转速速。nUIRKe公式，调速方法有变压调速、变电阻调速和变转差率调调压调速：调节电压供电电压进行调速，适应于：U≤Unom，基频以下，在一定范围内无级平滑调速。弱磁调速：无级，适用于Φ≤Φnom，一般只能配合调压调速方案，在基频以上(即4电动机额定转速以上)作小范围的升速。变电阻调速：有级调速。变转差率调速：无级调速。问题1-5：带有比例调节器的单闭环直流调速系统，如果转速的反馈值与给定值相等，则调节器的输出为（A）A、零；B、大于零的定值C、小于零的定值；D、保持原先的值不变问题1-6：什么是调速范围D？什么是静差率S，两者的关系如何？用什么方法可以使调速系统满足D大S小的控制要求？①调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin②静差率S=△nnom/n0*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，只能用闭环调速系统。问题1-7：直流调速系统用的可控直流电源有：旋转变流机组（G-M系统）、静止可控整流器（V-M系统）、直流斩波器和脉宽调制变换器（PWM）。名词解释1-8：G-M系统V-M系统PWMPFM①G-M系统：交流电动机拖动直流发电机G实现变流，由直流发电机给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流及改变其输出电压，从而调节M的转速。优点：在允许转矩范围内四象限运行。缺点：设备多，体积大，费用高，效率低，有噪音，维护不方便。②V-M系统：晶闸管，工作在相位控制状态，由晶闸管可控整流器V给需要调速直流电动机M供电，调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流器V的输出电压，从而调节直流电动机M的转速。优点：经济性和可靠性提高，无需另加功率放大装置。快速性好，动态性能提高。缺点：只允许单向运行；元件对过电压、过电流、过高的du/dt和di/dt十分敏感；低速时易产生电力公害：系统功率因数低，谐波电流大。③PWM：脉冲宽度调制(PWM)，晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；这样通过改变晶闸管的导通时间（即调占空比ton）就可以调节电机电压，从而进行调速。PWM调速系统优点：系统低速运行平稳，调速范围较宽；电动机损耗和发热较小；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；器件工作早开关状态，主电路损耗小，装置效率较高。PWM调速系统应用：中、小功率系统④PFM脉冲频率调制(PFM)，晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；晶闸管的导通时间不变，只改变开关频率f或开关周期T（即调节晶闸管的关断时间t0ff）就可以调节电机电压，从而进行调速。5问题1-9：哪些是控制系统的稳态性能指标、稳定性指标和动态性能指标？①稳态性能指标是：调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin和静差率S=△nnom/n0*100%②稳定性指标：柏德图（对数幅频特性和对数幅频特性）典型Ⅰ型系：对数幅频特性以－20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只有保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量。γ=90°-tg-1ωcT45°典型Ⅱ型系统：对数幅频特性以－20dB/dec的斜率穿越零分贝线。γ=180°-180°+tg-1ωct-tg-1ωcT=tg-1ωct-tg-1ωcT③动态性能指标分跟随性能指标和抗扰性能指标：跟随性能指标上升时间：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值所经过的时间（有些教材定义为10%--90%）超调量：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏移量与稳态值之比。调节时间：又称过度过程时间原则上是系统从给定量阶跃变化到输出量完全稳定下来的时间。一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取±5%（或±2%）的范围作为允许误差。抗扰性能指标：动态降落：在系统稳定时，突加一个约定的标准的扰动量，在过度过程中引起的输出量最大降落值。恢复时间：从阶跃扰动作用开始，到输出量基本恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准量的±5%（或±2%）范围之内所需的时间。问题1-10：转速、电流双闭环调速系统的起动过程特点是、和。①饱和非线性控制ASR饱和，转速环开环，恒值电流调节的单闭环系统；ASR不饱和，转速环闭环，无静差调速系统.②准时间最优控制：恒流升速可使起动过程尽可能最快.③转速超调：只有转速超调才能使ASR退饱和.问题1-11：转速、电流双闭环调速系统中，转速环按典型Ⅱ型系统设计，抗扰能力强，稳态无静差。电流环按典型Ⅰ型系统设计，抗扰能力稍差，超调小。问题1-12：无静差调速系统的调节器中P部份的作用是（D）A、消除稳态误差；B、不能消除稳态误差也不能加快动态响应C、既消除稳态误差又加快动态响应；D、加快动态响应6问题1-13：转子位置检测的方法有哪几种？选择其中1～2种进行论述它们的工组原理和特点及其应用场合？①自整角机(角位移传感器，成对应用：发送机与指令轴相连，接收机与执行轴相连)②旋转变压器(一种特制的两相旋转电机，在定子和转子上各有两套在空间上完全正交的绕组。当转子旋转时，输出电压与转子角呈一定的函数关系，主要作角度传感器)。③感应同步器(圆形感应同步器用来测角位移，用于转台(立式车床)的角度数字显示和精确定位。直线式形感应同步器用来测直线位移，安装在具有平移运动的机床上(式车床)，用来测量刀架的位移并构成闭环系统。④光电编码盘分增量式绝对式两种（增量式光电编码盘实际是一个光电脉冲发生器和一个可逆计算器）（绝对式光电编码盘则是通过读取码盘的图形来表示轴的位置，码制可选二进制、二-十进制（BCD码）、和循环码（格雷码）同轴齿轮在电机位置检测是应用较多。具体工作原理见(陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社)P154-163问题1-14：什么是检测误差、原理误差和扰动误差？哪些无法克服？哪些能克服？①检测误差：由检测产生的误差，它取决于检测元件本身的精度，位置随动系统中常用的位置检测元件如自整角机、旋转变压器、感应同步器等都有一定的精度等级，系统的精度不可能高于所用位置检测元件的精度。检测误差是稳态误差的主要部分，这是系统无法克服的。②原理误差：又称系统误差，它是系统自身的结构形式、系统特征参数和输入信号的形式决定的，Ⅰ型系统只对位置输入是无静差的随动系统（一阶无差系统）；Ⅱ型系统对位置输入和速度输入都是无静差的随动系统（二阶无差系统）。③扰动误差分负载扰动、系统参数变化、噪声干扰三种。*负载扰动（恒值负载扰动和随机性负载扰动），在抵抗负载扰动能力方面，Ⅱ型系统比Ⅰ型系统好。*系统参数变化（放大器零漂、元件老化、电源电压波动等）负载扰动和系统参数变化都作用在系统的前向通道上，可通过闭环予以抑制。*噪声干扰（经检测装置混入系统，一般多为高频成分，其频谱与输入信号频谱不重叠，可滤除，但影响快速性和系统动态精度）问题1-15：位置随动系统解决的主要问题是什么？试比较位置随动系统与调速系统的异同。①位置随动系统解决的主要问题是实现执行机构对位置指令（给定量）的准确跟踪。随动系统一般称伺服系统②位置随动系统与调速系统的相同点：两者的控制原理相同，它们都是反馈控制系统，即通过对系统的输出量与给定量进行比较，组成闭环控制。③位置随动系统与调速系统的相异点：调速系统的给定量是恒值，不管外界扰动情况如何，希望输出能够稳定，因此系统的抗扰性能显得十分重要。位置随动系统中的位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟踪给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置随动系统的主要特征。7位置随动系统在结构上往往比调速系统复杂一些。位置随动系统可以在调速系统的基础上增加一个位置环，位置环是位置随动系统的主要结构特征。问题1-16：什么是串联校正、并联校正和复合控制？试举例说明它们的使用场合。①串联校正（调节器校正），采用D校正的单位置环随动系统，可以得到较高的截止频率和对给定信号的快速响应，结构简单。由于不使用测速机，从而排除了测速机带来的干扰，但反过来又使摩察、间隙等非线性因素不能很好地受到抑制。负载扰动也必须通过位置环进行调节，没有快速的电流环及时补偿而使动态误差增大。同时D调节器是采用比例微分超前作用来对消调节对象中的大惯性，属于串联校正，常会因放大器的饱和而削弱微分信号的补偿强度，还会因控对象参数变化而丧失零极点对消的效果。因此单位置环的随动系统仅适用于负载较轻，扰动不大，非线性因素不太突出的场合。②并联校正在调速系统中引入被调量的微分负反馈是一种很有效的并联校正，在随动系统中经常采用这种并联校正，有助于抑制振荡、减小超调，提高系统的快速性。在位置随动系统中转速微分负反馈的并联校正比转速反馈的并联校正好，因为它不需增大K1就可以保证原有的稳态精度，而快速性同样可以得到一定程度的提高，只受到小时间常数及测速发电机信号中噪声干扰的限制。③复合控制当随动系统输入信号的各阶导数可以测量或者可以实时计算时，利用输入信号的各阶导数进行前馈控制构成前馈控制（开环控制）和反馈控制（闭环控制）相结合的复合控制，也是一种提高系统稳态和动态品质指标的有效途径。二、回顾：交流调速系统问题2-1：交流调速技术引起人们广泛重视的原因是什么?交流电动机优点，20世纪30年代，交流调速系统存在问题，70年代电子技术发展，高性能交流调速技术的不断涌现：矢量变换控制、直接转矩控制、无速度传感器控制系统、数字化技术等，非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等新的控制策略不断推进。问题2-2：简述异步电机的工作原理。三相异步电动机的定子通入对称三相电流产生旋转磁场→与静止的转子有相对运动→产生感应电动势→转子导体有感应电流→转子导体带电导