60运动控制系统第三版答案

第一章闭环控制的直流调速系统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—电动机系统在很多方面有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需用的功率器件少。（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。（4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。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：在制动状态中，为负值，就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小控制电压，使di2VT1gU的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压降低。但是，由于机电惯性，转速和反电动势还来不及变化，因而造成，很快使电流反向，截止，在dUdEUdi2VDontt≤＜Ｔ时，2gU变正，于是导通，反向电流沿回路3流通，产生能耗制动作用。在＜Ｔ+时，关断，2VTTt≤ont2VTdi−沿回路4经续流，向电源回馈制动，与此同时，两端压降钳住使它不能导通。在制动状态中，和轮流导通，而始终是关断的。1VD1VD1VT2VT1VT1VT在轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有达到周期Ｔ，电流已经衰减到零，这时两端电压也降为零，便提前导通了，使电流反向，产生局部时间的制动作用。1VTdi2VD2VD2VT１－３调速范围和静差率的定义是什么？调速范围、静差速降和最小静差率之间有什么关系？为什么说“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和最低转速之比叫做调速范围，用字母Ｄ表示，即maxminnDn=其中，和一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，可以用实际负载时的最高和最低转速。maxnminn当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率s，即0NnsnΔ=或用百分比表示0100%NnsnΔ=×在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速作为最高转速Nn则0minNNNnnsnnnΔΔ==+Δmin(1)NNNnsnnssΔ−nΔ∴=−Δ=maxmin(1)NNnnSDnn==SΔ−由上式可看出调速系统的调速范围、静差速降和最小静差率之间的关系。对于同一个调速系统，值一定，如果对静差率要求越严，即要求s值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。NnΔ１－４某一调速系统，测得的最高转速特性为max1500/minOnr=，最低转速特性为，带额定负载时的速度降落min150/minOnr=15/minNnrΔ=，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？NnΔ解系统能够达到的调速范围为maxmin15001115015nDn===−系统允许的静差率1115100%100%10%15001115NNNDnsnDnΔ×=×=×=+Δ+×１－５某闭环调速系统的调速范围是1500~150r/min，要求系统的静差率，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？2%s≤解因为0minNNNnnsnnnΔΔ==+Δ所以min1500.023.06/min110.02Nnsnrs×Δ===−−因为1opclnnKΔΔ=+所以1001131.73.06opclnKnΔ=−=−=Δ1－6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8r/min，如果将开环放大倍数提高到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？解（1）因为clenCΔ=dRI（1+K）所以clenC=Δ×dRI（1+K）=8（1+15）=128则1284.13/min130clenrCΔ===+dRI（1+K）（2）由(1)NNnSDnS=Δ−，可知在s和不变的情况下，D只与NnNnΔ有关调速范围扩大1.94倍。1－7某调速系统的调速范围D=20，额定转速1500/minNnr=，开环转速降落，若要求系统的静差率由10%减少到5%，则系统的开环增益将如何变化？240/minNopnrΔ=解；当s=10%时，8.33/min20NNnsnrD×Δ===×15000.1（1-s）（1-0.1）此时2401127.88.33opclnKnΔ=−=−=Δ当s=5%时，3.95/min20NNnsnrD×Δ===×15000.05（1-s）（1-0.05）此时2401159.83.95opclnKnΔ=−=−=Δ则若要求系统的静差率由10%减少到5%，则系统的开环增益将变大。1—8转速单闭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）转速单闭环调速系统有以下三个基本特征①只用比例放大器的反馈控制系统，其被被调量仍是有静差的。②反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。扰动性能是反馈控制系统最突出的特征之一。③系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。（2）改变给定电压会改变电动机的转速，因为反馈控制系统完全服从给定作用。（3）如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比或测速发电机的励磁发生了变化，它不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。1—9在转速负反馈调速系统中，当电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、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，问系统对上述各量有无调节能力？为什么？答：当电网电压发生变化时，系统对其有调节能力。因为电网电压是系统的给定反馈控制系统完全服从给定。负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻变化时系统对其有调节能力。因为他们的变化最终会影响到转速，都会被测速装置检测出来。再通过反馈控制作用，减小它们对稳态转速的影响。测速发电机励磁各量发生变化时，它不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。1—10有一V—M调速系统。电动机参数为：2.2220NNPkWUV==，，12.5NIA=，，电枢电阻1500/minNnr=1.2aR=Ω，整流装置内阻1.5recR=Ω，触发整流环节的放大倍数。要求系统满足调速范围D=20，静差率35sK=10%s≤。（1）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。opnΔclnΔ（2）采用转速负反馈组成闭环系统，试画出系统的原理图和静态结构框图。（3）调整该系统参数，使当时，15nUV∗=dNII=N，n=n，则转速负反馈系数α应该是多少？（4）计算放大器所需的放大倍数。解：（1）先计算电动机的电动势系数22012.51.20.1367min/150012.5246.9/minNNaeNNeUIRCVnIRrC−−×===⋅×Δ===op则开环系数额定速降为（1.2+1.5）n0.1367r额定负载时的稳态速降应为8.33/min20NnsrD×Δ=≤=×cl15000.1n（1-s）（1-0.1）（2）系统的静态结构框图如下所示KpKsα1/CeU*nUc∆UnEnUd0Un++-IdR-UnKs转速负反馈系统的原理图+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un∆UnU*nUcUPE+-MTIdUnUdUcUntg（3）当时，15nU∗=VdNII=N，n=n，则转速负反馈系数α应该是150.011500nnNUUnnα∗∗====（4）闭环系统的开环放大系数应为246.91128.648.33opclnKnΔ=−=−=Δ运算放大器所需的放大倍数28.6411.19/0.0135/0.1367PSeKKKCα===×1—11在题1-10的转速负反馈系统中增设电流截止环节，要求堵转电流2dblNII≤，临界截止电流1.2dcrNII≥，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电阻的1/3，如果做不到，需要增加电流反馈放大器，试画出系统的原理图和静态结构框图，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：因为21.2ncomdblNScomdcrNSUUIIRUIIR∗+=≤=≥且=15V，计算可得∗nU1.522.5sRV=Ω=com，U21.2ncomdblNScomdcrNSUUIIRUIIKR∗+=≤=≥1—12某调速系统原理图如图1-58所示，已知数据如下：电动机；18NPkW=，220NUV=，，941000/minNIAr==N，n0.15aR=Ω，整流装置内阻0.3recR=Ω，触发整流环节的放大倍数。最大给定电压，当主电路电流达到最大值时，整定电流反馈电压40sK=15nmU∗=V10imUV=设计指标：要求系统满足调速范围D=20，静差率10%s≤，1.5dblNII=，。1.1dcrNII=。试画出系统的静态结构框图，并计算：（1）转速反馈系数α。（2）调节器放大系数。pK（3）电阻1R的数值。（放大器输入电阻020Rk=Ω）（4）电阻2R的数值和稳压管VS的击穿电压值。解：（1）转速负反馈系数α应该是150.0151000nnNUUnnα∗∗====（2）先计算电动机的电动势系数220940.150.2059min/100094205.4/minNNaeNNeUIRCVnIRrC−−×===⋅×Δ===op则开环系数额定速降为（0.15+0.3）n0.2059r5.56/min20NnsrD×Δ=≤=×cl10000.1n（1-s）（1-0.1）闭环系统的开环放大系数应为205.41135.95.56opclnKnΔ=−=−=Δ运算放大器所需的放大倍数35.912.3/0.01540/0.2059PSeKKKCα===×1—13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？（1）放大器的放大系数；pK（2）供电电网电压；（3）电枢电阻aR；（4）电动机励磁电流；（5）电压反馈系数γ。答：在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当放大器的放大系数发生变化时系统有调节作用再通过反馈控制作用，因为他们的变化最终会影响到转速，减小它们对稳态转速的影响。pK电动机励磁电流、电枢电阻aR发生变化时仍然和开环系统一样，因为电枢电阻处于反馈环外。当供电电网电压发生变化时系统有调节作用。因为电网电压是系统的给定反馈控制系统完全服从给定。当电压反馈系数γ发生变化时，它不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。1-13有一个V—M系统，已知：电动机：2.822015.6NNNPkWUVIA===，，，，，整流装置内阻1500/minr=Nn1.5aR=Ω1recR=Ω，触发整流环节的放大倍数。35sK=（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，s=10%，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D=30，10%s=，在时，10nUV∗=dNII=N，n=n，计算转速负反馈系数α和放大器放大系数。pK（4）如将上述调速系统改为电压负反馈有静差调速系统，仍要求时，并保持系统原来的开环放大系数K不变，试求在D=30时静10nUV∗=dNII=N，n=n差率。解：（1）系统开环工作时，22015.61.50.1311min/1500NNaeNUIRCVn−r−×===⋅15.6297.5/minNeIRrC