运动控制系课后习题答案.doc

1、直流调速系统第一章思考题与习题S1.1直流电动机有几种调速方法，其机械特性有何差别？答：直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系为 aeURInC考虑到他励直流电动机电枢电流与电磁转矩 的关系 ，可以将其机TeTaCI械特性写成如下形式： 0en式中 称作理想空载转速， 为机械特性的斜率。0ae/nUC 2T/R由上式可知，有以下三种调节直流电动机转速的方法：1）改变电枢回路电阻 （图 1-2） 。R2）减弱励磁磁通 （图 1-3） 。3）调节电枢供电电压 （图 1-4） 。aU比较三种调速方法可知，改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，实现一定范

2、围内的弱磁升速；调节电枢供电电压的方式既能连续平滑调速，又有较大的调速范围，且机械特性也很硬。因此，直流调速系统往往以变压调速为主，仅在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。S1.2有哪些转速检测方法？如何获得数字转速信号？答：常用的转速检测传感器有测速发电机、旋转编码器等。测速发电机输出的是转速的模拟量信号；旋转编码器则为数字测速装置。转速检测传感器输出的模拟信号先经过信号调节器，进行放大、电平转换、滤波、阻抗匹配、调制和解调等信号处理过程，然后进行 A/D 转换，实现模拟信号到数字信号的转换，包括离散化和数字化。离散化是以一定的采样频率对模拟信号进行采样，即在固定的时间间隔 上取信号值。

3、数字化是sf s1/tf将所取得信号值进行数字量化，用一组数码来逼近离散的模拟信号的幅值，逼近程度由 A/D 芯片的位数来决定。S1.7. 调速范围和静差率的定义是什么? 调速范围与静态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，称为调maxnmin速范围，用字母 来表示，即 Daxin式中， 和 一般都指电动机额定负载时的最高转速和最低转速。maxna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，称为静差率，用字母 来表示，即N0nN0N

4、0-1%1n静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率就越小，转速的稳定度就越高。调速范围 、静态速降 和最小静差率 之间的关系为DNn(1)0 TeNTen0an0b abnNanNbO调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低，静差率就越大。如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更满足要求了。因此，调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。所以说，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。1.4 系统的调速范围是 1000100 ，要求静差率 s=

5、2%，那么系统允许的静minr差转速降是多少？解： （公式 1-32）10.2(0.98)2.4()ns rpD系统允许的静态速降为 。.4rp1.5 某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为 ，最低转0max15innr速特性为 ，带额定负载时的速度降落 ，且在不0min15ir N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？解：1）调速范围 (均指额定负载情况下）axminDmax0a150485Nnnii 3axin48D2) 静差率 0150%Nsn1.6 直流电动机为PN=74kW,UN=220V，I N=378A，n N=1430r/min，

6、Ra=0.023。相控整流器内阻Rrec=0.022。采用降压调速。当生产机械要求 s=20%时，求系统的调速范围。如果 s=30%时，则系统的调速范围又为多少？解： ()(20378.2)1430.78NaNCeUIRnVrpm378.5n r(1)430.215(0.2)3.1NDnSs51.7 某龙门刨床工作台采用 V-M 调速系统。已知直流电动机，主电路总电阻60,20,35,10minNNNPkWUVIAnrR=0.18,Ce=0.2Vmin/r,求：（1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落为多少？Nn（2）开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率 多少？NS（3）若要满足 D=

7、20,s5%的要求，额定负载下的转速降落 又为多少?n解：(1) 305.18274.5/miNnIRCer(2) 274()1%S(3) ().0.92.63/inNDs r1.7 有一晶闸管稳压电源，其稳态结构图如图所示，已知给定电压 、*8.uUV比例调节器放大系数 、晶闸管装置放大系数 、反馈系数 =0.7。2PK15SK求：（1）输出电压 ；（2）若把反馈线断开， 为何值？开环时的输出电dUdU压是闭环是的多少倍？（3）若把反馈系数减至 =0.35，当保持同样的输出电压时，给定电压 应为多少？*u解：（1） (1)2158.(2150.7)2dpspsK V(2) ,开环输出电压是闭

8、环的 22 倍8.2564UV(3) *()(.3)(4.6udpspsK第二章思考题与习题S2.1 转速单闭环调速系统有哪些特点？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：转速单闭环调速系统可以获得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。改变给定电压能够改变电动机的转速，因为反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比能够改变

9、转速，因为改变反馈电压的分压比，就相当于改变了反馈系数 ，而 。nK*nnUK如果测速发电机的励磁发生了变化，系统没有克服这种干扰的能力，因为该变化不是被反馈所包围的扰动，闭环系统对此没有抑制能力，如下图所示。 励 磁 变 化励 磁 变 化Id变 化变 化电 源 波 动电 源 波 动Kp变 化变 化 电 阻 变 化电 阻 变 化检 测 误 差检 测 误 差KpKs1/CeU*n UcUn EnUd0n+ +- RKnS2.4 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：反馈

10、控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包围在负反馈内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。如上图所示，在转速负反馈调速系统中，系统对电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻各量发生变化时所引起的转速变化有调节能力，而对测速发电机励磁的变化没有调节作用。S2.2 为什么用积分控制的调速系统是无静差的？在转速单闭环调速系统中，当 I 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n0U哪些因素？答：用积分控制的调速系统不只靠偏差而且靠偏差的积累来控制，只要输入偏差电压 ，积分控制就使得 逐渐积累，因而转速就要变化；n0ndt

11、只有到 时， 不再变化，转速才稳定下来，因而是无静差的。Undt当输入偏差电压 时，积分调节器的输出电压 是一个定值，这个cU电压的大小取决于稳态转速 （即给定电压 和转速负反馈系数 ） 、负载电*n nK流 、主回路电阻 、触发整流环节的放大倍数 等，如下式所示：dIRs，ededcssCnIRKIU*nU图 3-11 无 静 差 直 流 调 速 系 统 稳 态 结 构 图Ks Ud 1/Ke Kn RId U*n Un + + Un Uc E n S2.5 为何要在直流调速转速负反馈系统中引入电流负反馈？在转速、电流双闭环直流调速系统中，ASR 和 ACR 各起什么作用？答：采用 PI 调

12、节的转速单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，由于转速单闭环系统无法对电流和转矩实施控制，因而存在起动电流的限制问题。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，转速单闭环系统就难以满足需要。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值 的恒流dmI过程（图 3-13） 。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，即采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程，所以要在直流调速转速负反馈系统中引入电流负反馈。在转速、电流双闭环直流调速系统中，ASR 和 ACR 的分别作用为：1）转速调节器 ASR

13、 的作用： ASR 是调速系统的主导调节器，它使转速 很快地跟随给定电压 的变n*nU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。 对负载变化起抗扰作用。 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2）电流调节器 ACR 的作用： 作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压 （即外环调节器的输出量）变化。*iU 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 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。 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。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是

14、十分重要的。图 3-15 双 闭 环 直 流 调 速 系 统 的 稳 态 结 构 图Ks Ud 1/Ke RId U*n Ui + + Uc E n Ki Un Kn + U*i S2.13 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：（1）调速系统的静态特性；（2）动态限流性能；（3）起动的快速性；（4）抗负载扰动的性能；（5）抗电源电压波动的性能。答：*（1）调速系统的静态特性：双环系统稳态运行时无静差，当电流达到限流值 时，呈恒流的下坠特性；单环系统如果也用 PI 调节器，也可以做到稳态dmI无静差，但电流截止后静特性较软。（2）动态限流性能：双环

15、系统的动态限流性能接近于方波恒流，而单环系统的动态限流性能要差得多。（3）起动的快速性：突加较大的给定电压时，双环系统的起动过程要比单环系统快得多。4）抗负载扰动的性能：双环系统和单环系统抵抗负载扰动的性能差不多，其调节作用的快慢视具体参数而定。(5) 抗电源电压波动的性能：双环系统的内环能及时抑制电源电压波动的影响，调节速度快，而单环系统较慢。2.1 某闭环调速系统的调速范围是 1500r/min150r/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5%s100r/min，则闭环系统的开环放大倍数应有多大？解： 1） snsDN1/052%/981/103

16、.6/minNnr2） 7.1.clopK2.2 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： 12851clopnn如果将开环放大倍数提高到 30, 则速降为：rpmKnopcl 13.40/128/在同样静差率要求下，D 可以扩大 倍937./2clln2.5 有一 V-M 调速系统：电动机参数 PN=2.2kW, UN=220V, IN=12.5A, nN=1500 r/min，电枢电阻 Ra=1.5，电枢回路电抗器电阻 RL=0.8，整流装置内阻Rrec=1.0,触发整流环节的放大倍数 Ks=35。要求系统满足调速范围 D=20，静差率 S=10%。（1）计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 。（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图。（3）调整该系统参数，使当 Un*=15V 时，I d=IN，n=n N ，则转速负反馈系数 应该是多少？（4）计算放大器所需的放大倍数。解：（1） /201.5/102.5/10.34min/NaeenUIRCC Vr/.3/.437.86/iNeopInRr/1501%/20*9.3/minNsDs（ ）所以， min/.8rcl（2）