1、1设控制对象的传递函数为 11 2 3 4() ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 )objKWs T s T s T s T s ，式中 K1=2；T1=0.4s； T2=0.08s； T3=0.015s； T4=0.005s。要求阶跃输入时系统超调量 %5%。 用 PI 调节器将系统设计成典型 I型系统，试设计调节器参数并计算调节时间 ts。 解：用 PI调节器校正时，调节器传递函数为 1() iPI pi iW s K s取 1 0.4i Ts ，并将 2T 、 3T 、 4T 看成小时间常数，令 234 0 . 0 8 0 . 0 1 5 0 . 0 0 5 0 . 1T T
2、T T s s s s 则按典型 I 型系统校正时系统开环传递函数为 1111() ( 1 ) ( 1 ) ( 1 )piipiiiKs KKW s K s T s Ts s Ts 取 1 12piiKKK T，则 10.4 12 2 2 0 .1ipiK KT 调节时间 6 6 0 .1 0 .6st T s s 所以 PI 调节器的参数 0.4i s ， 1piK ；调节时间 0.6sts 。 2 画出直流电动机 理想启动 时的转速、电流与时间的关系曲线。 采用理想启动的目的是什么？ 如何实现？ din，0ndi n（ ）tLIdmI( a )( b )di， dmI LIn（ ）0图 1
3、 - 3 0 调 速 系 统 启 动 过 程 的 电 流 和 转 速 波 形t理想启动 是 使启动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速迅速以直线规律上升，以缩短启动时间 。 工程上常采用转速电流双闭环负反馈调速系统。启动时，让转速外环饱和不起 作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用。 3 在单闭环转速负反馈调速系统中引入“电流截止负反馈环节”的作用是什么？其中“截止”的含义是什么？转速、电流双闭环调速系统是否也需要引入电流截止负反馈？为什么？ 答：单闭环转速负反馈调速系统不能限制过电流，引入电流截
4、止负反馈可以对电机过载起到保护作用。；“截止”指的是电流不过载时，去掉电流负反馈。；转速、电流双闭环调速系统不需要引入电流截止负反馈。；因为转速调节器的输出限幅值限制了 最大电流给定值，再通过电流环的电流调节作用，即可实现限流。 4 分别画出单闭环转速负反馈 调速 系统和单闭环电压负反馈 调速 系统的静态结构图；标出静态结构图中各个环节的信号；再分别说明两种系统在电网电压降低后如何进行恒压调节？从而说明哪种系统对电网电压的扰动具有更强的抗扰能力？ 答：（ 1）单闭环转速负反馈 调速 静态结构图和信号标注 nU+-nU nU PKctsKd0U e1CEn+-RId图 1 - 1 1 转 速 负
5、 反 馈 单 环 调 速 系 统 稳 态 结 构 图恒压调节过程： 0*0 )( dctnnnndd UUUUUUnIU电网电压 （ 2）单闭环电压负反馈调速 静态结构图和信号标注 图 1 - 2 0 电 压 负 反 馈 调 速 系 统 稳 态 结 构 图e1C( a )E+-nU PKctnU sKd0U nR aR+-+-I n sKKp e1Cn dnU( b )+-e1CsKK p dUn+- - ndRI( c )e1Cn-adRI( d )Ud恒压调节过程： d0ctu*nnu0 )( UUUUUUU d电网电压 （ 3）单闭环电压负反馈调速 系统 对电网电压的扰动具有更强的抗扰能
6、力 5 写出直流电动机的转速表达式，说明它有哪 3 种 调速 方式？每种 调速 方式的优、缺点是什么？ 答： 转速表达式K RIUKEn e dde 0； 有三种调速的方法，即调节电枢电压 0dU ；减弱励磁磁通 ；改变电枢回路电阻 R 。 （ 1） 调 0dU 可平滑地调节转速 n ，机械特性将上下平移。 但 电压只能向小于额定电压的方向变化。 （ 2） 弱磁调速是在额定转速以上调速，其调速范围不 可能太 大。 但所需功率小。 （ 3） 改变电枢电阻调速 简单 ， 但是 损耗较大，只能进行有级调速 。 6 有一 V-M系统，已知： Pnom=2.8kW， Unom=220V， Inom=15
7、.6A， nnom=1500r/min，Ra=1.5， Rn=1， Ks=37。 （ 1） 当 D=30、 s=10%时，计算系统允许的稳态速降。 （ 2） 如为转速负反馈有静差系统，要求 D=30， s=10%，在 V10* nU 时，使电机在额定点工作，计算放大器放大系数 Kp和转速反馈系数 。 答： （ 1） 2 2 0 1 5 . 6 1 . 5 0 . 1 3 1 ( . m in / )1500d d ae U I RC v rn 1 5 . 6 2 . 5 2 9 7 . 7 1 ( / m in )0 . 1 3 11 5 0 0 0 . 1 5 . 5 6 ( / m in
8、)( 1 ) 3 0 0 . 9dopeclIRnrCnsDs （ 2） 8.27pK ； 0067.0 V.min/r 7 在转速、电流双闭环调速系统中，转速调节器有哪些 作用？其输出限幅值应按什么要求来整定？ 答： 1）转速调节器的作用： a. 使转速 n跟随给事实上电压 Un 变化，实现转速无静差调节； b. 对负载变化起抗扰作用； c. 其饱和输出限幅值用为系统允许最大电流的给定，起饱和非线性控制，以实现系统在最大电流约束下起动过程。 2）其输出限幅值应按最大电流值 Idm 和值整定，即 im dmUI 。 8在转速、电流双闭环调速系统中，电流调节器有哪些作用？其限幅值应如何整定？ 答
9、： 1）电流调节器的作用： a. 起动时，实现最大允许电流条 件下的恒流升速调节 准时间最优； b. 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压 Un 变化； c. 对电网电压波动及时起抗扰作用； d. 当电动机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能自动恢复正常。 2）电流调节器输出限幅值应按下式整定： e no m dmctm sC n I RU K，并保证最小控制角的限制。 9 闭环系统的静特性优于开环系统的机械特性，表现在哪些方面。 答：如下四方面： （ 1）在相同的负载下，闭环系统的转速降落仅为开环系统转速降落的 1/（ 1 K）； （ 2
10、）在相同的理想空载转速时，闭环系统的静差率是开环系统静差率的1/（ 1 K）； （ 3）在静差率相同时，闭环系统的调速范围是开环系统调速范围的（ 1 K）倍； （ 4）闭环系统设置放大器后，才能获得以上各方面好的性能。 10 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 ？ 调速范围 D=nmax/nmin=nnom/nmin 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 。 11. G-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
11、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。 V-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
12、流大。 PWM： 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 12 常用的可控直流电源主要有哪些？ 答：常用的可控直流电源有以下三种： （ 1）旋转变流机组 用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 （ 2）静
13、止式可控整流器 用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。 （ 3）直流斩波器或脉宽调制变换器 用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。 13 下图带转速负反馈的闭环直流调速系统原理图，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。 Un 2）比例放大器 A：将转速偏差电压放大，产生电力电子变换器 UPE所需的控制电压 。 U n 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 4） M 电机：驱动电机。 5） TG 发电机：测速发电机检测驱动电机的
14、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。 Un* 14 闭环系统静特性的定义？与开环系统比较有何特点？ 答（ 1）定义：表示闭环系统电动机转速与负载电流 的稳态关系。（ 2）特点： 1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬的多， 2）如果比较同一 N0 的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小的多。 3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。 4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。 15. 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：在
15、动态过程中，当 U n 变化时，只要其极性不变，积分调节器的输出 U c 便一直 增长； 只有达到 U n U n * ， U n 0 时， U c 才停止上升；不到 U n 变负，U c不会下降。当 U n 0 时， U c 并不是零，而是一个终值；如果 n U 不再变化，这个终值便保持恒定而不再变化，这是积分控制的特点。因此，积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。 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。虽然现在 Un 0 ，但历史上有过 U n ，其积分就有一定数值，足以产生 稳态运行时需 要的控制电压 U c
16、 。 16 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 跟随转速给定电压变化，稳态无静差。 Un* 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 电流给定电压变化。 Un* 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
17、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。 17 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：当两个调节器都不饱和时，它们的输入偏差电压为零，转速调节器 ASR 的输出限幅电压 Uim 决定了电流给定电压的最大值；电流调节器 ACR 的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm. 各变量的稳态工作点和稳态 参数计算 在稳态工作点上 , n 由给定电压 U*n 决定； ASR 的输出量 U*i 由负载电流 IdL决定 18 已知电流环的动态结构图如下图 所示，将该系统校正为典型 型系统，确定电流调节器参数。 （提示：取
18、工程最佳 =0.707 时， iTKI =0.5；注意小惯性环节降阶处理的条件 113ci s oiTT ， 0017.0,002.0 soi TT ） 解：（ 1）对动态结构图进行等效变换如下图： （ 2 ） 进 行 小 惯 性 时 间 常 数 的 近 似 处 理 ：0 . 0 0 2 0 . 0 0 1 7 0 . 0 0 3 7 ( )i o i sT T T S ；则动态结构图化简为如下图： （ 3）选择 PI 调节器： 1() i iSAC R i SW S K 确定 ACR 的超前时间常数为： 0.03ilTS 取工程最佳，有 11 1 3 5 .1 42 2 0 .0 0 3 7IiK T （ 1/S） 又因为 isI iKKK R所以有 ACR 的比例系数为： 0 .0 3 0 .5 1 3 5 .1 4 1 .0 1 34 0 0 .0 5IiisKRK K （ 4）校验近似条件： 11 3 5 .1 4ci IKS 而 1113 3 1 8 0 .80 .0 0 1 7 0 .0 0 2 cis oi STT ，满足近似条件。
