1、运动控制系统习题参考答案1-1 简述运动控制系统的类型及其优缺点。答：运动控制系统主要有三种类型：液压传动系统、气压传动系统和电气传动系统，它们各自优缺点如下：液压传动具有如下优点：1）能方便地实现无级调速，调速范围大。2）运动传递平稳、均匀。3）易于获得很大的力和力矩。4）单位功率的体积小，重量轻，结构紧凑，反映灵敏。5）易于实现自动化。6）易于实现过载保护，工作可靠。 7）自动润滑，元件寿命长。8）液压元件易于实现通用化、标准化、系列化、便于设计制造和推广使用。但也有一系列缺点：1）由于液压传动的工作介质是液压油，所以无法避免会有泄漏，效率降低，污染环境。2）温度对液压系统的工作性能影响较
2、大。3）传动效率低。 4）空气的混入会引起工作不良。5）为了防止泄漏以及满足某些性能上的要求，液压元件的制造精度要求高，使成本增加。6）液压设备故障原因不易查找。气压传动的优点是：1）气动装置结构简单、轻便，安装维护简单；压力等级低，故使用安全。2）工作介质是空气，取之不尽、用之不竭，又不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。3）输出力及工作速度的调节非常容易，气缸工作速度快。4）可靠性高，使用寿命长。5）利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气；可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应；可实现缓冲，对冲击负载和过负载有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自保护能力。6）全气
3、动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。与液压方式比较，气动方式可在高温场合使用。7）由于空气流动压力损失小，压缩空气可集中供气，较远距离输送。气压传动的缺点是：1）由于空气具有压缩性，气缸的动作速度易受负载的变化影响。2）气缸在低速运动时，由于摩擦力占推力的比例比较大，气缸的低速稳定性不如液压缸。3）虽然在许多应用场合气缸的输出力能满足工作要求，但其输出力比液压缸小。电气传动系统具有控制方便、体积紧凑、噪声小、节能、容易实现自动化、智能化、网络化等优点，不过其控制线路复杂，对软硬件要求较高，维修较困难。1-2 常用的液压元件有哪些？答：液压元件主要有液压泵、液压马达、液压缸、方向控制阀、压力控制阀
4、、流量控制阀及油箱、滤油器、油管、密封装置等辅助元件。1-3 常用的气动元件有哪些？答：气动元件主要有空气压缩机、冷却器、储气罐、压力阀、流量阀、方向阀、气缸、气马达、过滤器、干燥器、油雾器、消声器、分水滤油器以及各种管路附件等。1-4 试写出旋转运动的动力学方程式。解：旋转运动的动力学方程为（忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩） tJTdmLe或写成 tnGDT3752Le2-1 简述直流调速方法。答：直流电动机的调速方法有三种：改变电枢回路电阻调速-串电阻调速、调节电枢电压调速- 降压调速以及改变励磁磁通调速 -弱磁调速。2-2 调速性能指标有哪些？答：稳态性能指标包括调速范围和静差率，动态性能指
5、标包括上升时间、超调量、峰值时间、调节时间、动态降落、恢复时间。2-3 调速范围与额定速降和最小静差率有什么关系？为什么必须同时讨论才有意义？答：三者的关系式为 )1(NsnD对于同一个调速系统， 值一定，所以如果对静差率要求越严，即要求 值越小时，Nn s系统允许的调速范围也越小。如果要求调速范围大，s 就会较大。所以讨论性能时这三个量要同时考虑。2-4 为什么直流 PWM 变换器-电动机系统比晶闸管整流器-电动机系统能够获得更好的动态性能？答：PWM 变换器开关频率高，时间常数小，系统响应快。另外一般的 PWM 变换器具有制动作用，组成的调速系统可以在几个象限运行，在正反转、减速和停车时具
6、有较好的动态性能。2-5 在晶闸管整流器-电动机开环调速系统中，为什么转速随负载增加而降低？答：负载增加，电枢电流相应增大，在电枢回路电阻上的压降也增大，电枢两端电压就会降低，所以转速会下降，这也可以从机械特性上明显看出来。2-6 在直流 PWM 变换器-电动机系统中，当电动机停止不动时，电枢两端是否还有电压？电路中是否还有电流？为什么？答：对于不可逆直流 PWM 变换器-电动机系统，电动机停止不动时，电枢两端电压为零，电流也为零。但对于双极性可逆直流 PWM 变换器-电动机系统，电动机停止不动时，电枢电压和电流都是正负对称的交变信号，其平均值为零。2-7 步进电动机有哪些控制方式？答：步进电
7、动机有单三拍控制、双三拍控制和六拍控制等 3 种控制方式。2-8 步进电动机驱动器应满足哪些要求？答：步进电动机驱动器的各部分负责相应的任务，各自应满足以下要求。环形脉冲分配器要根据步进电动机的工作方式把脉冲送给各相绕组；细分电路的细分倍数可以选择以符合精确的步距角要求；功率放大驱动电路应提供与步进电动机类型规格及负载相匹配的定子电流，能输出足够的功率和转矩；具有限流、限压、过热等保护功能；足够高的脉冲响应频率；电动机运行平稳；具备脱机控制功能；较广的电源适应能力。2-9 某调速系统，在额定负载下，最高转速为 ，最低转速为min/r150axn，带额定负载时的速度降落 ，且在不同转速下额定速降
8、min/r20in 2N不变，试问系统调速范围有多大？系统静差率是多少？N解：调速范围为 5.7201minaxD静差率为 %09.20min Ns或 .15.7D2-10 某机床工作台采用晶闸管整流器-电动机调速系统。已知直流电动机额定参数、 、 、 ，电枢回路总电阻 ，kW60NPV20NUA30NImin/r0Nn 19.0R，求：rmin/2.eC（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 为多少？s（3）额定负载下的转速降落 为多少时，才能满足 、 的要求？Nn20D%5解：（1） min/285.0193rCRIneN（
9、2） 17=22.17%.NNs（3） in/r63.2in/r)05.1(2)1(sDn2-11 试分析有制动电流通路的不可逆PWM变换器-电动机系统进行制动时，两个VT是如何工作的？答：在图2-14a 原理图中，当电动机在运行过程中需要减速或停车时，则应先减小控制电压，使u b1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使U d0 降低。但由于惯性，电动机的转速和反电动势来不及立刻变化，使得U d0 E。在 期间，由于u b2 为正，VT 2 导通，Tton电枢电流i d 沿3号通路流通，电动机进入能耗制动状态。在 期间，u b2为负，VT 2 on0t截止，由于感应电动势和反电动势的共同作用，VD
10、1导通，电枢电流 id 沿4号通路流通，对电源回馈制动。2-12 步进电动机的细分控制是什么意思？有什么作用？答：细分控制电路可以将步进电动机的实际步距角进一步减小。将上级装置发出的每个脉冲按设定的细分系数分成系数个脉冲输出，比如步进电动机每转一圈需240个脉冲，现在细分4倍，那么需要960个脉冲步进电动机才转一圈。换句话说，采用四细分电路后，在进给速度不变的情况下，可使脉冲当量缩小到原来的1/4 。步进电动机的细分控制是由精确控制步进电动机的相电流来实现的，没细分时，绕组相电流是由零跃升到额定值的，相电流的巨大变化，必然会引起电动机运行的振动和噪声。如果使用细分电路，在细分的状态下驱动电动机
11、，电动机每运行一微步，其绕组内的电流变化只有额定值的1/N，且电流是以正弦曲线规律变化，这样就大大地改善了电机的振动和噪声。3-1 试分析比较开环和闭环控制系统，在哪些方面可以改善系统的性能？答：开环控制系统是被控量（输出量）对控制作用没有影响的系统，其稳态精度完全取决于各环节元件参数的精密度。闭环控制系统是将被控量（输出量）反馈到输入端，根据其与参考输入量（给定量）的差值决定控制量。闭环控制系统能够抑制被反馈环包围的前向通道上任何参数变化和外来扰动的影响，只要反馈装置精度足够高，系统稳态精度就能得到保证，如果校正得当，动态跟随性能和抗扰性能也能达到要求，但是在一定条件下系统可能出现不稳定。3
12、-2 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：电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻这些量的变化都作用于前向通道，系统对它们都能自动调节。而测速发电机励磁发生变化会使反馈系数发生变化，系统对它是没有调节能力的。3-3 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为零时，调节器的输出电压是多少？它决定于哪些因素？答：根据积分控制规律，只要积分调节器的输入偏差电压大于零，其输出便一直增长，只有达到输入偏差电压等于零时，输出才停
13、止上升，所以稳态时输入偏差电压肯定为零即用积分控制的调速系统是无静差的。输入偏差电压为零时，调节器的输出电压是某个稳定值，其大小与直流电动机此时所带的负载轻重、转速大小以及电动势系数、电枢回路电阻和电力电子装置的放大系数有关，用公式表示为： sedcKnCRIU3-4 在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机精度的影响？请说明理由。答：是的，因为给定电源变化给定值就会变化，系统转速就会跟着变化，而测速发电机精度不够的话反馈系数就会变化，闭环系统对此是没有抑制能力的。3-5 简答下列问题：（1）在转速负反馈单闭环有静差调速系统中，突减负载后又进入稳定运行状态，此时
14、晶闸管整流装置的输出电压 Ud 较之负载变化前是增加、减少还是不变？（2）在无静差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速 n 和整流装置的输出电压 Ud是增加、减少还是不变？答：（1）有静差调速系统突减负载时，转速上升，输入偏差减小，晶闸管整流装置的输出电压也会跟着减小，转速回调，但稳态后转速不能回到原来大小。（2）无静差调速系统突加负载时，转速下降，输入偏差加大，整流装置输出电压增加，使转速回升，直至稳态后转速回到原来大小。3-6 有一直流稳压电源，其稳态结构图如图 3-54 所示，已知给定电压 ，比例调V8.*gU节器放大系数 Kp = 3，电压调整及功率放大电路放大系数 Ks = 10，反
15、馈系数 =0.7。求：（1）输出电压 Ud。（2）若把反馈通道断开，U d 为何值？开环时的输出电压是闭环时的多少倍？（3）若把反馈系数减至 =0.5，当保持同样的输出电压时，给定电压应为多少？KpKsUg*+-Ud图 3-54 习题 3-6 图解：（1） V128.70131*spd gUK（2）反馈通道断开时， 。开环时输出电压是64闭环时的 倍。21sp（3）此时， V4.612035.11dsp* UKg3-7 有一 V-M 调速系统：电动机参数 PN = 2.2kW，U N = 220V，I N = 12.5A，n N = 1500r/min，电枢电阻 = 1.2，整流装置内阻 =
16、1.5，触发整流环节的放大倍数aRrecR= 35。要求系统满足：调速范围 D =20，静差率 。sK %10s（1）计算开环系统的稳态速降 和调速要求所允许的闭环稳态速降 ；opnlnc（2）采用转速负反馈组成闭环系统，试画出系统的原理图和稳态结构图；（3）调整该系统参数，使当 时， ， ，则转速负反馈系数 应V15*nUNdIn该是多少？（4）计算放大器所需的放大倍数。解：首先计算电动机的电动势系数 rmin/0.1367Vrin/1502.2Nae nRIC（1）开环稳态速降为 in/r9.246in/r1367.0)5.2()(ercaop I如要求 D=20， s10%，则要求闭环稳
17、态速降min/r3.8i/r)1.0(25)1(Nncl（2）系统原理图如下系统稳态结构图如下（3）由于 ，所以*nnU rmin/V01.rin/150N（4）因为 ，则Knlopc64.2813.94opcln那么 .0.57nsepKC3-8 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：（1）转速调节器（ASR）的作用1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化, 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）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1）在转速外环的调节过程中，使电流
18、紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流。4）当电动机过载甚至堵转时，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。3-9 试从下面 5 个方面来比较转速、电流双闭环直流调速系统和带电流截止环节的转速单闭环直流调速系统：（1）调速系统的稳态特性；（2）动态限流性能；（3）起动的快速性；（4）抗负载干扰的性能；（5）抗电源电压波动的性能。答：（1）双闭环系统的稳态特性的下垂段比带电流截止环节的转速单闭环直流调速系统陡得多，几乎是垂直线。（2）双闭环系统的电流调节器能很
19、快压制动态过程中电流超出最大值。（3）双闭环系统在起动过程中转速调节器很快达到饱和，使电动机在允许最大电流下起动，起动速度是最快的。（4）两者都能抑制负载干扰，但由于双闭环系统是无差的，转速被干扰后最终能回到原来大小。（5）由于双闭环系统存在电流内环，电网电压波动能比较及时的调节，其引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。3-10 在转速、电流双闭环直流调速系统中，ASR、ACR 均采用 PI 调节器。已知电动机参数：PN = 3.7kW，U N = 220V，I N = 20A，n N = 1000r/min，电枢回路总电阻 R = 1.5。设，电枢回路最大电流 ，电力电子变换器的放大系数8
20、cm*in40dmI sK40。试求：（1）电流反馈系数 和转速反馈系数 ；（2）当电动机在最高转速发生堵转时的 、 、 、 值。d0U*iic解：（1） A/V2./408dm*i IUrmin/8.rin/1N*n （2） 60V5.14dm0RIU.scK8*imii3-11 在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环直流调速系统中，已知电动机的额定数据：P N = 60kW，U N = 220V，I N = 300A，n N = 1000r/min，电动势系数，电枢回路总电阻 R = 0.18，触发整流环节的放大倍数 ，电in/rV196.0eC 35sK磁时间常数 ，机电时
21、间常数 ，电流反馈滤波时间常数 ，s2.lTs2.0mTT02.oi转速反馈滤波时间常数 。额定转速时的给定电压 ，ASR、ACRs015.on V1)(N*nU饱和输出电压 ， 。系统的静、动态指标为：稳态无静差，调速范围V8*imU.6cD=10，电流超调量 ，空载起动到额定转速时的转速超调量 。试求：%i %10n（1）确定电流反馈系数 （假定起动电流限制在 以内）和转速反馈系数 ；N5.1I（2）试设计电流调节器，调节器输入电阻取 ，计算其余参数 、 、k390RiRiC。画出其电路图；oiC（3）试设计转速调节器，计算其参数 、 、 （ ） ；nConk390（4）计算电动机带 40
22、%额定负载起动到最低转速时的转速超调量 ；n（5）计算空载起动到额定转速的时间。解：（1） A/V0178./35.18.N*imIUrmin/.rin/0)(*n （2）三相零式整流装置的平均失控时间 Ts=0.0033s；按小时间常数近似处理，电流环小时间常数之和；058.2.s03.oisi T由于对电流跟随性能要求较高，电流环应校正成典型 I 型系统，则可选用 PI 调节器，并取 就可满足要求。5.iIK电流调节器参数如下：；s012.ilT1iI s.865.K。29.058.017.32isi TRl校验近似条件： 1Ici.86K ci1s s03.31T满足晶闸管整流装置传递函
23、数近似条件。 ci11ms4.5802.1l满足忽略电动势影响的条件。 ci11ois s6025.3.13 T满足小时间常数近似条件。计算电阻、电容数值：，可以用一个 11 和一个 680 的金属膜电阻k6.1392.0iiRKk串联实现。，可以用一个 1 和一个 0.033 的无极性电容并联F0.16.3iiC FF实现。，可以用一个 0.22 和一个 0.033 的无极性电256.0139.40oii RT容并联实现。电流调节器电路图如下：（3）电流环等效时间常数： s016.58.21iI TK转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取 s026.15.s06.1onInTK系统校正成典型 II 型系统，转速调节器也选用 PI 调节器。为兼顾跟随性能和抗扰性能，取 h=5，则转速调节器积分时间常数为 s13.026.5nT转速环开环增益为 2222nN s6.9s06.51hK则转速调节器的比例系数为 618.902.18.0527)(2)1(nmen RThC校验近似条件： 11nNc s6.s3.619K cn11iI 4.058.023T满足电流环传递函数简化条件。 cn11onI s27.s05.631K满足小时间常数近似条件。计算电阻、电容数值：，可以用一个 300 和一个 75 的金属膜电阻k3759618.0nRkk
