《運動控制系統(tǒng)》期末復習資料

運動控制系統(tǒng)期末復習資料修訂第3版第1章緒論1. 什么是運動控制？電力傳動又稱電力拖動，是以電動機作為原動機驅(qū)動生產(chǎn)機械的系統(tǒng)的總稱。運動控制系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的裝置，用以實現(xiàn)生產(chǎn)機械按人們期望的要求運行，以滿足生產(chǎn)工藝及其它應用的要求。2. 運動控制系統(tǒng)的組成：現(xiàn)代運動控制技術(shù)是以電動機為控制對象，以計算機和其它電子裝置為控制手段，以電力電子裝置為弱電控制強電的紐帶,以自動控制理論和信息處理理論為理論基礎(chǔ)，以計算機數(shù)字仿真或計算機輔助設計為研究和開發(fā)的工具。3. 運動控制系統(tǒng)的基本運動方程式：Jddtm=Te -Tl -Dm -Km16.運動控制系統(tǒng)期末復習資料修訂第3版d：mdtj 機械轉(zhuǎn)動慣量（kg m）-m 轉(zhuǎn)子的機械角速度（rad/s） 土 一轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)角（rad）Te 電磁轉(zhuǎn)矩（N m）Tl 負載轉(zhuǎn)矩（N mD阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)K扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)第2章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1. 晶閘管-電動機（V-M ）系統(tǒng)的組成:純滯后環(huán)節(jié)，一階慣性環(huán)節(jié)。2. V-M系統(tǒng)的主要問題：由于電流波形的脈動，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況。3. 穩(wěn)態(tài)性能指標：調(diào)速范圍D和靜差率SoD =?（i-?）額定速降?>?，D =右?s=竺?4. 閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)特性；靜態(tài)特性、結(jié)構(gòu)圖？5. 反饋控制規(guī)律和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的幾個實際問題，積分控制規(guī)律和比例積分控制規(guī)律。積分控制規(guī)律：匕=1 j切比例積分控制規(guī)律：穩(wěn)態(tài)精度高，動態(tài)響應快6. 有靜差、無靜差的主要區(qū)別：比例調(diào)節(jié)器的輸岀只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸岀則包含了輸入偏差量的全部歷史。比例積分放大器的結(jié)構(gòu)：PI調(diào)節(jié)器7. 數(shù)字測速方法：M法測速、T法測速、M/T法測速。8. 電流截止負反饋的原理：采用某種方法，當電流大到一定程度時才接入電流負反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉(zhuǎn)速負反 饋起作用控制轉(zhuǎn)速。電流截止負反饋的實現(xiàn)方法：引入比較電壓，構(gòu)成電流截止負反饋環(huán)節(jié)9. 脈寬調(diào)制：利用電力電子開關(guān)的導通與關(guān)斷，將直流電壓變成連續(xù)可變的電壓，并通過控制脈沖寬度或周期達到變壓變頻的目的。10. 直流蓄電池供電的電流可反向的兩象限直流斬波調(diào)速系統(tǒng)，已知：電源電壓 Us=300V斬波器占空比為 30%，電動機反電動勢E=100V在電機側(cè)看，回路的總電阻R=1Q。問蓄電池的電流Id是多少？是放電電流還是充電電流 ？答:因斬波電路輸岀電壓 u0的平均值：U0= pX Us=30%x 300=90 V < EaId=（ U0- E）/ R=（90-100）/1=-10A是充電電流，電動機工作在第H象限的回饋制動狀態(tài)，直流蓄電池吸收能量。11. PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率：答：電力晶體管的開關(guān)頻率越高，開關(guān)動態(tài)損耗越大；但開關(guān)頻率提高，使電樞電流的脈動越小，也容易使電流連續(xù)，提高了調(diào)速的低速運行的平穩(wěn)性， 使電動機附加損耗減小；從PWM變換器傳輸效率最高的角度岀發(fā)，開關(guān)頻率應有一個最佳值;當 開關(guān)頻率比調(diào)速系統(tǒng)的最高工作頻率高岀10倍左右時，對系統(tǒng)的動態(tài)特性的影響可以忽略不計。12. 靜差率s與空載轉(zhuǎn)速nO的關(guān)系：答：靜差率s與空載轉(zhuǎn)速nO成反比，nO下降，s上升。所以檢驗靜差率時應以最低速時的靜差率 為準13. 反饋控制有靜差調(diào)速成系統(tǒng)原理圖，各部件的名稱和作用：答： 比較器：給定值與測速發(fā)電機的負反饋電壓比較，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓 Un。 比例放大器A：將轉(zhuǎn)速偏差電壓厶Un放大，產(chǎn)生電力電子變換器UPE所需的控制電壓Uco 電力電子變換器UPE：將輸入的三相交流電源轉(zhuǎn)換為可控的直流電壓Udo M電機：驅(qū)動電機。 TG發(fā)電機：測速發(fā)電機檢測驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。 電位器：將測速發(fā)電機輸出電壓降壓，以適應給定電壓幅值U*n16.運動控制系統(tǒng)期末復習資料修訂第3版16.運動控制系統(tǒng)期末復習資料修訂第3版14. 分析轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì)，說明單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能減少穩(wěn)態(tài)速降的原因，改變給定電壓或者調(diào)整轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)能否改變電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速 ？為什么？答：負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變電樞電 壓，以補償電樞回路電阻壓降的變化。_KpKsU；_ Rid穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為:_Ce(1 K) _Ce(1 K)K也要改變，因此也能改變穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。從上式可可得：改變給定電壓能改變穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速；調(diào)整轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，則15. 閉環(huán)空載轉(zhuǎn)速nOb比開環(huán)空載轉(zhuǎn)速 nOk小多少？如何保證nOb=nOk答:nOb是nOk的1/ (1+K)。欲使nOb=nOk有兩種辦法：(1) 若給定電源可變，則Ugb =Ugk(1 K) o(2) 般不能改變給定電源，則在控制器中引入KP為好。閉環(huán)幕慌尚何不肺運行？Jg答.因煩環(huán)故大詩U 比茹務卜(3 + Ky陽L日來環(huán)運居 K廠K K護大了X】催*輸出上井倍皓異暑不堪沒更捫.16.運動控制系統(tǒng)期末復習資料修訂第3版17. 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾能力和控制精度的原因答：閉環(huán)控制系統(tǒng)是建立在負反饋基礎(chǔ)上，按偏差進行控制。當系統(tǒng)中由于某種原因使被控量偏離希望值而岀規(guī)偏差時，必 定產(chǎn)生一個相應的控制作用去減小或消除這個偏差，使被控制量與希望值趨于一致，所以閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾動能 力和控制精度。18. 閉環(huán)控制系統(tǒng)一般由哪幾部分組成 ？有哪些作用量和被控制量？答：閉環(huán)控制系統(tǒng)一般由給定元件、比較元件、放大校正元件、執(zhí)行元件、被控對象、檢測反饋元件等組成。系統(tǒng)有給定量 （輸入量）、反饋量、控制量、擾動量、被控量（輸出量）。19. 試說明轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)工作原理。答：轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR觸發(fā)器GT、晶閘管變流器 V測速發(fā)電機TG等組成；當電動機負載TL增加時，電樞電流Id也增加，電樞回路壓降增加，電動機轉(zhuǎn)速下降，則轉(zhuǎn)速反饋電壓Ufn也相應下降，而轉(zhuǎn)速給定電壓Ugn不變， U=Ugn-Ufn增加。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR輸出Uc增加，使控制角a減小，晶閘管整流裝置輸出電壓 Ud增 力口，于是電動機轉(zhuǎn)速便相應自動回升，其調(diào)節(jié)過程可簡述為：% t f f亠加電* /Wff塔d -CM TU *匕* f 密fi上述過程循環(huán)往復，宣至U=0為止。20. 反饋控制系統(tǒng)為什么極性不能接錯答：控制系統(tǒng)一般都是負反饋系統(tǒng)。如果錯接成正反饋系統(tǒng)，對調(diào)速系統(tǒng)造成超速“飛車”或振蕩等故障，后果非常嚴重。21. 截流環(huán)節(jié)的主要作用和物理實現(xiàn)的方法答：電流截止負前仮）饋的作用是：限流保護（過載自動保護）；（2）加速起動過程。 載流環(huán)節(jié)的物理實現(xiàn)方法有：（1）比較電壓法;（2）穩(wěn)壓管法；（3）封鎖運放法。22. 有靜差系統(tǒng)與無差系統(tǒng)的區(qū)別答：根本區(qū)別在于結(jié)構(gòu)上（控制器中）有無積分控制作用，PI控制器可消除階躍輸入和階躍擾動作用下的靜差，稱為無靜差系 統(tǒng)，P控制器只能降低靜差，卻不能消除靜差，故稱有靜差系統(tǒng)。23. 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器的特點答:PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓 U0由兩部分組成。第一部分 KPUi是比例部分，第二部分 是積分部分。當t=0突加Ui瞬間，電 容C相當于短路，反饋回路只有電阻Rf此時相當于P調(diào)節(jié)器，輸出電壓，隨著電容C被充電開始積分，輸出電壓U0線性增加，只要輸入 Ui繼續(xù)存在，U0 一直增加飽和值（或限幅值）為止。24. 數(shù)字PWM調(diào)速系統(tǒng)與PWM調(diào)速系統(tǒng)有多大差異？答：兩者之間沒有本質(zhì)的區(qū)別，主要區(qū)別是全數(shù)字PWM調(diào)速系統(tǒng)的控制電路應用微機控制，而一般PWM調(diào)速的控制電路應用集成電路控制，（當然其控制性能比微機控制要差很多）。25. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器的直流調(diào)速系統(tǒng)，當其反饋系數(shù)a增大，系統(tǒng)穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速反饋電壓Un是增加、減小還是不變？ Un r 二U n r Uc r UdO>-；芒Un =0,Un =5*第3章轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)試系統(tǒng)1. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成： ASR（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器）、ACR（電流調(diào)節(jié)器）、TG （測速發(fā)電機）、TA （電流互感器）、UPE （電力電子變 換器）2. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性：在正常運行時，為了實現(xiàn)電流的實時控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器不要進入飽和狀態(tài)。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。3. 起動過程分析：第I階段電流上升的階段、第 II階段恒流升速階段、第山階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：（1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采 用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。（2）對負載變化起抗擾作用（3）輸出限幅值決定電機允許的最大電流電流調(diào)節(jié)器的作用:（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸岀量變化。（2）對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用。（3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。（4）當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。4. 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標：跟隨性能指標和抗擾性能指標5. ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，Uim*=10V ,主電路最大電流ldm=100A，當負載電流由20A增加到30A時,試問： Ui*應如何變化？ Uct應如何變化？ Uct值由哪些條件決定？ 答：Ui*從2V增加到3Vo Uct略有增加。 Uct由轉(zhuǎn)速n和負載電流ldl（穩(wěn)態(tài)時即Id）決定。6. 在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，岀現(xiàn)電網(wǎng)電壓波動與負載擾動時，哪個調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用？答：電網(wǎng)電壓波動時，ACR起主要調(diào)節(jié)作用；負載擾動時，ASR起主要抗擾調(diào)節(jié)作用。7. 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器的作用？答：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的作用。1）轉(zhuǎn)速n跟隨轉(zhuǎn)速給定電壓 Un*變化？穩(wěn)態(tài)無靜差。2）突加負載時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR均參與調(diào)節(jié)作用，但轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR處于主導作用，對負載變化起抗擾作用。3）其輸岀電壓限幅值決定允許最大電流值。（2）電流調(diào)節(jié)器ACR的作用1）起動過程中保證獲得允許最大電流。2）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其電流給定電壓Un *變化。3）電源電壓波動時及時抗擾作用，使電動機轉(zhuǎn)速幾乎不受電源電壓波動的影響。4）當電動機過載、堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起到安全保護作用。8. 直流調(diào)速系統(tǒng)有哪些主要性能指標？答：直流調(diào)速系統(tǒng)主要性能指標包括靜態(tài)性能指標和動態(tài)性能指標兩個部分。靜態(tài)主要性能指標有闊速范圍D、靜差率s>A nN。動態(tài)性能指標分成給定控制信號和擾動信號作用下兩類性能指標。給定控制信號作用下的動態(tài)性能指標有上升時間tr，調(diào)節(jié)時間ts （亦稱過濾過程時間）和超調(diào)量b%。擾動信號作用下的動態(tài)性能指標有最大動態(tài)速降厶 Nmax、恢復時間tv。第4章 可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1. 直流PWM可逆系統(tǒng)的原理：改變 PWM變換器輸出電壓的正、負極性，使得直流電動機可以四象限運行。轉(zhuǎn)速反向的過渡過程:電動機的平均電樞電流Id先從正向IdL降低為零日宀b然后從零上升到允許的制動電流-Idm，其大小受到電流環(huán)控制bTc接下來電動機工作在回饋制動狀態(tài)，轉(zhuǎn)速將減小到0，ctd從d點開始，直流電動機進入了反向起動狀態(tài)dTe圖中e點意味著轉(zhuǎn)速要超調(diào)，轉(zhuǎn)速環(huán)退保和，最終穩(wěn)定工作在f點，電樞電流與負載電流相等eTf直流PWM功率變換器的能量回饋：PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓，電容C同時對感性負載的無功功率起儲能緩沖作用。2. V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主回路結(jié)構(gòu)：單組V-M系統(tǒng)的可逆運行（帶位能性負載）、兩組晶閘管反并聯(lián)可逆 V-M系統(tǒng)防止環(huán)流的措施：采用封鎖觸發(fā)脈沖的方法，在任何時候，只允許一組晶閘管裝置工作；采用配合控制的策略，使一組晶閘 管裝置工作在整流狀態(tài)，另一組則工作在逆變狀態(tài)。為了抑制瞬時脈動環(huán)流，可在環(huán)流回路中串入電抗器。3.4.5.第5章1.2.3.4.5.6.7.8.9.第6章1.什么叫環(huán)流？有環(huán)流可逆系統(tǒng)和無環(huán)流可逆系統(tǒng)相比較，有何優(yōu)缺點？并說明有環(huán)流可逆系統(tǒng)的適用場合。答：只限于兩組晶閘管之間流通的短路電流稱為環(huán)流。環(huán)流具有二重性，缺點是：環(huán)流會顯著地加重晶閘管和變壓器的負擔，增加無功損耗，環(huán)流過大會損壞晶閘管，影響系統(tǒng)安全工作。環(huán)流有可供利用之處，在電動機空載或輕栽時，環(huán)流可以保證晶閘管裝置工作在電流連續(xù)區(qū)， 避免了電流斷續(xù)引 起的非線性狀況對系統(tǒng)動、靜態(tài)性能的影響。環(huán)流還具有保證可逆系統(tǒng)的電流實現(xiàn)無間斷反向， 加快反向時的過渡過程之優(yōu) 點。適用于中小容量系統(tǒng)，有較高快速性能要求的系統(tǒng)。論述邏輯無環(huán)流可逆晶閘管一直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的由正向電動到反向電動的過程，如何實現(xiàn)電樞電流的反向？答：從正向電動到反向電動分別為四個階段：本組逆變階段，電流方向不變，電流減小它組整流階段，反向電流建立，電流方向改變并迅速增大它組逆變階段，電流方向與 2相同反向啟動階段，它組整流，電流方向與 3相同，包含反向轉(zhuǎn)速上升、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等階段?；诜€(wěn)態(tài)模型的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)異步電動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型:異步電動機的機械特性:ml3np-i2 Rrrs2 3n pU s RrS2 2+ Rr ) +S (Lls +Llr )交-直-交變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流。交-交變頻器只有一個變換環(huán)節(jié)，把恒壓恒頻（CVCF的交流電源直接變換成 VVVF輸出，因此又稱直接變頻器。PWM控制技術(shù)：控制逆變器中電力電子器件的開通和關(guān)斷，輸岀電壓幅值相等、寬度按一定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣 的高頻脈沖序列代替期望的輸岀電壓。PWM技術(shù)：電壓正弦波SPWM消除指定次數(shù)諧波SHEPWM電流正弦波CFPWM圓形旋轉(zhuǎn)磁場SVPWM正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulation wave ），當調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而 獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種調(diào)制方法稱做正弦波脈寬調(diào)制（SPWM） o轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：由于系統(tǒng)本身沒有自動限制起制動電流的作用，因此頻率設定必須通過給定積分算法產(chǎn)生平緩的升速或降速信號。轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律：在較小的穩(wěn)態(tài)運行段上，轉(zhuǎn)矩Te基本上與-s成正比，當Te達到其最大值Tem時，達到臨界值:.-.smo通用變頻器一般分為哪幾類 ？ 在選用通用變頻器時主要按哪些方面進行考慮？答：通用變頻器通常分為簡易型、多功能型、高性能型等三類。在選擇變頻器時，一般根據(jù)用途和需要進行選擇，主要從變 頻器的類型、性能和功能、容量的大小及輸岀電流大小等幾方面來進行考慮?；趧討B(tài)模型的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)交流電機不同模型等效的原則是什么？試以電流為例寫岀三相靜止坐標系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的過程 答：不同電動機模型彼此等效的原則是：在不同坐標下所產(chǎn)生的磁動勢完全一致。變換過程如下:1）三相-兩相變換（3/2變換），三相靜止繞組 A、B、C和兩相靜止繞組a、B之間的變換;1_232idcosiqsin 甲sini：.cos i 12）兩相-兩相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r變換），兩相靜止繞組a、B到兩相旋轉(zhuǎn)繞組d、q之間的變換2.按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想是什么？通過坐標變換，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標系中，得到等效的直流電動機模型，仿照直流電動機的控制方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈，然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標系中的控制量反變換得到三相坐標系的對應量，以實施控制。由于變換的是矢量，所以可稱做矢量變換，相應的控制系統(tǒng)稱為矢量控制（Vector Control, VC）系統(tǒng)或按轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制（Flux Orientation Control,FOC系統(tǒng)