自动控制系统 复习题目.doc

自动控制系统 复习题目 2010.5.27

1.page25 第7、8题
化简如下所示的控制框图，并求出它们的传递函数。

2.page70 第8题
已知系统的特征方程式如下，要求利用劳斯判据判定系统的稳定性。

3.page70 第10题
某单位负反馈系统的开环传递函数为
当输入 时，求系统的稳态误差。

4.page71 第16题
设系统的开环传递函数如下，绘制系统的BODE图。

一、填充题：
1．将开环调速系统改进为转速负反馈调速系统可降低稳态速降，设闭环系统的开环放大系数为K，则开环系统与闭环系统的稳态速降之为____________。
2．直流电机的调速方法有： 、 、 。
3．数字PI调节器有位置式和________________两种算法，位置式PI调节需要_________限幅和_____________限幅。
4．可逆晶闸管－直流电动机调速系统，有两种静态环流，分别是____________和___________________，α=β配合控制_______（是，否）存在环流。
5．晶闸管－直流电动机调速系统中，若电抗器不足够大，在轻载或空载时，机械特性变______，理想空载转速__________。
6．调速系统的调速范围D=____________，静差率s=__________，两者间的关系______________。
7．比例积分调节器的比例部分的作用是_________________，积分部分的作用是_______________。
8．与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的两个主要特点是______和_______。
9．在可逆V－M调速系统中，正向制动时，________逆变，机械特性在____象限；反向电动时，______整流，机械特性在____象限。
10．实现它励直流电动机平滑连续调速常用两种方法，基速以下采用___________，属于恒______调速方式，基速以上采用______，属于恒______调速方式。
11．双极性直流PWM变换器的占空比ρ=_____，当ρ______时，输出平均电压为正，要使输出平均电压为负，应使_______________。
11、对闭环控制系统的基本要求为 、 、 。
12．拉普拉斯变换的定义式为：L[f(t)]=F(s)=_____________。
13．电流截止负反馈的作用是____________。
14．微机数字控制系统与模拟控制系统相比较，其主要特点是_ 、 。
15．直流双闭环调速系统电动机启动过程的三个阶段分别是 、 、 。
16．为了解决双闭环调速系统的转速超调问题，可在转速调节器上引入 ，可以抑制转速超调并能显著降低动态速降。
17．转速负反馈自动调速系统在运行中如果突然失去速度负反馈，电动机将____________。
18．在电压负反馈加电流正反馈的调速系统中，电流正反馈的作用是为了 。
19．交流异步电机的转速表达式为 ，由此可归纳出交流异步电动机的三类调速方法： 、 、 。
20．交流异步电动机调压调速属于 调速。
21.变频器通常分为间接变频（又叫 变频，其主电路由 、 、 组成）和直接变频（又叫 变频）。
22．闭环调速系统对于________________________的扰动具有抑制作用，而对于___________________的扰动则无能为力。
23．转速、电流双闭环调速系统中，调节_____________的限幅值可以调节系统最大电流；调节__________________的限幅值可以调节UPE的最大输出电压。
24.无静差调速系统中，起到消除偏差作用的环节是 。
25.当系统的机械特性硬度一定时，如要求的静差率s越小，调速范围D 。
26.无环流逻辑控制器中应设立 电平检测器。

二．论述逻辑无环流可逆晶闸管－直流电动机调速系统的由正向电动到反向电动的过程，如何实现电枢电流的反向。

答： 从正向电动到反向电动分别为四个阶段：
1. 正组逆变，电流方向不变
2. 反向电流建立，反组整流，电流方向改变
3. 反组逆变，电流方向与2相同
4. 反向启动阶段，反组整流，电流方向与3相同
在正组切换到反组时，ASR输出极性改变，等电枢电流过零后，经过封锁
延时后，封锁正组脉冲，经开放延时后，开放反组脉冲。

三、下图1为双闭环不可逆直流调速系统原理框图，试回答：
(1)为什么双闭环直流调速系统中使用的调节器均为PI调节器?
(2)画出该双闭环调速系统的稳态结构框图，并根据该框图叙述电流和转速的自动调节过程。
（3）如果我们把输出限幅定为Uctmax，试述在实验中这个限幅值是怎样测定的，其理论依据是什么？
（4）写出电流反馈系数β，转速反馈系数α的表达式。

图1 双闭环不可逆直流调速系统原理框图

解答：
（1）速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。同样，电流调节器若采用P（比例）调节，对阶跃输入也有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI(比例积分)调节。

(2) 该双闭环调速系统的稳态结构框图如下：
-Un
-Ui
U*i +
-IdR
R
Ks
α
1/Ce
n
E
Udo+
Uct
ΔUn
Un*+
β
PI
ASR
PI
ACR
Id
ΔUi

电流调节器ACR为PI调节器，当Ui*为一定时，由于电流负反馈的调节作用，使整流装置的输出电流保持在Ui*/β数值上。
速度调节器ASR也为PI调节器，当Un*为一定值时，转速n将稳定在Un*/α数值上。

（3）直接将DJK04给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“正桥三相全控整流”输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。按下启动按钮，给定电压Ug由零调大，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值Ug＇时，Ud 的波形会出现缺相的现象，这时Ud反而随Ug的增大而减少。一般可确定移相控制电压的最大允许值Uctmax=0.9Ug＇，即Ug的允许调节范围为0～Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。
（4）转速反馈系数α =Ufn/n
电流反馈系数β= Ufi/Id

五.问答题
（1） 如果把调速系统反馈电压的极性接成给定电压极性相同，将产生什么后果？试说明反馈极性对组成闭环自动控制系统的重要性。

（2为什么用积分控制的调速系统是无静差的？

（3）在转速、电流双闭环调速系统中，转速调节器有哪些作用？电流调节器有哪些作用？

(4) 简要叙述与V-M调速相比，PWM调速系统的优点？

（5）请说明调速系统和随动系统的区别？

（6）伺服驱动装置中有哪些调节环节？调节的目的是什么？

（1）反馈极性接反，将使系统变为正反馈系统，系统不稳定，损坏系统。一定要使系统接成负反馈系统，否则后果不堪设想。
（2） 答：采用积分控制可以在调节过程中被调节量的偏差累积起来，稳态时不在靠偏差来维持，因而构成了无静差调速系统。
（3）ASR的作用：a. 使转速n跟随给定电压U n*变化，稳态无静差。
b. 对负载变化起抗扰作用
c. 其输出限幅值Um*由最大电流Idm ,Uim*=ßIdm
ACR的作用：a. 对电网电压波动起及时抗扰作用。
b.起动时保证获得允许的最大电流Idm
c. 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压U i*变化。
（4）与V-M调速相比，PWM调速系统有以下优点：
    （a）采用全控型器件的PWM调速系统，其脉宽调制电路的开关频率高，一般在几kHz，因此系统的频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强。
    （b）由于开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，同时电动机的损耗和发热都较小。
    （c）PWM系统中，主回路的电力电子器件工作在开关状态，损耗小，装置效率高，而且对交流电网的影响小，没有晶闸管整流器对电网的“污染”，功率因数高，效率高。
    （d）主电路所需的功率元件少，线路简单，控制方便。
    目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。

六、已知某调速系统原理图如图1所示:

(1)当移相控制电压为正时，在原理图上标注信号的极性和的极性。
(2)系统起动主要分几个阶段？简要说明每个阶段电流和转速反馈信号各有什么特点。
(3)某原因引起交流电网电压降低，简述系统的调节过程，并回答系统稳定后，各有什么变化？

(2)系统起动时主要分三个阶段：
    第I阶段：电流上升阶段，ASR很快饱和，电流接近
        当后，，但由于电机惯性，上升不快。
    第II阶段：恒流升速
        ASR饱和，转速环开环，恒定，转速恒加速上升。
    第III阶段：转速调节阶段
     开始已达给定值，转速退饱和超调， ，当时，达到最大值，随后回落，进入转速调整阶段。
    (3)当电网电压下降时，电流内环起及时的抗扰作用：转速环也有一定的抗扰作用，达到新的稳态时，不变，不变，变大。

1.什么是可逆直流调速系统？运行方案有几种？最常见的是哪一种方案？
如果一个直流调速系统中，电动机既能正转，又能反转，且在减速和停车时能够产生制动转矩，以缩短制动时间，这样的系统叫做可逆直流调速系统。
运行方案有：a.电枢反接可逆线路；b.励磁反接可逆线路
最常用的方案是电枢反接可逆线路中的两套晶闸管装置反并联可逆线路。

2.无环流逻辑控制器的要求是什么？
要求如下：
a.两组晶闸管进行切换的充分必要条件是，电流给定信号Ui*改变极性和零电流检测器发出零电流信号Uio，这时才能发出逻辑切换指令。
b.发出切换指令后，必须先经过封锁延时td1才能封锁原导通组脉冲；再经过开放延时td2后，才能开放另一组脉冲。
c.在任何情况下，两组晶闸管的触发脉冲决不允许同时开放，当一组工作时，另一组的脉冲必须被封锁住。

3．在图2中画出了双极式可逆PWM变换器的主回路。设电动机的负载较重，回答以下问题：

1) 画出（电枢两端电压）及波形；
2) 计算平均电压及占空比；
3) 如何控制电动机的转速和转向？
4) 如何防止上下两晶体管直通？

工作原理：在一个开关周期内，当时，和为正，晶体管和饱和导通；而和为负，和截止，加在电枢AB两端，。当时，和为负，和截止；和变正，但和并不能立即导通，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征。

（1）见下图
（2）                    
（3）通过调节ton的大小，改变占空比，来改变电动机的转速和转向。
（4）为防止上下两管直通，可用受限单极式可逆PWM电路。

4．请说明调速系统和随动系统的区别？

5．伺服驱动装置中有哪些调节环节？调节的目的是什么？
答：伺服控制系统是典型的“三环”控制系统，即位置环、速度环和电流环。位置环是外环，主要是位置控制；速度环是中环，负责电机速度的调节；电流环是内环，控制电机的电流，调节伺服电机的转矩。

6. 为什么现代交流调速系统的主流是变频调速？在变频调速系统中，为什么要进行电压频率协调控制？通常选用哪两种压频控制方式？当频率变化时，对机械特性有什么影响（用图表示）？它们各适用于什么类型负载？
变频的同时变压，使为恒定，保持带负载能力。
通常选用的压频控制方式有：恒转矩调速、恒功率调速。
· 时为恒转矩调速，适于转矩负载；时，为恒功率调速，适于功率负载。恒转矩与恒功率控制方式时的机械特性如图：

7. 简述交流调压调速的原理。
调压调速就是通过改变定子外加电压来改变电磁转矩Te，从而在一定的输出转矩下达到改变电动机转速的目的。

8. 写出定子绕组感应电动势E和气隙磁场的表达式，分析异步电机变频调速的电压频率协调控制规律，论述基频以下和基频以上，定子电压U、电源频率、气隙磁场的变化规律，在低频时，应作何处理，画出电压频率特性曲线，不同频率的机械特性（画出4条，，其中为低频，为额定频率）。
解答：基频以下：三相异步电动机定子每相电动势有效值为：
常数
由于电机绕组中的电动势难以控制，当Eg较高时，忽略定子电阻和漏磁感抗压降，认为定子相电压U≈Eg,，则有=常数
∴基频以下：Φm恒定，U与f1同时增大或同时减小
低频时适当提高定子电压，近似补偿定子阻抗压降
基频以上：频率从f1N向上升高，因为定子电压U≤UsN，最多只能保持U=UsN
∴频率f1N升高，定子电压U=UsN保持不变，气隙磁通Φm减少，转速升高

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