《电力拖动自动控制系统》第三版陈伯时课后答案.docx
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《电力拖动自动控制系统》第三版陈伯时课后答案
第一章闭环控制的直流调速系统
1－1为什么PWM—电动机系统比晶闸管—电动机系统能够获得更好的动态性能答：
PWM—电动机系统在很多方面有较大的优越性：
（1）主电路线路简单，需用的功率器件少。
（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。
（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：
10000左右。
（4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。
（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。
（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
1－2试分析有制动通路的不可逆PWM变换器进行制动时，两个VT是如何工作的。
答：
在制动状态中，i为负值，VT就发挥作用了。
这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。
这时，先减小控制电压，使U的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电
压U降低。
但是，由于机电惯性，转速和反电动势还来不及变化，因而造成E>U，很快使电流i反向，VD截止，在t≤t＜Ｔ时，U变正，于是VT导通，反向电流沿回路
3流通，产生能耗制动作用。
在T≤t＜Ｔ+t时，VT关断，−i沿回路4经VD续流，向
电源回馈制动，与此同时，VD两端压降钳住VT使它不能导通。
在制动状态中，VT和VT
轮流导通，而VT始终是关断的。
在轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在VT关断后i经VD续流时，还没有达到
周期Ｔ，电流已经衰减到零，这时VD两端电压也降为零，VT便提前导通了，使电流反向，产生局部时间的制动作用。
１－３调速范围和静差率的定义是什么调速范围、静差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叫做调速范围，用字母Ｄ表示，即
D=n
n
其中，n
和n
一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负
载很轻的机械，可以用实际负载时的最高和最低转速。
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，称作静差率s，即或用百分比表示
s=Δn
n
s=Δn×100%
n
在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速n作为最高转速
则s=Δn
n
=Δn
n+Δn
∴n
=Δn
s
−Δn
=（1−s）Δn
s
D=n
n
=nS
Δn（1−S）
由上式可看出调速系统的调速范围、静差速降和最小静差率之间的关系。
对于同一个调
速系统，Δn值一定，如果对静差率要求越严，即要求s值越小时，系统能够允许的调速
范围也越小。
一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范
围。
１－４某一调速系统，测得的最高转速特性为n=1500r/min，最低转速特性为
n=150r/min，带额定负载时的速度降落Δn=15r/min，且在不同转速下额定速降
Δn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
解系统能够达到的调速范围为
D=n
n
=1500
150−15
=11
系统允许的静差率
s=DΔn
n+DΔn
×100%=
11×15
1500+11×15
×100%=10%
１－５某闭环调速系统的调速范围是1500~150r/min，要求系统的静差率s≤2%，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100r/min，则闭环系统的开环放大倍
数应有多大
解因为
s=Δn
n
=Δn
n+Δn
Δn=ns=150×=/min
所以
1−s
1−
因为Δn
=Δn
1+K
Δn100
K=−1=−1=
所以Δn
1－6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8r/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
（1）因为
Δn=RI
C（1+K）
C
所以RI=Δn（
1+K）=8×（1+15）=128
RI128
则Δn
===/min
C（1+K）
1+30
（2）由
D=nS
Δn（1−S）
，可知在s和n
不变的情况下，D只与Δn有关
调速范围扩大倍。
1－7某调速系统的调速范围D=20，额定转速n=1500r/min，开环转速降落
Δn=240r/min，若要求系统的静差率由10%减少到5%，则系统的开环增益将如何变
化
解；当s=10%时，Δn=
ns
=1500×
=/min
D（1-s）
Δn
20×（）
240
此时K=−1=−1=
当s=5%时，
Δn
Δn=
ns=
1500×
=/min
Δn
D（1-s）
240
20×（）
此时K=−1=−1=
Δn
则若要求系统的静差率由10%减少到5%，则系统的开环增益将变大。
1—8转速单闭环调速系统有那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：
（1）转速单闭环调速系统有以下三个基本特征
①只用比例放大器的反馈控制系统，其被被调量仍是有静差的。
②反馈控制系统的作用是：
抵抗扰动，服从给定。
扰动性能是反馈控制系统最突出的特征之一。
③系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。
（2）改变给定电压会改变电动机的转速，因为反馈控制系统完全服从给定作用。
（3）如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比或测速发电机的励磁发生了变化，它不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。
反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。
1—9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：
当电网电压发生变化时，系统对其有调节能力。
因为电网电压是系统的给定反馈控制系统完全服从给定。
负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻变化时系统对其有调节能力。
因为他们的变化最终会影响到转速，都会被测速装置检测出来。
再通过反馈控制作用，减小它们对稳态转速的影响。
测速发电机励磁各量发生变化时，它不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。
反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。
1—10有一V—M调速系统。
电动机参数为：
P=，U=220V，I=12.5A，
n=1500r/min，电枢电阻R=Ω，整流装置内阻R=Ω，触发整流环节的放
大倍数K=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Δn和调速要求所允许的闭环静态速降Δn。
（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框图。
（3）调整该系统参数，使当U=15V时，I=I，n=n，则转速负反馈系数α应该是
多少
（4）计算放大器所需的放大倍数。
解：
（1）先计算电动机的电动势系数
C=U−IR
n
=220−×=⋅min/r
1500
则开环系数额定速降为
（+）
Δn
=IR=×
=/min
额定负载时的稳态速降应为
Δn=
ns
≤1500×
=/min
D（1-s）
20×（）
（2）系统的静态结构框图如下所示
U+
U
∆U
K
U
KK
U
+
-IR
En
1/C
-U
α
转速负反馈系统的原理图
U
+
+n
U
∆U
--
U
AUGT
+
I
U
I
UPEUM
+
-
U
-U+-
+
U
-tg
n
+
TTG
-
（3）当U=15V
时，I=I，n=n，则转速负反馈系数α应该是
α=U
=U=15
=
nn
（4）闭环系统的开环放大系数应为
1500
Δn
K=−1=−1=
Δn
运算放大器所需的放大倍数
K=
K
αK/C
=
×35/
=
1—11在题1-10的转速负反馈系统中增设电流截止环节，要求堵转电流I≤2I，临界
截止电流I≥，应该选用多大的比较电压和电流反馈采样电阻要求电流反馈采样
电阻不超过主电路总电阻的1/3，如果做不到，需要增加电流反馈放大器，试画出系统的原
理图和静态结构框图，并计算电流反馈放大系数。
这时电流反馈采样电阻和比较电压各为多少
R
U+
I=
U
≤2I
解：
因为
I=U
≥I
R
且U=15V，计算可得R
=Ω，U
=
U+
I=
U
≤2I
R
I=U
≥I
KR
1—12某调速系统原理图如图1-58所示，已知数据如下：
电动机；P=18kW，U=220V，
I=94A，n=1000r/min，R=Ω，整流装置内阻R=Ω，触发整流环节
的放大倍数K=40。
最大给定电压U=15V，当主电路电流达到最大值时，整定电流
反馈电压U=10V
设计指标：
要求系统满足调速范围D=20，静差率s≤10%，I=，。
I=。
试画出系统的静态结构框图，并计算：
（1）转速反馈系数α。
（2）调节器放大系数K。
（3）电阻R的数值。
（放大器输入电阻R=20kΩ）
（4）电阻R的数值和稳压管VS的击穿电压值。
解：
（1）转速负反馈系数α应该是
α=U
=U=15
=
nn
1000
（2）先计算电动机的电动势系数
C=U−IR
n
=220−94×=⋅min/r
1000
则开环系数额定速降为
（+）
Δn
=IR=94×
C
=/min
Δn=
ns
≤1000×
=/min
D（1-s）
20×（）
闭环系统的开环放大系数应为
Δn
K=−1=−1=
Δn
运算放大器所需的放大倍数
K=
K
αK/C
=
×40/
=
1—13在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数发生变化时系统是否有调节作
用，为什么
（1）放大器的放大系数K；
（2）供电电网电压；
（3）电枢电阻R；
（4）电动机励磁电流；
（5）电压反馈系数γ。
答：
在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当放大器的放大系数K发生变化时系统有调
节作用再通过反馈控制作用，因为他们的变化最终会影响到转速，减小它们对稳态转速的影响。
电动机励磁电流、电枢电阻R发生变化时仍然和开环系统一样，因为电枢电阻处于反馈环外。
当供电电网电压发生变化时系统有调节作用。
因为电网电压是系统的给定反馈控制系统
完全服从给定。
当电压反馈系数γ发生变化时，它不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的
误差。
反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。
1-13有一个V—M系统，已知：
电动机：
P=，U=220V，I=15.6A，
n=1500r/min，R=Ω，整流装置内阻R=1Ω，触发整流环节的放大倍数
K=35。
（1）系统开环工作时，试计算调速范围D=30时的静差率s值。
（2）当D=30，s=10%，计算系统允许的稳态速降。
（3）如组成转速负反馈有静差调速系统，要求D=30，s=10%，在U=10V时，
I=I，n=n，计算转速负反馈系数α和放大器放大系数K。
（4）如将上述调速系统改为电压负反馈有静差调速系统，仍要求U=10V时，
I=I，n=n并保持系统原来的开环放大系数K不变，试求在D=30时静
差率。
解：
（1）系统开环工作时，
C=U−IR
n
=220−×=⋅min/r
1500
则开环系数额定速降为
（+1）
Δn
=IR=×
=/min
DΔn
30×
则s=×100%=×100%=%
n+DΔn
1500+30×
（2）当D=30，s=10%，系统允许的稳态速降
Δn=
ns
=1500×
=/min
D（1-s）
30×（）
（3）当U=10V
时，I=I，n=n
，则转速负反馈系数α应该是
α=U
=U=10
=
nn
1500
闭环系统的开环放大系数应为
Δn
K=−1=−1=
Δn
运算放大器所需的放大倍数
K=
K
αK/C
=
×35/
=
（4）在电压负反馈有静差调速系统中，开环与闭环的速降是一样的，
所以Δn=Δn=/min
s=DΔn
n+DΔn
×100%=
30×
1500+30×
×100%=%
1-15在题1-10的系统中，若主电路电感L=50mH，系统运动部分的飞轮惯量
GD=⋅m，整流装置采用三相零式电路，试判断按题1-10要求设计的转速负
反馈系统能否稳定运行如果保证系统稳定运行，允许的最大开环放大系数K是多
少解：
计算系统中各环节的时间常数：
L
电磁时间常数
T===
R+
机电时间常数
GDR
T=375CC
=×+
375××30×
π
=
三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为
T=
为保证系统稳定，开环放大系数应满足的稳定条件：
T（T+T）+T
×++
K<=
TT
×
=
因为>,所以该系统不可以稳定运行,
如果保证系统稳定运行，允许的最大开环放大系数K最大为.
1-16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ΔU=0时，调节器的输出电压是多少它取决于那些因素答；在动态过程中，当ΔU变化时，只要其极性不变，积分调节器的输出U便一直增长；
只有达到U=U,ΔU=0时，U才停止上升；不到ΔU变负，U不会下降。
当ΔU=0
时，U并不是零，而是一个终值；如果ΔU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ΔU=0，但历史上有过ΔU，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。
1-17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
度的影响并说明理由。
答：
系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。
因此转速的稳态精度还受给定电源和测速发电机精度的影响。
1-18采用比例积分调节器控制的电压负反馈调速系统，稳态运行时的速度是否有静差为什么试说明理由。
答：
采用比例积分调节器控制的电压负反馈调速系统，稳态运行时的速度是无静差的。
电压负反馈实际是一个自动调压系统，只有被包围的电力电子装置内阻引起的稳态速降被减小到1/（1+K），它的稳态性能比带同样放大器的转速负反馈系统要差。
但基本控制原理与转速负反馈类似。
它与转速负反馈一样可以实现无静差调节。
第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法
2-1在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速，应调节什么参数改变转速调节器的放大倍数K行不行改变电力电子变换器的放大倍数K行不行改变
转速反馈系数α行不行若要改变电动机的堵转电流，应调节系统中的什么参数
答：
双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系
U=U=αn=αn
因此转速n是由给定电压U决定的；改变转速反馈系数也可以改变电动机转速。
改变转
速调节器的放大倍数K和电力电子变换器的放大倍数K
不可以。
2-2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都是零
转速调节器ASR的输出限幅电压U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U限制了电力电子变换器的最大输出电压U。
2-3如果转速、电流双闭环调速系统中的转速调节器不是PI调节器，而改为P调节器，对
系统的静、动态性能将会产生什么影响
答：
改为P调节器时其输出量总是正比于输入量，PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关而是由它后面环节的需要决定的。
2-4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）转速、电流双闭环调速系统在稳态工作点上，转速n是由给定电压U决定的。
ASR的输出量U*i是由负载电流IdL决定的。
控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于U和IdL。
双闭环调速系统的稳态参数计算是和无静差系统的稳态计算相似。
带电流截止环节的转速单闭环调速系统静态特性特点：
电流负反馈的作用相当于在主电
路中串入一个大电阻KpKsRs，因而稳态速降极大，特性急剧下垂；比较电压Ucom与给定电压Un*的作用一致，好象把理想空载转速提高了。
这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。
（2）
（3）双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：
饱和非线性控制、转速超调、准时间最优控制。
（4）由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器
ASR来产生抗负载扰动的作用。
在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。
（5）在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环
节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。
双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。
2-5在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器均采用PI调节器。
当系统带额定负载运
行时，转速反馈线突然断线，系统重新进入稳态后，电流调节器的输入偏差电压ΔU是否
为零为什么
2-6在转速、电流双闭环调速系统中，转速给定信号U未改变，若增大转速反馈系数α，
系统稳定后转速反馈电压U是增加还是减少为什么
2-7在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器ASR、ACR均采用PI调节器。
已知参
数：
电动机：
P=,U=220V,I=20A,n=1000r/min，电枢回路总电阻
R=Ω，设U=U=U=8V，电枢回路最大电流I=40A，电力电子变换器的
放大系数K=40。
试求：
（1）电流反馈系数β和转速反馈系数α；
（2）当电动机在最高速发生堵转时的U、U、U、U值。
解：
（1）稳态时
因为I
U
=
β
所以β=U=
I
8=/A
40
U
α=
n
=8
1000
=⋅min/r
（2）电动机在最高速发生堵转时n=0
U=Cn+IR=40×=60V
U
=−U=βI=8V
U=8V
U=U=60=
K40
2-8在转速、电流双闭环调速系统中，调节器ASR、ACR均采用PI调节器。
当ASR输出
达到U=8V时，主电路电流达到最大电流80A。
当负载电流由40A增加到70A时，试问：
（1）U应如何变化
（2）U应如何变化
（3）U值由哪些条件决定
2-9在转速、电流双闭环调速系统中，电动机拖动恒转矩负载在额定工作点正常运行，现因某种原因使电动机励磁电源电压突然下降一半，系统工作情况将会如何变化写出U、
U、U、I及n在系统重新进入稳定后的表达式。
2-10某反馈控制系统已校正成典型I型系统。
已知时间常数T=，要求阶跃响应超调量
σ≤10%。
（1）求系统的开环增益；
（2）计算过度过程时间t和上升时间t；
（3）绘出开环对数幅频特性。
如果要求上升时间t<，则K=，σ=
2-11有一个系统，其控制对象的传递函数为W
（s）=K=10
，要求设计一个
τs+1+1
无静差系统，在阶跃输入下系统超调量σ≤5%（按线性系统考虑）。
试对该系统进行动态
校正，决定调节器结构，并选择其参数。
2-12有一个闭环系统，其控制对象的传递函数为W
（s）=
K=
s（Ts+1）
10
s+1）
，要求
校正为典型II型系统，在阶跃输入下系统超调量σ≤30%（按线性系统考虑）。
试决定调节
器结构，并选择其参数。
2-13调节对象的传递函数为W
（s）=
18
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