最新本科运动控制系统习题及答案 精品.docx

1、最新本科运动控制系统习题及答案 精品一、复习：直流调速系统问题1-1：电机的分类？ 发电机（其他能电能）直流发电机 交流发电机 电动机（电能其他能） 直流电动机： 有换向器直流电动机（串励、并励、复励、他励）无换向器直流电动机（又属于一种特殊的同步电动机） 交流电动机：同步电动机异步电动机：鼠笼式 绕线式 ： 伺服电机旋转变压器控制电机 自整角机力矩电机测速电机步进电机（反应式、永磁式、混合式）问题1-2：衡量调速系统的性能指标是哪些？ 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。

2、和负载匹配情况：一般要求：恒功率负载用恒功率调速，恒转矩负载用恒转矩调速。问题1-3：请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点，并说明今后电力传动系统的发展的趋势.* 直流电机调速系统优点：调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好。缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。* 交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。缺点：调速性能比直流

3、电机差。* 发展趋势：用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能；或采用同步电机调速系统.问题1-4：直流电机有哪几种？直流电机调速方法有哪些?请从调速性能、应用场合和优缺点等方面进行比较. 哪些是有级调速？哪些是无级调速？直流电动机中常见的是有换向器直流电动机，可分为串励、并励、复励、他励四种，无换向器直流电动机属于一种特殊的同步电动机。根据直流电机的转速公式，调速方法有变压调速、变电阻调速和变转差率调速。调压调速：调节电压供电电压进行调速，适应于：UUnom，基频以下，在一定范围内无级平滑调速。弱磁调速：无级，适用于nom，一般只能配合调压调速方案，在基频以上(即电

4、动机额定转速以上)作小范围的升速。变电阻调速：有级调速。变转差率调速：无级调速。问题1-5：带有比例调节器的单闭环直流调速系统，如果转速的反馈值与给定值相等，则调节器的输出为（ A ）A、零； B、大于零的定值C、小于零的定值； D、保持原先的值不变问题1-6：什么是调速范围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。问题1-7：直流调速系统用的可控直流电源有：旋转变流机组（G-M系统）、静止可控整

5、流器（V-M系统）、 直流斩波器和脉宽调制变换器（PWM）。名词解释1-8： G-M系统 V-M系统 PWM PFM 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

6、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 PFM脉冲频率调制(PFM)，晶闸管工作

7、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；晶闸管的导通时间不变，只改变开关频率f或开关周期T（即调节晶闸管的关断时间t0ff）就可以调节电机电压，从而进行调速。问题1-9：哪些是控制系统的稳态性能指标、稳定性指标和动态性能指标？1 稳态性能指标是：调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin和静差率S=nnom/n0*100%2 稳定性指标：柏德图（对数幅频特性和对数幅频特性）典型型系：对数幅频特性以20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只有保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量。=90 -tg-1 cT 45典型型系统

8、：对数幅频特性以20dB/dec的斜率穿越零分贝线。=180-180+tg-1c-tg-1cT=tg-1c-tg-1cT 动态性能指标分跟随性能指标和抗扰性能指标：跟随性能指标 上升时间：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值所经过的时间（有些教材定义为10%-90%） 超调量：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏移量与稳态值之比。 调节时间：又称过度过程时间原则上是系统从给定量阶跃变化到输出量完全稳定下来的时间。一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取5%（或2%）的范围作为允许误差。抗扰性能指标：动态降落：在系统稳定时，突加一个约定的标准的扰动量，在过度过程中

9、引起的输出量最大降落值。恢复时间：从阶跃扰动作用开始，到输出量基本恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准量的5% （或2%）范围之内所需的时间。问题1-10：转速、电流双闭环调速系统的起动过程特点是 、 和 。 饱和非线性控制ASR饱和，转速环开环，恒值电流调节的单闭环系统；ASR不饱和，转速环闭环，无静差调速系统. 准时间最优控制：恒流升速可使起动过程尽可能最快. 转速超调：只有转速超调才能使ASR退饱和.问题1-11：转速、电流双闭环调速系统中，转速环按典型 型系统设计，抗扰能力 强 ，稳态 无静差 。电流环按典型 型系统设计，抗扰能力 稍差 ，超调 小 。问题1-12：无静差调速系统的PI调

10、节器中P部份的作用是（D）A、消除稳态误差； B、不能消除稳态误差也不能加快动态响应C、既消除稳态误差又加快动态响应；D、加快动态响应问题1-13：转子位置检测的方法有哪几种？选择其中12种进行论述它们的工组原理和特点及其应用场合？ 自整角机(角位移传感器，成对应用：发送机与指令轴相连，接收机与执行轴相连) 旋转变压器(一种特制的两相旋转电机，在定子和转子上各有两套在空间上完全正交的绕组。当转子旋转时，输出电压与转子角呈一定的函数关系，主要作角度传感器)。 感应同步器(圆形感应同步器用来测角位移，用于转台(立式车床)的角度数字显示和精确定位。直线式形感应同步器用来测直线位移，安装在具有平移运动

11、的机床上( 式车床)，用来测量刀架的位移并构成闭环系统。 光电编码盘分增量式绝对式两种（增量式光电编码盘实际是一个光电脉冲发生器和一个可逆计算器）（绝对式光电编码盘则是通过读取码盘的图形来表示轴的位置，码制可选二进制、二-十进制（BCD码）、和循环码（格雷码）同轴齿轮在电机位置检测是应用较多。具体工作原理见(陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社)P154-163问题1-14：什么是检测误差、原理误差和扰动误差？哪些无法克服？哪些能克服？ 检测误差：由检测产生的误差，它取决于检测元件本身的精度，位置随动系统中常用的位置检测元件如自整角机、旋转变压器、感应同步器等都有一定的精度等级，系

12、统的精度不可能高于所用位置检测元件的精度。检测误差是稳态误差的主要部分，这是系统无法克服的。 原理误差：又称系统误差，它是系统自身的结构形式、系统特征参数和输入信号的形式决定的，型系统只对位置输入是无静差的随动系统（一阶无差系统）；型系统对位置输入和速度输入都是无静差的随动系统（二阶无差系统）。 扰动误差分负载扰动、系统参数变化、噪声干扰三种。* 负载扰动（恒值负载扰动和随机性负载扰动），在抵抗负载扰动能力方面，型系统比型系统好。* 系统参数变化（放大器零漂、元件老化、电源电压波动等）负载扰动和系统参数变化都作用在系统的前向通道上，可通过闭环予以抑制。* 噪声干扰（经检测装置混入系统，一般多为

13、高频成分，其频谱与输入信号频谱不重叠，可滤除，但影响快速性和系统动态精度）问题1-15：位置随动系统解决的主要问题是什么？试比较位置随动系统与调速系统的异同。 位置随动系统解决的主要问题是实现执行机构对位置指令（给定量）的准确跟踪。随动系统一般称伺服系统 位置随动系统与调速系统的相同点：两者的控制原理相同，它们都是反馈控制系统，即通过对系统的输出量与给定量进行比较，组成闭环控制。 位置随动系统与调速系统的相异点：调速系统的给定量是恒值，不管外界扰动情况如何，希望输出能够稳定，因此系统的抗扰性能显得十分重要。位置随动系统中的位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟踪给定量的变化，输

14、出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置随动系统的主要特征。位置随动系统在结构上往往比调速系统复杂一些。位置随动系统可以在调速系统的基础上增加一个位置环，位置环是位置随动系统的主要结构特征。问题1-16：什么是串联校正、并联校正和复合控制？试举例说明它们的使用场合。 串联校正（调节器校正），采用PID校正的单位置环随动系统，可以得到较高的截止频率和对给定信号的快速响应，结构简单。由于不使用测速机，从而排除了测速机带来的干扰，但反过来又使摩察、间隙等非线性因素不能很好地受到抑制。负载扰动也必须通过位置环进行调节，没有快速的电流环及时补偿而使动态误差增大。同时PID调节器是采用比例微分超前作用来对消

15、调节对象中的大惯性，属于串联校正，常会因放大器的饱和而削弱微分信号的补偿强度，还会因控对象参数变化而丧失零极点对消的效果。因此单位置环的随动系统仅适用于负载较轻，扰动不大，非线性因素不太突出的场合。 并联校正在调速系统中引入被调量的微分负反馈是一种很有效的并联校正，在随动系统中经常采用这种并联校正，有助于抑制振荡、减小超调，提高系统的快速性。在位置随动系统中转速微分负反馈的并联校正比转速反馈的并联校正好，因为它不需增大K1就可以保证原有的稳态精度，而快速性同样可以得到一定程度的提高，只受到小时间常数及测速发电机信号中噪声干扰的限制。 复合控制当随动系统输入信号的各阶导数可以测量或者可以实时计算

16、时，利用输入信号的各阶导数进行前馈控制构成前馈控制（开环控制）和反馈控制（闭环控制）相结合的复合控制，也是一种提高系统稳态和动态品质指标的有效途径。二、回顾：交流调速系统问题2-1：交流调速技术引起人们广泛重视的原因是什么?交流电动机优点，20世纪30年代，交流调速系统存在问题，70年代电子技术发展，高性能交流调速技术的不断涌现：矢量变换控制、直接转矩控制、无速度传感器控制系统、数字化技术等，非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等新的控制策略不断推进。问题2-2：简述异步电机的工作原理。三相异步电动机的定子通入对称三相电流产生旋转磁场 与静止的转子有相对运动 产生感应电动势 转子导

17、体有感应电流 转子导体带电导体在磁场中受电磁力的作用 两边同时受到电磁力的作用，产生电磁力矩 转子转动 带动生产机械运动。问题2-3：设异步电动机运行时，定子电流的须率为f1，试问此时定子磁势F1、转子磁势F2是多少？请画出异步动电机的等效电路，并按频率折算(折算前后磁动势不变)和绕组折算(折算前后电机内部的电磁性能和功率不变)对相关参数进行折算，最后得出T形效电路。问题2-4：请写出异步电动机的电磁关系。定子输入功率： P1= Pm+ Pcu1+ Pfe 定子铜耗：Pcu1=3I12R1 定子铁耗： PFe= PFe1=3I12R1 转子铜耗：Pcu2=3I22R2电磁功率： Pm = Po

18、ut + Pcu2 机械损耗：Ps 附加损耗： Pf轴上输出功率： Pout = P2 + Ps + Pf 输出功率： P2问题2-5：常用的异步电动机调速有哪些？哪些属于转差功率消耗型？哪些属于转差功率不变型？哪些属于转差功率回馈型？ 异步电动机调速方法有：降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速、串级调速、变极调速、变频调速等。 降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速属于转差功率消耗型 串级调速属于转差功率回馈型 变极调速、变频调速属于转差功率不变型。问题2-6：变极调速方法对笼型与绕线式电动机是否都适用，为什么?变极调速只适合于本身具备改变极对数的笼型电动机（双速电动机、三速和四速电动

19、机），它们可以通过改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成调速，绕线式电动机一般采用转子传电阻或串级调速。问题2-7：采用改变电动机极对数的方法调速时，改变极对数时，是否只需改变电动机定子绕组的联结方式就可以了，还需要注意什么问题？采用改变电动机极对数的方法调速时，改变极对数时，除了需要改变电动机定子绕组的联结方式外，还应注意保持电源的相序不变，即：要对调电源端子。如：变极前：A0 B240 C480（120）变极后：A0 B120 C240与变极前不一致。应对调B、C两相，以保证变极前后的电源相序一致。问题2-8：请简述交流异步电动机变极调速的工作原理，并说明其特点和应用场合。变极调速是通

20、过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成的（双速电动机、三速和四速电动机）这种改变极对数来调速的笼型电动机，通常称为多速感应电动机或变极感应电动机。 缺点：有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。特点：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平 滑调速特性。变极调速适合于：按24档固定调速变化的场合，（不需要无级调速的生产机械），如金属切削机床、升降机、起重设备、风

21、机、水泵等。问题2-9：晶闸管交流调压调速系统中，对触发脉冲有何要求，为什么？晶闸管交流调压调速系统中，要求用宽脉冲、双窄脉冲或脉冲列触发，以保证可靠换流，防止直通。晶闸管是半控器件，只需要用脉冲触发其导通，不需要控制其关断。问题2-10：请简述交流异步电动机定子调压调速的工作原理，并对三种常用的调压方法进行说明。当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源。目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：调压调速线路简单，易实现自动控制。调压过程中转差功率以发

22、热形式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。 通过改变自耦变压器变比，来改变电机电压，从而进行调速。 通过改变直流励磁电流来控制铁心的饱和程度，改变交流电抗值，改变电机电压，实现降压调速。饱和，交流电抗小，电机定子电压高。 通过控制晶闸管的导通角，来调节电动机的端电压，从而进行调速。问题2-11：在交流异步电动机变压调速系统中，怎样解决调速范围小和机械特性软的问题？在交流异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，械特性曲线软，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动

23、机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。 为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。问题2-12：交流调速的主要应用领域有哪些？ 已普及国民经济各部门的传动领域： 冶金机械 轧钢机主传动（大容量、低转速、过载能力强，交交变频调速取代直流调速。 高炉热风炉鼓风机。 机车牵引：电气机车、电动机车等（不消耗汽油、不排废气、噪声小，将燃油机车改电动机车）。 数控机床：主传动（调速范围宽、静差率小）、进给传动（输出转矩大、动态响应好、定位精度高）采用交流传动，异步电动机或同步电动机取代直流电动机。 矿井提升机：交交变频电源供电（优良的

24、调速性能和位置控制以获得平稳、安全的制动运行，消除失控现象，提高可靠性。 起重、装卸机械：环境恶劣、频繁迅速启动和调速。 原子能及化工设备：使用条件恶劣要求调速范围宽。 建筑电气设备：空调系统、电梯传动、供水系统等。 纺织、食品机械：纺织卷绕机、肉类搅拌机等。问题2-13：请简述自耦调压器调速的工作原理，并说明其优缺点。在交流异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，通过改变自耦变压器变比，来改变电机电压，从而进行调速。自耦调压器调速可以实现无级调速，但启动转矩也与电压平方成正比，因而只能适合空载启动或者轻载启动。自耦调压器调速结构简单，但性能指标和经济指标都不高，常用于特殊

25、效功率场合。问题2-14：请简述串饱和电抗器调压调速的工作原理，并说明其优缺点。在交流异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，通过改变直流励磁电流来控制铁心的饱和程度，以改变串接在定子回路中的交流电抗值，从而调节电机定子绕组上得到的电压，实现降压调速。如铁心饱和，交流电抗小，电机定子电压高，电机升速。反之则电机减速。串饱和电抗器调压调速控制简单，但电磁装置太笨重。问题2-15：请简述晶闸管调压调速的工作原理，并说明其优缺点。画出几种晶闸管主电路的连接方法，指出他们各自的特点。在交流异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，通过控制晶闸管的导通角，来调节电动

26、机的端电压，从而进行调速。优点：维护方便，噪声小，可以四象限运行。缺点：电网输入电压为正弦波，但输出电压不为正弦波，谐波大，功率因素低，机械特性软。解决办法：采用闭环系统。 三相分支双向控制绕组Y连接：特点：用双脉冲或者宽60脉冲触发晶闸管SCR，输出含有奇次谐波，绕组Y连接。如电机绕组带中线，可消取三次谐波电流，但仍然存在其他次谐波，产生脉动转矩和附加损耗。与其它接法相比，此接法谐波分量最小。 三相分支双向控制绕组连接：特点：用双脉冲或者宽60脉冲触发SCR，输出含有奇次谐波，绕组连接。有其它的高次谐波，产生脉动转矩和附加损耗。 三相分支单向控制绕组Y连接：特点：每一相制用一个用晶闸管和一个

27、二极管反并联，可以降低成本，但各相波形不对称，输出含有偶次谐波，降低了运行性能，所以只用于小容量装置。 三相形双向控制绕组连接特点：晶闸管串接在相绕组回路中，在同等容量下，晶闸管承受的电压高而电流小，适合于电机绕组连接的情况。 三相零点连接，单向控制特点：电路简单，晶闸管放在负载后面，可以减小电网浪涌电压对它的冲击，但因为是单向控制奇次、偶次谐波都存在，运行效率稍低。只适合于小容量电机。问题2-16：请简述转差离合器调压调速的工作原理，并说明其优缺点。电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。 电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。 电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动； 磁

28、极用联轴节与负载轴对接称从动部分 当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点：装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；调速平滑、无级调速；对电网无谐影响；速度失大、效率低。本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。 问题2-17：请简

29、述绕线式异步电动机转子串电阻调速的工作原理，并说明其优缺点。绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行，串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。三、 交流异步电动机变频调速的理论基础m =K问题3-1：在电动机调速时，为什么要保持每极磁通量为额定值不变？对直流电机和交流异步电机，分别采用什么方法使电机每极的磁通恒定？异步电机的气隙磁链在每相定子中的感应电动势Eg=4.44f1N1kN1m 如果使Eg/f1=K，则可使气隙磁链保持不变，以便实现恒转矩调速（恒磁通调速）。要保持直

30、流电机的磁通恒定，因为其励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，容易做到保持磁通恒定。要保持交流异步电机的磁通恒定，必须采用恒压频比控制。问题3-2：交流异步电动机的恒压频比控制有哪三种方式？试就其实现难易程度、机械特性等方面进行比较。Eg/f1=K，气隙磁链在每相定子中的感应电动势/输入频率为恒值，机械特性非线性，难实现，加定子电压补偿的目标，改善低速性能。Tmax，Dnm与频率无关，机械特性平行，硬度相同，类似于直流电动机的降压调速，属于恒转矩调速。U1/f1=K，定子相电压/输入频率为恒值，U1定子相电压，机械特性非线性，易实现。f1接近额定频率时，Tmax变化不大，f1的降低，Tm

31、ax变化较大，在低速时甚至拖不动负载。实际上U1/f1=常数，由于频率很低时定子电阻损耗相对较大，不可忽略，故必须进行定子电压补偿。E2/f1=K，转子磁链在每相定子中的感应电动势/输入频率为恒值，E2转子磁链在每相定子中的感应电动势（忽略转子电阻损耗）转子磁链恒值，机械特性线性，稳态性能和动态性能好，最难实现。这是矢量控制追求的目标。问题3-3：交流异步电动机变频调速系统在基速以上和基速以下分别采用什么控制方法，磁通、转矩、功率呈现怎样的变化规率？并请用图形表示。恒磁通调速（基频以下）U1/f1=常数，并补偿定子电阻损耗。恒功率调速（基频以上）升高电源电压时不允许的，在频率上调时，只能保持电压不变。 频率越大，磁通就越小，类似于直流电动机的弱磁