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, 为负值, 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
di 2VT
1gU 的正脉冲变窄,负脉冲变宽,从而使平均电枢电
压 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 ,很
快使电流 反向, 截止,在
dU dE U>
di 2VD ont t≤ <T时, 2gU 变正,于是 导通,反向电流沿回路
3 流通,产生能耗制动作用。在 <T+ 时, 关断,
2VT
T t≤ ont 2VT di− 沿回路 4 经 续流,向
电源回馈制动,与此同时, 两端压降钳住 使它不能导通。在制动状态中, 和
轮流导通,而 始终是关断的。
1VD
1VD 1VT 2VT 1VT
1VT
在轻载电动状态,这时平均电流较小,以致在 关断后 经 续流时,还没有达到
周期T,电流已经衰减到零,这时 两端电压也降为零, 便提前导通了,使电流反向,
产生局部时间的制动作用。
1VT di 2VD
2VD 2VT
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
max
min
nD
n
= 其中, 和 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。
maxn minn
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
0
Nns
n
Δ=
或用百分比表示
0
100%Nns
n
Δ= ×
?
?
?
?
?
w
w
w
.k
h
d
a
w
.c
o
m
在直流电动机变压调速系统中,一般以电动机的额定转速 作为最高转速 Nn
则
0 min
N N
N
n ns
n n n
Δ Δ= = + Δ
min
(1 )N N
N
n sn n
s s
Δ − nΔ∴ = −Δ =
max
min (1 )
N
N
n n SD
n n
= =
SΔ −
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, 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。
NnΔ
1-4 某一调速系统,测得的最高转速特性为 max 1500 / minOn r= ,最低转速特性为
,带额定负载时的速度降落min 150 / minOn r= 15 / minNn rΔ = ,且在不同转速下额定速降
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? NnΔ
解 系统能够达到的调速范围为
max
min
1500 11
150 15
nD
n
= = =−
系统允许的静差率 11 15100% 100% 10%
1500 11 15
N
N N
D ns
n D n
Δ ×= × = × =+ Δ + ×
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 ,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?
2%s ≤
解 因为
0 min
N N
N
n ns
n n n
Δ Δ= = + Δ
所以
min 150 0.02 3.06 / min
1 1 0.02N
n sn r
s
×Δ = = =− −
因为
1
op
cl
n
n
K
ΔΔ = +
?
?
?
?
?
w
w
w
.k
h
d
a
w
.c
o
m
所以
1001 1 31.7
3.06
op
cl
n
K
n
Δ= − = − =Δ
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 cl
e
n
C
Δ = dRI(1+K)
所以 cl
e
n
C
= Δ ×dRI (1+K)=8(1+15)=128
则 128 4.13 / min
1 30cl e
n r
C
Δ = = =+
dRI
(1+K)
(2) 由
(1 )
N
N
n SD
n S
= Δ − ,可知在 s 和 不变的情况下,D 只与Nn NnΔ 有关
调速范围扩大 1.94 倍。
1-7 某调速系统的调速范围 D=20,额定转速 1500 / minNn r= ,开环转速降落
,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?
240 / minNopn rΔ =
解; 当 s=10%时, 8.33 / min
20
N
N
n sn r
D
×Δ = = =×
1500 0.1
(1-s) (1-0.1)
此时 2401 1 27.8
8.33
op
cl
n
K
n
Δ= − = − =Δ
当 s=5%时, 3.95 / min
20
N
N
n sn r
D
×Δ = = =×
1500 0.05
(1-s) (1-0.05)
此时 2401 1 59.8
3.95
op
cl
n
K
n
Δ= − = − =Δ
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。
?
?
?
?
?
w
w
w
.k
h
d
a
w
.c
o
m
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: 2.2 220N NP kW U V= =, , 12.5NI A= ,
, 电枢电阻1500 / minNn r= 1.2aR = Ω,整流装置内阻 1.5recR = Ω,触发整流环节的放
大倍数 。要求系统满足调速范围 D=20,静差率35sK = 10%s ≤ 。
(1)计算开环系统的静态速降 和调速要求所允许的闭环静态速降 。 opnΔ clnΔ
(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 时,15nU V∗ = d NI I= N,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
220 12.5 1.2 0.1367 min/
1500
12.5 246.9 / min
N N a
e
N
N
e
U I RC V
n
I R r
C
− − ×= = = ⋅
×Δ = = =op
则开环系数额定速降为
(1.2+1.5)n 0.1367
r
额定负载时的稳态速降应为
8.33 / min
20
Nn s r
D
×Δ = ≤ =×cl
1500 0.1n (1-s) (1-0.1)
(2) 系统的静态结构框图如下所示
?
?
?
?
?
w
w
w
.k
h
d
a
w
.c
o
m
Kp Ks
α
1/Ce
U*n Uc ∆Un E n Ud0
Un
+
+
- IdR
-
Un
Ks
转速负反馈系统的原理图
+
-
A GT M
TG
+
-
+
-
+
-
Utg
Ud
Id
n
+
-
-
+ Un
∆Un
U*n
Uc UPE
+
-
M
T
Id
Un
UdUcU
n
tg
( 3 ) 当 时,15nU ∗ = V d NI I= N,n=n ,则转速负反馈系数 α 应该是
15 0.01
1500
n n
N
U U
n n
α
∗ ∗
= = = =
(4)闭环系统的开环放大系数应为
246.91 1 28.64
8.33
op
cl
n
K
n
Δ= − = − =Δ
运算放大器所需的放大倍数
28.64 11.19
/ 0.01 35 / 0.1367P S e
KK
K Cα= = =×
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 2dbl NI I≤ ,临界
截止电流 1.2dcr NI 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?
?
?
?
?
?
w
w
w
.k
h
d
a
w
.c
o
m
解:因为
2
1.2
n com
dbl N
S
com
dcr N
S
U UI I
R
UI I
R
∗ += ≤
= ≥
且 =15V,计算可得∗nU 1.5 22.5sR V= Ω =com,U
2
1.2
n com
dbl N
S
com
dcr N
S
U UI I
R
UI 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; 18NP kW= , 220NU V= ,
,94 1000 / minNI A r= =N,n 0.15aR = Ω,整流装置内阻 0.3recR = Ω,触发整流环节
的放大倍数 。最大给定电压 ,当主电路电流达到最大值时,整定电流
反馈电压
40sK = 15nmU ∗ = V
10imU V=
设计指标:要求系统满足调速范围 D=20,静差率 10%s ≤ , 1.5dbl NI I= ,。 1.1dcr NI 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 。 pK
(3) 电阻 1R 的数值。(放大器输入电阻 0 20R k= Ω)
(4) 电阻 2R 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
15 0.015
1000
n n
N
U U
n n
α
∗ ∗
= = = =
(2)先计算电动机的电动势系数
220 94 0.15 0.2059 min/
1000
94 205.4 / min
N N a
e
N
N
e
U I RC V
n
I R r
C
− − ×= = = ⋅
×Δ = = =op
则开环系数额定速降为
(0.15+0.3)n 0.2059
r
5.56 / min
20
Nn s r
D
×Δ = ≤ =×cl
1000 0.1n (1-s) (1-0.1)
?
?
?
?
?
w
w
w
.k
h
d
a
w
.c
o
m
闭环系统的开环放大系数应为
205.41 1 35.9
5.56
op
cl
n
K
n
Δ= − = − =Δ
运算放大器所需的放大倍数
35.9 12.3
/ 0.015 40 / 0.2059P S e
KK
K Cα= = =×
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 ; pK
(2) 供电电网电压;
(3) 电枢电阻 aR ;
(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 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。
pK
电动机励磁电流、电枢电阻 aR 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: 2.8 220 15.6N N NP kW U V I A= = =, , ,
, ,整流装置内阻1500 / minr=Nn 1.5aR = Ω 1recR = Ω,触发整流环节的放大倍数
。 35sK =
(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, 10%s = ,在 时, 10nU V∗ =
d NI I= N,n=n ,计算转速负反馈系数α 和放大器放大系数 。 pK
(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 时,
并保持系统原来的开环放大系数 K 不变,试求在 D=30 时静
10nU V
∗ =
d NI I= N,n=n
?
?
?
?
?
w
w
w
.k
h
d
a
w
.c
o
m
差率。
解:(1)系统开环工作时,
220 15.6 1.5 0.1311 min/
1500
N N a
e
N
U I RC V
n
− r− ×= = = ⋅
15.6 297.5 / minN
e
I R r
C
×Δ = = =op
则开环系数额定速降为
(1.5+1)n 0.1311
则 30 297.5100% 100% 85.6%
1500 30 297.5
N
N N
D ns
n D n
Δ ×= × = × =+ Δ + ×
(2)当 D=30,s=10%,系统允许的稳态速降
1500 0.1 5.56 / min
30
N
N
n sn r
D
×Δ = = =×(1-s) (1-0.1)
( 3 ) 当 时 ,10nU ∗ = V d NI I= N,n=n , 则 转 速 负 反 馈 系 数 α 应 该 是
10 0.007
1500
n n
N
U U
n n
α
∗ ∗
= = = =
闭环系统的开环放大系数应为
297.51 1 52.51
5.56
op
cl
n
K
n
Δ= − = − =Δ
运算放大器所需的放大倍数
52.51 30.6
/ 0.007 35 / 0.1311P S e
KK
K Cα= = =×
(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 297.5 / mincl opn n rΔ = Δ =
30 297.5100% 100% 85.6%
1500 30 297.5
N
N N
D ns
n D n
Δ ×= × = × =+ Δ + ×
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
,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?
2 1.6GD N m= ⋅ 2
解:计算系统中各环节的时间常数:
电磁时间常数 0.05 0.0185
1.2 1.5l
LT s
R
= = =+
?
?
?
?
?
w
w
w
.k
h
d
a
w
.c
o
m
机电时间常数
2 1.6 (1.2 1.5) 0.06530375 375 0.1367 0.1367
m
e m
GD RT s
C C
π
× += = =
× × ×
三相桥式整流电路,晶闸管装置的滞后时间常数为 0.00167sT s=
为保证系统稳定,开环放大系数应满足的稳定条件:
2 2( ) 0.065 (0.0185 0.00167) 0.00167 42.5
0.0185 0.00167
m l s s
l s
T T T TK
TT
+ + × + +< = × =
因为 23.1>28.75,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 23.1.
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 时,调节器的输出电压是多少?它取决于那些因素? 0UΔ =
答;在动态过程中,当 变化时,只要其极性不变,积分调节器的输出 便一直增长;
只有达到 时, 才停止上升;不到
nUΔ cU
, 0n n nU U U
∗ = Δ = cU nUΔ 变负, 不会下降。当
时, 并不是零,而是一个终值;如果
cU 0nUΔ =
cU nUΔ 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 ,但历史上有过0nUΔ = nUΔ ,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 。 cU
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 行不行?改变电力电子变换器的放大倍数nK sK 行不行?改变
?
?
?
?
?
w
w
w
.k
h
d
a
w
.c
o
m
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
0n
*
n nnUU αα ===
因此 转速 n 是由给定电压 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 和电力电子变换器的放大倍数
nU
∗
nK sK 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 imU ∗ 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 限制了电力电子变换器的最大输出电压 。 cmU dmU
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 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 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。
nU
∗
nU
∗
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 Kp Ks Rs ,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。
?
?
?
?
?
w
w
w
.k
h
d
a
w
.c
o
m
(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 是否
为零?为什么?
iUΔ
2-6 在转速、电流双闭环调速系统中,转速给定信号 nU ∗未改变,若增大转速反馈系数α ,
系统稳定后转速反馈电压 是增加还是减少?为什么? nU
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: 3.7 , 220 , 20 , 1000 / minN N N NP kW U V I A n r= = = = ,电枢回路总电阻
,设 ,电枢回路最大电流1.5R = Ω 8nm im omU U U∗ ∗= = = V 40dmI A= ,电力电子变换器的
放大系数 。试求: 40sK =
(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 、0dU iU ∗、 、 值。 iU cU
解:(1)稳态时
8 0.2 /
40
im
dm
im
dm
UI
U V A
I
β
β
∗
∗
=
= = =
因为
所以
max
8 0.008 min/
1000
nmU V r
n
α
∗
= = = ⋅
(2)电动机在最高速发生堵转时 n=0
0 40 1.5 60d e dU C n I R V= + = × =
8i i dU U Iβ∗ = − = = V
8iU V=
0
60 1.5
40
d
c
s
UU V
K
= = =
?
?
?
?
?
w
w
w
.k
h
d
a
w
.c
o
m
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 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: 8imU ∗ = V
(1) 应如何变化? iU ∗
(2) 应如何变化? cU
(3) 值由哪些条件决定? cU
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 、
、 、
iU
∗
cU 0dU dI 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=0.1s,要求阶跃响应超调量
10%σ ≤ 。
(1)求系统的开环增益;
(2)计算过度过程时间 st 和上升时间 tτ ;
(3)绘出开环对数幅频特性。如果要求上升时间 0.25tτ s< ,则 K=?, ?σ =
2-11 有一个系统,其控制对象的传递函数为 1 10( )
1 0.01 1obj
KW s
s sτ= =+ + ,要求设计一个
无静差系统,在阶跃输入下系统超调量 5%σ ≤ (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 1 10( )
( 1) (0.02 1)obj
KW s
s Ts s s
= =+ + ,要求
校正为典型 II 型系统,在阶跃输入下系统超调量 30%σ ≤ (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 18( )
(0.25 1)(0.005 1)obj
W s
s s
= + + ,要求用调节器分别将其校
正为典型 I 型和 II 型系统,求调节器的结构与参数。
2-14 在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中,已知电动机
的额定数据为: ,电动势系数
,主回路总电阻
60 , 220 , 308 , 1000 / minN N N NP kW U V I A n r= = = =
0.196 min/eC V= ⋅ r 0.18R = Ω,触发整流环节的放大倍数 。电35sK =
?
?
?
?
?
w
w
w
.k
h
d
a
w
.c
o
m
磁时间常数 ,机电时间常数0.012lT = s s0.12mT = ,电流反馈滤波时间常数 ,
转速反馈滤波时间常数 。额定转速时的给定电压 ,调节器 ASR、
ACR 饱和输出电压 。
0.0025oiT s=
0.015onT = s V
V
( ) 10n NU
∗ =
8 , 6.5im omU V U
∗ = =
系统的静、动态指标为:稳态无静差,调速范围 D=10,电流超调量 5%iσ ≤ ,空载起
动到额定转速时的转速超调量 10%nσ ≤ 。试求:
(1)确定电流反馈系数β (假设起动电流限制在 339A 以内)和转速反馈系数α ;
(2)试设计电流调节器 ACR,计算其参数 iR 、 、 。画出其电路图,调节器输
入回路电阻
iC oiC
0 40R k= Ω;
(3)设计转速调节器 ASR,计算其参数 nR 、 、 。(nC onC 0 40R k= Ω);
(4)计算电动机带 40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量 nσ 。
(5)计算空栽起动到额定转速的时间。
解:1.电流反馈系数 β 和转速反馈系数α 分别为
8 0.0236 /
339
im
dm
U V A
I
β
∗
= = =
max
10 0.01 min/
1000
nmU V r
n
α
∗
= = = ⋅
2.(1)确定时间常数
① 整流装置滞后时间常数 Ts.按表 1-2,三相零式电路的平均失控时间 Ts=0.0033s.
② 电流滤波时间常数Toi.三相桥式电路每个波头的时间是 3.3ms,为了基本滤平波头,应有
(1–2)Toi=3.33ms,因此取Toi=2.5ms=0.0025s.
③ 电流环小时间常数之和 .按小时间常数近似处理,取 iT∑ 0.0058S oiiT T T s= + =∑
(2)选择电流调节器结构
根据设计要求 iσ ≤5℅,并保证稳态电流无差,可按典型 I 型系统设计电流调节器.电流
环控制对象是双惯性型的,因此可用 PI 型电流调节器,其传递函数见式(2-57).
检查对电源电压的抗扰性能: 0.012 2.07
0.0058
l
i
T s
T s
= =
∑
,参照表2-3的典型I型系统动态
抗扰性能,各项指标都是可以接受的.
(3)计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数: l=T =0.012siτ .
电 流 环 开 环 增 益 : 要 求 iσ ≤ 5 ℅ 时 , 按 表 2-2, 应 取 , 因 此 1 0.5iK T =∑
?
?
?
?
?
w
w
w
.k
h
d
a
w
.c
o
m
1
I
0.5 0.5K 8
0.0058i
s
T s
6 −= = =
∑
于是,ACR 的比例系数为: 86 0.012 0.18 0.225
35 0.0236
I i
i
s
K RK
K
τ
β
× ×= = =×
(4)校验近似条件
电流环截止频率: 186ci IK sω −= =
① 晶闸管整流装置传递函数的近似条件
11 1 101
3 3 0.0033 cis
s
T s
ω−= =× >
满足近似条件.
② 忽略反电动势变化对对电流环动态影响的条件
11 13 3 79.06
0.12 0.012 cim l
s
T T s s
ω−= × = <×
满足近似条件.
③ 电流环小时间常数近似处理条件
11 1 1 1 116.1
3 3 0.0033 0.0025 cis oi
s
T T s s
ω−= × = >×
满足近似条件.
(5)计算调节器电阻电容
由 图 2-25, 按 所 用 运 算 放 大 器 取 0R =40k Ω , 各 电 阻 和 电 容 值 为
0 0.225 40 9i iR K R k k= = × Ω = Ω
6
3
6
3
0
0.012 1.33 10 1.33 , 1.33
9 10
4 4 0.0025 0.25 10 0.25 , 0.2
40 10
i
i
i
oi
oi
C F F F
R
TC F F F
R
F
F
τ μ μ
μ μ
−
−
= = = × =×
×= = = × =×
取
取
按照上述参数,电流环可以达到的动态跟随性能指标为 iσ =4.3℅<5℅(见表 2-2),满足设计
要求.
3. (1)确定时间常数
① 电流环等效时间常数 1/ .已取IK 0.5I iK T =∑ ,
I
1 2 2 0.0058 0.0116
K i
T s= = × =∑ s
② 转速滤波时间常数 .根据所用测速发电机纹波情况,取 =0.01s. onT onT
③ 转速环小时间常数 .按小时间常数近似处理,取nT∑
1 =0.0116s+0.015s=0.0266sonn
I
T T
K
= +∑
(2)选择转速调节器结构按照设计要求,选用PI调节器,其传递函数 ASRW
τ
τ
n n
n
K( s+1)(s)= s
(3)计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则,取 h=3,则 ASR 的超前时间常数
为 =h =3 0.0266s=0.0798sn nTτ ×∑
由式(2-75)可得转速环开环增益: 2 22 2 2 2
1 4 314.1
2 2 3 0.0266N n
hK s
h T
s− −+= = =× ×∑
?
?
?
?
?
w
w
w
.k
h
d
a
w
.c
o
m
于是,由式(2-76)可得 ASP 的比例系数为:
( 1) 4 0.0236 0.196 0.12 7.73
2 2 3 0.01 0.18 0.0266
e m
n
n
h C TK
h RT
β
α
+ × × ×= = × × × ×∑
=
(4)检验近似条件
由式(2-33)得转速环截止频率为: 1 1
1
314.1 0.0798 25.1Ncn N n
K K sω τω s
− −= = = × =
①电流环传递函数简化条件为:
1 11 1 86 40.6
3 3 0.0058
I
cn
i
K s s
T
ω− −= × = >
∑
,满足简化条件.
②转速环小时间常数近似处理条件为:
1 11 1 86 25.2
3 3 0.01
I
cn
on
K s s
T
ω− −= × = > ,满足近似条件.
(5)计算调节器电阻和电容
根据图 2-27,取 ,则 0 =40kR Ω 0 7.73 40 309.2 , 310n nR K R k k k= = × Ω = Ω 取 Ω
6
3
6
3
0
0.0798 0.257 10 0.257 , 0.257
310 10
4 4 0.015 1.5 10 1.5 ,
40 10
n
n
n
on
on
C F F F
R
TC F F F
R
F
F
τ μ μ
μ μ
−
−
= = = × =×
×= = = × =×
取
取1.5
(6)校核转速超调量
当h=3时,由表2-6查得, nσ =52.6℅,不能满足设计要求.实际上,由于表2-6是按线性系统
计算的,而突加阶跃给定时,ASR饱和,不符合线性系统的前提,应该按ASR退饱和的情况重新
计算超调量。
(7) 由表 2-7 查得, max3 72.2%
b
Ch C
Δ= =由 得,
339 1.1
308
m
N
I
I
λ = = =
max
*
308 0.18
0.02660.1962 2 72.2% 1.1 9.96% 10%
1000 0.12
n
n
b m
TC
C n T
σ λ
×
Δ Δ ∑= × = × × × × =
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