2013年4月《电力拖动控制系统》自考广西真题 -五星文库
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2013年4月《电力拖动控制系统》自考广西真题
导读：广西区2013年4月《电力拖动控制系统》，1、运动控制的根本问题是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿，3、直流调速系统根据可控直流电源的不同分为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿，4、调速范围和＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿这两个指标合称调速系统的稳态性能指标，5、转速、电流双闭环直流调速系统的起动过程具有三个特点，即＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿、转速超调和准时间最优控制，6、比例控制的直流调速系统中，7、为
广西区2013年4月《电力拖动控制系统》
一、填空题（1分×16=16分）
1、运动控制的根本问题是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
2、生产机械负载按转矩特性可分为恒转矩负载、恒功率负载和＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
3、直流调速系统根据可控直流电源的不同分为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿系统和直流PWM系统。
4、调速范围和＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。
5、转速、电流双闭环直流调速系统的起动过程具有三个特点，即＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿、转速超调和准时间最优控制。
6、比例控制的直流调速系统中，可以抑制的扰动有Kp变化、电阻变化、励磁变化以及＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
7、为解决转速反馈控制直流调速系统的电流过大问题，应该引入＿＿＿＿＿＿负反馈。
8、在双闭环直流调速系统中，励磁突然变小，则电枢电流将＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
9、不可逆PWM直流调速系统须在电动机电枢两端并接＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿进行续流。
10、双闭环直流调速系统的设计中，跟随性能指标包括上升时间、峰值时间、调节时间和＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
11、工程近似处理方法中，可将多个小时间惯性环节可合并为一个时间常数为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿的惯性环节。
12、异步电动机采用降压调速时，其＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿与定子电压平方成正比。
13、SPWM是以正弦波为调制波，以＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿为载波的调制脉冲序列。
14、电压空间矢量控制技术中有＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿个基本电压空间矢量。
15、异步电动机的动态数学模型是一个高阶、＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿、强耦合的多变量系统。
16、3/2坐标变换的等效原则是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿相等。
二、单项选择题（2分×15=30分）
17、开环直流调速系统转速降的表达式为（
18、转速反馈的直流调速系统不能有效抑制扰动的是（
A、电阻变化
B、励磁变化
C、电源波动
D、测速反馈波动
19、转速反馈的直流调速系统采用哪种调节器会使系统静态有差？（
20、适于低转速测量的数字测速法是（
21、比例控制的转速反馈直流调速系统提高稳定性与增大调速范围减小静差率（
A、可同时加强
B、总是矛盾的
C、并不关联
D、与转速有关
22、开环直流调速系统电枢电压越低，静差率（
C、跟调速范围有关
D、无法确定
23、双闭环直流调速系统采用连接方式是（
A、前馈接入
B、并联结构
C、串级结构
D、反馈接入
24、直流PWM调速系统通常改变转速的方法是（
A、改变电源电压
B、改变相位
C、改变频率
D、改变占空比
25、双闭环直流调速系统中，电流反馈线突然断开，系统最终将（
A、转速为零
B、保持原速运行
C、电枢电流达到最大值
D、转速无法确定
26、对典型的Ⅰ型系统分析可知，截至频率越大，系统（
A、响应越快，稳定性越高
B、响应越慢，稳定性越高
C、响应越快，稳定性越差
D、响应越慢，稳定性越差
27、下列异步电动机调速方法属于转差功率不变型的是（
A、降压调速
B、变压变频调速
C、串电阻调速
D、变压变频调速
28、交流调速通常极少采用（
A、降压调速
B、变压变频调速
C、弱磁调速
D、串电阻调速
29、转差频率控 制是通过控制转差角频率来控制输出转矩，其前提条件是（
A、转速恒定
B、负载恒定
C、保持气隙磁通不变
D、保持定子电压不变
30、电流跟踪PWM控制技术采用的控制器是（
A、比例调节器
B、积分调节器
C、滞环比较器
D、线性放大器
31、下列异步电动机调速的方法属于转差功率消耗型的是（
A、降压调速
B、变压变频调速
C、变级调速
D、恒压频比调速
三、判断题（1份×10=10分）
32、直流调速系统中当理想空载转速一定时，机械特性越硬，则静差率越大。（
33、对转速反馈控制的直流调速系统设计时，首先要满足抗扰性。（
34、比例积分控制的直流调速系统中，积分环节的作用是快速响应控制作用。（
35、在双闭环直流调速系统起动过程的恒流升速阶段，ASR饱和、ACR不饱和。（
36、典型的Ⅱ型系统没有零点。（
37、直流PWM调速也有失控时间。（
38、异步电动机电压补偿控制中恒定子磁通的稳态性能最好。（
39、异步电动机在基频以上通常采用弱磁（恒功率）调速。（
40、电压空间矢量控制中，解决磁链幅值与旋转速度的矛盾的方法是插入零矢量。（
41、在SPWM中，期望电压空间矢量可以由两个相邻的基本电压矢量合成。（
四、简答题（6分×4=24分）
42、直流电动机有哪几种调速方法，各有何特点？
43、在比例控制的转速闭环调速系统中，以电网电压升高为例，阐述系统如何抑制该扰
动对转速的影响？
44、在转速、电流双闭环直流调速系统中，两个调节器均为PI调节器，额定转速为nN， 额定电流为IN，过载倍数是2，电压、电流最大给定分别为和U*nm和 U*im，现电机工作 在额定负载下，电机励磁突然减小至一半，试分析系统稳定之后，Id、n、Uc、Ui、U*i。
45、阐述异步电动机按转子磁链定向的矢量控制原理。
五、计算题（10分×2=20分）
46、有一个晶闸管-电动机直流调速系统，电动机参数为：UN=220V，电枢回路总电阻
R=1.1Ω，nN=750r/min，IN=10A，触发整流环节的放大倍数Ks=30，要求系统满足调速范围D=20，静差率s≤10%，试求：（1）开环系统的静态转速降和调速要求所允许的闭环静态转速降；（2）闭环时在U*n=10V时，n=nN，试计算转速负反馈系数α和放大器所需要的放大系数Kp。
47、有一个转速、电流双闭环直流调速系统，ASR、ACR均采用PI调节器。已知：转速及电流最大给定U*nm= U*im=15V时，nN=1500 r/min；IN =10A , IdL=20A，电枢
回路总电阻R=1.5Ω，晶闸管装置的放大倍数Ks=30 , 电动势系数Ce=0.15V?min/r。
试求：（1）当系统在Un*=5V ,IdL=10A稳定运行时,求n、Un、?、Ui*、Ui、Uc；
（2）当电动机负载过大堵转时Ui*和Uc各为多少？。
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8.3&晶闸管-电动机直流调速控制系统
8.3.1&开环直流调速系统存在的问题
&&&&在图8.2所示的V-M系统中和图8.3所示的PWM系统中，只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，它们都属于开环控制的调速系统，称为开环调速系统。在开环调速系统中，控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，即控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。如果生产机械对静差率要求不高，开环调速系统也能实现一定范围内的无级调速，而且开环调速系统结构简单。但是，在实际中许多需要无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格的要求，不能允许很大的静差率。例如，由于龙门刨床加工各种材质的工件，刀具切入工件和退出工件时为避免刀具和工件碰坏，有调节速度的要求；又由于毛坯表面不平，加工时负载常有波动，为了保证加工精度和表面光洁度，不允许有较大的速率变化。因此，龙门刨床工作台电气传动系统一般要求调速范围D=20～40，静差率S≤5%，动态速降，快速起、制动。多机架热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内同时轧制，为了保证被轧金属的每秒流量相等，不致造成钢材拉断或拱起，各机架出口线速度需保持严格的比例关系。根据以上轧钢工艺要求，一般须使电力拖动系统的调速范围D=10时，静差率S≤0.2%～0.5%，动态速降，恢复时间。在上述情况下，开环调速系统是不能满足要求的。
8.3.2&速度负反馈单闭环调速系统的组成及静特性
&&&&通过上一节的分析和例题可知，开环调速系统不能满足较高的性能指标要求。根据自动控制原理，为了克服开环系统的缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统。闭环系统的方框图如图8.25所示。在闭环系统中，把系统的输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统具有提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。
图8.25&闭环系统方框图
单闭环调速系统的组成
&&&&对于调速系统来说，输出量是转速，通常引入转速负反馈构成闭环调速系统。在电动机轴上安装一台测速发电动TG，引出与输出量转速成正比的负反馈电压Un，与转速给定电压进行比较，得到偏差电压，经过放大器A，产生驱动或触发装置的控制电压Uct，去控制电动机的转速，这就组成了反馈控制的闭环调速系统。图8.26所示为采用晶闸管相控整流器供电的闭环调速系统，因为只有一个转速反馈环，所以称为单闭环调速系统。由图可见，该系统由电压比较环节、放大器、晶闸管整流器与触发装置、直流电动机和测速发电机等部分组成。
图8.26&采用转速负反馈的单闭环调速系统
转速负反馈单闭环调速系统的静特性
&&&&下面分析图8.26所示的闭环调速系统的静特性。为突出主要矛盾，先作如下假定：
&&&&（1）忽略各种非线性因素，各环节的输入输出关系都是线性的；
&&&&（2）工作在V-M系统开环机械特性的连续段；
&&&&（3）忽略直流电源和电位器的等效电阻。
&&&&这样，图8.26所示单闭环调速系统中各环节的静态关系为
&&&&电压比较环节：&
&&&&放大器：&
&&&&晶闸管整流器与触发装置：&
&&&&V-M系统开环机械特性：&
&&&&测速发电机：&
&&&&以上各关系式中：
&&&&Kp——放大器的电压放大系数；
&&&&Ks——晶闸管整流器与触发装置的等效电压放大倍数；
&&&&——转速反馈系数，单位为V·min/r；
&&&&Ce——电机反电势系数（在第三章中按习惯用Ke表示，在本章中为了避免与放大系数相混淆而用Ce表示）；
&&&&根据上述各环节的静态关系可以画出图8.26所示系统的静态结构图如图8.27所示。图中各方块中的符号代表该环节的放大系数，或称传递系数。运用结构图的计算方法，可以推导出转速负反馈单闭环调速系统的静特性方程式：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&式中，——闭环系统的开环放大系（倍）数。
&&&&闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，因此称为“静特性”，以示区别。
图8.27&转速负反馈单闭环调速系统静态结构图
开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较
&&&&比较开环系统机械特性和闭环系统静特性，可以看出闭环控制的优越性。如果断开图8.27的反馈回路，可得上述系统的开环机械特性为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&闭环时的静特性可以写为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&（8.54）
&&&&式中，n0op——开环系统的理想空载转速；
&&&&n0cl——闭环系统的理想空载转速；
&&&&——开环系统的稳态速降；
&&&&——闭环系统的稳态速降。
&&&&比较式（8.53）和式（8.54），可以得到以下结论。
&&&&（1）闭环系统静特性比开环系统机械特性的硬度大大提高。在相同负载下两者的转速降落分别为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&它们的关系是
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&（8.55）
&&&&显然，当开环放大系数K很大时，要比小得多，即闭环系统的特性要硬得多。
&&&&（2）当理想空载转速相同，即时，闭环系统的静差率要小得多。闭环系统的静差率为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&开环系统的静差率为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&由于，而相同负载下，所以Scl和Sop之间的关系为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&（8.56）
&&&&（3）当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可以大大提高。假如电动机的最高转速相同，对静差率的要求也相同，那么，根据式（8.8），当开环时
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&闭环时
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&再考虑到式（8.55），得
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&（4）当给定电压相同时，闭环系统的理想空载转速为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&开环系统的理想空载转速为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&两者的关系为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&（8.58）
&&&&闭环系统的理想空载转速大大降低。如果要维持系统的运行速度不变，使，闭环系统所需要的要为开环系统的（1+K）倍。因此，如果开环和闭环系统使用同样水平的的给定电压，又要使运行速度基本相同，闭环系统必须设置放大器。因为在闭环系统中，由于引入了转速反馈电压Un，偏差电压必须经放大器放大后才能产生足够的控制电压Ucl。开环系统中，和Ucl属于同一数量级的电压，可以不必设置放大器。而且，上面提到闭环调速系统的三项优点，都是K越大越好，也必须设置放大器。
&&&&综合以上四条特点，可得下述结论：闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，在保证一定静差率的要求下，大大提高调速范围。但是构成闭环系统必须设置检测装置和电压放大器。
&&&&调速系统之所以产生稳态速降，其根本原因是由于负载电流引起的电枢回路的电阻压降，闭环系统静态速降减少，静特性变硬，并不是闭环后能使电枢回路电阻减小，而是闭环系统具有自动调节作用。在开环调速系统中，当负载电流增大时，是枢电流Id在电枢回路电阻R上的压降也增大，转速只能老老实实地降落，没有办法挽救。闭环调速系统引入了反馈检测装置，转速稍有降落，反馈电压Un就感觉出来了。尽管给定电压并未发生变化，但是电压偏差增大了，通过电压放大，使控制电压Uct变大，从而使晶闸管整流器的输出电压Udo提高，使系统工作在一条新的机械特性上，因而转速有所回升。由于整流输出电压Udo的增量补偿回路电阻上压降IdR的增量，使最终的稳态速降就比开环调速系统小得多。如图8.28所示，设系统的原始工作点为A，负载电流为Id1；当负载电流为Id2时，开环系统的转速必然沿机械特性1降落到A&点对应的数值，而在闭系统中，由于自动调节作用，电压由Ud01可升到Udo2，使工作点变成机械特性2上的B。这样，在闭环系统中，每增加（或者减小）一点负载电流，就相应地提高（或降低）一点整流输出电压，因而就改变一条机械特性。所以闭环系统的静特性是在多条机械特性上各取一个相应的工作点集合而成的。
图8.28&闭环系统静特性与开环系统机械特性的关系
&&&&由此看来，闭环系统能够减少稳态速降的实质在于闭环系统的自动调节作用，在于它能随着负载的变化相应地改变整流器输出电压。
单闭环调速系统的基本特征
&&&&转速负反馈单闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下基本特征，也就是反馈控制的基本规律。
&&&&（1）具有比例放大器的单闭环调速系统是有静差的
&&&&从前面对于闭环系统静特性的分析中可以看出，闭环系统的开环放大系数K值对系统的稳态性能影响很大。K越大，稳态速降越小，静特性就越硬，在一定静差率要求下的调速范围越宽。但是，当放大器只是比例放大器（Kp为常数），稳态速降只能减少而不可能消除，因为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&只有当才能使，而这是不可能的。因此，这样的调速系统属于有静差调速系统，简称有差调速系统。这种系统正是依靠偏差来保证实现控制作用的。
&&&&（2）闭环系统具有较强的抗干扰性能
&&&&反馈闭环系统具有很好的抗扰性能，对于作用在被负反馈所包围的前向通道上的一切扰动都能有效地抑制。除给定信号外，作用在控制系统上一切能使输出量发生变化的因素都叫做“扰动作用”。上面我们只讨论了负载扰动所引起的稳态速降，实际上还有许多因素会引起电动机转速的变化，如图8.29所示。图中除了负载扰动用代表电流Id的箭头表示外，其他指向方框的箭头分别表示引起该环节传递系数变化的扰动作用。所有这些扰动都和负载扰动一样，最终都会引起输出量转速的变化，都可以被转速反馈装置检测出来，再通过闭环自动调节作用，减少它们对稳态转速的影响。因此，凡是被反馈环所包围的加在闭环系统前向通道各环节上的扰动作用对输出量的影响都会受到反馈控制的抑制。这一性质是闭环自动控制系统最突出的特征。
图8.29&闭环调速系统的给定和扰动
&&&&（3）闭环系统对给定信号和检测装置中的扰动无能为力
&&&&在闭环调速系统中，给定作用如果有细微的变化，输出转速就会立即随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。如果给定电源发生了不应有的波动，则输出转速也要跟着发生变化，反馈控制系统无法区分是正常的调节给定电压还是给定电源的变化。因此，闭环调速系统的精度依赖于给定稳压电源的精度。
&&&&此外，闭环控制系统对于检测装置本身的误差也是无法克服的。对于调速系统来说，如果测速发电机励磁发生变化，也会引起反馈电压Un的改变，通过系统的调节作用，使电动机转速偏离原应保持的数值。因为实际转速变化引起的反馈电压Un的变化与其他因素（如测速机励磁变化、换向波纹、安装不良造成的转子和定子间的偏心）引起的反馈电压Un的变化，反馈控制也是区分不出来的。因此，闭环控制系统的精度还依赖于反馈检测装置的精度。
&&&&总之，单闭环调速系统对于转速给定电源和转速检测装置中的扰动无能为力，高精度的调速系统需要有高精度的给定稳压电源和高精度的检测无件作为保证。
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转速电流双闭环控制PWM 可逆直流调速系统设计_毕业设计.doc27页
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课程设计量化评分标准? 指标 分值 评分要素 得分
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答辩成绩 30 思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；分析归纳合理，结论严谨；回答问题有理论根据，基本概念清楚。
总 评 成 绩 ?
答辩记录 答辩时间：
答辩地点：
直流调速系统是自动调速系统的主要形式，它具有良好的起、制动性能，可以在较宽的调速范围内实现平滑调速，较快的零动态响应过程，并且低速运转时力矩大这些极好的运行性能和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据着重要地位。从市场的角度来看，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。所以在直流调速系统电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了PWM双闭环可逆直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。在理论分析和仿真研究的基础
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