《运动控制系统》复习及试题

一（20分）问答题
1）请说明调速系统和随动系统的区别。

你了解运动控制系统的应用吗？请简略说明。

2）现假设某公司请你设计一关节式机器人的关节驱动系统，要求能够驱动一定的负载、且精确定位、 运行平稳，
请你给出该伺服系统的设计过程。

3） 简述位置随动系统的基本组成，并说明每个基本组成的作用。

4） 简述数字式――相位控制位置随动系统、数字式――脉冲控制位置随动系统、 数字式――编码控制位置随动系统的工作原理，并比较三者之间的异同。

二（10分）在转速单闭环调速系统中，若已知电动机参数为：
，，，，整流装置内阻，
晶闸管触发整流装置的放大倍数，当时电动机工作在额定状态。

现要求调速范围，
静差率，试计算闭环系统允许的稳态速降和系统的开环放大倍数，并画出系统静态结构图。

三 (12分) 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？ 四 (12分)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？
五（10分）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？
kw
5.2=nom P V 220=nom U A
6.15=nom I Ω
==5.1min,
/r 1500a nom R n Ω=1rec R 40=S K V 15*
=n U 30=D %10=
s ct
U i
i n n U U U U ,,*,*
tg
gd
U U
,d I n U ct
i U U n ,,
*
AB
b b b U
U U U ,,,432d
i d U ρ
七(10分)自整角机位置随动系统静态结构图如下所示，其中：Kbs=1.15，Kph ·Ks=185，ed=0.45度，i=50， 电枢回路总电阻R=4.5Ω，实际负载转矩为20N ·m ；电机型号参数：115V ，3.1A ，300W ，Ra=3.1Ω，2100r/min 试求：①输入轴转速为120度/秒时的稳态误差；②输入轴位置为60度时的稳态误差； ③输入轴加速度为10度/秒2时的稳态误差。

八 (16分) 已知位置随动系统的结构图如图4所示，其中：固有传递函数Wobj(s)为，
且Kobj=500, Tph=0.003s, Ts=0.004s, Tm=0.7s, Tl=0.002s, 要求设计一个PID 调节器，使系统满足下述性能指标： （1） 加速度品质因数Ka ≥250,
（2） 阶跃响应指标：σ%≤30%,ts ≤0.25s 。

并画出调节器原理线路图，计算其电阻、电容值。

一、（20分，每小题5分）
当今运动控制的应用已经相当普及，不论民用、军用，到处可见以电动机为动力的各种生产机械或家用电器，例如：轧钢厂的轧钢机，加工车间的切削机床，化工厂的搅拌机等。

运动控制系统的发展方向：
（1）高频化：在功率驱动装置中，大功率晶体管的出现将提高系统性能，改善电网的功率因数。

（2）交流化：由于交流电机自身的优势，交流逐渐取代直流已是不可逆转的趋势。

（3）网络化：单机的控制由多机协同工作的高度自动化的复杂系统取代。

另外，借助数字和网络技术，智能、控制深入到运动控制的各方面。

2〕根据机器人工作环境、运行要求、节能要求、空间大小等，决定驱动方案（交流、直流or 步进等？） 根据负载情况选择一定功率的电动机，并进行过载校核、过热校核；选择相应的电机驱动器（或自行设计）； 根据电机转速和负载转速要求，计算减速比，选择减速器；
2
(1)(1)(1)
obj
ph s m l m K s T s T s T T s T s ⋅⋅⋅⋅++++2
-s
根据稳态精度要求选择位置检测元件（自整角机、旋变or 光电码盘、光栅？） 构成闭环控制系统（计算机控制系统），接口设计、计算机软硬件设计、软件编程等。

3〕位置检测：检测负载运行位置，以便于给定比较，进行的处理。

信号处理：处理比较后信号，摸拟系统用相敏整流数字系统用微机。

驱动部分：对控制输出进行放大，驱动后面机构进行，一般为可逆功放。

执行机构：驱动负载，即电机。

减速器：由于电机速度一般较快，减速以适应负载要求，同时增强电机带负载的能力。

4〕数字式—相位控制位置随动系统原理：由数字给定器将数字指令转化为脉冲个数，通过D/A 使输出方波的
相位以一定速度移动，位置检测将负载的机械位移转换成相位，鉴相器将与比较，得出，并转
换成模拟电压输出，再通过控制器去控制负载的位移，使输出连续跟踪输入位置；
数字式—脉冲控制位置随动系统原理：给定指令脉冲数，位置检测反馈实际位移的脉冲数，两者送入可逆计数器比较得出位置差，再通过控制器去控制负载的位移，使输出跟踪输入位置。

数字式—编码控制位置随动系统原理：给定位置的二进制编码，位置反馈也是实际位置的编码，二者送入计算机通过一定算法得出控制量，再经D/A 转换送入速度控制器，使输出跟踪输入位置。

相同点：三者都属于数字式位置随动系统，结构基本相同，但由于输入的信号有所差别（相位，脉冲，编码），位置检测元件不同，位置反馈信号的形式不同（相位控制用感应同步器、脉冲控制用光电码盘、编码控制旋变或自整角机＋轴角编码器）。

二、（10分）（4）
又
又
若要实现转速无静差，转速调节器应采用PI 控制律为好，因为作为控制器，比例积分调节器兼顾了快速响应和消除要求，作为校正装置，它又能提高系统的稳定性。

三、（12分）(1)极性标注如图：，，，，
，
*θθ*
θθθ∆min
/56.59
.0*301.0*1500)
1(r S D S n n nom nom ==
-=∆)
1()
1(*
K C R
I K C U K K n e dnom e n
s P nom +-
+=
min
/56.150556.51500)
1(*r n n K C U
K K nom nom e n
s P =+=∆+=+∴
22015.6*1.5
196.6/15000.131m in/1500
nom nom a
e nom
U I R C V r
n --=
===54
.52156
.5*131.05.2*6.151)1(=-=
-∆=
⇒∆=+nom e nom nom e nom n C R I K n K C R I 60
.17)
1(*56.1505*
=+=
∴n
s e P U K K C K *
n
U +
n
U -
*
i
U +
i
U +
gd U +
tg U -
(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。

八、（16分）
dm I
dl d I I >↑n n d I dm I ≈n *
n ↓d I dl d
I
I =n n n dl i I U β=*
ct U
∴符合要求。