电力拖动自动控制系统第4版复习要点汇总

第2章 转速反馈控制的直流调速系统1 直流电机主要有哪几种基本调速方法?通过性能比较，你认为哪一种方法最好？ 答：直流电动机稳态表达式Φ-=e K IR U n 式中:n —转速（r/min ）,U —电枢电压（V ）,I —电枢电流（A ）,R —电枢回路总电阻（Ω）,Φ—励磁磁通（Wb ）,e K —电动势常数。

直流电机主要有三种基本调速方法：调节电枢供电电压 U ，减弱励磁磁通 Φ，改变电枢回路电阻 R 。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。

改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。

2 常用的可控直流电源主要有哪些？答：常用的可控直流电源有以下三种：（1）旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。

（2）静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。

（3）直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。

3．静差率s 与空载转速n 0的关系如何?答：静差率s 与空载转速n 0成反比，n 0下降，s 上升。

所以检验静差率时应以最低速时的静差率 mino n n s ∆=为准。

5转速控制的要求是什么？答：1）调速-在一定的最高转速和最低转速的范围内，分档的或平滑的调节转速。

2）稳速-以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种可能的干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。

3）加、减速-频繁起、制动的设备要求尽量快的加、减速以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。

6 解释反馈控制规律？答（1）被调量有静差（2）抵抗扰动与服从给定（3）系统精度依赖于给定和反馈检测精度7 闭环空载转速cl n 0比开环空载转速op n 0小多少?答： cl n 0是op n 0的1/（1+K ）。

8 试说明转速负反馈调速系统工作原理。

答：转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASR 、触发器GT 、晶闸管变流器VT 、测速发电机TG 等组成；当电动机负载T L 增加时，电枢电流I d 也增加，电枢回路压降增加，电动机转速下降，则转速反馈电压n U 也相应下降，而转速给定电压*n U 不变，n n n U U U -=∆*增加。

转速调节器ASR 输出c U 增加，使控制角α 减小，晶闸管整流装置输出电压d U 增加，于是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可简述为：上述过程循环往复，直至0=∆U 为止。

9下图带转速负反馈的闭环直流调速系统原理图，各部件的名称和作用。

答： 1）比较器： 给定值与测速发电机的负反馈电压比较，得到转速偏差电压n U ∆。

2）比例放大器A ：将转速偏差电压n U ∆放大，产生电力电子变换器UPE 所需的控制电压c U 。

3）电力电子变换器UPE ：将输入的三相交流电源转换为可控的直流电压d U 。

4）M 电机：驱动电机。

5）TG 发电机：测速发电机检测驱动电机的转速。

6）电位器：将测速发电机输出电压降压，以适应给定电压幅值*n U 。

10 说明单闭环调速系统能减少稳态速降的原因，改变给定电压或者调整转速反馈系数能否改变电动机的稳态转速?为什么?答：负反馈单闭环调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。

稳态转速为：cl cl e d e n S P n n K C R I K C U K K n ∆-=+-+=0*)1()1( 0)(≠∆↑↑↑→↑→↑→↑→∆↑→↓→↑→+↑→↑→∑U n U U U U n R R I I T d c fn d d d L α从上式可可得：改变给定电压能改变稳态转速；调整转速反馈系数，则e s p C K K K α=也要改变，因此也能改变稳态转速。

11闭环系统静特性的定义？与开环系统比较有何特点？ 答（1）定义：表示闭环系统电动机转速与负载电流的稳态关系。

)1()1(*K C R I K C U K K n e d e n S P +-+= （2）特点：1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬的多，2）如果比较同一N 0的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小的多。

3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。

4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。

12 闭环控制系统具有良好的抗扰能力和控制精度的原因？答：闭环控制系统是建立在负反馈基础上，按偏差进行控制。

当系统中由于某种原因使被控量偏离希望值而出规偏差时，必定产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控制量与希望值趋于一致，所以闭环控制系统具有良好的抗扰动能力和控制精度。

13反馈控制系统为什么极性不能接错？答：控制系统一般都是负反馈系统。

如果错接成正反馈系统，对调速系统造成超速“飞车”或振荡等故障，后果非常严重。

14 有静差系统与无差系统的区别？答：根本区别在于结构上(控制器中)有无积分控制作用，PI 控制器可消除阶跃输入和阶跃扰动作用下的静差，称为无静差系统，P 控制器只能降低静差，却不能消除静差，故称有静差系统。

15比例积分(PI)调节器的特点 ？答： PI 调节器的输出电压U c 由两部分组成。

第一部分K P U i 是比例部分，第二部分dt U T i l ⎰1是积分部分。

当t =0突加U i 瞬间，电容C 相当于短路，反馈回路只有电阻R f ，此时相当于P 调节器，输出电压i p o U K U -=，随着电容C 被充电开始积分，输出电压U c 线性增加，只要输入U i 继续存在，U c 一直增加饱和值（或限幅值）为止。

16 PID控制各环节的作用是什么?答：PID控制器各环节的作用是：(l) 比例环节P：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦出现，控制器立即产生控制作用，以便减少偏差，保证系统的快速性。

(2) 积分环节I：主要用于消除静差，提高系统的控制精度和无差度。

(3) 微分环节D：反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得过大之前，在系统中引入一个早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

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。

19光电式旋转编码器的数字测速方法主要有哪几种？各用于何种场合？答：采用中光电式旋转编码器的数字测速方法主要有M 法测速，T 法测速，M/T 法测速，M法适用于测高速，T法适用于测低速，M/T 法即适用于测低速，又适用于测高速。

（2-4）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。

（2-11）（2-13）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0=∆U 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n U ∆变化时，只要其极性不变，积分调节器的输出c U 便一直增长；只有达到n n U U =*，0=∆n U 时，c U 才停止上升；不到n U ∆变负， c U 不会下降。

当0=∆n U 时，c U 并不是零，而是一个终值；如果n U ∆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0=∆n U ，但历史上有过n U ∆ ，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 c U 。

（2-14）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。

（2-15）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 p K ；（2）供电电网电压；（3）电枢电阻a 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p 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 a 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。

（例题2-1 ）某直流调速系统电动机额定转速为N n =1430r/min ，额定速降N n ∆=115r/min ，当要求静差率s ≤30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率s ≤20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？解：在要求s ≤ 30%时，允许的调速范围为若要求s ≤ 20%，则允许的调速范围只有若调速范围达到10，则静差率只能是（例题2-2 ）某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW ，220V ，305A ，1000r/min ，采用V-M 系统，主电路总电阻R =0.18Ω，电动机电动势系数C e =0.2V min/r 。

如果要求调速范围D=20，静差率s ≤5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降N n ∆最多能有多少？解：当电流连续时，V-M 系统的额定速降开环系统在额定转速时的静差率为如要求 20=D ，%5≤s ，即要求3.5)3.01(1153.01430)1(=-⨯⨯=-∆=s n s n D N N 1.3)2.01(1152.01430=-⨯⨯=D %6.44446.011510143011510==⨯+⨯=∆+∆=N N N n D n n D s 3050.18=275r/min 0.2dN N e I R n C ⨯∆==2750.21621.6%1000275N N N N n s n n ∆====+∆+10000.05 2.63/min (1)20(10.05)N N n s n r D s ⨯∆=≤=-⨯-（例题2-3 ）在例题2-2中，龙门刨床要求D =20，s ≤5%，已知 K s =30，σ= 0.015Vmin/r ，C e =0.2Vmin/r ，采用比例控制闭环调速系统满足上述要求时，比例放大器的放大系数应该有多少？ 解：已知开环系统额定速降为op n ∆ =275 r/min ，闭环系统额定速降须为≤∆cl n 2.63 r/min ， 由式K n n op cl +∆=∆1可得6.103163.22751=-≥-∆∆=cl op n n K 则得462.0/015.0306.103/=⨯≥=e s p C K K K α 即只要放大器的放大系数等于或大于46。