电力拖动自动控制系统习题集及解答.doc

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1、电力拖动自动控制系统习题集及解答（内部参考资料）支长义 编郑州大学电气工程学院 目录第一章 习题集及解答 1-1第二章 习题集及解答 2-1第四章 习题集及解答 4-1第五章 习题集及解答 5-1第一章 习题集及解答11、改变给定电压是否能够改变电动机的转速？为什么？如果给定电压不变，调整反馈电压的分压比是否能够改变转速？为什么？如果测速机励磁发生变化，系统有没有克服这种扰动的能力？解：不管开环或是闭环调速系统，转速对给定是惟命是从的，所以变必然导致n变。对于有静差系统：分压比的变化即的变化K的变化，在不变时，必然变化，（或者,变n变），测速机的励磁变化等效于的变化，所以n不必然变化，故系统没

2、有克服这种扰动的能力。12、某调速系统的调速范围是1500150rpm，要求是S=2%,那么，系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的,则开环系统的开环节放大倍数应有多大？解：由知：闭环允许的速降为,如果开环，则闭环系统的开环放大倍数应大于等于：。13、有一V-M调速系统，电动机参数为=2.5KW,=220V，=15A，=1500rpm,=2,整流装有置内阻为：=1,=30,要求：=20，=10%。试求：1、计算开环系统的稳态速降和调速系统允许的稳态速降。2、画出转速负反馈系统的稳态结构。3、当20V时，1000rpm,则转速反馈系数应为多少？4、系统开环放大系数是多少？比例放大器放大倍数是多

3、少？5、若主电路电压L=60mH,=1.8整流电路为三相零式，则满足D、S的转速负反馈系统能否稳定运行？为了保证稳定，允许最大的开环放大倍数是多少？6、如果增设电流截止环节，要求2,1.2,=?,=?若要求电流反馈电阻如果做不到，须增加电流放大器，试计算电流反馈放大倍数，和各为多少？画出系统的原理图和静态结构图。7、如果转速负反馈系统的整流装置采用三相零式电路，主电路平波电抗器的选择要保证最小电流为20时仍能连续，系统GD2=2.94Nm2。按D=20，S=5%设计的系统能否稳定运行？如果系统不能稳定运行，对系统过行动态校正，并计算调节器参数？8、如果改用电压负反馈，能否达到题中所给的调速要求

4、？若放大器Kp不变，=30V，在S=30%时，采用电压负反馈最多能够达到多大的调速范围？9、如果采用电压负反馈和电流正反馈，能否满足题中所给的调速要求？参数如何选择？试画出系统的静态结构图。解：1、 （220152）0.127rpm开环系统的稳态速降为：=15(2+1)/0.127=354.33rpm满足调速要求所允许的稳态速降为：=8.33rpm；2、采用转速负反馈系统的稳态结构图为：3、在稳态时，=20/1000=0.02V/rpm。4、354.33/8.33-1=41.54 =41.540.127/(300.02)=8.79。5、由于0.06/(2+1)=0.02s，=1/(2350)=

5、0.00333s=0.09349s所以系统临界稳定32.89,要满足D、S的要求K41.54，故系统不能稳定运行。6、215A1.215 取1.21518A0.02150030V，2.5，取2.5，则45V，如果要求，取1，则18V，45182.5系统的原理图和静态结构图为：7、L1.46220/(0.215)=107.07mH=0.109707/3=0.0357s=1/(2350)=0.0033s=2.943/(3750.127230)=0.1527s系统稳定的K为：0.1527(0.0357+0.0033)+0.00332/0.03570.0033=50.18=153/0.127=355r

6、pm=15000.05/20(1-0.05)=3.947rpm满足D、S时：所以稳态要求K88.94 ，而稳定时K50.67,故系统不能稳定运行。对象传递函数为：,校正环节为：，取则： ，取20K，,满足近似条件。校正后的传函为：。，8、由静态性：仅由电枢电阻产生的速降：，故电压达不到题中的调速要求。9、若使，则系统完全与转速负反馈相同。则1-4、某机械采用下图的晶闸管励磁、发电机组供电的直流调速系统，发电机的额定功率为110KW，电动机的额定功率为100KW。系统采用电压负反馈和电流截止负反馈控制，电流信号取自发电机和电动机的附加极绕组与，试画出该系统的稳态结构图并推导系统的静特性方程式。其

7、中为发电机励磁回路总电阻，Kf为发电机放大系数，为发电机电枢电阻，为电动机电枢电阻，为电流反馈系数，为电压反馈系数，为电流截止负反馈回路稳压管的反向击穿电压。解：静态特性为：，,当时，；当时，。故其静态结构图如下：通过结构图变换得静特性方程为：当 时：1-5、已知数据，发电机为励磁电压电动机：，设置放大器限幅值为，要求D=10，S=20%，堵转电流为：截止电流。试求：1、 计算系统所允许的稳态速降2、 计算各环节的传递函数3、 决定放大器结构和放大系数Kp4、 计算比较电压Ucom，并选用稳压管5、 分析Kp、Ucom等参数的变化对系统静特性的影响6、 为什么主回路中设有串入平波电抗器解：1、

8、，系统允许的稳态速降为：2、，电压反馈系数的计算：根据稳态时，。3、如果采用P调节器，则电动机的速降：，所以用P放大器可以满足要求，且，设运算放大器的输入电阻R0=20K，则放大器反馈电阻R1=Kp*R0=16.3*20=326K,当然采用PI调节器时，被反馈环包围的速降为0，只有没有不被反馈包围的速降，能满足要求，在实际中常采用准PI调节器，那么准PI调节器的参数Kp也可以为16.3。4、再将：代入上式得，于是，可选2CW15稳压管，其击穿电压为78.5V,两只对接。5、Kp工作段特性变硬，Ucom不变，下垂段特性的n0不变，增大，不变，Ucom下垂段特性的n0减小，减小。6、 于发电机的附

9、加励磁绕组是一个大电感，足以克服电流的脉动，所以不需在主回路接入平波电抗器。1-6、在下图所示的转速负反馈单闭环系统中，已知数据有：电动机：=2.2KW, =220V, =12.5A, =1500rpm, =1。整流电源采用三相桥式电路，整流电阻及平波电抗器电阻之和为1.9，主电路总电感L=40mH，Ks=44，GD2=1.5Nm2，最大给定电压为10V，要求D=15，S=15%。问：1、该系统能否稳定运行，其临界开环放大系数为多少？2、如果系统不能稳定运行，对其进行动态校正解：1、所以要满足D、S，开环，对于桥式整流电路：，要使系统稳定运行开环放大倍数：，故系统满足D、S时不能运行。2、 满

10、足D、S时开环传函数为：，其中，所以所以转折频率为：，20lgk=33.8dB,故未加校正时的开环幅频特性为：采用PI调节器进行校正，其校正传函为：，取并使，取，则得L1=30dB,即。，如果取R0=40K，则，取R1=30K，故设计有效。校正后： ,幅值裕度为：， 所以校正有效。1-7、带电流正反馈的电压负反馈调速系统，采用三相桥式全控整流电路供电，系统整流变压器采用/Y接线，一次绕组每相电阻为2，二次绕组每相电阻为0.5，电动机参数为：=3KW, =220V, =17.5A, =1500rpm, =2.2,平波电抗器电阻,设计指标：D=20，S=10%，运算放大器限幅值为8V。1、 计算不

11、包含平波电抗器时的整流装置内阻，电流反馈电阻，电压反馈系数和调节器放大系数Kp等参数。2、 分析等参数对系统静特性的影响。解：1、，为整流变压器绕组折算到二次侧的等效电阻，它包括绕组电阻及一次绕组电阻折算到二次侧的电阻；是由整流变压器漏抗引起的换向压降所对应的电阻。本题中，整流变压器采用/Y接线，为便于计算把它换算成Y/Y接线。设变压器一次侧每相电阻为R11，二次侧每相电阻为R21，则R11=2，R21=0.5，换成Y/Y接线后，一次侧每相电阻为，折算到二次侧后每相电阻为：，U1为一次侧相电压有效值220V，U2为二次相电压有效值，可按下式计算，95%为电网电压波动系数；对于不可逆系统，可取，

12、则U2=102V，于是，所以，又，式中Uk为变压器的阻抗百分比，对于容量小于1000KV.A的变压器Uk值一般取5，m为整流电压一周期内脉动次数，对三相桥式电路m=6。,，根据得，根据D、S得系统速降为：，根据带电流补偿电压负反馈电流的静特性方程：，由此式看出速降主要是由所产生，为补偿其速降可使，由于，由于，为简单计，取，3、 若不变，KpKs值随Rs值增大而减小。1-8、某调速系统原理图如图所示：已知数据如下：电动机=30KW, =220KW, =157.8A, =1000rpm, =0.1,采用三相桥式整流电路，等效内阻=0.3, =40,当主电路电流最大时，整定。设计指标：D=50，S=

13、10%，,试画出系统的稳态结构图，并计算：1、；2、Kp；3、R0、R1；4、R2和VST的击穿电压。解：当，；当，根据知，允许的，取R0=20K，则取R1=KpR0=940K,当时，Ui=10V,Ui=0.042Id,当时，即为稳压管的击穿电压。系统的静态结构图为：系统的静态方程为：在时，n=0,，。1-9、单闭环有静差调速系统，已知=2.2KW, =220V, =12.5A, =1500r/min, =1主电路总电阻R=2.9, =75，测速机采用ZYS-231/110型测速发电机，其的分压系数。要求D=20，S=5%。1、 当采用的分压系数是否满足要求？2、 计算Kp、R1的值。解：，允

14、许速降，当RP2的分压比为1/8时，在最高速时产生的电压为，故满足要求。分压比是1-10、有V-M系统，已知=2.8KW, =220V, =15.6A, =1500rpm, =1.5, 1, 37。1、 系统开环工作时，试计算D=30时的S值。2、 当D=30、S=10%时，计算允许的稳态速降。3、 如为转速负反馈有静差调速系统，要求D=30、S=10%，在=10V时，使电动机在额定工作点工作，计算Kp和。4、 如改电压负反馈有静差调速系统，仍要在=10V时，使电动机在额定工作点工作，并保持系统的开环放大系数不变。试求D=30时的静差率。解：1、，2、3、4、电压反馈的速降为：,1-11、对于

15、调速系统的转速控制要求是各式各样的，归纳起来，有三个方面：1、调速；2、稳速；3、加、减速。1-12、调速和稳速是调速系统的稳态的两个指标，它由调速范围D和静差率S%来反映。1-13、调速范围D定义为，对于调压调速系统。1-14、静差S%的定义：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所对应的转速降落，与理想空载转速之比，即。1-15、静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。但是硬度相同的机械特性，转差率并不一定相同。1-16、调速范围和静差率是调速系统的稳态指标，这两个指标能否彼此孤立的提？（否）1-1

16、7、D、S、之间的关系是：1-18、开环系统与闭环系统的比较1、在相同负载下，两系统的开环速降2、 在同一n0下，两系统的静差率3、 当S%相同时，两系统的调速范围解：1、在相同负载下，两系统的开环速降为：它们之间的关系为:2、 同一n0下，两系统的静差率为： 它们之间的关系为:3、 当S%相同时，两系统的调速范围为： 它们之间的关系为: 1-19、单闭环有静差调速系统当负载矩由突增到时，、和的变化过程示于下图。已知,Ce=0.1V/rpm,主回路电阻R1，Kp=20，Ks=40，0.01Vrpm。试求、和。解：转矩变化之前稳态，在转矩变化后达到稳态时，1-20、单闭环PI调节器调速系统，当负

17、载由5A变到10A时的n、U和Uct的变化曲线，已知主回路总电阻为R=1，Ks=40。求：解：在负载未变化之前稳态下： 在负载变化之后的稳态有： 由-得：由-得：。1-21、单闭环P调节器的的波形图如下，试标出哪一段是稳态，哪一段是暂态。1-22、单闭环PI调节器的的波形图如下图示。试标出那段是暂态那些段是稳态？123、速系统分为直流调速系统和交流调速系统。124、直流调速系统的主要优点是：a、具有良好的起、制动性能；b、宜于在广范围内平滑调速。125、直流调速系统的主要缺点：a、复杂；b、价造高。126、交流调速系统的主要优点：a、简单；b、造价低。127、在直流调系统中，对于要求在一定范围

18、内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。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，在电机额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。128、旋转变流机组供电系统的主要优缺点：a、可逆运行实现简单；b、四象限运行；c、设备多体积大；d、费用高；e、效率低；f、安装须打地基；g、运营行有噪声；h、维护方便；i、快速性差（响应时间慢）。129、可控整流器供电系统的主要优缺点：a、响应时间较快；b、体积小；c、维护方便；d、可逆较困难；e、元件对过电压、过电流以及过高的都十分敏感；f、在较低速运行时，晶闸管的导

19、通角很小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。130、PWM调速系统的优缺点：a、电流容易连续；低速运行平稳，调速范围宽；b、快速响应性能好，动态抗扰能力强；c、主电路损耗小，装置效率高。131、旋转变流机组，可控整流器，PWM三种供电调速系统的动态响应时间的数量级分别为：秒级、毫秒级和毫秒级。131、V-M系统的一个特殊问题是电流脉动不连续，这样就会产生以下两方面的问题：a、脉动电流产生脉动转矩，对生产机械不利。b、脉动电流造成较大的谐波分量，流入电流后对电网不利，同时也增加电机发热。132、静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度

20、的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。然而静差率和机械特性硬度又是有区别的，即硬度相同的机械特性，静差率却不一定相同。这主要是因为静差率与理想空载转速有关，所以，对于同样硬度的特性，理想空载转速低时，静差率越大，转速相对稳定性就差。由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求，任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。133、直流调压调速系统的调速范围为D，要求的静差率为S，带额定负载

21、时的转速降落为：，额定负载时的额定转速为，则的关系为：证明：在最低转速时，应满足静差率的要求：即调速范围，对于调压调速：代入式得：把代入得：134、调压调速系统两条机械特性的都是200rpm，那么这两条机械特性的硬度相同，静差率不一定相同。1-35、某龙门刨床工作台拖动采用直流电机：Z2-93型，60KW，220V，305A，1000rpm,要求D=20，S5%。如果采用V-M系统，已知主回路总电阻R=0.18,电动机，则当电流连续时，在额定负载下的转速降落为：。开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为：这已大大超过了5%的要求，更谈不上调到最低速时的情况了。如果要满足D=20，S5%的要

22、求，那么允许，最低转速是，原闭环系统的开环放大倍数，若，则比例调节器的放大倍数为：。1-36、把下列部件连成一个单闭环调速系统：解：用上述元件组成的负反馈原理图如下：1-37、推导下面单闭环调速系统的静态性、静态框图和动态框图：已知L=30mH，R0.1，Tm0.3S，Ce0.2Vrpm。解：其静态框图为 ：动态结构图：1、比例环节：2、触发整流装置：3、测速机部分：4、电机部分：故其动态结构图如下：1-38、单闭环调速系统的静特性与开环机械特性相比较具有：在同样的负载扰动下，闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多，。在同样的下，则闭环系统的静差率小得多，。当要求的静差率一定时，闭环系统可

23、以大大提高调速范围，。要取得上述三条优越性，闭环系统必须设置放大器和检测反馈装置。1-39、调速系统的稳态速降是由电枢回路的电阻压降决定的，闭环系统能减少稳态速降，难道闭环后能使电阻减少吗？显然不能。那么降低速降的实质是什么呢？答：在开环系统中，当负载电流增大时，电枢压降也增大，转速只能老老实实地降下来，闭环系统装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就减少，使机械特性上移，因而转速又有回升。由此看来，闭环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机电压。1-40、单闭环比例调节器具有以下三个特性：a、被调量有静差；b、抵抗被反馈包围的主通道上的干扰与服从

24、给定；c、系统精度依赖于给定和反馈检测精度。1-41、为什么说单闭环比例调节器是有差的？解：电动机两端的电压，若误差。那么，电机就会停转。所以，从该式可以看出，越大，在其它条件相同的情况下，就越小，即开环放大倍数越大，误差越小，从另一方面看，要消除偏差，K=才能使，而这是不可能的， 这种系统也正是靠这种偏差的变化才能实现控制作用的。1-41、下图中，控制系统能够抗哪些干扰，为什么？答：根据反馈控制规律，反馈控制系统只能抵抗被反馈包围的前向通道上的干扰。对给定的干扰和检测元件的干扰是不能抵抗的，并且服从给定，所以能抵抗的干扰有Kp变化，电源波动，负载变化，电阻变化，励磁变化，系统服从给定波动和变

25、化。1-42、图示单闭环调速系统：电动机：10KW，220V，55A，1000rpm,Ra=0.5,晶闸管装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压，触发器触发电压，VM系统主电路总电阻R=1.0。最大给定电压是12V。测速机：永磁式，ZYS231/110型额定数据为23.1W，110V，0.21A,1900rpm.生产机械要求：D=10，S5%，求稳态参数。若，按保证最小电流时电流连续的条件，计算电枢回路电感量，系统能否稳定？若不稳定则进行校正。系统稳定的条件是：解：反电势常数，为满足D、S要求，闭环允许速降为：开环速降：开环放大倍数：在稳态时，测速机的反电势常数：的选择方

26、法：考虑到测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的这样，测速机电枢压降对检测信号的线性度影响较小，于是，此时所消耗的功率为：为了使电位器温度不要很高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，故应选为5W，计算运算放大器的放大系数和参数：实取21。取，实取10K，则，电枢回路电感为实取17mH,三相桥式电路：机电时间常数：为了保证系统稳定，开环放大系数稳态要求：K53.3,而稳定性要求K49.4,所以系统不稳定。开环传递函数三个转折频率分别为：， ，原始系统的伯德图如下图示，用PI调节器，去掉比例环节Kp,则校正网络为，画出伯德图如下：取，希望的截止频率在之间，取，则在时，对应的原伯德图的幅值近似为

27、：，而对应于校正网络的波特图的幅值近似值为：所以PI调节器为若取取22K检验条件：满足条件。1-43、图示单闭环调速系统框图：已知主回路总电感为L，总电阻为R，电机反电势常数为Ce，测速反馈系数为，比例调节器的放大倍数是Kp，推导系统各环节的动态方程，画出动态结构图，并求系统稳定的条件。解：1、比例环节：2、触发整流装置：把代入上式得：当把上面条件整理得：所以整流环节的传递函数为：3、测速机部分：4、电机部分：故其动态结构图如下：令所以特征方程为：根据劳斯-赫尔维茨判据得系统的稳定条件为：1-44、设计一个反馈控制的闭环调速系统时，首先应进行总体设计、基本部件选择和稳态参数计算，这样就形成了基

28、本的闭环控制系统，或称原始系统。然后，应该建立原始系统的动态数学模型，检查它的稳定性和其动态性能。如果原始系统不稳定或动态性能不好，就必须配置合适的校正装置，使校正后的系统能够全面地满足要求。1-45、常用的校正方法有：串联校正;反馈校正;复合控制。1-46、在伯德图上，用来衡量最小相位系统稳定程度（即相对稳定性）的指标是相角裕度和增益裕度。1-47、反映系统性能的伯德图特征有下列四个方面：1、中频段以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线，而且这一斜率占有足够的频带宽度，则系统的稳定性好。2、截止频率（或称剪切频率）Wc越高，则系统的快速性越好。3、低频段的斜率陡，增益高，表示系统的稳态精度好

29、（即静差率小，调速范围宽）。4、高频段衰减得越快，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。以上四个方面常常是相互矛盾的，对稳态精度要求很高可能使系统不稳定，加上校正装置后系统稳定了，又可能要牺牲快速性，提高截止频率可加快系统的响应又容易引入高频干扰，如此等等。1-48、在闭环调速系统中，常优先考虑串联校正方案。用运算放大器实现的串联校正装置可有比例（P）、比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例积分微分（PID）四类调节器：由P调节器构成的校正装置是最简单的有差调节器。它即不产生超前也不产生迟后。由PD调节器构成的超前校正，可提高稳定裕度并获得足够的快速性，但稳定精度可能受到影响；由PI调节器构成的

30、滞后校正，可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统的稳定的。用PID调节器实现的滞后-超前校正则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但线路及其调试要复杂一些。一般的调速系统要求以稳和准为主，对快速性要求不高，所以常用PI调节器，在随动系统中快速性是主要要求，常用PD或PID调节器。1-49、某调节器如下图示，求其传递函数，画出其近似伯德图。解：利用节点电流法：令，得：1-50、画出常用的两种内外限幅电路图，简述工作原理并比较其优缺点？解：常用的限幅电路有内限幅和外限幅两种，其电路图分别如下：上图为外限幅，下图为内限幅外限幅电路又称为输入限幅电路，其中二极管VD1和电位器RP1提

31、供正电压限幅，VD2和RP2提供负电压限幅，电阻R2是限流电阻。正限幅电压，负限幅电压，其中和分别表示电位器滑动端M点和N点的电位，是二极管正向压降。调节电位器RP1和RP2可以任意改变正、负限幅值。外限幅电路只保证对外输出限幅，对集成电路本身的输出电压（C点电压）并没有限住，只是把多余的电压降在电阻R2上罢了。这样，输出限幅时，PI调节器C1上的电压仍继续上升，直到集成电路内的输出级晶体管饱和为止。一但控制系统需要运算放大器的输出电压从限幅值降低下来，电容上的多余电压还需要一段放电时间，将影响系统的动态过程。这是外限幅电路的缺点。要避免上述缺点可采用内限幅电路，或称反馈限幅电路。正限幅电压等

32、于稳压管VST1的稳压值，负限幅值等于VST2的稳压值。如果输出电压要超过限幅值，当即击穿该方向的稳压管，对运算放大器产生强烈的反馈作用，使其回到限幅值。稳压管限幅电路虽然简单，但要调整限幅值时必须更换稳压管，是其不足之处。1-51、单闭环P调节器的调速系统的稳态是有差的，为什么？若把P调节器分别换成PD、PI、PID调节器稳态是否有误差，为什么？答：单闭环P调节器的调速系统稳态是有差的，因为P调节器就是靠这个误差来调节转速的，若无这个误差，电机就会停下来。若换成PD调节器稳态仍然是有差的，原因同上。若换成PI或PID调节器，调速系统是无差的，因为这两个调节器都含有积分环节，那么调节器的输出与

33、过去的误差有关，它是当前时刻以前的误差的累计，也就是说，现在误差为0，只要历史上曾经出现过误差，调节器输出就不等于0，所以PI、PID调节器调速系统可以做到无差。1-52、P、I、PI调节器的输入波形如下，试画出这几种调节器的输出波形（0初始条件下，不考虑积分饱和）。解：P调节器输出波形为：I调节器 输出波形为：PI调节器：这是P和I调节器的叠加。1-53、为什么单闭环PI调节器的调速系统的稳态误差0？ 答：因为PI调节器中含有积分环节，当不为0时，输出触发电压就增减，触发电压增减，导致电机电压增减，从而使电机速度增减，系统不能恒速执行，只有当0时，调节器才恒定，那么电机电枢电压才恒定，电机才

34、能稳速运行，所以说PI调节器是无静差调速系统。1-54、画出单闭环PI调节器的突增和突减负载时的波形图。解：负载突增和突减时的波形图分别如下：1-55、画出单闭环P调节器突增和突减负载时的波形图。解：负载突增和突减时的波形图分别如下：1-56、有一V-M调速系统，电动机参数为2.5KW，220V，15A，1500rpm，2，整流装置内阻1，触发整流环节的放大系数Ks=30，要求调速范围D=20，静差率S=10%，试：1、 计算开环系统的稳态速降和调速要求所允许的稳态速降。2、 采用转速负反馈组成闭环系统，试画出系统的稳态结构图。3、 调整系统，使20V时，转速n=1000rpm,此时转速反馈系

35、数应为多少？（可认为0）。4、 计算所需的放大器放大系数，并实现调节器。5、 如果改用电压负反馈，能否达到所提出的调速要求？若放大器的放大系数不变，最大给定电压为30V，在静差率为S=30%时采用电压负反馈最多能够得到多大的调速范围？解：1、电机的反电势常数：开环稳态速降：满足D、S要求允许的闭环速降：2、 用转速负反馈系统的稳态结构图为：3、当20V时，n=1000rpm,则转速反馈系数4、闭环系统的开环放大系数为：，则所需比例放大器放大系数：若取则，取91。5、用电压负反馈后，电动机电枢电阻造成的稳态速降已经是：，可见不可能达到题中提出的调速要求。采用电压负反馈调速系统的稳态特性方程式为：

36、，式中其中电压反馈系数r为：所以：因此，采用电压负反馈后调速系统的稳态速降为：1-57、转速负反馈单闭环系统中，已知数据有：电动机：2.2KW，220V，12.5A，1500rpm，1。采用三相桥式整流电路，主电路总电阻R2.9，主电路总电感L40mH，44，1.5，10V，要求调速范围D=15，S=5%，问：1、 该系统能否稳定运行，其临界开环放大系数为多少？2、 如系统不能稳定运行，对其进行动态校正。解：1、开环速降：所以三相桥式整流电路：临界：可见系统不稳定。2、原始系统开环传递函数：三个转折频率为：串联较正环节为：，令所以截止频率应在23.347.6之间，若取则：PI调节器为：若取，校

37、验：故设计有效。1-58、试就快速性、效率、功率放大系数、硅钢片和铁用量、体积、噪声和维护等方面，对V-M系统和G-M系统作一列表比较。解：类别G-MV-MPWM快速性s级(慢)ms级(快)ms级(最快)效率低高最高功率放大系数低高高硅钢片和铁用量多少少体积大小小噪声大小小维护不方便方便方便四象限调速容易较难容易1-59、比例控制规律和积分控制规律的根本区别是什么？答：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，只要历史上有过，其积分有一定数值，就能产生足够的控制电压，保证新的稳态运行。1-60、比例控制规律和比例积分控制规律的根本区别

38、是什么？答：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而比例积分调节器的输出不但包含了输入偏差量的全部历史，而且与当前偏差量有关，虽然现在0，只要历史上有过，其积分有一定数值，就能产生足够的控制电压，保证新的稳态运行。1-61、单闭环比例积分调节器的调速系统，在稳态运行时5V，那么电机的转速是多少？（10V，1000rpm）。解：转速反馈系数为：。当5V时，1-62、单闭环比例积分调节器的调速系统，在稳态运行时的静差为什么为0？有人说000n0，这种说法对否？为什么？ 答：这种说法不对，因为PI调节器在稳态时，只有0，才能恒定恒定转速恒定。这时的为：第二章 习题集及解答2-1、某可控硅供电的双

39、闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：，Ra0.2，电枢回路总电阻，平波电抗器，调节器的限幅值为10V，反馈滤波时间常数，。设计要求：稳态指标：无静差。动态指标：电流超调量，起动额定转速时的转速超调量。解：电流环设计：。三相桥式可控硅整流装置的滞后时间常数：电流环的小时间常数：，因此可按典型I型系统设计，选电流调节器为PI调节器，其传递函数为：选，因为要求取因此校验条件：满足条件满足条件满足条件电流调节器的参数：取R0=40K，R0=KiR0=41.36K，取0.75f按上述指标设计：，满足设计要求。转速环设计：1、 确定常数：电流环等效时间常数为：（）转速滤波时间常数（根

40、据所用测速发电机纹波情况）转速环小时间常数2、 选择转速调节器结构：由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为：3、 选择转速调节器参数：按跟随和抗扰性能都较好的原则，则h=5,则ASR的超前时间常数为，转速开环增益：PI调节器传递函数为4、 校验近似条件：，满足条件，满足条件5、计算ASR调节器的电阻和电容参数，取，取470K，取0.2f5、 校验转速超调量：当h=5时，；而因此满足要求。2-2、双闭环调速系统中已知数据为：电动机，电枢回路总电阻，。电枢回路最大电流，ASR和ACR均采用PI调节器，试求：1、

41、电流反馈系数和转速反馈系数。2、 当电动机在最高转速发生堵转时的的值。解：1、2、 最高转速时，即2-3、ASR和ACR均采用PI调节器的双闭环调速系统，主电路最大电流当负载电流由20A增加到30A时，试问：1、应如何变化？2、应如何变化？3、值由哪些条件决定？解：1、系统稳定时有：应由2V3V。2、3、2-4、在转速电流双闭环调速系统中，若ASR和ACR均采用PI调节器。则1、 试作出负载突增时、和n在调整过程中的波形。2、 若15V，n1500rpm，10V，20A，R=2。20，0.127V/rpm，当5V，10A时，求稳态运行时的n, ,和。3、 若系统中测速机励磁和电网电压发生变化，

42、系统有没有克服过两种扰动的能力？为什么？解：1、2、3、若测速机励磁发生变化，系统不能克服这种扰动。若电源发生变化，系统可以克服这种扰动。2-5、有一个系统，其控制对象的传递函数为，要求设计一个无静差系统，在阶跃输入下系统超调量小于5%，试对系统进行动态校正，决定调节器结构，并选择其参数。解：要求无静差，故选用I调节器，要求，所以选用I型且KT=0.5，调节器原理图如下：、2-6、有一个闭环系统，其控制对象的开环传递函数为，要求校正为典型型系统，在阶跃输入下，试决定调节器结构，并选择其参数。解：选用PI调节器，根据，取h=7或8,，取，2-7、调节对象的传递函数为，要求用PI调节器分别将其校正

43、成典型I型和型系统，并求调节器参数。解：1、I型系统取：,取，取，取27K，2、型，取h=5，满足条件2-8、某系统调节对象的传递函数为用串联校正使之成为典型I型系统，要求校正后，试决定调节器结构及其参数。并画出幅频特性。解：如果用PI调节器，且取，满足要求2-9、有一双闭环V-M调速系统，采用三相桥式全控整流电路，整流变压器采用/Y接法，二次侧相电压有效值，主电路在最小电流为时仍能连续，已知电动机参数为：Z2-61型，。电动机的，对电网扰动和负载扰动有较好的抗扰性，试设计ACR和ASR的参数。其中，。解：对于三相桥式全控整流电路，2-10、某双闭环调速系统，采用三相桥式整流电路，已知电动机参

44、数为：，允许电流过载倍数1.5,R=0.1,，调节器输入电阻设计指标：稳态无静差，电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量，电流调节器已按典型I型系统设计，并取KT=0。5，速度环按典型II型设计，且h取5。试求：1、 选择转速调节器结构，并计算其参数。（10分）2、 计算电流环和转速环的截止频率和。（10分）解：三相桥式整流电路,.电流调节器选用PI,小时间常数.根据电流环性能指标要求,取,则电流环校验：满足,满足,满足电流调节器的实现：取R0=40K，f,RiR0=21K, f 转速调节器选用PI调节器，取h=5,则满足要求。校验：满足64满足转速调节器的实现：取R0=40K，f,Rn

45、R0=3.5K, f 2-11、带转速微分负反馈的双闭环调速系统，采用三相桥式整流电路。已知电动机的参数为：，R0.5，电流过载倍数2，。转速环已按典型型系统进行设计，取h=5。电流环已按典型I型且。1、 要求在带20%额定负载条件下起动到额定转速的，试求：a、 微分负反馈环节参数b、 退饱和时间和退饱和转速2、 当突加150%额定负载扰动时，试求系统的动态速降和恢复时间。解：,1、a、,取，=875.8rpm2、=2（查表211）， 动态速降为：恢复时间为： 2-12、V-M调速系统存在几个很难克服的问题是：a、 存在电流的谐波分量，因而在深调速时转矩脉动大，限制了调速范围。b、 深调速时功

46、率因数低，也限制了调速范围。要克服上述困难，就必须加大平波电抗器的电感量，但是电感大大限制了系统的快速性。2-13、在双闭环直流调速系统启动过程中，电机电流很快升至最大电流，转速调节器很快饱和。只有电流调节器起调节作用。这时是利用电机的最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使系统尽可能用最大的加速度起动，以尽量缩短起动过程的时间，以提高生产效率。在稳定运行时，转速调节器起主要作用。电流调节器起电流跟随作用，并且主回路电流等于负载的等效电流，稳定转速由和决定。触发电压等于。2-14、在双闭环调速系统中，两个调节器一般均使用PI调节器，并且两个调节器均带限幅，速度调节器的限幅值，决定了

47、电流调节器给定电压的最大值，即，电流调节器的输出限幅值，它限制晶闸管整流器的最大电压值。并且电流调节器一般不会达到饱和状态。速度调节器有饱和和非饱和之分。2-15、标出下图双环调速系统各点的电压极性（其中触发单元的输入电压为正）。2-16、画出上图的静态结构图和动态结构图，并写出其特性表达式。解：, 2-17、某调节器的电路图如下所示。其中运算放大器的限幅值为+17V，当时，试画出其输出的波形图（初始条件为0）。解：2-18、在转速、电流双闭环调速系统中，电动机、晶闸管整流装置及其触发装置都可按负载的工艺要求选择和设计，转速和电流反馈系数可以通过稳态参数计算得到；转速和电流调节器的结构与参数，

48、一般则应在满足稳态精度的前提下，按照动态校正的方法确定。2-19、典型I型系统的开环传递函数为，它在阶跃输入时的稳态误差为0，在单位斜坡输入时的稳态误差为1/K；在加速度输入时稳态误差为；所以典型I系统称为I阶无差系统。对于典型的I型系统为 了保证系统稳定，且有一足够的稳定余量。对数幅频特性的中频段应以的斜率穿越0dB线，要做到这一点，开环截止频率或，则相角稳定裕度，开环放大倍数与开环截止频率的关系为。由于KT1,故其闭环系统的阻尼比，由于时，动态响应较慢，所以一般常把系统设计成欠阻尼或临界阻尼状态。即阻尼比。从关系式可以看出，开环增益K越大，系统响应速度越快。但系统的相对稳定裕量越小。2-2

49、0、典型II型系统的开环传递函数为。它在阶跃输入时的稳态误差为0；在斜坡输入时的稳态误差为0；在单位加速度输入时的稳态误差为1/K。对于II型系统，为保证系统稳定，且有足够的稳定余量。对数幅频特性的中频段应以的斜率穿越0dB线。要做到这一点，应有或。相角稳定裕度。比T越大，则稳定裕度越大。如果定义，开环放大倍数与开环截止频率的关系为：或，根据闭环幅频特性峰值最小准则，则K，h, T之间的关系为。221.用下列元器件及装置组成一个双闭环调速系统。还有若干电阻、电容和电位器，1、触发装置的控制电压Uct为正。2、触发装置的控制电压Uct为负。解：1、触发装置的控制电压Uct为正时的连接图：2.置的

50、控制电压Uct为负时的连接图：2-22、双闭环调速系统的稳态结构图为：试画出其静态性图及静态性表达式。解：（一）转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，由于使用的PI调节器的稳态误差等于0，因此有：即：于是得到静态性的运行段n0A。由于ASR不饱和，即，也就是说n0A段静态性从（理想空载状态）一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静态性的运行段。（二）转速调节器饱和当ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时，这就是静特性的段。223. 双闭环调速系统的稳态结构图如下：在n0A段ASR调节器饱和否？

51、ACR调节器饱和否？这两个调节器谁起主要作用？在Idm段ASR饱和否？ACR饱和否？这两个调节器哪个起作用？答：n0A段是双闭环调速系统运行段，ASR和ACR均不饱和，ASR起主要调节作用，ACR起辅助作用。Idm段是双闭环过流自保护段，这时ASR饱和，相当于断开，它不起调节作用；ACR不饱和，它起主要调节作用。2-24、上题的双闭环调速系统，已知。求稳态时，。解：稳态时：所以所以是由负载和给定决定的，n是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的。2-25、大致画出双闭环起动过程的电流、转速曲线并简述之。答：双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程大致曲线如下

52、：在0t1是电流上升阶段。突加给定电压后，两个调节器使Id、Uct、Ud0都上升，当IdIdL时，电机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而Un数值较大转速调节器迅速饱和达到Uim*，强迫电流Id迅速上升。当IdIdm时，UiUim*，电流调节器的作用使Id不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在t1t2段是恒流升速阶段。从电流升到最大值Idm开始，到转速升到给定值n*为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段。在这个阶段转速调节器一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统加速度恒定，转速呈线性增长。与

53、此同时，反电势E也按线性增长。对电流调节器系统来说，这个反电势是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，Uct和Ud0也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。由于电流调节器是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压Ui必须保持一定的值，也就是说，Id应略低于Idm。在t2以后是转速调节阶段。在这个阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相等，输入偏差为0，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim*，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，速度调节器输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压立即从限幅值降下来，主电流也因而下降。但是仍大

54、于IdL，在一段时间内，转速仍继续上升。到IdIdL时，电机产生转距与负载转矩相等，则0，转速达到峰值（t=t3）。此后，电机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流Id也出现一段小于IdL的过程，直到稳定。2-26、双闭环调速系统的起动过程的三大特点是什么？答：双闭环调速系统启动的三大特点是：1、饱和非线性控制，转速调节器由不饱和到饱和再到不饱和，电流调节器始终不饱和。2、准时间最优。3、转速必然有超调。227. 双闭环调速系统受如下干扰时，系统对那些干扰能抑制，对那些干扰不能抑制，为什么？答：对b、c、d、e、IdL、f、g、j、h这些干扰有抑制作用。因为这些干扰位于转速环的前向通道上。对

55、a、i不能抑制。因为a干扰的给定，系统对给定是跟随作用，给定如何变，输出也跟着变。i是反馈通道上的干扰，系统无法抑制反馈通道上的干扰。因此系统的精度取决于给定和反馈元件的精度。2-28、双闭环调速系统两个调节器的作用是什么？答：转速调节器的作用：1、 使转速跟随给定电压变化，稳态无静差。2、 对负载变化起抗扰作用。3、 其输出限幅值决定允许的最大电流。电流调节器的作用：1、 对电网电压波动起及时抗扰作用。2、 启动时保证获得允许的最大电流。3、 在转速调节过程中，使电流跟随其给定值Ui*变化。4、 当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速安全保护作用。若故障消失，系统能够自动

56、恢复正常。229.工程设计法的基本思路是什么？答：工程设计法的基本思路是首先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。其次再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。2-30、某系统的开环传函随开环放大倍数变化的伯德图如下：当开环放大倍数K增大时，截止频率c增大，系统响应时间ts减小，相角稳定裕度变小。这说明快速性和稳定性之间是矛盾的。在具体选择参数时，必须在二者之间折衷。231.在阶跃输入下型系统在稳态是无差的。在单位斜坡输入下则有恒值误差且与开环放大倍数成反比。在单位加速度输入下稳态误差是无穷大。232.为什么双闭环调速系统启动第二阶段的电流要比稍低？答：在双闭环调速系统启动

57、第二阶段，转速调节器饱和输出恒定值Uim*，转速环相等于开环。双闭环成为一个电流单环，电机电流保持恒定，负载电流是恒值，所以电机加速度恒定，转速线性增加，在稳态时由于，保持不变，n线性增加。所以也要线性增加。Ud0KsUct，所以要线性增加。电流调节器是PI调节器，要使Uct线性增加，那么电流调节器的输入误差须等于恒定值，即要比略小2-33、为什么双闭环调速系统启动的第三阶段电流必然出现一段的一段？答：这是因为在第三阶段中，当时，转速达到最大值，如何把转速调节到给定值，那么必须使，才能产生一个负转矩使电机降速，才可能使。2-34、调速控制系统的稳态指标有：调速范围D；静差率。动态跟随指标有：上

58、升降时间；超调量；调节时间。抗扰性能指标有：动态速降；恢复时间 。2-35、某控制系统的开环传递函数为（），近似化处理后变成为，那么该系统阶跃输入的稳态误差为0。对吗？为什么？答：不对，大惯性近似为积分只能用来研究系统的暂态指标，而不能用来研究系统的稳态指标，所以这种说法不对，该系统仍是零型系统，阶跃输入的稳态误差不为0，而是与开环放大倍数成反比，与阶跃输入幅度成正比的恒值。2-36、某控制系统的开环传递函数为，（），使用I调节器后，做近似处理，则开环传递函数变成：，那么有人说，该系统在阶跃输入的稳态误差为0，在斜坡输入的稳态误差为0，在等加速度输入的稳态误差为恒值，对吗？为什么？答：不对，加

59、了积分调节器后，系统仍是I型系统，阶跃输入的稳态误差为0，斜坡输入的稳态误差与开环放大倍数成反比与斜坡输入幅度成正比，等加速度输入的稳态误差为。2-37、双闭环调速系统的外环等效结构图如下：负载由突变到时的动态速降为，恢复时间为，这里已知h，忽略启动时滞后时间，那么双闭环的超调量，调节时间近似为：证明：忽略启动第一段的延迟时间，第二阶段认为n按线性增长，此时当时，在启动的第三阶段，相当于负载由突减到，所以超调量就相当于动态速升，238.双闭环调速系统中，已知电动机额定参数为、，允许最大电流过载倍数1.5,采用三相桥式整流电路，并限制最小角为30，最大给定电压为。1、 若ASR、ACR均使用PI

60、调节器且限幅值分别为和，如何确定反馈系数、以及电源相电压有效值。2、 设系统在额定情况(=,n=)下正常运行，若转速反馈线突然断线，系统的运行情况如何？3、 设系统拖动恒转矩负载并在额定情况下正常运行，若因为某种原因励磁电压降低使磁通下降一半，系统工作情况如何变化？写出、及n在稳定后的表达式。4、 系统在稳定工作时，要想让电动机反转，是否只要改变电动机励磁电源的极性就可以了，这时系统能否正常运行，你还需要在接线上采取什么措施？5、 为了测量堵转电流作堵转试验，在系统主电路内串入一个大容量大阻值的可变电阻Re，在加上给定并使电动机堵转后，逐渐把Re的值减小到零时，、和的变化情况如何？解：1.按最大给定对应电机最高转速来确定，故。按主回路最大允许电流对应于ASR输出限幅值来确定， ，。的确