运动控制系统习题集解(直流部分)2

习题二 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Kn行不行? 改变电力电子变换器的放大倍数Ks行不行? 改变转速反馈系数α行不行?若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的哪些参数?

答：① 在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速,应调节的参数有：转速给定电压Un，因为转速反馈系统的转速输出服从给定。

② 改变转速调节器的放大倍数Kn，只是加快过渡过程，但转速调节器的放大倍数Kn的影响在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。因此，不能通过改变转速调节器的放大倍数Kn，来改变转速

③ 改变改变电力电子变换器的放大倍数Ks，只是加快过渡过程，但转电力电子变换器的放大倍数Ks的影响在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。因此，不能通过改变电力电子变换器的放大倍数Ks，来改变转速

④ 改变转速反馈系数α，能改变转速。转速反馈系数α的影响不在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统没有调节和抑制能力。因此，可以通过改变转速反馈系数α来改变转速，但在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行最终的转速还是服从给定。

⑤ 若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的参数有：转速的给定U*n、转速调节器的放大倍数Kn、转速调节器的限幅值、转速反馈系数α等，因为它们都在电流环之外。

2-2 在转速、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：在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行时，转速调节器退饱和，PI的作用使得转速调节器的输入偏差电压为0，转速调节器的输出电压由于维持在U*im（n*）。

在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行时，电流调节器不饱和，PI的作用使得电流调节器的输入偏差电压为0，形成一个电流随动子系统，力图使Id尽快跟随其给定U*i. 电流调节器的输出电压UC又后面的环节决定。

2-3 在转速、电流双闭环调速系统的转速调节器不是PI调节器，而是P调节器，对系统的静、动态性能将会产生什么影响?

答：在转速、电流双闭环调速系统中，转速调节器采用P调节器，整个系统成为一个有静差的系统。

转速调节器不饱和，一直处于主导地位；电流调节器不饱和，形成一个电流随动子系统，无法形成在最大电流下在最短时间内使速度上升/下降最快，动态响应较慢。

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 调速系统的静态性能； ② 动态限流性能； ③ 启动的快速性 ④ 抗负载扰动的性能；⑤ 抗电源波动的性能

答：

① 调速系统的静态性能:

在转速、电流双闭环调速系统中，转速调节器采用PI调节器，整个系统成为一个无静差的系统。 带电流截止环节的转速单闭环调速系统中，转速调节器采用PI调节器，整个系统成为一个无静差的系统。

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*

② 动态限流性能:

在转速、电流双闭环调速系统中，电流调节器采用PI调节器，将电流限制在Idm内。 带电流截止环节的转速单闭环调速系统中，将电流限制在Idcr-Idbl内。

③ 启动的快速性:

在转速、电流双闭环调速系统在启动/制动过程中，转速调节器饱和，电流调节器在最大电流Idm附近进行PI调节，时间最短，提高了启动/制动的快速性。

带电流截止环节的转速单闭环调速系统中，在启动/制动过程中，当电流大于截止电流Idcr时，电流调节器起作用，并不是在最大电流附近进行调节，启动/制动的快速性较差。

④ 抗负载扰动的性能：

在转速、电流双闭环调速系统中，负载扰动在转速外环中，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。

带电流截止环节的转速单闭环调速系统中，负载扰动立即引起电流变化，当电流大于截止电流Idcr

时，电流调节器起作用，可以进行调节。

⑤ 抗电源波动的性能

在转速、电流双闭环调速系统中，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，抗电源波动的性能大有改善。在电流截止环节的转速单闭环调速系统中，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源电压扰动的性能要差一些。

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，当系统重新进入稳定运行时电流调节器的输入偏差信号?Ui是否为零?

答：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，转速调节器反馈电压突变为为0，转速调节器输入偏差突变为最大，转速调节器（PI

*

调节器）饱和，转速开环，系统变为电流单闭环调节。转速调节器的输出突变为正极限值Uim,电流调节器的输入偏差变大，电流调节器为PI调节器作用，直至进入新的稳定状态，电流无静差。当重新进入稳定运行时，电流调节器（PI调节器）的输入偏差信号?Ui为零。

2-6 在转速、电流双闭环调速系统中，给定信号U*n未变，增加转速反馈系数?，系统稳定后转速反馈电压Un是增加、减小还是不变？

答：在转速、电流双闭环调速系统中，给定信号U*n未变，增加转速反馈系数?，转速调节器反馈电压增加，转速调节器输入偏差变大，转速调节器输出变大即电流调节器给定变大，电流调节器输入偏差变大，电流调节器输出变大即电机电流变大，进入重新调节阶段。系统稳定后，转速、电流无静差。转速调节器输入偏差为0，转速反馈电压Un等于转速给定信号U*n，不变。

2-7 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。已知电动机参数为：PN＝3.7KW，

UN＝220V，IN=20A，nN=1000r／min，电枢绕组总电阻Ra＝1. 5?，U*nm =U*im＝U*cm=8V，电枢

回路最大电流Idm=40A, 电力电子变换器的放大倍数Ks=40,试求: ① 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Ud0、U*I、Ui、Uc值. 解：① 稳态运行时，转速调节器不饱和，输入偏差为0，α=

UnnUin**=

UnmnNUimidm**8/1500=0.0056

稳态运行时，电流调节器不饱和，输入偏差为0，β===8/40=0.2

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② 当电动机在最高转速发生堵转时, 电枢回路最大电流Idm=40A,

电流调节器反馈电压最大Uim=8V,

电流调节器输入偏差最大大，电流调节器饱和, 输出最大U*cm=8V, 电流开环. 经过电力电子变换器后的Ud0= Ks*Uc =40*8=320V.,

电机转速很小;几乎为0, 转速反馈电压很小, 转速调节器输入偏差很大, 转速调节器饱和，转

速开环,转速调节器输出U*im＝8V.

2-8 在转速、电流双闭环调速系统中，ASR、ACR两个调节器均采用PI调节器。当ASR的输出达到

U*im=8V时，主电路电流达到最大电流80A，当负载电流由40A增加到70A，试问：

① U*I如何变化？ ② Uc如何变化？ ③ Uc值.由哪些条件决定？

答: ① 在转速、电流双闭环调速系统中，ASR、ACR两个调节器均采用PI调节器。当ASR的输出达到Uim=8V时，ASR饱和不起作用; 主电路电流达到最大电流80A，电流调节器的给定电压Ui=Uim=8V最大保持不变,

② 当负载电流由40A增加到70A，电流调节器反馈电压Ui增加, 电流调节器的输入偏差电压减小, 电流调节器的输出电压Uc减小.

③ Uc值.由: 电流调节器的输入偏差电压(电流调节器的给定电压U*i-电流调节器反馈电压)、条电流调节器的比例放大系数、电流调节器积分时间常数以及电机的运行状态等条件决定。

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突然下降一半，系统工作情况会如何变化？写出Ud0、Ui、Uc、Id、n在系统重新进入稳定后的表达式。

答: 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突然下降一半，电机的电磁转矩减小为原来的一半，转速下降，转速调节器反馈电压Un减小, 转速调节器的输入偏差电压增大, 转速调节器的输出电压即电流调节器的给定电压U*i增大. 电流调节器的输出电压Uc增大，转速上升，达到新的稳定。

在系统重新进入稳定后Ud0=

U*i=

Uc= Id= n=

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σ≤10%

① 求系统的开环增益； ② 计算过渡过程时间ts和上升时间tr ③ 画出开环对数特性。如要求上升时间tr<0.25s, 则K=？,σ=？ 解：① 典型Ⅰ型系统W（S）=

KS(TS?1)*

*

*

*

*

T=0.1S 阶跃响应超调量σ≤10%

当wc < 1/T时，的幅频特性以–20dB/dec斜率穿越零分贝线，系统有较好的稳定性。系统的开

环增益K=wc截止频率 KT=0.5 K=5

②过渡过程时间ts=

3??n=6T=0.6S

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上升时间tr=

2?T1??2(??arccos?) 取ξ=0.707

③ 上升时间tr<0.25s =

2?T1??2(??arccos?) ξ=

wn=

12T?=

1则K=wc=wn[4?σ=e?(??/1??24?1?2?]2

2)?100%=

k1TS?12-11 有一个系统,其控制对象的传递函数为Wobj(S)==

100.01S?1，要求设计一个无静差系统,在

阶跃输入下系统超调量σ≤5%(按线性系统考虑),试决定调节器的结构,并选择其参数。

解: 要求设计一个无静差系统, 调节器结构选用I调节器,WI(S)=

10KIS(0.01S?1)kIS,

WI(S) Wobj(S)= 为典型Ⅰ型系统.

查典型Ⅰ型系统阶跃输入跟随性能指标表可知超调量σ≤ 5%, KT =0.5 K=50 KI=5 2-12 有一个系统,其控制对象的传递函数为Wobj(S)=

k1S(TS?1)=

10S(0.02S?1)，要求校正为典型Ⅱ型系

统, 在阶跃输入下系统超调量σ≤25%(按线性系统考虑),试决定调节器的结构,并选择其参数。

解: 要求校正为典型Ⅱ型系统,调节器结构选用PI调节器,

WPI(S)=

kPI(?1S?1)?1S, τ1=hT=7*0.02=0.14S

WPI(S) Wobj(S)=

51.2(0.18S?1)S(0.02S?1)2 为典型Ⅱ型系统.

查典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标表可知超调量σ≤30%, h=7

2-13 调节对象的传递函数为Wobj(S)=Ⅱ型系统, 求调节器的结构和参数。

解:① 要求校正为典型Ⅰ型系统,调节器结构选用PI调节器,

18(0.25S?1)(0.02S?1)，要求分别校正成典型Ⅰ型系统和典型

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