运动控制系统习题集解(直流部分)3
习题四可逆直流调速系统和位置随动系统4-1晶闸管-电动机系统需要快速回馈制动时,为什么必须采用可逆线路?答:在晶闸管-电动机调速系统中，只要是需要快速的回馈制动，常常也采用两组反并联的晶闸管装置，由正组提供电动运行所需的整流供电，反组只提供逆变制动。这时，两组晶闸管装置的容量大小可以不同，反组只在短时间内给电动机提供制动电流，并不提供稳态运行的电流，实际采用的容量可以小一些。4-2晶闸管装置供电的晶闸管-电动机(V-M)系统,在整流和逆变状态下的机械特性,并分析这种机械特性适合于何种性质的负载.单组晶闸管装置供电的V-M系统在拖动起重机类型的负载时也可能出现整流和有源逆变状态a）整流状态：提升重物，a<90°，Ud0>E，n>0n由电网向电动机提供能量。b）逆变状态：放下重物提升a>90°，Ud0
|Ud0r|=|Ud0f|，整流组电流将被截止，逆变组才真正投入逆变工作，使电机产生回馈制动，将电能通过逆变组回馈电网。同样，当逆变组工作时，另一组也是在等待着整流，可称作处于“待整流状态”。4-3分析配合控制的有环流可逆系统反向启动和制动的过程。画出各参变量的动态波形，并说明在每个阶段中ASR和ACR各起什么作用，VF和VR各处于什么状态。①整个制动过程可以分为两个主要阶段，其中还有一些子阶段。主要阶段分为：I.本组逆变阶段；II.它组制动阶段。现以反向制动为例，说明有环流可逆调速系统的制动过程。I.本组逆变阶段在这阶段中，电流由反向负载电流下降到零，其方向未变，因此只能仍通过反组VF流通，具体过程如下：发出停车（或正向）指令后，转速给定电压突变为零（或正值）；ASR输出跃变到负限幅值-U*im；ACR输出跃变成正限幅值+Ucm；反组VR由整流状态很快变成的逆变状态，同时正组VF由待逆变状态转变成待整流状态。在VR-M回路中，由于VR变成逆变状态，极性变正，而电机反电动势E极性未变，迫使电流迅速上升，主电路电感迅速释放储能，企图维持反向电流，这时大部分能量通过VR回馈电网，所以称作“本组逆变阶段”。由于电流的迅速上升，这个阶段所占时间很短，转速来不及产生明显的变化。Ⅱ.它组制动阶段当主电路电流上升过零时，本组逆变终止，第I阶段结束，转到正组VF工作，开始通过正组制动。从这时起，直到制动过程结束，统称“它组制动阶段”。它组制动阶段又可分成三个子阶段：它组建流子阶段；它组逆变子阶段；反向减流子阶段。25\n它组建流子阶段：Id过零并反向，直至到达+Id以前，ACR并未脱离饱和状态，其输出仍为+Ucm。这时，VF和VR输出电压的大小都和本组逆变阶段一样，但由于本组逆变停止，电流变化延缓，反组VR由“待整流”进入整流，向主电路提供+Id。由于正组整流电压Ud0r和反电动势E的极性相同，正向电流很快增长，电机处于反接制动状态，转速明显地降低，因此，又可称作“它组反接制动状态”。它组逆变子阶段：当反向电流达到–Idm并略有超调时，ACR输出电压Uc退出饱和，其数值很快减小，又由负变正，然后再增大，使VF回到逆变状态，而VR变成待整流状态。此后，在ACR的调节作用下，力图维持接近最大的反向电流+Idm，电机在恒减速条件下回馈制动，把动能转换成电能，其中大部分通过VF逆变回馈电网，称作“它组回馈制动阶段”或“它组逆变阶段”。由图可见，这个阶段所占的时间最长，是制动过程中的主要阶段。反向减流子阶段：在这一阶段，转速下降得很低，无法再维持-Idm，于是电流立即衰减。在电流衰减过程中，电感L上的感应电压LdId/dt支持着反向电流，并释放出存储的磁能，与电动机断续释放出的动能一起通过VR逆变回馈电网。如果电机随即停止，整个制动过程到此结束。②反向起动：如果需要在制动后紧接着反转，Id=-Idm的过程就会延续下去，直到反向转速稳定时为止。由于正转制动和反转起动的过程完全衔接起来，没有间断或死区，这是有环流可逆调速系统的优点，适用于要求快速正反转的系统。4-4试分析图4-13所示逻辑选触无环流可逆系统的工作原理，说明正向制动时各处电压极性及能量关系。采用了两个电流调节器和两套触发装置分别控制正、反组晶闸管。实际上任何时刻都只有一组晶闸管在工作，另一组由于脉冲被封锁而处于阻断状态，这时它的电流调节器和触发装置都是等待状态。采用模拟控制时，可以利用电子模拟开关选择一套电流调节器和触发装置工作，另一套装置就可以节省下来了。4-5试分析位置随动系统和调速系统在哪些方面是不同的。答：①位置随动系统解决的主要问题是实现执行机构对位置指令（给定量）的准确跟踪。随动系统一般称伺服系统②位置随动系统与调速系统的相同点：两者的控制原理相同，它们都是反馈控制系统，即通过对系统的输出量与给定量进行比较，组成闭环控制。③位置随动系统与调速系统的相异点：调速系统的给定量是恒值，不管外界扰动情况如何，希望输出能够稳定，因此系统的抗扰性能显得十分重要。位置随动系统中的位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟踪给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置随动系统的主要特征。位置随动系统在结构上往往比调速系统复杂一些。位置随动系统可以在调速系统的基础上增加一个位置环，位置环是位置随动系统的主要结构特征。4-9晶闸管-电动机系统中改变转矩方向的办法有几种？它们各有何特点答：根据转矩公式:Me=CeφId或Te=CmφId可知：改变转矩方向的两种方法:一.电枢反接可逆线路(改变Id方向)形式有多种，介绍3种：（1）接触器开关切换的可逆线路优点：仅需一组晶闸管装置，简单、经济。26\n缺点：有触点切换，开关寿命短；需自由停车后才能反向，时间长。应用：不经常正反转的生产机械。（2）晶闸管开关切换的可逆线路：简单可靠性高；中小容量可逆拖动系统（3）两组晶闸管装置反并联可逆线路：电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。注意：不允许两组晶闸管同时处于整流状态，造成短路。因此对控制电路提出了严格的要求。二.励磁反接可逆线路(改变φ方向)由于励磁功率仅占电动机额定功率的1~5%，因此，采用励磁反接方案，所需晶闸管装置的容量小、投资少、效益高。缺点：改变转向时间长。由于励磁绕组的电感大，励磁反向的过程较慢；解决办法：强迫励磁。又因电动机不允许在失磁的情况下运行，励磁电流下降到零时存在电枢电流，出现弱磁升速。解决办法：在磁通减弱时保证电枢电流为零。因此系统控制相对复杂一些。优点：供电装置功率小。由于励磁功率仅占电动机额定功率的1~5%，因此，采用励磁反接方案，所需晶闸管装置的容量小、投资少、效益高。4-10什么叫环流？环流有几种？怎样抑制直流平均环流？怎样抑制瞬时脉动环流？答：采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。⑴静态环流——两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：直流平均环流——由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。瞬时脉动环流——两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。⑵动态环流——仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流直流平均环流采用配合控制来抑制：为了防止产生直流平均环流，应该当正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，叫做环流电抗器，或称均衡电抗器4-11什么时候要消除环流？什么时候要利用环流？答：环流的危害：一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。环流的利用：只要合理的对环流进行控制，保证晶闸管的安全工作，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区，以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。4-12简述逻辑控制的无环流可逆调速系统的组成和工作原理，无环流逻辑控制器DLC的由哪四个基本环节组成？逻辑控制无环流可逆调速系统的工作原理：当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件）或逻辑算法（软件）去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。逻辑控制无环流可逆调速系统的组成：27\n主电路采用两组晶闸管装置反并联线路；由于没有环流，不用设置环流电抗器；仍保留平波电抗器Ld，以保证稳定运行时电流波形连续；控制系统采用转速、电流双闭环方案；电流环分设两个电流调节器，1ACR用来控制正组触发装置GTF，2ACR控制反组触发装置GTR；逻辑控制环节的的组成如下图U*iUblf电平逻辑延时连锁Ui0检测判断电路保护Ublr4-13什么叫错位选触无环流系统，此时Uct起什么作用？答：采用配合控制原理，当一组晶闸管整流时，让另一组晶闸管处在待逆变状态，但是两组触发脉冲的零位错开得比较远，彻底杜绝了瞬时脉动环流的产生。系统的零位定在180o两组的移相特性恰好分在纵轴的左右两边，两组晶闸管的工作范围可按Uct的极性来划分：Uct为正时，正组工作；Uct为负时，反组工作可以省掉一组触发装置，对Uct为的极性进行鉴别后，再通过电子开关选择是触发正组还是触发反组。4-14带电压内环的错位控制无环流系统中电压内环的作用是哪些？答：带电压内环的错位控制无环流系统中电压内环（或电流变化率内环）的作用用：•缩小反向时的电压死区，加快系统的切换过程。•抑制电流断续等非线性因素的影响，提高系统的动、静态性能。•防止动态环流，保证电流安全换向。4-15简述DLC（无环流逻辑控制器）的组成和工作流程。答：无环流逻辑控制环节是逻辑无环流系统的关键环节，它的任务是：当需要切换到正组晶闸管VF工作时，封锁反组触发脉冲而开放正组脉冲；当需要切换到反组VR工作时，封锁正组而开放反组。DLC的输入要求：分析V-M系统四象限运行的特性，有如下共同特征：正向运行和反向制动时，电动机转矩方向为正，即电流为正；反向运行和正向制动时，电动机转矩方向为负，即电流为负。因此，应选择转矩信号作为DLC的输入信号。由于ACR的输出信号正好代表了转矩方向，即有：正向运行和反向制动时，U*i为正；反向运行和正向制动时，U*i为负。又因为U*I极性的变化只表明系统转矩反向的意图，转矩极性的真正变换还要滞后一段时间。只有在实际电流过零时，才开始反向，因此，需要检测零电流信号作为DLC的另一个输入信号。因此，DLC的输出有两种状态：VF开放—Ublf=1，VF封锁—Ublf=0；VR开放—Ublr=1，VR封锁—Ublr=0Ui*的极性改变作为DLC切换的必要条件Ui*由负变正，先去封锁正组UbLf=0，再开通反组UbLr=1Ui*由正变负，先去封锁反组UbLr=0，再开通正组UbLf=1对输入信号进行转换，将模拟量转换为开关量；根据输入信号，做出正确的逻辑判断；为保证两组晶闸管装置可靠切换，需要有两个延时时间：28\n(1)t1延时——关断等待时间，以确认电流已经过零，而非因电流脉动引起的误信号；(2)t2延时——触发等待时间，以确保被关断的晶闸管已恢复阻断能力，防止其重新导通。具有逻辑连锁保护功能，以保证在任何情况下，两个信号必须是相反的，决不容许两组晶闸管同时开放脉冲，确保主电路没有出现环流的可能。U*iUblf电平逻辑延时连锁Ui0检测判断电路保护Ublr4-16DLC切换的条件是什么？为什么要考虑封锁延时与开放延时？答：Ui*的极性改变作为DLC切换的必要条件Ui*由负变正，先去封锁正组UbLf=0，再开通反组UbLr=1Ui*由正变负，先去封锁反组UbLr=0，再开通正组UbLf=1为保证两组晶闸管装置可靠切换，需要有两个延时时间：(1)t1延时——关断等待时间，以确认电流已经过零，而非因电流脉动引起的误信号；(2)t2延时——触发等待时间，以确保被关断的晶闸管已恢复阻断能力，防止其重新导通。4-17V-M系统中实现电枢反接的方法有哪些？答：M系统中实现电枢反接的方法有：触器开关切换的可逆线路、晶闸管开关切换的可逆线路、两组晶闸管装置反并联可逆线路。4-18V-M系统中实现励磁反接的方法有几种？存在什么缺点?应怎样解决？答：励磁电流的方向也能使电动机改变转向。与电枢反接可逆线路一样，可以采用接触器开关或晶闸管开关切换方式，也可采用两组晶闸管反并联供电方式来改变励磁方向。存在问题1：大容量电机励磁绕组电感大，励磁反向比电枢反向慢(10秒以上）。解决办法：强迫励磁。存在问题2：励磁电流下降到零时存在电枢电流，出现弱磁升速。解决办法：在磁通减弱时保证电枢电流为零。4-19试比较发电回馈制动与带位势性负载反转制动状态不同之处。(1)发电回馈制动，在第二象限，n正T负；带位势性负载反转制动，在第四象限，n负T正。(2)发电回馈制动一般是一个过渡过程（回I象限运行或零点停止）。带位势性负载反转制动是一种稳定运行状态。(3)发电回馈制动不能改变电动机反电动势的极性，要回馈电能必须使电流反向；带位势性负载反转制动时，电动机反电动势的极性随着转速而改变方向，以维持原来方向电流的流通。4-20什么叫α=β配合控制？实际应用中为什么要使α≥β？答：止产生直流平均环流，应该当正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零，α=β配合控制。ar+af=180°为了更可靠地消除直流平均环流，可采用af≥βr29\n为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中采用限幅作用，形成最小逆变角bmin保护。与此同时，对a角也实施amin保护，以免出现Ud0f>Ud0r而产生直流平均环流。4-21可控环流的可逆调速系统的制动过程分为本组逆变阶段和它组制动阶段。第一阶段的主要特征是电流的迅速上升；第二阶段的主要特征是转速调整，它又可进一步分成它组建流、它组逆变和反向减流三个子阶段。4-22在α=β配合控制可逆调速系统中当αf=60。时，αr=（C）A、60;B、120C、180;D、2404-23α=β配合控制有环流可逆调速系统中存在的是（D）环流。A、直流;B、动态;C、平均;D、脉动4-24逻辑控制的无环流可逆调速系统中逻辑装置的转矩极性信号采样于（C）＊A、转速给定电压Un;B、转速反馈电压Un;＊C、电流给定电压UI;D、电流反馈电压Ui4-25配合控制可逆调速系统运行在第二象限（正向制动），整流装置的输出电压方向与电机反电势方向相反，此时是（B）状态。A、正组待整流，反组逆变，电机电动;B、正组待逆变，反组整流，电机反接制动;C、正组待整流，反组逆变，电机回馈制动;D、正组待逆变，反组整流，电机回馈制动（本组逆变到他组制动）正组逆变，反组待整流转化为：正组待逆变，反组整流，电机反接制动。4-26在晶闸管反并联线路中，两组晶闸管的电源是____三相工频交流电源____。.4-27错位控制的无环流可逆调速系统的零位在αro=__150度或180度_（一般选180度_）。4-28α=β配合控制的制动过程分哪些阶段？请分别写出每个阶段的本组、它组晶闸管及电机的工作状态。答：α=β配合控制的整个制动过程可以分为两个主要阶段即：本组逆变阶段和它组制动阶段。第I阶段：本组逆变阶段在这阶段中，电流由正向负载电流下降到零，其方向未变，因此只能仍通过正组VF流通，具体过程如下：发出停车（或反向）指令后，转速给定电压突变为零（或负值）；ASR输出跃变到正限幅值+U*im；ACR输出跃变成负限幅值-Ucm；VF由整流状态很快变成的逆变状态，同时反组VR由待逆变状态转变成待整流状态。在VF-M回路中，由于VF变成逆变状态，极性变负，而电机反电动势E极性未变，迫使电流迅速下降，主电路电感迅速释放储能，企图维持正向电流，大部分能量通过VF回馈电网，所以称作“本组逆变阶段”。由于电流的迅速下降，这个阶段所占时间很短，转速来不及产生明显的变化。第Ⅱ阶段---它组制动阶段：当主电路电流下降过零时，本组逆变终止，第I阶段结束，转到反组VR工作，开始通过反组制动。从这时起，直到制动过程结束，统称“它组制动阶段”。它组制动阶段又可分成三个子阶段：它组建流子阶段；它组逆变子阶段；反向减流子阶段。30\n它组建流子阶段：Id过零并反向，直至到达-Idm以前，ACR并未脱离饱和状态，其输出仍为-Ucm。这时，VF和VR输出电压的大小都和本组逆变阶段一样，但由于本组逆变停止，电流变化延缓。反组VR由“待整流”进入整流，向主电路提供–Id。由于反组整流电压Ud0r和反电动势E的极性相同，反向电流很快增长，电机处于反接制动状态，转速明显地降低，因此，又可称作“它组反接制动状态”。电枢电流过零，反组VR进入整流状态，电机处于反接制动状态。正组处于待逆变状态.Udor和反电动势E迫使反向电流增加，电机降速。反组整流装置将交流电能转变为直流电能，同时电动机也将机械能转变为电能，大部分电能转变成磁能储存在电感L中，使电动机电枢的反向电流增大至反向最大值-Idm；小部分电能消耗在电阻上。它组逆变子阶段：当反向电流达到–Idm并略有超调时，ACR输出电压Uc退出饱和，其数值很快减小，又由负变正，然后再增大，使VR回到逆变状态，而VF变成待整流状态。此后，在ACR的调节作用下，力图维持接近最大的反向电流–Idm电机在恒减速条件下回馈制动，把动能转换成电能，其中大部分通过VR逆变回馈电网，过渡过程波形为图4-10中的第II2阶段，称作“它组回馈制动阶段”或“它组逆变阶段”。反向电流达到-Idm并超调，ACR输入偏差变负，ACR退饱和出，输出由负变正，然后再增大，使反组VR回到逆变状态，而正组VF变成待整流状态。此后，在ACR的作用下，力图维持接近最大反向电流-Idm，使电动机在恒减速条件下回馈制动，把动能转换成电能，其中大部分通过反组VR逆变回馈电网，由于电流恒定，电感中磁场基本不变。反向减流子阶段：在这一阶段，转速下降得很低，无法再维持-Idm，于是电流立即衰减。在电流衰减过程中，电感L上的感应电压LdId/dt支持着反向电流，并释放出存储的磁能，与电动机断续释放出的动能一起通过VR逆变回馈电网。如果电机随即停止，整个制动过程到此结束。电机转速降为零并略超调，电动机反向，反电动势E变向，转速反馈Un变正，△Un>0，ASR的输出即ACR的给定信号开始降低，△Ui<0，由于ACR的作用，Uct由负变正，VR进入逆变状态，使电动机的反向电流开始减小，在电动机电流大于负载电流时，反向转速继续增大。当反向电流减小到和负载电流大小相等时，转速达到反向最大值。之后，电流继续减小，反向转速也减小，转速经过一定时间的调整回到零，电动机停止工作。4-29可控环流的可逆调速系统的制动过程分为本组逆变阶段和它组制动阶段。第一阶段的主要特征是电流降落；第二阶段的主要特征是速度降落。4-30：什么是检测误差、原理误差和扰动误差？哪些无法克服？哪些能克服？①检测误差：由检测产生的误差，它取决于检测元件本身的精度，位置随动系统中常用的位置检测元件如自整角机、旋转变压器、感应同步器等都有一定的精度等级，系统的精度不可能高于所用位置检测元件的精度。检测误差是稳态误差的主要部分，这是系统无法克服的。②原理误差：又称系统误差，它是系统自身的结构形式、系统特征参数和输入信号的形式决定的，Ⅰ型系统只对位置输入是无静差的随动系统（一阶无差系统）；Ⅱ型系统对位置输入和速度输入都是无静差的随动系统（二阶无差系统）。③扰动误差分负载扰动、系统参数变化、噪声干扰三种。*负载扰动（恒值负载扰动和随机性负载扰动），在抵抗负载扰动能力方面，Ⅱ型系统比Ⅰ型系统好。*系统参数变化（放大器零漂、元件老化、电源电压波动等）负载扰动和系统参数变化都作用在系统的前向通道上，可通过闭环予以抑制。*噪声干扰（经检测装置混入系统，一般多为高频成分，其频谱于输入信号频谱不重叠，可滤除，但影响快速性和系统动态精度）4-31：什么是串联校正、并联校正和复合控制？试举例说明它们的使用场合。①串联校正（调节器校正），采用PID校正的单位置环随动系统，可以得到较高的截止频率和对31\n给定信号的快速响应，结构简单。由于不使用测速机，从而排除了测速机带来的干扰，但反过来又使摩察、间隙等非线性因素不能很好地受到抑制。负载扰动也必须通过位置环进行调节，没有快速的电流环及时补偿而使动态误差增大。同时PID调节器是采用比例微分超前作用来对消调节对象中的大惯性，属于串联校正，常会因放大器的饱和而削弱微分信号的补偿强度，还会因控对象参数变化而丧失零极点对消的效果。因此单位置环的随动系统仅适用于负载较轻，扰动不大，非线性因素不太突出的场合。②并联校正在调速系统中引入被调量的微分负反馈是一种很有效的并联校正，在随动系统中经常采用这种并联校正，有助于抑制振荡、减小超调，提高系统的快速性。在位置随动系统中转速微分负反馈的并联校正比转速反馈的并联校正好，因为它不需增大K1就可以保证原有的稳态精度，而快速性同样可以得到一定程度的提高，只受到小时间常数及测速发电机信号中噪声干扰的限制。③复合控制当随动系统输入信号的各阶导数可以测量或者可以实时计算时，利用输入信号的各阶导数进行前馈控制构成前馈控制（开环控制）和反馈控制（闭环控制）相结合的复合控制，也是一种提高系统稳态和动态品质指标的有效途径。4-32：常用的转子位置检测的方法有哪几种？选择其中1～2种进行论述它们的工组原理和特点及其应用场合？①自整角机(角位移传感器，成对应用：发送机与指令轴相连，接收机与执行轴相连)②旋转变压器(一种特制的两相旋转电机，在定子和转子上各有两套在空间上完全正交的绕组。当转子旋转时，输出电压与转子角呈一定的函数关系，主要作角度传感器)。③感应同步器(圆形感应同步器用来测角位移，用于转台(立式车床)的角度数字显示和精确定位。直线式形感应同步器用来测直线位移，安装在具有平移运动的机床上(式车床)，用来测量刀架的位移并构成闭环系统。④光电编码盘分增量式绝对式两种（增量式光电编码盘实际是一个光电脉冲发生器和一个可逆计算器）（绝对式光电编码盘则是通过读取码盘的图形来表示轴的位置，码制可选二进制、二-十进制（BCD码）、和循环码（格雷码）同轴齿轮在电机位置检测是应用较多。具体工作原理见陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社教材P154-16332
