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机电复习题
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1.自动控制技术答案.ppt 51页
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依据 劳动和社会保障部
制定的《国家职业标准》要求编写;第三章　自动控制技术;第三章
自动控制技术
;第一节
自动控制基础;第一节
自动控制基础;第一节
直流调速基础知识;;第一节 直流调速系统技术基础
一、直流电动机调速方案
他励直流电动机的转速公式：
式中：U为他励电动的电枢电压
I为电枢电流、E为电枢电动势、R为电枢回路的总电阻、n为电机的转速、Φ为励磁磁通、Ce为由电机结构决定的电动势系数。
由直流他励电机有调速方式有三种调速方式：改变电动机的电枢电压的调速（调压调速）、改变电动机的励磁磁通的调速（调磁调速）、改变电动机的电枢回路串联附加电阻调速。
由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励电机的机械特性变软，所以在实际应用中我们通常采用的是调压调速。
;;;;第二节
直流调速基础知识;第二节
直流调速基础知识;;第一节
直流调速基础知识;;第一节
直流调速基础知识;;第二节
直流调速基础知识;;第二节
直流调速基础知识;由转速负反馈与转速调节器ASR组成转速环（外环），由电流负反馈与电流调节器组成电流环ACR（内环）。;转速调节器和电流调节器的作用
1、转速调节器ASR的作用
1）使转速跟随给定电压变化，稳态无静差
2）突加负载时转速调节器ASR和电流调节器ACR均参与调节作用，但转速调节器ASR处于主导作用，对负载变化起抗扰作用。
3）其输出电压限幅值决定允许最大电流。
2、电流调节器ACR的作用
1）起动过程时保证获得允许最大电流。
2）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化。
3）电源电压波动时的及时抗扰作用，使电动机转速几乎不受电源电压波动的影响。
4）当电动机过载、堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到安全保护作用。
;第三节
交流调速技术及应用;第三节
交流调速技术及应用;第三节
交流调速技术及应用;第三节
交流调速技术及应用;224.自动控制系统正常工作的首要条件是（??）。??
A、系统闭环负反馈控制
B、系统恒定
C、系统可控
D、系统稳定
225.（??）是直流调速系统的主要调速方案。??
A、减弱励磁磁通
B、调节电枢电压
C、改变电枢回路电阻R
D、增强励磁磁通
226.转速负反馈调速系统对检测反馈元件和给定电压造成的转速扰动（??）补偿能力。??
A、有
C、对前者有补偿能力，对后者无
D、对前者无补偿能力，对后者有
227.电压负反馈调速系统对（??）有补偿能力。??
A、励磁电流的扰动
B、电刷接触电阻扰动
C、检测反馈元件扰动
D、电网电压扰动;229.直流调速装置调试的原则一般是（??）。??
A、先检查，后调试
B、先调试，后检查
C、先系统调试，后单机调试
D、边检查边调试
231.为减小剩余电压误差，其办法有（??）。?
A、提高励磁电源频率、在输出绕组电路补偿
B、降低励磁电源频率、提高制造精度和加工精度
C、提高制造精度和加工精度，在输入绕组电路补偿
D、提高制造精度和加工精度，在输出绕组电路补偿
232.自动调速系统中转速反馈系数过大会引起（??）。
A、系统稳态指标下降
B、系统最高转速下降
C、系统最高转速过高
D、电动机停转
233.变频器停车过程中出现过电压故障，原因可能是：（??）。
A、斜波时间设置过短
B、转矩提升功能设置不当
C、散热不良
D、电源电压不稳;234.西门子MM400系列变频器把全部参数分成10大类，每类又分（??）个层级。
A、4
D、5
288.同开环控制系统相比，闭环控制的优点之一是：（??）。??
A、它具有抑制干扰的能力
B、系统稳定性提高
C、减小了系统的复杂性
D、对元件特性变化更敏感
289.调节器输出限幅电路的作用是：保证运放的（??），并保护调速系统各部件正常工作。?
A、线性特性
B、非线性特性
C、输出电压适当衰减
D、输出电流适当衰减
290.无静差调速系统中必定有（??）。
A、比例调节器
B、比例微分调节器
C、微分调节器
D、积分调节器;291.电压电流双闭环系统中电流调节器ACR的输入信号有（??）。
A、速度给定信号与电压调节器的输出信号
B、电流反馈信号与电
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8.3&晶闸管-电动机直流调速控制系统
8.3.1&开环直流调速系统存在的问题
&&&&在图8.2所示的V-M系统中和图8.3所示的PWM系统中，只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，它们都属于开环控制的调速系统，称为开环调速系统。在开环调速系统中，控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，即控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。如果生产机械对静差率要求不高，开环调速系统也能实现一定范围内的无级调速，而且开环调速系统结构简单。但是，在实际中许多需要无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格的要求，不能允许很大的静差率。例如，由于龙门刨床加工各种材质的工件，刀具切入工件和退出工件时为避免刀具和工件碰坏，有调节速度的要求；又由于毛坯表面不平，加工时负载常有波动，为了保证加工精度和表面光洁度，不允许有较大的速率变化。因此，龙门刨床工作台电气传动系统一般要求调速范围D=20～40，静差率S≤5%，动态速降，快速起、制动。多机架热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内同时轧制，为了保证被轧金属的每秒流量相等，不致造成钢材拉断或拱起，各机架出口线速度需保持严格的比例关系。根据以上轧钢工艺要求，一般须使电力拖动系统的调速范围D=10时，静差率S≤0.2%～0.5%，动态速降，恢复时间。在上述情况下，开环调速系统是不能满足要求的。
8.3.2&速度负反馈单闭环调速系统的组成及静特性
&&&&通过上一节的分析和例题可知，开环调速系统不能满足较高的性能指标要求。根据自动控制原理，为了克服开环系统的缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统。闭环系统的方框图如图8.25所示。在闭环系统中，把系统的输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统具有提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。
图8.25&闭环系统方框图
单闭环调速系统的组成
&&&&对于调速系统来说，输出量是转速，通常引入转速负反馈构成闭环调速系统。在电动机轴上安装一台测速发电动TG，引出与输出量转速成正比的负反馈电压Un，与转速给定电压进行比较，得到偏差电压，经过放大器A，产生驱动或触发装置的控制电压Uct，去控制电动机的转速，这就组成了反馈控制的闭环调速系统。图8.26所示为采用晶闸管相控整流器供电的闭环调速系统，因为只有一个转速反馈环，所以称为单闭环调速系统。由图可见，该系统由电压比较环节、放大器、晶闸管整流器与触发装置、直流电动机和测速发电机等部分组成。
图8.26&采用转速负反馈的单闭环调速系统
转速负反馈单闭环调速系统的静特性
&&&&下面分析图8.26所示的闭环调速系统的静特性。为突出主要矛盾，先作如下假定：
&&&&（1）忽略各种非线性因素，各环节的输入输出关系都是线性的；
&&&&（2）工作在V-M系统开环机械特性的连续段；
&&&&（3）忽略直流电源和电位器的等效电阻。
&&&&这样，图8.26所示单闭环调速系统中各环节的静态关系为
&&&&电压比较环节：&
&&&&放大器：&
&&&&晶闸管整流器与触发装置：&
&&&&V-M系统开环机械特性：&
&&&&测速发电机：&
&&&&以上各关系式中：
&&&&Kp——放大器的电压放大系数；
&&&&Ks——晶闸管整流器与触发装置的等效电压放大倍数；
&&&&——转速反馈系数，单位为V·min/r；
&&&&Ce——电机反电势系数（在第三章中按习惯用Ke表示，在本章中为了避免与放大系数相混淆而用Ce表示）；
&&&&根据上述各环节的静态关系可以画出图8.26所示系统的静态结构图如图8.27所示。图中各方块中的符号代表该环节的放大系数，或称传递系数。运用结构图的计算方法，可以推导出转速负反馈单闭环调速系统的静特性方程式：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&式中，——闭环系统的开环放大系（倍）数。
&&&&闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，因此称为“静特性”，以示区别。
图8.27&转速负反馈单闭环调速系统静态结构图
开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较
&&&&比较开环系统机械特性和闭环系统静特性，可以看出闭环控制的优越性。如果断开图8.27的反馈回路，可得上述系统的开环机械特性为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&闭环时的静特性可以写为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&（8.54）
&&&&式中，n0op——开环系统的理想空载转速；
&&&&n0cl——闭环系统的理想空载转速；
&&&&——开环系统的稳态速降；
&&&&——闭环系统的稳态速降。
&&&&比较式（8.53）和式（8.54），可以得到以下结论。
&&&&（1）闭环系统静特性比开环系统机械特性的硬度大大提高。在相同负载下两者的转速降落分别为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&它们的关系是
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&（8.55）
&&&&显然，当开环放大系数K很大时，要比小得多，即闭环系统的特性要硬得多。
&&&&（2）当理想空载转速相同，即时，闭环系统的静差率要小得多。闭环系统的静差率为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&开环系统的静差率为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&由于，而相同负载下，所以Scl和Sop之间的关系为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&（8.56）
&&&&（3）当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可以大大提高。假如电动机的最高转速相同，对静差率的要求也相同，那么，根据式（8.8），当开环时
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&闭环时
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&再考虑到式（8.55），得
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&（4）当给定电压相同时，闭环系统的理想空载转速为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&开环系统的理想空载转速为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&两者的关系为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&（8.58）
&&&&闭环系统的理想空载转速大大降低。如果要维持系统的运行速度不变，使，闭环系统所需要的要为开环系统的（1+K）倍。因此，如果开环和闭环系统使用同样水平的的给定电压，又要使运行速度基本相同，闭环系统必须设置放大器。因为在闭环系统中，由于引入了转速反馈电压Un，偏差电压必须经放大器放大后才能产生足够的控制电压Ucl。开环系统中，和Ucl属于同一数量级的电压，可以不必设置放大器。而且，上面提到闭环调速系统的三项优点，都是K越大越好，也必须设置放大器。
&&&&综合以上四条特点，可得下述结论：闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，在保证一定静差率的要求下，大大提高调速范围。但是构成闭环系统必须设置检测装置和电压放大器。
&&&&调速系统之所以产生稳态速降，其根本原因是由于负载电流引起的电枢回路的电阻压降，闭环系统静态速降减少，静特性变硬，并不是闭环后能使电枢回路电阻减小，而是闭环系统具有自动调节作用。在开环调速系统中，当负载电流增大时，是枢电流Id在电枢回路电阻R上的压降也增大，转速只能老老实实地降落，没有办法挽救。闭环调速系统引入了反馈检测装置，转速稍有降落，反馈电压Un就感觉出来了。尽管给定电压并未发生变化，但是电压偏差增大了，通过电压放大，使控制电压Uct变大，从而使晶闸管整流器的输出电压Udo提高，使系统工作在一条新的机械特性上，因而转速有所回升。由于整流输出电压Udo的增量补偿回路电阻上压降IdR的增量，使最终的稳态速降就比开环调速系统小得多。如图8.28所示，设系统的原始工作点为A，负载电流为Id1；当负载电流为Id2时，开环系统的转速必然沿机械特性1降落到A&点对应的数值，而在闭系统中，由于自动调节作用，电压由Ud01可升到Udo2，使工作点变成机械特性2上的B。这样，在闭环系统中，每增加（或者减小）一点负载电流，就相应地提高（或降低）一点整流输出电压，因而就改变一条机械特性。所以闭环系统的静特性是在多条机械特性上各取一个相应的工作点集合而成的。
图8.28&闭环系统静特性与开环系统机械特性的关系
&&&&由此看来，闭环系统能够减少稳态速降的实质在于闭环系统的自动调节作用，在于它能随着负载的变化相应地改变整流器输出电压。
单闭环调速系统的基本特征
&&&&转速负反馈单闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下基本特征，也就是反馈控制的基本规律。
&&&&（1）具有比例放大器的单闭环调速系统是有静差的
&&&&从前面对于闭环系统静特性的分析中可以看出，闭环系统的开环放大系数K值对系统的稳态性能影响很大。K越大，稳态速降越小，静特性就越硬，在一定静差率要求下的调速范围越宽。但是，当放大器只是比例放大器（Kp为常数），稳态速降只能减少而不可能消除，因为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&只有当才能使，而这是不可能的。因此，这样的调速系统属于有静差调速系统，简称有差调速系统。这种系统正是依靠偏差来保证实现控制作用的。
&&&&（2）闭环系统具有较强的抗干扰性能
&&&&反馈闭环系统具有很好的抗扰性能，对于作用在被负反馈所包围的前向通道上的一切扰动都能有效地抑制。除给定信号外，作用在控制系统上一切能使输出量发生变化的因素都叫做“扰动作用”。上面我们只讨论了负载扰动所引起的稳态速降，实际上还有许多因素会引起电动机转速的变化，如图8.29所示。图中除了负载扰动用代表电流Id的箭头表示外，其他指向方框的箭头分别表示引起该环节传递系数变化的扰动作用。所有这些扰动都和负载扰动一样，最终都会引起输出量转速的变化，都可以被转速反馈装置检测出来，再通过闭环自动调节作用，减少它们对稳态转速的影响。因此，凡是被反馈环所包围的加在闭环系统前向通道各环节上的扰动作用对输出量的影响都会受到反馈控制的抑制。这一性质是闭环自动控制系统最突出的特征。
图8.29&闭环调速系统的给定和扰动
&&&&（3）闭环系统对给定信号和检测装置中的扰动无能为力
&&&&在闭环调速系统中，给定作用如果有细微的变化，输出转速就会立即随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。如果给定电源发生了不应有的波动，则输出转速也要跟着发生变化，反馈控制系统无法区分是正常的调节给定电压还是给定电源的变化。因此，闭环调速系统的精度依赖于给定稳压电源的精度。
&&&&此外，闭环控制系统对于检测装置本身的误差也是无法克服的。对于调速系统来说，如果测速发电机励磁发生变化，也会引起反馈电压Un的改变，通过系统的调节作用，使电动机转速偏离原应保持的数值。因为实际转速变化引起的反馈电压Un的变化与其他因素（如测速机励磁变化、换向波纹、安装不良造成的转子和定子间的偏心）引起的反馈电压Un的变化，反馈控制也是区分不出来的。因此，闭环控制系统的精度还依赖于反馈检测装置的精度。
&&&&总之，单闭环调速系统对于转速给定电源和转速检测装置中的扰动无能为力，高精度的调速系统需要有高精度的给定稳压电源和高精度的检测无件作为保证。
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