《直流調(diào)速系統(tǒng)》輔導(dǎo)

1、直流調(diào)速系統(tǒng)輔導(dǎo) 直流調(diào)速系統(tǒng)（電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)）是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的主要專(zhuān)業(yè)課之一。本課程教材采用阮毅、陳伯時(shí)主編的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（第4版）。本課程的教學(xué)內(nèi)容是以直流電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象的直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)，主要包括教材中第一、二、三、四章，介紹直流拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念、基本組成環(huán)節(jié)和基本控制規(guī)律及自動(dòng)控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法。為便于同學(xué)們復(fù)習(xí)，下面給出各章復(fù)習(xí)要求，并提供一份練習(xí)題及答案。 第一部分 學(xué)習(xí)要求第1章 結(jié)論 【本章重點(diǎn)】 1.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成1）電動(dòng)機(jī)2）功率放大與變換裝置3）控制器4）信號(hào)檢測(cè)與處理2.電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型： 1)直流電機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基

2、本類(lèi)型； 2)交流電機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型。 2.負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。 第2章 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 【本章重點(diǎn)】 1. 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)： l）調(diào)速范圍 D ； 2）靜差率 S 用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度。 3）調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系。 2閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，靜特性的含義，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 3開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性與閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較。 1） 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系：比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬的多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此，需設(shè)置電壓放大器和轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置。

3、4閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)。 5反饋控制規(guī)律（轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的三個(gè)基本特性）。 （1）被調(diào)量有靜差；（2）抵抗擾動(dòng)與服從給定；（3）系統(tǒng)精度依賴(lài)于給定和反饋檢測(cè)精度。 6反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算。 7電流截止負(fù)反饋的概念，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，以及帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性。 8反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、傳遞函數(shù)、以及穩(wěn)定條件。 9 PI 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。 10無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的含義，積分控制規(guī)律的含義、結(jié)構(gòu)。積分調(diào)節(jié)器與比例調(diào)節(jié)器的區(qū)別。比例控制、積分控制和比例積分控制規(guī)律的區(qū)別。 11無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的分析

4、及穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算。 第3章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 【本章重點(diǎn)】 1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成，主要包括：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖和穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) PI 調(diào)節(jié)器在穩(wěn)態(tài)時(shí)的特征： l）飽和輸出達(dá)到限幅值； 2）不飽和輸出未達(dá)到限幅值。 3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。 4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)各變量間的關(guān)系、穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算。 5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程中電流和轉(zhuǎn)速的三個(gè)階段： l）電流上升階段； 2）恒流升速階段； 3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段； 4）起動(dòng)過(guò)程的三個(gè)特點(diǎn)，波形分析。 6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能： 1）動(dòng)態(tài)跟隨性能； 2）動(dòng)態(tài)抗擾

5、性能：抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。 7轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用。 8調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法的基本思路，以及典型 I 、 II 型系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的關(guān)系。 9按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器： l）電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)； 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖； 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇； 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇。 2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)： 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖； 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇； 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器多數(shù)的選擇。 3）電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)。 10雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中外環(huán)和內(nèi)環(huán)的作用。 11帶電流變化率內(nèi)環(huán)的三環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主要作用、特點(diǎn)。 第4章 可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

6、【本章重點(diǎn)】 1脈寬調(diào)制（ PWM ） 變換器的作用、種類(lèi)。 2簡(jiǎn)單不可逆 PWM 變換器電路的特點(diǎn)、工作原理（二極管的續(xù)流作用）。 3有制動(dòng)作用的不可逆 PWM 變換器電路的特點(diǎn)、工作原理（制動(dòng)情況）、電壓和電流波形分析。 4雙極式 H 型可逆 PWM 變換器的原理圖、工作原理、特點(diǎn)。 5脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析 6雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)組成及各環(huán)節(jié)的功能。常用的脈寬調(diào)制器的種類(lèi)。 7.晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可逆線(xiàn)路的種類(lèi)。 8.晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)回饋制動(dòng)。 9.環(huán)流的概念、種類(lèi)。 10直流平均環(huán)流， = 工作制配合控制的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)和作用。 11產(chǎn)生脈動(dòng)環(huán)流的原因，抑制的方法。 12有

7、環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，工作狀態(tài)，以及正向制動(dòng)過(guò)程的三個(gè)主要階段（本組逆變階段、它組反接制動(dòng)階段和它組回饋制動(dòng)階段）的特點(diǎn)。 13邏輯控制的無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的組成、原理框圖、工作狀態(tài)特點(diǎn)，以及無(wú)環(huán)流邏輯控制器的功能、組成和工作狀況。 14錯(cuò)位控制的無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作狀態(tài)，消除環(huán)流的原理，以及帶電壓內(nèi)環(huán)的錯(cuò)位無(wú)環(huán)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)的作用。 第二部分 練習(xí)題及答案第一章 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1.1 試概述閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。改變給定電壓是否能夠改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速？為什么？如果給定電壓不變，調(diào)整反饋電壓的分壓比，是否能夠改變轉(zhuǎn)速？為什么？如果測(cè)速發(fā)電機(jī)勵(lì)磁發(fā)生變化，系統(tǒng)有沒(méi)有

8、克服這種擾動(dòng)的能力？1.2 某調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍是 1500150 r/min（即 D10），要求靜差率 s=2，那么系統(tǒng)允許的靜態(tài)速降是多少？如果開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降是 100 r/min，則閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)應(yīng)為多大？1.3 如果把調(diào)速系統(tǒng)反饋電壓的極性接成給定電壓極性相同，將產(chǎn)生什么后果？試說(shuō)明反饋極性對(duì)組成閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要性。1.4 有一 V-M 調(diào)速系統(tǒng)， 電動(dòng)機(jī)參數(shù)為： Pnom=2.5kW ， Unom=220V ， Inom=15A ，nnom=1500r/min，Ra=2，整流裝置內(nèi)阻 Rrec=1,觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)為Ks=30，要求調(diào)速范圍 D20，靜差率 s

9、=10%。 1) 計(jì)算開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降和調(diào)速要求所允許的靜態(tài)速降； 2) 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成閉環(huán)系統(tǒng)，試畫(huà)出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖； 3) 調(diào)整該系統(tǒng)，使Un* =20V時(shí)轉(zhuǎn)速 n=1000r/min，此時(shí)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)應(yīng)為多少？可認(rèn)為 UnUn* ） 4) 計(jì)算所需的放大器放大倍數(shù)； 5) 如果改用電壓負(fù)反饋，能否達(dá)到所提出的調(diào)速要求？若放大器的放大系數(shù)不變，最大給定電壓為 30V，在靜差率為s=30%時(shí)，采用電壓負(fù)反饋，最多能夠得到多大的調(diào)速范圍？1.5 上題中，若主電路電感 L60mH，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的飛輪慣量 GD21.8牛頓米2，整流電路為三相半波，則按上題要求設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)

10、行？為了保證穩(wěn)定，允許最大的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)是多少？1.6 在帶電流截止環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)中，如果截止比較電壓發(fā)生變化，對(duì)系統(tǒng)的靜特性有什么影響？如果電流反饋電阻 Rs 的大小發(fā)生變化，對(duì)靜特性有什么影響？1.7 在電壓負(fù)反饋、電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)電壓、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、勵(lì)磁電流、電樞電阻各量變化時(shí)都會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)作用，對(duì)于這些擾動(dòng)，系統(tǒng)有沒(méi)有調(diào)節(jié)能力?為什么？1.8 題1.4中的調(diào)速系統(tǒng)，采用電壓負(fù)反饋和電流正反饋，能否滿(mǎn)足所給的調(diào)速要求？參數(shù)應(yīng)任何選擇？試畫(huà)出系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，并在各方框中注明傳遞系數(shù)的具體數(shù)值。1.9 在調(diào)速系統(tǒng)中，應(yīng)用集成電路運(yùn)算放大器有些什么優(yōu)越性？運(yùn)算放大器的輸入電阻應(yīng)如

11、何選擇？反饋電阻應(yīng)如何選擇？如果需要放大倍數(shù)為 1，輸出與輸入反相的比例調(diào)節(jié)器（通常稱(chēng)作“反相器”），應(yīng)如何接線(xiàn)？試畫(huà)出其原理圖。1.10 為什么用積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無(wú)靜差的？積分調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓U0時(shí)出電壓是多少？決定于哪些因素？1.11 無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度是否還受給定電源和測(cè)速發(fā)電機(jī)精度的影響？為什么？第二章 多環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)2.1 在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有哪些作用？其輸出限幅值應(yīng)按什么要求來(lái)整定？電流調(diào)節(jié)器有哪些作用？其輸出限幅值應(yīng)如何整定？ 2.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入偏差（給定與反饋之差）是多少？它們的輸出電壓是多少

12、？為什么？ 2.3 如果轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不是PI調(diào)節(jié)器，而是比例調(diào)節(jié)器，對(duì)系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能會(huì)有什么影響？ 2.4 試從下述各方面來(lái)比較轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)： 1) 靜特性； 2) 動(dòng)態(tài)限流性能； 3) 起動(dòng)的快速性； 4) 抗負(fù)載擾動(dòng)的性能； 5) 抗電源電壓波動(dòng)的性能； 6) 其它方面。 2.5 某反饋控制系統(tǒng)已校正成典型型系統(tǒng)。已知時(shí)間常數(shù) T0.1秒，要求階躍響應(yīng)超調(diào)量10，試求系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)；計(jì)算過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts和上升時(shí)間tr;并繪出開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性。如果要求上升時(shí)間tr小于0.25秒，則開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)K應(yīng)為多少？超

13、調(diào)量等于多少？ 2.6 某系統(tǒng)采用典型型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，要求頻域動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：c=30（s-1），Mr 1.5,求該系統(tǒng)的預(yù)期開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性、開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)、以及階躍響應(yīng)的超調(diào)量和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。如果時(shí)間常數(shù)T2不變，改取中頻寬h=9,則開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性將如何變化？試求系統(tǒng)能夠達(dá)到的頻域和時(shí)域指標(biāo)。與上面的指標(biāo)相比，在快速性和穩(wěn)定性方面各有什么變化？ 2.7 一個(gè)由三相半控晶閘管裝置供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其基本數(shù)據(jù)如下：直流電動(dòng)機(jī)：Pnom=60kW，Unom=220V，Inom=305A，nnom=1000r/min，Ce=0.2Vmin/r;主回路總電阻：R0.18，晶閘管裝置放大倍數(shù)：

14、Ks=30 ，電磁時(shí)間常數(shù)：Tl=0.012s，機(jī)電時(shí)間常數(shù)：Tm=0.12s，反饋濾波時(shí)間常數(shù)： Toi=0.0025s,Ton=0.0141s,額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓： *n U 15V，調(diào)節(jié)器的飽和輸出電壓：12V，系統(tǒng)的調(diào)速范圍： D10。 1) 確定電流反饋系數(shù)和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，假設(shè)起動(dòng)電流限制在300A以?xún)?nèi)； 2) 要求系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，電流超調(diào)量 i5，起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí) 的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10。試設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，畫(huà)出其電路圖，并計(jì)算R、C參數(shù)。調(diào)節(jié)器輸入電阻R040k； 3) 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器并選擇參數(shù)； 4) 計(jì)算最低速起動(dòng)時(shí)的超調(diào)量； 5) 計(jì)算空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間。第三章 可逆調(diào)速系統(tǒng) 3.1 試分析晶閘管-電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)的四種工作狀態(tài)。3.2 VM系統(tǒng)需要快速回饋制動(dòng)時(shí)，為什么必須采用可逆線(xiàn)路？3.3 兩組晶閘管的可逆線(xiàn)路中有哪幾種環(huán)流？它們是怎樣產(chǎn)生的？各有哪些害處和益處？分析配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)反向的起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程。畫(huà)出各參變量的動(dòng)態(tài)波形，并說(shuō)明在每個(gè)階段中ASR和ACR各起什么作用？VR和VF各處于什么狀態(tài)？第三部分 調(diào)速系統(tǒng)思考題1.通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)這門(mén)課，你學(xué)會(huì)了哪些系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法？2.舉例說(shuō)明調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合，談?wù)務(wù){(diào)速系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)。3.調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)有哪些？D、S之間的關(guān)系。4.畫(huà)出單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖、靜態(tài)結(jié)構(gòu)