電力拖動自動控制系統(tǒng)期末復習題

1、電力拖動自動控制系統(tǒng)復習題一、概述1、控制系統(tǒng)能正常運行的首要條件是穩(wěn)定性。2、直流電動機的調(diào)速方法有調(diào)壓調(diào)速、弱磁調(diào)速以及串電阻調(diào)速等三種；在自控調(diào)速系統(tǒng)中最常用的是調(diào)壓調(diào)速，基本不用串電阻調(diào)速。電動機有兩種狀態(tài)：電動和發(fā)電狀態(tài)。電動狀態(tài)的特點是：T電磁轉(zhuǎn)矩和n方向相同；將電能轉(zhuǎn)換為機械能；發(fā)電狀態(tài)的特點是：T和n方向相反；將機械能變?yōu)殡娔堋?、直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源有：旋轉(zhuǎn)交流機組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器。二、性能指標 1、P21P23自動控制調(diào)速系統(tǒng)的性能指標分為穩(wěn)態(tài)指標和動態(tài)指標兩大類。1）穩(wěn)態(tài)性能指標主要是靜差率和調(diào)速范圍： 靜差率S額定負載下的額定轉(zhuǎn)速相對

2、于其理想額定轉(zhuǎn)速的差值的與理想空載轉(zhuǎn)速的比值稱為靜差率。 調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低轉(zhuǎn)速所能達到的數(shù)值為準。 靜差率除與機械特性的硬度有關(guān)外，還與其理想空載轉(zhuǎn)速有關(guān)，當理想空載轉(zhuǎn)速一定時，機械特性越硬，則靜差率越小。 調(diào)速范圍D在最低轉(zhuǎn)速時，能滿足所需靜差率的最大轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可獲得比開環(huán)系統(tǒng)硬的多的機械特性，從而保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是須增設(shè)放大環(huán)節(jié)以及檢測與反饋裝置。要求會計算調(diào)速范圍和靜差率。例1、某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為1530r/min，額定速降，當要求靜差率25%時，允許多大的調(diào)速范圍？最低轉(zhuǎn)速是多少？解：要求25%

3、時，調(diào)速范圍為答：允許的調(diào)速范圍D=4.25、最低轉(zhuǎn)速。 2）動態(tài)性能指標包括對給定輸入信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標。 自控系統(tǒng)通常可分為自動調(diào)速系統(tǒng)和自動跟隨系統(tǒng)兩大類，前者的主要動態(tài)性能指標是它的抗擾指標：后者的主要動態(tài)性能指標是它的跟隨指標。 不論是跟隨性能指標還是抗擾性能，各自又可分為快速性能指標和穩(wěn)定性指標兩種。 在閉環(huán)有差系統(tǒng)中，系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好，但穩(wěn)定性越差。三、負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1、反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動和服從給定。 在閉環(huán)有差系統(tǒng)中應采用P調(diào)節(jié)器，在穩(wěn)定時調(diào)節(jié)器偏差輸入不會為0，系統(tǒng)將產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差：在閉環(huán)無差系統(tǒng)中應采用P

4、I調(diào)節(jié)器時，在穩(wěn)態(tài)時調(diào)節(jié)器偏差輸入為零，否則系統(tǒng)將不能進入穩(wěn)態(tài)。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，為限制全壓起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大，通常采用電流截止負反饋。2、轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特點 只用比例調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)，其被調(diào)量有靜差的：用比例積分調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)，其被調(diào)量是無靜差的。 反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動，服從給定。 抗擾動性能是反饋控制系統(tǒng)最突出的特征之一。反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動。例如在電機調(diào)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)是無法抑制給定電源、電動機勵磁電壓變化引、測速發(fā)電機的勵磁發(fā)生變化等所引起的擾動。它們不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會增大被調(diào)量的誤差。 改變給定電壓會改變電動機的轉(zhuǎn)速，

5、因為反饋控制系統(tǒng)完全服從給定作用。 、系統(tǒng)的精度依賴于給定（電源)和反饋檢測的精度。 3、有差調(diào)速系統(tǒng)與無差調(diào)速系統(tǒng) 兩者的根本區(qū)別在于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中有無積分控制作用，為PI調(diào)節(jié)器時可消除階躍輸入和階躍擾動作用下的靜差，稱為無靜差系統(tǒng)；為P調(diào)節(jié)器時只能降低靜差，卻不能消除靜差，故稱有靜差系統(tǒng)。 1)、有(靜)差系統(tǒng) 采用P調(diào)節(jié)器作速度調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有差調(diào)速系統(tǒng)。有差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差(靜差)隨開環(huán)增益的增加而減小。 轉(zhuǎn)速有差系統(tǒng)閉環(huán)后，轉(zhuǎn)速降變?yōu)殚_環(huán)時的，1/（1+K)；閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K越大，轉(zhuǎn)速降越小，但K不能超過系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，否則系統(tǒng)將不穩(wěn)定。 系統(tǒng)閉環(huán)能改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的根

6、本原因是由于閉環(huán)后，當負載增加時理想空載電壓(即電動機的端電壓)可以隨之增加。 2）、無(靜)差調(diào)速系統(tǒng)。 帶有比例積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，當轉(zhuǎn)速的反饋值與給定值相等，則調(diào)節(jié)器的輸出保持原先的值不變。 采用比例積分調(diào)節(jié)器作速度調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)必定是無靜差調(diào)速系統(tǒng)，因此無靜差單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速的給定值與反饋值相同，此時調(diào)節(jié)器的輸出保持恒定值不變。 無靜差調(diào)速系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器中P部份的作用是加快動態(tài)響應，而I部分的作用才是消除穩(wěn)態(tài)誤差。4、閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性的中頻段決定了系統(tǒng)的動態(tài)性能；低頻段決定了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。 中頻帶越寬，系統(tǒng)的相對穩(wěn)定裕量愈大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性愈高

7、。5、典型I型系統(tǒng)對階躍給定輸入是無差的；典型II型系統(tǒng)對階躍和斜坡給定輸入是無差的。四、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)當中，速度調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器（ACR)這兩個調(diào)節(jié)器采用串級聯(lián)接，當轉(zhuǎn)速給定信號極性為“正”時，轉(zhuǎn)速反饋信號的極性為“負”負反饋、電流反饋信號的極性為“正”。外環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用是:、它是調(diào)速系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器，能使轉(zhuǎn)速n快速地跟隨給定的變化而變化，可減少靜差；采用PI調(diào)節(jié)器時可實現(xiàn)無靜差；、對負載變化引起的干擾只能由速度環(huán)來抑制；、其輸出限幅值決定著電動機允許的最大電流值。內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器的作用是:、在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，作為內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器它的作用是使

8、電動機電流緊跟電流給定電壓的變化而變化；、電網(wǎng)電壓波動和電流斷續(xù)引起的干擾，主要由電流環(huán)來抑制；在起、制動過程中使，以實現(xiàn)準最佳時間控制；在過載或堵轉(zhuǎn)時，限制電動機電流最大值，起著快速自動保護作用。-2、為實現(xiàn)理想的快速起動，應在起動過程中使電樞電流保持最大值；在典型雙環(huán)系統(tǒng)中，這一最大值取決于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的限幅值和電流反饋系數(shù)。3、典型雙環(huán)系統(tǒng)的起動過程按順序可分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個階段；在第II階段中，ASR處于飽和狀態(tài)、ACR處于未飽和狀態(tài)。速度環(huán)開環(huán)、電流環(huán)閉環(huán)整個系統(tǒng)為一電流給定恒定的單閉環(huán)系統(tǒng)。可見： 、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程特點是：飽和非線性控制、準時間最

9、優(yōu)控制和轉(zhuǎn)速超調(diào)。 、采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)啟動時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷不飽和、飽和、退飽和三種狀態(tài)。 、有反饋環(huán)節(jié)的的調(diào)速系統(tǒng)并非總是處于閉環(huán)狀態(tài)的。4、在雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅決定了電動機所允許的最大電流；電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅決定了電動機所能得到的最大電壓。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器通常采用PI調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)在穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)速n取決于轉(zhuǎn)速給定信號的極性與大小、電樞電流等干負載電流、控制電壓從而整流電壓的大小取決于轉(zhuǎn)速n和負載電流。 5、 在典型雙環(huán)系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動主要是由電流環(huán)抑制的；負載擾動只能由速度環(huán)來抑制。穩(wěn)定運行的典型雙環(huán)系統(tǒng)中，負載變化首先引起的是轉(zhuǎn)速的

10、變化。6、典型雙環(huán)系統(tǒng)中，電機處于動態(tài)加速狀態(tài)時負載電流小于電樞電流。五、系統(tǒng)設(shè)計 一)、靜態(tài)設(shè)計雙環(huán)系統(tǒng)中，ASR.ACR均采用PI調(diào)節(jié)器已知參數(shù)：電動機： 、 、，電樞回路總電阻R=0.25，設(shè)，電樞回路最大電流，電力電子變換器的放大系數(shù)Ks=40。試求：（1）電流反饋系數(shù)和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；（2）、值。解：(1) =;= (2) ; 二）、動態(tài)設(shè)計I、典型I系統(tǒng)的設(shè)計 如圖所示系統(tǒng)，按典型I型系統(tǒng)進行設(shè)計，求出調(diào)節(jié)器Wc（s）類型與參數(shù)。 解：校正成典型I型系統(tǒng)時，其開環(huán)傳遞函數(shù)為。采用PI調(diào)節(jié)器校正，即則開環(huán)傳遞函數(shù)為。取，則有：。按二階最佳原則有：故可得：. 答：調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，Kp

11、=25、s。2、典型II系統(tǒng)的設(shè)計如圖所示系統(tǒng)，按典型II型系統(tǒng)進行設(shè)計，求出調(diào)節(jié)器類型與參數(shù)。解：校正成典型II型系統(tǒng)時，其開環(huán)傳遞函數(shù)為。采用PI調(diào)節(jié)器校正，即。將大慣性環(huán)節(jié)近似處理為積分環(huán)節(jié)，則開環(huán)傳遞函數(shù)為若取h=5，則T=0.001，。系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為按Mpmin準則：， 答：調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，、Kp=60。6、 可逆調(diào)速系統(tǒng) 一）、與VM系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)的優(yōu)越性是：、主電路線路簡單，需要的功率器件少。、開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小。、低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:10000 左右。、若與快速響應的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強。、功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。、直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 二）、VM可逆系統(tǒng)1、只在兩組晶閘管之間流通的短路電流稱為環(huán)流，它適用于中小容量系統(tǒng)，對快速性有較高要求的系統(tǒng)。環(huán)流分為直流平均環(huán)流和交流脈動環(huán)流兩種，不允許存在直流環(huán)流，雖允許交流環(huán)流，但要限制它的大小。 根據(jù)有無環(huán)流，系統(tǒng)分為無環(huán)流系統(tǒng)（常用的有邏輯無環(huán)流系統(tǒng)和錯位無環(huán)流系統(tǒng))和有環(huán)流系統(tǒng)（常用的有自然環(huán)流系統(tǒng)和可控環(huán)流系統(tǒng))。有環(huán)流系統(tǒng)需要配置笨重的環(huán)