14自動(dòng)化試卷答案

1、河南理工大學(xué)20132014學(xué)年第 二學(xué)期自動(dòng)控制系統(tǒng)試卷（A卷）標(biāo)準(zhǔn)答案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)一、問(wèn)答題（50 分）1、（20 分）調(diào)速方法：直流調(diào)速系統(tǒng)的典型調(diào)速方法有2 種：調(diào)電樞電壓和調(diào)勵(lì)磁磁通； 交流調(diào)速系統(tǒng)的典型調(diào)速方法有3種：調(diào)定子電壓、變頻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速。（5 分） 電氣實(shí)現(xiàn)：直流調(diào)壓調(diào)速一般通過(guò)改變VT可控整流裝置的控制角來(lái)改變電機(jī)供電的整流電壓從而改變 轉(zhuǎn)速；直流調(diào)勵(lì)磁磁通調(diào)速一般通過(guò)改變給電機(jī)勵(lì)磁繞組供電的可控整流電壓從而改變勵(lì)磁繞組 的勵(lì)磁電流和勵(lì)磁磁通。交流調(diào)定子電壓調(diào)速通過(guò)由三對(duì)反并聯(lián)的晶閘管交流調(diào)壓器改變電機(jī)定子電壓從而實(shí)現(xiàn)調(diào) 速；交流變頻調(diào)速通過(guò)電力電子變壓變頻電路來(lái)輸出電

2、壓和頻率都可調(diào)的交流電作為電機(jī)定子電 壓實(shí)現(xiàn)調(diào)速；串級(jí)調(diào)速通過(guò)將轉(zhuǎn)子電勢(shì)經(jīng)過(guò)不控整流后和VT有源逆變電路相連，通過(guò)改變逆變 電路的逆變角來(lái)改變轉(zhuǎn)子電流，從而改變電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)速方法。（5 分）機(jī)械特性曲線(xiàn)：（5分）恒壓頻比控制的變頻調(diào)速交流調(diào)壓調(diào)速交流串級(jí)調(diào)速優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比：（5 分） 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，但直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，機(jī)械特性硬，宜于 在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速。其中調(diào)壓調(diào)速只能從額定電壓向下調(diào)節(jié)，用于基速一下的調(diào)速，調(diào)磁調(diào)速 一般用于基速以上的弱磁升速。交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，但調(diào)速相對(duì)直流來(lái)說(shuō)復(fù)雜。調(diào)壓調(diào)速是實(shí)現(xiàn)最為簡(jiǎn)單的一種 調(diào)速方式，但普通電機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，調(diào)速范

3、圍有限，且最大轉(zhuǎn)矩隨電壓的下降而快速減小。采 用力矩電機(jī)雖然能擴(kuò)大其調(diào)速范圍，但機(jī)械特性較軟，而且調(diào)速效率較低。變頻調(diào)速是交流調(diào)速 中調(diào)速性能最好，效率最高的一種調(diào)速方式，但變頻裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制困難。串級(jí)調(diào)速是一種 轉(zhuǎn)差功率回饋性的一種調(diào)速方式，相對(duì)于變頻調(diào)速來(lái)說(shuō)，其機(jī)械特性硬度和最大轉(zhuǎn)矩都有所下降， 但調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。具體評(píng)分時(shí)，學(xué)生如答全這五種典型調(diào)速方法時(shí)給滿(mǎn)分。如未答全上述內(nèi)容，但對(duì)其它調(diào)速 方式有一定的說(shuō)明，可酌情加分。2、（10 分）（1）,穩(wěn)定后，U *= U = a,轉(zhuǎn)速跟隨給定變化。當(dāng)給定不穩(wěn)時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生偏差（2分）。 nn（ 2）電網(wǎng)電壓波動(dòng)屬于閉環(huán)系統(tǒng)前向通道的干擾

4、，閉環(huán)系統(tǒng)可對(duì)其進(jìn)行抑制，無(wú)差系統(tǒng)穩(wěn)定后 轉(zhuǎn)速無(wú)偏差。（2 分）。（ 3）測(cè)速機(jī)勵(lì)磁發(fā)生變化會(huì)影響轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度，系統(tǒng)的輸出精度受測(cè)量精度的影響，所以速 度會(huì)產(chǎn)生偏差。（2分）。（4）運(yùn)放產(chǎn)生零漂后，在調(diào)節(jié)器給定不為零時(shí)， PI 調(diào)節(jié)器的輸出可能保持恒定，從而使系統(tǒng)穩(wěn) 定，所以速度會(huì)產(chǎn)生偏差。（2分）。（ 5）負(fù)載增加后，屬于閉環(huán)系統(tǒng)前向通道的干擾，通過(guò)閉環(huán)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可對(duì)其偏差進(jìn)行 抑制，所以速度無(wú)偏差。（2分）。3直流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，有環(huán)流系統(tǒng)和無(wú)環(huán)流系統(tǒng)各有什么優(yōu)缺點(diǎn)，分別適用在哪些場(chǎng)合，電 樞可逆和磁場(chǎng)可逆各有什么什么優(yōu)缺點(diǎn)，分別應(yīng)用在什么場(chǎng)合？（6 分） 有環(huán)流系統(tǒng)的特點(diǎn)：反向快

5、、過(guò)渡平滑，但必須設(shè)置幾個(gè)環(huán)流電抗器，增加了設(shè)備投資。適用于 要求頻繁正反轉(zhuǎn)且對(duì)對(duì)過(guò)渡過(guò)程要求較高的場(chǎng)合。（1.5 分）無(wú)環(huán)流系統(tǒng)的特點(diǎn)：可靠性高，且不需要環(huán)流電抗器，減小了設(shè)備投資。適用于對(duì)過(guò)渡過(guò)程的平 滑性要求不高，特別是大容量系統(tǒng)。（1.5 分）電樞可逆：優(yōu)點(diǎn)：電樞回路電感量小，時(shí)間常數(shù)?。s幾十ms）,正反向切換快速性好；缺點(diǎn)：需 要兩套容量較大的VT整流裝置，投資大，特別是容量大的可逆系統(tǒng)更為突出。適用于頻繁起制動(dòng)、 要求過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短、中小容量生產(chǎn)機(jī)械上。（1.5 分） 磁場(chǎng)可逆：優(yōu)點(diǎn)：供電裝置功率小，容量較電樞可逆方案小的多，投資費(fèi)用低、經(jīng)濟(jì)；缺點(diǎn)：勵(lì) 磁回路電感量大，時(shí)間常數(shù)大

6、，系統(tǒng)反向過(guò)程緩慢；控制線(xiàn)路復(fù)雜，必須保證在換向過(guò)程中當(dāng)勵(lì) 磁磁通接近于零時(shí)，電樞供點(diǎn)電壓為零（防止“飛車(chē)”）。適用于不要求快速正反轉(zhuǎn)的大容量可逆 系統(tǒng)中（礦井提升機(jī)、電力機(jī)車(chē)）（ 1.5 分）4、交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速為什么需要電壓頻率協(xié)調(diào)控制，電壓頻率協(xié)調(diào)控制策略有哪些，分 析其各自的特點(diǎn)（8 分）為保證調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，希望保持電機(jī)中每極磁通量0 m為額定值不變。1EE二4.44 fNk所以=g，為了保持0 m為額定值，需要保持電壓和頻率g 1 s NS mm 4.44 N k fs NS 1協(xié)調(diào)控制（2分）。電壓U1和頻率o1可以有多種配合，包括恒U1 /控制，恒Eg /控制

7、， 恒Er /o1控制，基頻以上的恒電壓運(yùn)行（2分）。恒U1 /控制控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī) 械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿(mǎn)足一般的調(diào)速要求。但低速帶載能力有些差強(qiáng)人意，須對(duì)定子壓降實(shí)行補(bǔ)償。恒Eg /控制是對(duì)恒壓頻比控制實(shí)行電壓補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，可以在 穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到伽=恒值，從而改善了低速性能。但機(jī)械特性還是非線(xiàn)性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍 受到限制。恒Er血控制可以得到和直流他勵(lì)電機(jī)一樣的線(xiàn)性機(jī)械特性，按照轉(zhuǎn)子全磁通Orm 恒定進(jìn)行控制，即得Er/=恒值。而且，在動(dòng)態(tài)中也盡可能保持rm恒定是矢量控制系統(tǒng) 的目標(biāo)，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜。當(dāng)角頻率提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特

8、性上移，而形狀基本不變。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢(shì)必減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小，但 轉(zhuǎn)速升高了，所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。（4分） 5.交流調(diào)壓可用于風(fēng)機(jī)水泵類(lèi)負(fù)載的調(diào)速，也可用于交流電機(jī)的軟啟動(dòng)和輕載節(jié)能運(yùn)行。 （2 分） 舉例（4 分） 二、分析作圖計(jì)算題U*im1、（1）應(yīng)調(diào)節(jié)電流反饋系數(shù)B和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a ；（4分）二 0. 41，a 二 Unm 二二 0.0067 V- min/ r20n 1500dm dmnom轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷開(kāi)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器偏差很大，很快達(dá)到飽和，使 i tdLIdL2IdL2得電流調(diào)節(jié)器的輸入為限幅值，電流將在最大系統(tǒng)允許電流下 仏 工作，轉(zhuǎn)速將快速

9、增加，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)“飛車(chē)”現(xiàn)象。（4）（3） 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突減負(fù)載，試畫(huà)出Id與n的波形如右 0 圖：畫(huà)出其趨勢(shì)即可。（4分）idl（4） 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，必然出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)現(xiàn)象。因?yàn)閱?dòng)過(guò)程中，IdLi0ASR大部分時(shí)間處于飽和限幅輸出狀態(tài)，輸出的是最大電樞電 流指令，限制了啟動(dòng)時(shí)的電流，也能保證電機(jī)以最大電流快速 啟動(dòng)加速到給定轉(zhuǎn)速。但是，要達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即電樞電流等于負(fù) 載力矩對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流值，就必須通過(guò)ACR的調(diào)節(jié)作用控制電 樞電流從最大電樞電流下降到負(fù)載電流，由于 ACR 用的是 PI無(wú)差調(diào)節(jié)器，因此ACR的給定電流，也即ASR的輸出電流指令必須從最大電樞電流下降到負(fù)載 電流，這就要求

10、ASR要退出飽和限幅值，從而要求轉(zhuǎn)速超調(diào)，使轉(zhuǎn)速偏差為負(fù)值。（4分）（ 6 分）R0、R1和C0用于輸入濾波，VD和VD2用于輸入限幅，VST和VST2用于輸出限幅。R2和C1 組成PI調(diào)節(jié)的反饋通路，R3用于抑制零漂，組成準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)。JEEP是封鎖環(huán)節(jié)。（14分）主電路由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓 源型的，采用大電容C濾波，同時(shí)兼有無(wú)功功率交換的作用。（2分）泵升限制電路由于二極管整流器不能為電機(jī)的再生制動(dòng)提供反向電流的通路，所以除特 殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動(dòng)能量。減速制動(dòng)時(shí)，異步電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，首先 通過(guò)逆變器的續(xù)流二極管向電

11、容C充電，當(dāng)中間直流回路的電壓（通稱(chēng)泵升電壓）升高到一定的 限制值時(shí)，通過(guò)泵升限制電路使開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，將電機(jī)釋放的動(dòng)能消耗在制動(dòng)電阻上。為便于散 熱，制動(dòng)電阻器常作為附件單獨(dú)裝在變頻器機(jī)箱外。（2分）控制電路現(xiàn)代 PWM 變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字電路，其功能主 要是接受各種設(shè)定信息和指令，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動(dòng)逆變器工作的PWM信號(hào)，再根據(jù)它 們的要求形成驅(qū)動(dòng)逆變器工作的PWM信號(hào)。微機(jī)芯片主要采用8位或16位的單片機(jī)，或用32 位的DSP。（2分）限流電阻為了避免大電容C在通電瞬間產(chǎn)生過(guò)大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時(shí)，先

12、限制充電電流，再延時(shí)用K將其短路，以 免長(zhǎng)期接入影響變頻器正常工作，產(chǎn)生附加損耗。（1 分）進(jìn)線(xiàn)電抗器 二極管整流器雖然是全波整流裝置，但由于其輸出端有濾波電容存在，因此 輸入電流呈脈沖波形，具有較大的諧波分量，使電源受到污染。為了抑制諧波電流，對(duì)于容量較 大的PWM變頻器，都應(yīng)在輸入端設(shè)有進(jìn)線(xiàn)電抗器。（1分）PWM信號(hào)產(chǎn)生可以由微機(jī)本身的軟件產(chǎn)生，由PWM端口輸出，也可采用專(zhuān)用的PWM 生成電路芯片。（1 分）檢測(cè)與保護(hù)電路各種故障的保護(hù)由電壓、電流、溫度等檢測(cè)信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路進(jìn)行分 壓、光電隔離、濾波、放大等綜合處理，再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，輸入給CPU作為控制算法的依據(jù)， 或者作為開(kāi)關(guān)電平

13、產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)和顯示信號(hào)。（1 分）信號(hào)設(shè)定一一需要設(shè)定的控制信息主要有：U/f特性、工作頻率、頻率升高時(shí)間、頻率下降時(shí) 間等，還可以有一系列特殊功能的設(shè)定。U/f特性低頻時(shí)可進(jìn)行電壓補(bǔ)償，使氣隙磁通恒定，甚 至轉(zhuǎn)子磁通恒定。頻定設(shè)定信號(hào)必須通過(guò)給定積分算法產(chǎn)生平緩升速或降速信號(hào)，升速和降速的 積分時(shí)間由頻率升高時(shí)間、頻率下降時(shí)間。（4分） 3.（14）制動(dòng)過(guò)程分為本組逆變階段、它組整流反向建流階段、它組 逆變最大電流減速階段和反向減流停車(chē)階段。除第一階段外， 均有制動(dòng)力矩。本組逆變階段：ASR飽和，輸出最大正向電流指令；ACR 調(diào)節(jié)電流，使電流從正向電流迅速下降。反組逆變，正組待 整流。它組整流反向建流階段： ASR 飽和，輸出最大正向電流 指令；ACR調(diào)節(jié)