電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(習(xí)題解答)

1、“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”習(xí)題解答電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（習(xí)題解答）第1章電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成1第2章電力傳動(dòng)系統(tǒng)的模型13第3章直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)18第4章交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)30第5章電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)*38i“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”習(xí)題解答1章電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成根據(jù)電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)述電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理和共性問題。答：電力傳動(dòng)是以電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種傳動(dòng)方式，由于電力傳輸和變換的便利，使電力傳動(dòng)成為現(xiàn)代生產(chǎn)機(jī)械的主要?jiǎng)恿ρb置。電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，一般由電源、變流器、電動(dòng)機(jī)、控制器、傳感器和生產(chǎn)機(jī)械（負(fù)載

2、）組成。電源控制指令控制器變流器電動(dòng)機(jī)負(fù)載傳感器圖1-1電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理是，根據(jù)輸入的控制指令（比如：速度或位置指令），與傳感器采集的系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)（速度、位置、電流和電壓等），經(jīng)過一定的處理給出相應(yīng)的反饋控制信號(hào)，控制器按一定的控制算法或策略輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制變流器改變輸入到電動(dòng)機(jī)的電源電壓、頻率等，使電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)速或位置，再由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械按照相應(yīng)的控制要求運(yùn)動(dòng)，故又稱為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。雖然電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)種類繁多，但根據(jù)圖1-1所示的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，可以歸納出研發(fā)或應(yīng)用電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)所需解決的共性問題：1）電動(dòng)機(jī)的選擇。電力傳動(dòng)系統(tǒng)能否經(jīng)濟(jì)可

3、靠地運(yùn)行，正確選擇驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)至關(guān)重要。應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝和設(shè)備對(duì)驅(qū)動(dòng)的要求，選擇合適的電動(dòng)機(jī)的種類及額定參數(shù)、絕緣等級(jí)等，然后通過分析電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和冷卻、工作制、過載能力等進(jìn)行電動(dòng)機(jī)容量的校驗(yàn)。2）變流技術(shù)研究。電動(dòng)機(jī)的控制是通過改變其供電電源來實(shí)現(xiàn)的，如直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制需要改變其電樞電壓或勵(lì)磁電壓的方向，而調(diào)速需要改變電樞電壓或勵(lì)磁電流的大??；交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速需要改變其電源的電壓和頻率等，因此，變流技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。3）系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)方法。狀態(tài)檢測(cè)是構(gòu)成系統(tǒng)反饋的關(guān)鍵，根據(jù)反饋控制原理，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的各種狀態(tài)，如電壓、電流、頻率、相位、磁鏈

4、、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或位置等。因此，研究系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)和觀測(cè)方法是提高其控制1“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”習(xí)題解答性能的重要課題。4）控制策略和控制器的設(shè)計(jì)。任何自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心都是對(duì)控制方法的研究和控制策略的選擇，電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)也不例外。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，研發(fā)或選擇適當(dāng)?shù)目刂品椒ɑ虿呗允菍?shí)現(xiàn)電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要問題。2直流電動(dòng)機(jī)有幾種調(diào)速方法，其機(jī)械特性有何差別？答：直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系為UaRIanCe考慮到他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電流與電磁轉(zhuǎn)矩Te的關(guān)系TeCTIa，可以將其機(jī)械特性寫成如下形式：nn0Te式中n0Ua/Ce稱作理想空載轉(zhuǎn)速，R/CeCT2為機(jī)械特性的斜率。由上式可知

5、，有以下三種調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法：1）改變電樞回路電阻R（圖1-2）。nR1s1s2n01s1n02s2低頻電壓補(bǔ)償OTe圖4-17恒壓頻比控制變頻調(diào)速的機(jī)械特性2）恒定子電動(dòng)勢(shì)頻比控制模式再次分析圖4-15的等效電路可以發(fā)現(xiàn)，假如能夠提高定子電壓以完全補(bǔ)償定子阻抗的壓降，就能實(shí)現(xiàn)恒定子電動(dòng)勢(shì)頻比的控制模式，即有Eg/s=常值，其機(jī)械特性如圖4-18所示?？梢姡畲箅姶呸D(zhuǎn)矩因Eg/s保持恒值而不變，而特性曲線從額定曲線平行下移，這說明采用恒Eg/s控制模式的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒Us/s控制模式。nssNs1s2s3n0NsNn01s1n02s2n03s3OTemTe圖4-18恒Eg/s控制模

6、式的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性3）恒轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)頻比控制模式進(jìn)一步研究圖4-15的等效電路，可以設(shè)想如果能夠通過某種方式直接控制轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)，使其按照恒轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)頻比進(jìn)行控制，即有Er/s=常值。當(dāng)采用這種控制模式時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將是一條下斜的直線（如圖4-19），可獲得與直流電動(dòng)機(jī)相同的穩(wěn)態(tài)性能。這也正是高性能交流調(diào)速系統(tǒng)想要達(dá)到的目標(biāo)。34“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”習(xí)題解答nssNs1s2s3n0NsNn01s1n02s2n03s3OTe圖4-19恒Er/s控制模式的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性比較以上三種控制模式，顯然恒Us/s控制模式最容易實(shí)現(xiàn)，但系統(tǒng)性能一般，調(diào)速X圍有限，適用于對(duì)調(diào)速要求不太高的場(chǎng)合，如風(fēng)機(jī)、水泵

7、的節(jié)能控制等；恒Eg/s控制模式因其定子壓降得到完全補(bǔ)償，在調(diào)速過程中最大電磁轉(zhuǎn)矩保持不變，系統(tǒng)性能優(yōu)于前者，但其機(jī)械特性還是非線性的，輸出轉(zhuǎn)矩的能力仍受一定限制；恒Er/s控制模式能獲得與直流電動(dòng)機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，其動(dòng)靜態(tài)性能優(yōu)越，適用于各種高性能要求的電力傳動(dòng)場(chǎng)合，但其控制相對(duì)復(fù)雜。（2）基頻以上的恒壓變頻調(diào)速在基頻fsN以上變頻調(diào)速時(shí)，由于定子電壓不宜超過其額定電壓，因此一般需采取UsUsN不變的控制策略。當(dāng)角頻率s提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，而形狀基本不變，如圖4-20所示。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)速卻升高了，可以認(rèn)為

8、輸出功率基本不變。所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速（圖4-21）。nns3s3s2s3sNs1s2ns2ns1s1nsNsNTeO圖4-20基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性35“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”習(xí)題解答UsmUsNmN恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒功率調(diào)速UsmOsNs4-21異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)的基本思想是什么？為何采用矢量控制可以使交流調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到與直流調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)?shù)男阅?？答：由圖4-25所示的異步電動(dòng)機(jī)電流解耦模型可見，通過坐標(biāo)變換、主磁鏈按轉(zhuǎn)子磁鏈定向等計(jì)算處理，一個(gè)異步電動(dòng)機(jī)在模型上被等效為直流電動(dòng)機(jī)，而且該等效直流電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩是分離的，可以分別進(jìn)行單獨(dú)控制。這樣

9、，就可以按直流電動(dòng)機(jī)的控制思路來控制交流電動(dòng)機(jī)，并實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）的解耦控制。這就是交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)的基本思想。直流電動(dòng)機(jī)等效模型iAisisdLmr1TrpiBC3/2C2s/2rTLiCisisqLmTe+npnprLrJp圖4-25異步電動(dòng)機(jī)的矢量變換與電流解耦模型如果能保持轉(zhuǎn)子磁鏈r恒定，則電磁轉(zhuǎn)矩就由定子電流轉(zhuǎn)矩分量isq控制，這與直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩由電樞電流控制相仿。這就是為何采用矢量控制可以使交流調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到與直流調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)性能的根本原因。交流調(diào)速直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思想是什么？試分析比較矢量控制系統(tǒng)與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)各有何特點(diǎn)。36“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”習(xí)題解答答：直

10、接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思想是在靜止兩相坐標(biāo)系上控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，這樣省略了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，并采用Bang-Bang控制器取代轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器，以加速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)。兩者都采用轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）和磁鏈分別控制，但兩者在控制性能上各有千秋：矢量控制（VC）系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)Te與r的解耦，有利于分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實(shí)行連續(xù)控制，可以獲得較寬的調(diào)速X圍；但按r定向受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了系統(tǒng)的魯棒性。直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）系統(tǒng)則實(shí)行Te與r砰-砰控制，避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)；控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響；但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，低速性能較差，調(diào)速X圍受到限制。如

11、何實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的雙饋控制？分析低同步速與超同步速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差功率流向和控制模式。同步電動(dòng)機(jī)有哪兩種基本控制方式？其主要區(qū)別在何處？答：同步電動(dòng)機(jī)的基本控制方式有他控式和自控式兩種，其主要區(qū)別為：他控變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)采用獨(dú)立的變壓變頻器給定子供電，并由專門的晶閘管整流器提供直流給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁。自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速有PWM變頻器供電，用電動(dòng)機(jī)軸上的所帶的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器提供的信號(hào)來控制PWM變頻器的換相時(shí)刻。由于其換相類似與直流電動(dòng)機(jī)中電刷和換向器的作用，一般稱為無換向器電機(jī)調(diào)速或無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)和正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)在組成原理上有什么區(qū)別？

12、某交流變壓調(diào)速系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-8所示，已知：異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的參數(shù)為KMA7.1r/(minV)，Tm0.58s；交流調(diào)壓器的參數(shù)為Ks38s，Ts0.01s；轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的參數(shù)為Kn0.004Vmin/r，Td0.01s。試設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，并達(dá)到動(dòng)態(tài)超調(diào)量小和穩(wěn)態(tài)無靜差的要求。37“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”習(xí)題解答第5章電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)*1.有一個(gè)系統(tǒng)，其控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為K110，要求設(shè)G(s)10.01ss1計(jì)一個(gè)無靜差系統(tǒng)，在階躍輸入下系統(tǒng)超調(diào)量%5%（按線性系統(tǒng)考慮）。試對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，決定調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，并選擇其參數(shù)。有一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，其控制對(duì)象的傳

13、遞函數(shù)為K110，要求校正為典型型系統(tǒng)，在階躍輸入下系統(tǒng)超G(s)s(0.02s1)s(Ts1)調(diào)量%30%（按線性系統(tǒng)考慮）。試決定調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，并選擇其參數(shù)。3.調(diào)節(jié)對(duì)象的傳遞函數(shù)為G(s)18，要求用調(diào)節(jié)器分別1)(0.005s1)(0.25s將其校正為典型型和型系統(tǒng)，求調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。4.已知某控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為G(s)18，試在1)(0.005s1)(0.25sMATLAB/Simulink環(huán)境下搭建其PID控制系統(tǒng)的仿真模塊，并通過仿真確定其PID調(diào)節(jié)器的合適參數(shù)KP、KI、KD。在一個(gè)由三相零式晶閘管整流裝置供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，已知電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為：P60kWUN220VI308An1000r/min，N，N，N電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ke0.196Vmin/r，主回路總電阻R0.18，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks35。電磁時(shí)間常數(shù)Tl0.012s，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm0.12s，電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)T0i0.0025s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)T0n0.015s。額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給*，Ucm6.5V。定電壓(Un)N10V，調(diào)節(jié)器ASR、ACR飽和輸出電壓Uim8V系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)如下：穩(wěn)態(tài)無靜差,調(diào)速X圍D10，電流超調(diào)量i%5%，