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运动控制课程复习 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途运动控制课程复习大纲 王一开编第一部分：填空题+简答题1、 PWM系统的几种工作状态.（P129）分正向电动，反向制动，轻载电动三种状态一般电动状态在一般电动状态中，始终为正值（其正方向示于图1-17a中）。设ton为VT1的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：在0 t ton期间， Ug1为正，VT1导通， Ug2为负，VT2关断.此时,电源电压Us加到电枢两端,电流 id 沿图中的回路1流通。在 ton t T 期间， Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断,但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能.因此，实际上是由VT1和VD2交替导通,虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。制动状态在制动状态中， id为负值,VT2就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时,先减小控制电压,使 Ug1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压Ud降低。但是，由于机电惯性，转速和反电动势E还来不及变化，因而造成E Ud 的局面，很快使电流id反向，VD2截止, VT2开始导通。制动状态的一个周期分为两个工作阶段：在 0 t ton 期间，VT2 关断,id 沿回路 4 经 VD1 续流，向电源回馈制动,与此同时， VD1 两端压降钳住 VT1 使它不能导通。在 ton t T期间， Ug2 变正，于是VT2导通，反向电流 id 沿回路 3 流通，产生能耗制动作用。因此,在制动状态中， VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的，此时的电压和电流波形示于图117c。 轻载电动状态有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流较小,以致在关断后经续流时，还没有到达周期 T ,电流已经衰减到零，此时， VT2因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用.轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：第1阶段，VD1续流，电流 id 沿回路4流通；第2阶段，VT1导通，电流 id 沿回路1流通；第3阶段，VD2续流，电流 id 沿回路2流通；第4阶段，VT2导通，电流 id 沿回路3流通。在1、4阶段,电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态；在2、3阶段，电动机流过正方向电流，电机工作在电动状态。因此，在轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流,其输出波形见图1-17d。2、 直流电机的三种基本调速方法(P1） （1)调节电枢供电电压 U；工作条件：保持励磁 F = FN ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN U U n , n0 调速特性:转速下降，机械特性曲线平行下移。（2）减弱励磁磁通 F；工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ；调节过程： 减小励磁 FN FF n ， n0 .调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。（3）改变电枢回路电阻 R.工作条件： 保持励磁 F = FN ； 保持电压 U =UN ;调节过程： 增加电阻 Ra R R . n ，n0不变；调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。三种调速方法的性能与比较对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速.因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主.怎样才能近似的实现转速负反馈？(P43）答：如果忽略电枢压降,则直流电动机的转速近似与电枢两端电压成正比，所以电压负反馈基本上能够代替转速负反馈的作用，从而替代复杂的利用测速发电机测转速的方法。直流电机弱磁调速适合带什么负载？直流电机调压调速适合带什么负载？(P99）答:调压调速适合带恒转矩性质的负载，弱磁调速适合带恒功率性质的负载.3、 系统稳定的充要条件背记版连续系统稳定的充要条件：闭环传函的根位于S平面的左半平面离散系统稳定的充要条件：闭环脉冲传函的根位于单位圆之内理论版反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为：它的一般表达式为根据三阶系统的劳斯古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是：式中的各项系数显然都是大于零的，因此稳定条件就只有 或 整理后得 式中右边称作系统的临界放大系数 Kcr,当 K Kcr 时，系统将不稳定. 对于一个自动控制系统来说,稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。 4、 典型系统（P60P69）一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可表示为: 上式中,分母中的 sr 项表示该系统在原点处有 r 重极点，或者说，系统含有 r 个积分环节。根据 r=0，1，2，等不同数值，分别称作0型、I型、型、系统。为什么不用型及型以上的系统？答:自动控制理论已经证明,0型系统稳态精度低，而型和型以上的系统很难稳定。因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多选用I型和II型系统。典型I型系统结构图与传递函数 式中 T - 系统的惯性时间常数; K 系统的开环增益。开环对数频率特性：性能特性典型的I型系统结构简单，其对数幅频特性的中频段以 20 dB/dec 的斜率穿越 0dB 线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的,且有足够的稳定裕量，即选择参数满足 或 于是,相角稳定裕度 典型型系统结构图和传递函数 n 开环对数频率特性性能特性典型的II型系统也是以 20dB/dec 的斜率穿越零分贝线。由于分母中 s2 项对应的相频特性是 180，后面还有一个惯性环节，在分子添上一个比例微分环节（ts +1），是为了把相频特性抬到 180线以上,以保证系统稳定，即应选择参数满足 或 且t 比 T 大得越多，系统的稳定裕度越大。相关链接：矫正成两种典型系统时调节器的选择.（P69两张表）5、 PD，PID,PI调节器PD-比例微分调节PID-比例积分微分调节PI-比例积分调节重点介绍PI调节器PI调节器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器,在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时,可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法,这就是模拟调节器的数字化。 PI调节器的传递函数：PI调节器时域表达式：其中 Kp= Kpi 为比例系数 KI =1/t 为积分系数 数字PI调节器算法:有位置式和增量式两种算法7、常用的可控直流电源旋转变流机组（GM）-用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压.GM系统工作原理:由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电,调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U,从而调节电动机的转速 n 。这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称WardLeonard系统.静止式可控整流器(V-M）用静止式的可控整流器,以获得可调的直流电压.VM系统工作原理 晶闸管电动机调速系统(简称V-M系统，又称静止的WardLeonard系统),图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud ，从而实现平滑调速。VM系统的特点:与GM系统相比较：n 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。n 在控制作用的快速性上，变流机组是秒级,而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能.V-M系统的问题:n 由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难.n 晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。n 由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备,造成“电力公害”.直流斩波器或脉宽调制变换器(PWM）用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。直流斩波器的基本结构:斩波器的基本控制原理:：在原理图中，VT 表示电力电子开关器件,VD 表示续流二极管。当VT 导通时,直流电源电压 Us 加到电动机上;当VT 关断时,直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图15b ,好像是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T ton 时间内被斩断,故称“斩波。输出电压计算:电动机得到的平均电压为:式中 T 晶闸管的开关周期； ton 开通时间； r - 占空比， r = ton / T = ton f ；其中 f 为开关频率。PWM系统的优点:（1）主电路线路简单，需用的功率器件少;(2)开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好,稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合,则系统频带宽,动态响应快，动态抗扰能力强；(5)功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时,开关损耗也不大,因而装置效率较高;（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。8、限流保护-电流截止负反馈为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变,使它不超过允许值。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减.如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。电流截止负反馈环节:系统稳态结构:静特性方程与特性曲线:由图1-31可写出该系统两段静特性的方程式。当 Id Idcr 时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式相同： 当 Id Idcr时，引入了电流负反馈，静特性变成电流截止负反馈环节参数设计n Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取: Idbl =(1。52) INn 从调速系统的稳态性能上看,希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取： Idcr （1。11。2）IN9、串电抗器的目的：减小电流脉动，维持电流连续。10、转速、电流双闭环直流调速系统系统的组成、图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE.从闭环结构上看，电流环在里面,称作内环；转速环在外边，称作外环.这就形成了转速、电流双闭环调速系统。系统原理图：图中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm稳态结构图和静特性: 为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图,如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征.系统稳态结构图：限幅作用存在两种状况:n 饱和输出达到限幅值当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说,饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。n 不饱和输出未达到限幅值当调节器不饱和时，正如1。6节中所阐明的那样，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。 系统静特性实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情况. 双闭环直流调速系统的静特性如图所示，两个调节器的作用n 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用.n 当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。 这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好.然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大,特别是为了避免零点飘移而采用 “准PI调节器时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如上图中虚线所示. 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析数学模型:图中WASR(s）和WACR（s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有（p36-37) 双闭环直流调速系统的起动过程分析 设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程,因此在分析双闭环调速系统的动态性能时,有必要首先探讨它的起动过程.双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时,转速和电流的动态过程示于下图.起动过程： 由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况,整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。 第I阶段电流上升的阶段（0 t1） n 突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。n 当 Id IdL 后,电机开始起动,由于机电惯性作用，转速不会很快增长,因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 Uim，强迫电流 Id 迅速上升。n 直到，Id = Idm ， Ui = U*im 电流调节器很快就压制 Id 了的增长，标志着这一阶段的结束. 在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第 II 阶段恒流升速阶段（t1 t2) n 在这个阶段中,ASR始终是饱和的,转速环相当于开环,系统成为在恒值电流 给定Uim下的电流调节系统，基本上保持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。n 与此同时，电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统来说，E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动， Ud0和 Uc 也必须基本上按线性增长，才能保持 Id 恒定。n 当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值,也就是说， Id 应略低于 Idm。 恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。 为了保证电流环的主要调节作用,在起动过程中 ACR是不应饱和的，电力电子装置 UPE 的最大输出电压也须留有余地,这些都是设计时必须注意的。第 阶段转速调节阶段（ t2 以后） n 当转速上升到给定值时,转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im ，所以电机仍在加速,使转速超调。n 转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态， Ui 和 Id 很快下降。但是,只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升.直到Id = IdL时，转矩Te= TL ，则dn/dt = 0，转速n才到达峰值(t = t3时）.此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应,在一小段时间内（ t3 t4 ), Id IdL ，直到稳定,如果调节器参数整定得不够好,也会有一些振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使 Id 尽快地跟随其给定值 Ui ,或者说，电流内环是一个电流随动子系统。 综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点:(1）饱和非线性控制；根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：当ASR饱和时，转速环开环,系统表现为恒值电流调节的单闭环系统;当ASR不饱和时,转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。（2）转速超调;由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调， ASR 的输入偏差电压 Un 为负值，才能使ASR退出饱和。这样,采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。(3)准时间最优控制。起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。 最后，应该指出,对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时,当电流下降到零以后,只好自由停车。必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸. 11、泵升电压产生的原因和抑制方法泵升电压产生的原因:对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电,这将使电容两端电压升高,称作“泵升电压。 泵升电压限制电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压,因此电容量就不可能很小，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。在大容量或负载有较大惯量的系统中,不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许数值时接通。对于更大容量的系统,为了提高效率，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈电网。当然，这样一来,系统就更复杂了. 12、随动系统讲究跟随指标,恒值系统讲究抗扰指标。13、异步交流电机变频器上电压和频率为什么要协调控制？在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 Fm 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和,从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。在交流异步电机中，磁通 Fm 由定子和转子磁势合成产生，因为有，此式可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通Fm 的目的。14、异步电动机电压、频率有几种协调方法？（P215P218）a。 恒压频比控制（ Us /w1 ）机械特性曲线：b. 恒 Eg /w1 控制 下图再次绘出异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下： Eg 气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。 c。 恒 Er /w1 控制 几种电压频率协调控制方式的特性比较在正弦波供电时，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。 （1）恒压频比（ Us /w1 = Constant )控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿. （2）恒Eg /w1 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到Frm = Constant，从而改善了低速性能.但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。（3）恒 Er /w1 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性,按照转子全磁通 Frm 恒定进行控制，即得Er /w1 = Constant 而且,在动态中也尽可能保持 Frm 恒定是矢量控制系统的目标,当然实现起来是比较复杂的。15、异步电动机改变电压时的机械特性（P191)异步电动机机械特性：由图54可见，带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为 A、B、C,转差率 s 的变化范围不超过 0 sm ，调速范围有限。如果带风机类负载运行，则工作点为D、E、F，调速范围可以大一些.为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值,这样的电机在变电压时的机械特性绘于图55。显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机.16、交流电机如果全压启动，启动电流是额定电流的47倍；启动转矩是额定转矩的0。71.3倍。第二部分:计算题1、 给出单闭环或双闭环的动静传函结构图，要求简化结构图并进行求传函等基础性处理。（建议翻看自控原理结构图简化的相关内容）2、 作业本习题(三题之一）3、 双闭环稳态计算（参见第一部分第10考点）双闭环各变量的稳态工作点和稳态参数计算：双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时,各变量之间有下列关系：上述关系表明,在稳态工作点上，转速 n 是由给定电压Un决定的；ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的;控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于Un 和 IdL。反馈系数计算双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同,而是和无静差系统的稳态计算相似,即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数： 转速反馈系数：电流反馈系数： 两个给定电压的最大值U*nm和Uim由设计者选定,设计原则如下：n U*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；n Uim 为ASR的输出限幅值。复习提示:上述总结的各知识点均出自老师复习课时公布的内容，但由于各方面原因，复习范围肯定有所局限，大家还是应该在此材料的基础上，结合上课笔记和老师平时所授，充分挖掘潜在易考点，尽量补充该资料.建议大家应将复习重点放在直流系统的调速方式、双闭环系统稳态/动态性能分析以及异步电动机变压变频调速系统这三个内容上，即第一、二、七章对应知识章节，具体考点可详见上述归纳.祝大家在大学本科学习的最后一门专业课考试当中取得优异成绩!20