14自动化试卷答案

河南理工大学2013~2014学年第二学期《自动控制系统》试卷（A卷）标准答案及评分标准一、问答题（50分）1、（20分）调速方法：直流调速系统的典型调速方法有2种：调电枢电压和调励磁磁通；交流调速系统的典型调速方法有3种：调定子电压、变频调速和串级调速。（5分）电气实现：直流调压调速一般通过改变VT可控整流装置的控制角来改变电机供电的整流电压从而改变转速；直流调励磁磁通调速一般通过改变给电机励磁绕组供电的可控整流电压从而改变励磁绕组的励磁电流和励磁磁通。交流调定子电压调速通过由三对反并联的晶闸管交流调压器改变电机定子电压从而实现调速；交流变频调速通过电力电子变压变频电路来输出电压和频率都可调的交流电作为电机定子电压实现调速；串级调速通过将转子电势经过不控整流后和VT有源逆变电路相连，通过改变逆变电路的逆变角来改变转子电流，从而改变电磁转矩的调速方法。（5分）机械特性曲线：（5分）恒压频比控制的变频调速交流调压调速交流串级调速nn0OIdILUNU1U2U3nNn1n2n3直流调压调速n0ON123nNn1n2n3TeTL直流弱磁升速优缺点对比：（5分）直流电机结构复杂，故障率高，但直流电动机具有良好的起、制动性能，机械特性硬，宜于在大范围内平滑调速。其中调压调速只能从额定电压向下调节，用于基速一下的调速，调磁调速一般用于基速以上的弱磁升速。交流电机结构简单，可靠性高，但调速相对直流来说复杂。调压调速是实现最为简单的一种调速方式，但普通电机带恒转矩负载，调速范围有限，且最大转矩随电压的下降而快速减小。采用力矩电机虽然能扩大其调速范围，但机械特性较软，而且调速效率较低。变频调速是交流调速中调速性能最好，效率最高的一种调速方式，但变频装置结构复杂，控制困难。串级调速是一种转差功率回馈性的一种调速方式，相对于变频调速来说，其机械特性硬度和最大转矩都有所下降，但调速装置结构简单。具体评分时，学生如答全这五种典型调速方法时给满分。如未答全上述内容，但对其它调速方式有一定的说明，可酌情加分。2、（10分）（1），稳定后，Un*=Un=αn，转速跟随给定变化。当给定不稳时，转速会产生偏差（2分）。（2）电网电压波动属于闭环系统前向通道的干扰，闭环系统可对其进行抑制，无差系统稳定后转速无偏差。（2分）。（3）测速机励磁发生变化会影响转速的测量精度，系统的输出精度受测量精度的影响，所以速度会产生偏差。（2分）。（4）运放产生零漂后，在调节器给定不为零时，PI调节器的输出可能保持恒定，从而使系统稳定，所以速度会产生偏差。（2分）。（5）负载增加后，属于闭环系统前向通道的干扰，通过闭环的自动调节，系统可对其偏差进行抑制，所以速度无偏差。（2分）。3．直流可逆调速系统中，有环流系统和无环流系统各有什么优缺点，分别适用在哪些场合，电枢可逆和磁场可逆各有什么什么优缺点，分别应用在什么场合？（6分）有环流系统的特点：反向快、过渡平滑，但必须设置几个环流电抗器，增加了设备投资。适用于要求频繁正反转且对对过渡过程要求较高的场合。（1.5分）无环流系统的特点：可靠性高，且不需要环流电抗器，减小了设备投资。适用于对过渡过程的平滑性要求不高，特别是大容量系统。（1.5分）电枢可逆：优点：电枢回路电感量小，时间常数小(约几十ms)，正反向切换快速性好；缺点：需要两套容量较大的VT整流装置，投资大,特别是容量大的可逆系统更为突出。适用于频繁起制动、要求过渡过程时间短、中小容量生产机械上。（1.5分）磁场可逆：优点：供电装置功率小，容量较电枢可逆方案小的多，投资费用低、经济；缺点：励磁回路电感量大，时间常数大，系统反向过程缓慢；控制线路复杂，必须保证在换向过程中当励磁磁通接近于零时，电枢供点电压为零（防止“飞车”）。适用于不要求快速正反转的大容量可逆系统中（矿井提升机、电力机车）（1.5分）4、交流异步电动机变频调速为什么需要电压频率协调控制，电压频率协调控制策略有哪些，分析其各自的特点（8分）为保证调速时电动机的最大转矩不变，希望保持电机中每极磁通量Φm为额定值不变。mNs1gS44.4ΦkNfE所以1gNsmS44.41fEkNΦ，为了保持Φm为额定值，需要保持电压和频率协调控制（2分）。电压U1和频率1可以有多种配合，包括恒U1/1控制，恒Eg/1控制，恒Er/1控制，基频以上的恒电压运行（2分）。恒U1/1控制控制最容易实现，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。恒Eg/1控制是对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到rm=恒值，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。恒Er/1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rm恒定进行控制，即得Er/1=恒值。而且，在动态中也尽可能保持rm恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来比较复杂。当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变。由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。（4分）5.交流调压可用于风机水泵类负载的调速，也可用于交流电机的软启动和轻载节能运行。(2分)举例（4分）二、分析作图计算题1、（1）应调节电流反馈系数β和转速反馈系数α；（4分）*80.420imimdmdmUUII，rnUnomnmmin/V0067.0150010*⑵转速环突然断开，转速调节器偏差很大，很快达到饱和，使得电流调节器的输入为限幅值，电流将在最大系统允许电流下工作，转速将快速增加，严重的时候会出现“飞车”现象。（4）（3）系统稳定运行时，突减负载，试画出Id与n的波形如右图：画出其趋势即可。（4分）（4）系统启动时，必然出现转速超调现象。因为启动过程中，ASR大部分时间处于饱和限幅输出状态，输出的是最大电枢电流指令，限制了启动时的电流，也能保证电机以最大电流快速启动加速到给定转速。但是，要达到稳态，即电枢电流等于负载力矩对应的负载电流值，就必须通过ACR的调节作用控制电枢电流从最大电枢电流下降到负载电流，由于ACR用的是PI无差调节器，因此ACR的给定电流，也即ASR的输出电流指令必须从最大电枢电流下降到负载电流，这就要求ASR要退出饱和限幅值，从而要求转速超调，使转速偏差为负值。（4分）2.（6分）R0、R1和C0用于输入滤波，VD1和VD2用于输入限幅，VST1和VST2用于输出限幅。R2和C1组成PI调节的反馈通路，R3用于抑制零漂，组成准PI调节。JEEP是封锁环节。3.(14分)主电路——由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。（2分）泵升限制电路——由于二极管整流器不能为电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外。（2分）控制电路——现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP。（2分）限流电阻——为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的tIdL0tId0n0IdL1IdL2IdL1IdL2n1直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用K将其短路，以免长期接入影响变频器正常工作，产生附加损耗。（1分）进线电抗器——二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形，具有较大的谐波分量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器。（1分）PWM信号产生——可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。（1分）检测与保护电路——各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CPU作为控制算法的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。（1分）信号设定——需要设定的控制信息主要有：U/f特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。U/f特性低频时可进行电压补偿，使气隙磁通恒定，甚至转子磁通恒定。频定设定信号必须通过给定积分算法产生平缓升速或降速信号，升速和降速的积分时间由频率升高时间、频率下降时间。（4分）3.（14）制动过程分为本组逆变阶段、它组整流反向建流阶段、它组逆变最大电流减速阶段和反向减流停车阶段。除第一阶段外，均有制动力矩。本组逆变阶段：ASR饱和，输出最大正向电流指令；ACR调节电流，使电流从正向电流迅速下降。反组逆变，正组待整流。它组整流反向建流阶段：ASR饱和，输出最大正向电流指令；ACR调节电流，使电流从零迅速上升至最大正向电流。反组待逆变，正组整流。它组逆变最大电流减速阶段：ASR饱和，输出最大正向电流指令；ACR调节电流，使电流维持在最大正向电流，并抑制电动势随转速降低带来的减小扰动。反组待整流，正组逆变。反向减流停车阶段：ASR饱和，输出最大正向电流指令；ACR调节电流，使电流尽量维持最大正向电流，实际上无法维持，电流迅速衰减停车。反组待逆变，正组整流相关波形。（8分）。tttOOOIdnUctttOOOIdnUct0UctmIdm3.相关波形（6分）