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第1页(共5页)注：教师应使用计算机处理试题的文字、公式、图表等；学生应使用水笔或圆珠笔答题。20～20学年秋季学期试卷(A)课程名：运动控制系统（一）课程号：09365148学分：3应试人声明：我保证遵守《学生手册》中的《考场规则》，如有考试违纪、作弊行为，愿意接受《学生考试违纪、作弊行为界定及处分规定》的纪律处分。应试人应试人学号应试人所在院系题号一二三四五六七八九得分一．简答题（22%）：3．（6分）调速系统的稳态性能指标有哪两项？动态性能指标有哪两项？调速系统的主要扰动是哪两个？答：调速系统的稳态性能指标包括调速范围和静差率（2分），动态性能指标包括跟随性能和抗扰性能（2分）。调速系统的主要扰动包括负载扰动和电网电压波动（2分）。4．（4分）PI调节器时域表达式可写成，采样周期为，写出离散化后采用位置式的差分方程第k拍输出u(k)，并说明如何对该调节器进行限幅。答：位置式差分方程（2分）。限幅时需要对输出和积分同时限幅。（2分）1．（7分）转速、电流双闭环调速系统中，转速调节器和电流调节器均为PI调节器，电动机带一半额定负载稳态运行在额定转速时，两个调节器的输入偏差电压分别为多少？输出各为多少？稳态时两个调节器的输出分别取决于哪些因素?答：转速调节器的输入（1分），转速调节器稳态输出（1分）,取决于负载大小(1分)电流调节器的输入（1分），稳态输出（1分）,取决于负载和转速给定.(2分)2．（5分）运动控制系统以各类电机为控制对象，用框图的形式描述运动控制系统基本组成部分如下图所示。请说明框图中(1)-(5)所代表的组成部分。（1）控制器（2）功率变换单元（3）电动机（4）传感器（5）信号处理成绩第2页(共5页)二．分析及问答（51%）1．（共11分）桥式可逆PWM变换器-电动机系统具有电流容易连续、谐波少等优点。（1）在如图坐标系中画出桥式可逆PWM变换器供电的开环直流调速系统工作在一般电动状态下的瞬时电压、平均电压、瞬态电流、反电动势波形，其中变换器采用双极式控制，占空比ρ=0.7；（6分）（2）导出电机电枢电压平均值Ud与Us之间的关系，如何实现电机的正反转？说明如何实现电机的正反转；（2分）（3）写出直流桥式可逆PWM变换器的近似传递函数，说明它与相控整流器数学模型的本质区别。（3分）2．（共15分）在V-M开环直流调速系统、转速单闭环有静差直流调速系统和转速单闭环无静差直流调速系统中，突减负载后又进入稳定运行时，三种系统的转速、电枢电流、整流装置输出的电压将如何变化，并简单说明原因。答：在V-M开环系统中，突减负载后又进入稳定运行时，电机转速上升，电枢电流降低，整流装置输出电压不变（3分）。因为是开环系统，整流装置输出电压受控制电压决定，控制电压不变，输出电压也不变，但减载后转速上升，电枢电流减小，以便与负载平衡。（2分）在转速单闭环有静差系统中，突减负载重新稳定运行时转速降低，电枢电流减小，电枢电压下降（3分）。减载后转速上升，转速反馈上升，偏差减小，控制电压减小，整流装置输出电压下降，电枢电流下降，使转速下降，因为是有静差系统，最后转速略有上升，电枢电流减小，以便与负载平衡。（2分）在转速单闭环无静差系统中，突减负载重新稳定后，转速不变，电枢电流减小，整流装置输出电压也下降（3）。无静差系统转速由给定决定，因而不变，减载后电枢电流减小，以便与负载平衡，整流装置输出电压会降低，以便电压平衡，产生更小的电枢电流。（2分）3.（共15分）PWM变换器供电的转速、电流双闭环直流调速系统拖动位能性负载稳定运行在给定转速，收到停车指令后进入制动状态，制动过程可分为四个阶段，按时间顺序，论述在不同的阶段内转速和电流的变化规律，分析不同阶段两个调节器的作用，并在下图中画出转速、电流的过渡过程曲线。答：起动过程可分四个阶段：1)正向电枢电流衰减，此阶段电流快速下降到0，转速几乎没有变化，转速调节器由不饱和到饱和,电流调节器一般不饱和。电流调节器起跟随作用，使电流快速下降。（3分）2)反向电枢电流建立：电流反向增加到-Idm，转速几乎没有变化，转速调节器维持饱和，电流调节器起跟随作用，使反向电流快速建立。（3分）3）恒流制动：电流维持最大值不变，转速按线形规律下降，一直到停止。转速调节器一直处于饱和状态。为了克服反电势的扰动，电流略小于最大值。电流调节器不饱和，起限制最大电流的作用。（3分）3)转速调整阶段：转速超调，转速调节器退饱和，电流由反向最大值下降到负载值。转速调节器为主调节器，电流调节器起跟随作用。（3分）电机电枢电压平均值Ud=（2ρ-1）US（1分）当ρ大于1/2时，Ud〉0，电机两端平均电压为正，电机正转，当ρ小于1/2时，Ud〈0，电机两端平均电压为负，电机反转。（1分）（2分），与相控整流器的本质区别是时间常数更小。（1分）第3页(共5页)（3分）4．（共10分）转速反馈采用增量式旋转编码器，已知其每转脉冲数Z＝1024，采样周期TC=0.005秒，计算机高频时钟脉冲频率f0=1[MHz]，转速单位采用[转/分]，如采用M/T法测速：1.请画出M/T法测速原理示意图(应包含编码器输出脉冲、时钟脉冲与采样脉冲波形关系)，并说明其测速原理。（6分）2.根据上述参数写出M/T法转速计算式，说明适用转速范围。（4分）答：（1）.M/T法测速既检测编码器输出脉冲个数，也检测高频时钟脉冲，两个计数器同时开启或关闭计数。（2分）原理示意图（4分）（2）.M/T法测速：（2分）适用于高低速段（2分）三．计算及设计(27%)1．（共12分）转速单闭环控制系统采用比例调节器作为转速调节器，系统已知数据如下：电动机：，，，，。PWM变换器内阻，PWM变换器的放大倍数。最大给定电压，当主电路电流达到最大值时，整定电流反馈电压。设计指标：要求系统满足调速范围，静差率。（1）试画出系统的原理图和静态结构图（5分）；（2）计算Ce，额定负载时，开环系统的稳态速降Δnop，满足静差率要求时，闭环系统的稳态速降Δncl及闭环系统的开环放大系数K（2分）；（3）转速反馈系数，调节器放大系数（2分）；（4）该系统启动和堵转时电机是否会过流，并分析原因。（3分）答：（1）系统的原理图如下图所示：（3分）第4页(共5页)系统的稳态结构框图（2分）（2）（1分）（1分）（1分）（1分）（3）（1分）（1分）∴调节器系统开环放大系数大于或等8.96（4）系统启动和堵转时电机会过流（1分）。因此时转速为0，转速偏差很大，比例调节器调节器输出控制电压很大，电源输出很大的电压加在系统回路电阻上，该电阻一般很小，从而导致启动和堵转时电机过流。（2）2．（共15分）有一PWM变换器供电的转速、电流双闭环调速系统,已知电动机参数为：PN=5.5kw，UN=220V，IN=28A，nN=1490r/min，电枢回路电阻R=0.6Ω,允许电流过载倍数λ=2，电磁时间常数Tl=0.01s，机电时间常数Tm=0.185s，变换器开关频率8KHz，的放大倍数Ks=67，整流电装置内阻Rres=0.1Ω，额定转速时的给定电压Un*为10V，ASR和ACR均采用PI调节器，饱和输出电压均为8V，电流反馈滤波时间常数Toi=0.0001s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.0015s。电流调节器已按典型I型系统设计好，其中KT=0.25。设计要求：静态指标：转速无静差动态指标：带额定负载起动到额定转速时的转速超调量低于3%。（1）计算电流反馈系数β，转速反馈系数α。（2）求电流环等效传递函数。（3）设计转速调节器（不校验近似条件）。（4）校核超调量。(计算时小数点后保留3位，若数值较小时，应保留3位有效位)典型Ⅱ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系34567891072.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85转速、电流双环系统动态结构图：第5页(共5页)答(1)最大允许电流为Idm=2*28=56A，电流反馈系数β=Uim/Idm=8/56=0.143转速反馈系数α=Un*/nN=10/1490=0.00671,(2分)（2）=Toi+Ts=0.0001+0.000125=0.000225电流环等效传递函数：（3分）根据静态指标要求转速调节器采用PI调节器（8分）（2分）按照跟随和抗扰性能较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为：其中反电动势系数（4）校核超调量带额定负载启动时z=1，由附1查得，得转速退饱和超调量超调量满足设计要求。（2分）