《运动控制系统》复习及试题

一（20分）问答题1）请说明调速系统和随动系统的区别。你了解运动控制系统的应用吗？请简略说明。2）现假设某公司请你设计一关节式机器人的关节驱动系统，要求能够驱动一定的负载、且精确定位、运行平稳，请你给出该伺服系统的设计过程。3）简述位置随动系统的基本组成，并说明每个基本组成的作用。4）简述数字式――相位控制位置随动系统、数字式――脉冲控制位置随动系统、数字式――编码控制位置随动系统的工作原理，并比较三者之间的异同。二（10分）在转速单闭环调速系统中，若已知电动机参数为：，，，，整流装置内阻，晶闸管触发整流装置的放大倍数，当时电动机工作在额定状态。现要求调速范围，静差率，试计算闭环系统允许的稳态速降和系统的开环放大倍数，并画出系统静态结构图。三(12分)已知某调速系统原理图如图1所示:(1)当移相控制电压为正时，在原理图上标注信号的极性和的极性。(2)系统起动主要分几个阶段？简要说明每个阶段电流和转速反馈信号各有什么特点。(3)某原因引起交流电网电压降低，简述系统的调节过程，并回答系统稳定后，各有什么变化？四(12分)在图2中画出了双极式可逆PWM变换器的主回路。设电动机的负载较重，回答以下问题：1)画出（电枢两端电压）及波形；2)计算平均电压及占空比；3)如何控制电动机的转速和转向？4)如何防止上下两晶体管直通？五（10分）为什么现代交流调速系统的主流是变频调速？在变频调速系统中，为什么要进行电压频率协调控制？通常选用哪两种压频控制方式？当频率变化时，对机械特性有什么影响（用图表示）？它们各适用于什么类型负载？kw5.2nomPV220nomUA6.15nomI5.1min,/r1500anomRn1recR40SKV15*nU30D%10sctUiinnUUUU,,*,*tggdUU,dInUctiUUn,,*ABbbbUUUU,,,432didU七(10分)自整角机位置随动系统静态结构图如下所示，其中：Kbs=1.15，Kph·Ks=185，ed=0.45度，i=50，电枢回路总电阻R=4.5Ω，实际负载转矩为20N·m；电机型号参数：115V，3.1A，300W，Ra=3.1Ω，2100r/min试求：①输入轴转速为120度/秒时的稳态误差；②输入轴位置为60度时的稳态误差；③输入轴加速度为10度/秒2时的稳态误差。八(16分)已知位置随动系统的结构图如图4所示，其中：固有传递函数Wobj(s)为，且Kobj=500,Tph=0.003s,Ts=0.004s,Tm=0.7s,Tl=0.002s,要求设计一个PID调节器，使系统满足下述性能指标：（1）加速度品质因数Ka≥250,（2）阶跃响应指标：σ%≤30%,ts≤0.25s。并画出调节器原理线路图，计算其电阻、电容值。一、（20分，每小题5分）1〕被控量主要性能指标输入信号性质反馈元件应用领域调速系统速度稳态抗扰一般为已知速度反馈速度控制随动系统位置动态跟随一般未知位置反馈位置控制当今运动控制的应用已经相当普及，不论民用、军用，到处可见以电动机为动力的各种生产机械或家用电器，例如：轧钢厂的轧钢机，加工车间的切削机床，化工厂的搅拌机等。运动控制系统的发展方向：（1）高频化：在功率驱动装置中，大功率晶体管的出现将提高系统性能，改善电网的功率因数。（2）交流化：由于交流电机自身的优势，交流逐渐取代直流已是不可逆转的趋势。（3）网络化：单机的控制由多机协同工作的高度自动化的复杂系统取代。另外，借助数字和网络技术，智能、控制深入到运动控制的各方面。2〕根据机器人工作环境、运行要求、节能要求、空间大小等，决定驱动方案（交流、直流or步进等？）根据负载情况选择一定功率的电动机，并进行过载校核、过热校核；选择相应的电机驱动器（或自行设计）；根据电机转速和负载转速要求，计算减速比，选择减速器；2(1)(1)(1)objphsmlmKsTsTsTTsTs2s根据稳态精度要求选择位置检测元件（自整角机、旋变or光电码盘、光栅？）构成闭环控制系统（计算机控制系统），接口设计、计算机软硬件设计、软件编程等。3〕位置检测：检测负载运行位置，以便于给定比较，进行的处理。信号处理：处理比较后信号，摸拟系统用相敏整流数字系统用微机。驱动部分：对控制输出进行放大，驱动后面机构进行，一般为可逆功放。执行机构：驱动负载，即电机。减速器：由于电机速度一般较快，减速以适应负载要求，同时增强电机带负载的能力。4〕数字式—相位控制位置随动系统原理：由数字给定器将数字指令转化为脉冲个数，通过D/A使输出方波的相位以一定速度移动，位置检测将负载的机械位移转换成相位，鉴相器将与比较，得出，并转换成模拟电压输出，再通过控制器去控制负载的位移，使输出连续跟踪输入位置；数字式—脉冲控制位置随动系统原理：给定指令脉冲数，位置检测反馈实际位移的脉冲数，两者送入可逆计数器比较得出位置差，再通过控制器去控制负载的位移，使输出跟踪输入位置。数字式—编码控制位置随动系统原理：给定位置的二进制编码，位置反馈也是实际位置的编码，二者送入计算机通过一定算法得出控制量，再经D/A转换送入速度控制器，使输出跟踪输入位置。相同点：三者都属于数字式位置随动系统，结构基本相同，但由于输入的信号有所差别（相位，脉冲，编码），位置检测元件不同，位置反馈信号的形式不同（相位控制用感应同步器、脉冲控制用光电码盘、编码控制旋变或自整角机＋轴角编码器）。二、（10分）（4）又又若要实现转速无静差，转速调节器应采用PI控制律为好，因为作为控制器，比例积分调节器兼顾了快速响应和消除静差两方面的要求，作为校正装置，它又能提高系统的稳定性。三、（12分）(1)极性标注如图：，，，，，**min/56.59.0*301.0*1500)1(rSDSnnnomnom)1()1(*KCRIKCUKKnednomensPnommin/56.150556.51500)1(*rnnKCUKKnomnomensP22015.6*1.5196.6/15000.131min/1500nomnomaenomUIRCVrn54.52156.5*131.05.2*6.151)1(nomenomnomenomnCRIKnKCRI60.17)1(*56.1505*nsePUKKCK*nUnU*iUiUgdUtgU(2)系统起动时主要分三个阶段：第I阶段：电流上升阶段，ASR很快饱和，电流接近当后，，但由于电机惯性，上升不快。第II阶段：恒流升速ASR饱和，转速环开环，恒定，转速恒加速上升。第III阶段：转速调节阶段开始已达给定值，转速退饱和超调，，当时，达到最大值，随后回落，进入转速调整阶段。(3)当电网电压下降时，电流内环起及时的抗扰作用：转速环也有一定的抗扰作用，达到新的稳态时，不变，不变，变大。八、（16分）dmIdldIInndIdmIn*ndIdldIInnndliIU*ctU∴符合要求。