运动控制系统(18)

电力系统及其自动化（080802）Power System and its Automation学科门类：工学（08）一级学科：电气工程（0808）电力系统及其自动化学科属电气工程一级学科，主要研究电能的产生、变换、输送、分配的理论，电力系统的规划、运行规律，以及相应的测量、保护和控制技术。

我校电力系统及其自动化学科成立于1987年，经过多年的发展，已在电力系统运行分析与控制、地区电力系统自动化、电力系统故障诊断、电力电子与电力传动、电工理论与新技术等方面取得显著成果。

近年来，本学科正在主持国家杰出青年基金，已完成国家自然科学基金等国家级项目多项，发表高水平学术论文300余篇，出版专著10多部，获国家、省部级科技进步奖多项。

本学科科研条件良好，建有“电力系统动态模拟”和“电力系统健康诊断”两个实验室，拥有“电力系统自动化”和“电力电子与电气新技术”两个研究所。

一、培养要求本学科培养适应我国国民经济发展和社会主义建设需要的，德、智、体全面发展的电力系统及其自动化学科高级专门人才。

学位获得者应坚持四项基本原则，热爱祖国，品行端正；具有电力系统及其自动化方面坚实宽广的理论基础和系统深入的专门知识；具有独立从事本学科的科学研究或解决工程重大技术课题的能力，并在科学或专门技术上做出创造性的成果；能熟练掌握和运用计算机及先进的研究手段；至少掌握一门外国语，能熟练地阅读本专业的外文资料，具有一定的写作能力和进行国际学术交流的能力；毕业后可在高等学校、研究院（所）、企业或政府部门从事教学、科研或技术创新和管理工作。

二、主要研究方向1、电力系统运行与控制（Power System Operation and Control）2、地区电力系统自动化（Automation of Distribution Power Systems）3、电气设备故障诊断与信息处理（Fault Diagnosis and Information Processing for Electrical Equipments ）4、新型交直流电气传动系统（Novel AC/DC Electrical Drive System）5、可再生能源发电系统（Renewable Energy Conversion System）三、学分要求博士生课程总学分为18个学分，其中学位课程为12个学分，非学位课程为6学分。

一、运动控制系统实验项目一览表实验室名称：电机拖动实验室课程名称：运动控制系统适用专业：电气工程及自动化、自动化实验总学时：16设课方式：课程实验（“课程实验”或“独立设课”二选一）是否为网络实验：否（“是”或“否”二选一）实验一晶闸管直流调速系统主要单元调试一．实验目的1．熟悉直流调速系统主要单元部件的工作原理及调速系统对其提出的要求。

2．掌握直流调速系统主要单元部件的调试步骤和方法。

二．实验内容2．电平检测器的调试3．反号器的调试4．逻辑控制器的调试三．实验设备及仪器1．教学实验台主控制屏。

2．NMCL—31A组件3．NMCL—18组件4．双踪示波器5．万用表四．实验方法1．速度调节器（ASR）的调试按图1-5接线，DZS(零速封锁器)的扭子开关扳向“解除”。

注意：正常使用时应“封锁”，以防停机时突然启动。

（1）调整输出正、负限幅值“5”、“6”端接可调电容，使ASR调节器为PI调节器，加入一定的输入电压（由NMCL—31的给定提供，以下同），调整正、负限幅电位器RP1、RP2，使输出正负值等于 5V。

（2）测定输入输出特性将反馈网络中的电容短接（“5”、“6”端短接），使ASR调节器为P调节器，向调节器输入端逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压，直至输出限幅值，并画出曲线。

（3）观察PI特性拆除“5”、“6”端短接线接入5~7uf电容，（必须按下选择开关，绝不能开路），突加给定电压，用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律，改变调节器的放大倍数及反馈电容，观察输出电压的变化。

反馈电容由外接电容箱改变数值。

2．电流调节器（ACR）的调试按图1-5接线。

（1）调整输出正,负限幅值“9”、“10”端接可调电容，使调节器为PI调节器，加入一定的输入电压，调整正，负限幅电位器，使输出正负最大值大于 6V。

（2）测定输入输出特性将反馈网络中的电容短接（“9”、“10”端短接），使调节器为P调节器，向调节器输入端逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压，直至输出限幅值，并画出曲线。

绪论1、运动控制系统：以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。

工作原理：通过控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。

2、分类（1）按被控量分：以转速为被控量的系统——调速系统以角位移或直线位移为被控量的系统——位置随动(伺服)系统。

（2）按驱动电机的类型分：直流电机带动生产机械——直流传动系统交流电机带动生产机械——交流传动系统（3）按控制器类型分：以模拟电路构成的控制器——模拟控制系统以数字电路构成的控制器——数字控制系统（4）按控制系统中闭环的多少分：单环、双环、多环控制系统3、运动控制系统的功率放大与变换装置：一方面按控制量的大小将电网中的电能作用于电动机上，调节电动机的转矩大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机所需的交流电或直流电；4、反抗性恒转矩负载不是转矩作用方向和运动方向相反吗？那为什么n>0时T>0,n<0时T<0?答：n>0,T>0 和n<0,T<0意味着电机目前处于正转电动和反转电动状态，这个和负载转矩没有关系。

第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速调节转速方法Φ-=eKIRUn2、直流电动机点数两端的平均电压 三种改变输出平均电压的调制方法：（1）T 不变，变 ton —脉冲宽度调制(PWM)（2）ton 不变，变 T —脉冲频率调制(PFM)（3）ton 和 T 都可调，改变占空比—混合调制(两点式控制)。

当负载电流或电压低于某一最小值，开关器件导通，当高于某一最大值时，使开关器件关断。

3、UPE 是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组(或单相)交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。

UPE 变换器的器件选择：中、小容量系统,多采用IGBT 或P-MOSFET 构成较大容量系统,采用GTO 、IGCT 电力电子开关器件特大容量系统,则常用晶闸管触发与整流装置4、 系统稳态参数计算例： 用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如图1-28所示，s s ond ρU U T t U ==5、PID调节器的类型和功能比例微分(PD)：由PD调节器构成的超前校正,可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性, 但稳态精度可能受到影响；比例积分(PI)：由PI调节器构成的滞后校正,可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；比例积分微分(PID)：PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点,可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。

一、单项选择题1.只能实现有级调速调速方式为（ C ）2.调速系统的静差率指标，应以（ D ）3.某直流调速系统电动机额定转速nN=1430r/min，额定速降ΔnN=115r/min，当要求静差率s≤30%时，允许的调速范围是（ C ）4.对自动调速系统来说，主要的扰动量是（B）5.如果要改变双闭环无静差V-M系统的转速，可调节（ C ）6.转速电流双闭环调速系统在稳态工作点上时，控制电压不取决于（D）7.不是跟随性能指标是（D ）8.在转速电流双闭环调速系统中，选用了典型I型系统，是因为电流环（ A ）9.两组晶闸管装置反并联的可逆V-M系统在一定控制角下稳定工作时出现的环流叫做（A ）10.在配合无环流可逆系统中，可采用配合控制的触发移相方法对其进行控制，但需将两组晶闸管装置的触发脉冲的初始相位都整定在（C ）11.在两组晶闸管反并联的可逆V-M系统中，当正组的控制角小于反组的逆变角时，将会产生（B ）12.交-直-交PWM变压变频器中，逆变器起作用是（A ）13.当交流电动机由常规的六拍阶梯波逆变器供电时，磁链轨迹是一个（A ）14.不是异步电动机动态数学模型的特点为（B ）15.不是直接转矩控制的特点为（A ）16.采用旋转编码器的数字测速方法不包括（D ）17.交流电动机带恒转矩负载作调压调速时，其转差功率与转差率（ A ）18.在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式为（ D ）19.不是异步电动机动态数学模型的特点。

（D ）20.电流跟踪PWM控制时，当环宽选得较大时（ A ）21.只能实现有级调速调速方式为（ C ）22.调速系统的静差率指标，应以（ D ）23.某直流调速系统电动机额定转速n N=1430r/min，额定速降Δn N=115r/min，当要求静差率s≤30%时，允许的调速范围是（ C ）24.对自动调速系统来说，主要的扰动量是（B）25.如果要改变双闭环无静差V-M系统的转速，可调节（ C ）26.转速电流双闭环调速系统在稳态工作点上时，控制电压不取决于（B ）27.不是跟随性能指标是（ D ）28.在转速电流双闭环调速系统中，选用了典型I型系统，是因为电流环（ A ）29.两组晶闸管装置反并联的可逆V-M系统在一定控制角下稳定工作时出现的环流叫做（A ）30.在配合无环流可逆系统中，可采用配合控制的触发移相方法对其进行控制，但需将两组晶闸管装置的触发脉冲的初始相位都整定在（ C ）31.不适合使用矢量控制方式是（ B ）32.PMW变压变频器，通过它可同时调节电压和频率，其可控的是（B ）。

第1章 绪论1. 什么是运动控制? 电力传动又称电力拖动，是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。

运动控制系统是将电能转变为机械能的装置，用以实现生产机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其它应用的要求。

2. 运动控制系统的组成：现代运动控制技术是以电动机为控制对象，以计算机和其它电子装置为控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制理论和信息处理理论为理论基础，以计算机数字仿真或计算机辅助设计为研究和开发的工具。

3. 运动控制系统的基本运动方程式：第2章 转速反馈控制的直流调速系统1. 晶闸管-电动机（ V-M ）系统的组成：纯滞后环节，一阶惯性环节。

2. V-M 系统的主要问题：由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。

3. 稳态性能指标：调速范围D 和静差率s 。

D =n N s∆n N (1−s) ，额定速降 ∆n N ，D =n maxn min ，s =∆n N n 04. 闭环控制系统的动态特性；静态特性、结构图？5. 反馈控制规律和闭环调速系统的几个实际问题，积分控制规律和比例积分控制规律。

积分控制规律：⎰∆=t0n c d 1t U U τ 比例积分控制规律：稳态精度高，动态响应快6. 有静差、无静差的主要区别：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。

比例积分放大器的结构：PI 调节器7. 数字测速方法：M 法测速、T 法测速、M/T 法测速。

8. 电流截止负反馈的原理：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。

电流截止负反馈的实现方法：引入比较电压，构成电流截止负反馈环节9. 脉宽调制：利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的。

10. 直流蓄电池供电的电流可反向的两象限直流斩波调速系统,已知:电源电压Us=300V,斩波器占空比为30%,电动机反电动势E=100V,在电机侧看,回路的总电阻R=1Ω。

绪论1.什么是运动控制系统？（名词解释）答: 以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。

2.运动控制系统的分类（填空）答：(1)按被控物理量分：以转速为被控量的系统叫调速系统；以角位移或直线位移为被控量的系统叫位置随动系统，也叫伺服系统。

(2)按驱动电机的类型分：用直流电机带动生产机械的为直流传动系统；用交流电机带动生产机械的为交流传动系统。

(3)按控制器的类型分：以模拟电路构成的控制器叫模拟控制系统；以数字电路构成的控制器叫数字控制系统。

3.运动控制系统的基本结构,方框图及图中主要部分功能解释（简答）运动控制系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置和电动机。

大多数运动控制系统都是闭环控制；只有少数简单对控制要求不高的场合采用开环控制。

控制器：按照给定值和实际运行的反馈值之差，调节控制量；功率驱动装置：一方面按控制量的大小将电网中的电能作用于电动机上，调节电动机的转矩大小；另一方面技电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机所需的交流电或直流电；电动机：按供电大小拖动生产机械运转。

4.运动控制系统的发展趋势（填空）高频化，交流化，网络化第一章1.什么是G-M系统？（名解）由旋转变流机组供电的直流调速系统，简称G-M系统。

2.G-M系统的机械特性不可逆。

3.什么是V-M系统？由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管－电动机调速系统，简称V-M系统。

4.V —M 系统的机械特性——电流连续时的调速范围、静差率、转速（计算）D=nN*s/(1-s)ΔnN5. 比较开环机械特性与闭环静特性的关系 若断开反馈回路，则系统的开环机械特性为(1-5) 式中ok n 和错误！未找到引用源。

分别表示开环系统的理想空载转速和静态速降，上述自动调节作用表明，增加或减小负载，就相应地提高或降低整流电压，因而得到一条新的开环机械特性。

判断题1弱磁控制时电动机的电磁转矩属于恒功率性质只能拖动恒功率负载而不能拖动恒转矩负载。

(Ⅹ）2采用光电式旋转编码器的数字测速方法中，M法适用于测高速，T法适用于测低速。

(√）3只有一组桥式晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统在位能式负载下能实现制动。

（√）4直流电动机变压调速和降磁调速都可做到无级调速。

（√）5静差率和机械特性硬度是一回事。

( Ⅹ）6带电流截止负反馈的转速闭环系统不是单闭环系统。

( Ⅹ）7电流—转速双闭环无静差可逆调速系统稳态时控制电压U k的大小并非仅取决于速度定 U g*的大小。

（√）8双闭环调速系统在起动过程中，速度调节器总是处于饱和状态。

（Ⅹ）9逻辑无环流可逆调速系统任何时候都不会出现两组晶闸管同时封锁的情况.（Ⅹ）10可逆脉宽调速系统中电动机的转动方向（正或反）由驱动脉冲的宽窄决定。

（√）11双闭环可逆系统中，电流调节器的作用之一是对负载扰动起抗扰作用。

（Ⅹ）与开环系统相比,单闭环调速系统的稳态速降减小了。

（Ⅹ）12α=β配合工作制的可逆调速系统的制动过程分为本组逆变和它组制动两阶段（√)13转速电流双闭环速度控制系统中转速调节为PID调节器时转速总有超调。

（Ⅹ）14 电压闭环相当于电流变化率闭环。

（√）15 闭环系统可以改造控制对象.（√）16闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系,即静特性，它在形式上与开环机械特性相似,但本质上却有很大的不同。

17直流电动机弱磁升速的前提条件是恒定电动势反电势不变。

（√）18 直流电动机弱磁升速的前提条件是恒定电枢电压不变。

（Ⅹ）19电压闭环会给闭环系统带来谐波干扰，严重时会造成系统振荡。

(√）20对电网电压波动来说，电压环比电流环更快.（√）选择题1．转速电流双闭环调速系统中的两个调速器通常采用的控制方式是B A．PID B．PI C．P D．PD 2．静差率和机械特性的硬度有关，当理想空载转速一定时,特性越硬,静差率A A．越小B．越大C．不变D．不确定3．下列异步电动机调速方法属于转差功率不变型的调速系统是DA．降电压调速B．串级调速C．变极调速D．变压变频调速4．可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速的是BA．比例控制B．积分控制C．微分控制D．比例微分控制5．控制系统能够正常运行的首要条件是BA．抗扰性B．稳定性C．快速性D．准确性6．在定性的分析闭环系统性能时，截止频率ωc越低，则系统的稳定精度A．越高B．越低C．不变D．不确定8．转速电流双闭环调速系统中电流调节器的英文缩写是AA．ACR B．AVR C．ASR D．ATR 9．双闭环直流调速系统的起动过程中不包括DA.转速调节阶段B.电流上升阶段C。

1.运动控制系统是以电动机及其拖动的机械设备为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。

2.运动控制不同的分类方法：（1）被控物理量：转速被控的系统叫调速系统，以角位移或直线位移叫伺服系统（位置随动系统）；（2）驱动电机类型：直流电动机叫直流传动系统，交流电机叫交流传动系统；（3）控制器：模拟电路叫模拟控制系统，数字电路叫数字控制系统。

3.运动控制三要素：控制器、功率驱动装置、电动机。

4.运动控制发展趋势：（1）运动控制的交流化（2）功率变换装置高频化（3）功率系统的高速、超小和超大化（4）系统实现的集成化（5）控制的数字化、智能化和网络化5.直流电机的种类：他励，幷励，串励，复励，永磁。

6.直流电机启动方法：直接启动、电枢回路串电阻启动、降压启动7.他励直流电机的调速方法：（1）改变电枢电阻，即串电阻调速（2）改变电枢电压U （3）减弱电机励磁磁通φ8.调速系统的静态及动态指标：（1）静态指标:1.调速范围D（可调速度的范围，即D=；2.静差率S指负载变化时转速的稳定程度，即s==X100%。

（2）动态指标：1.跟随性指标。

1）上升时间2）超调量3）调节时间；2.抗扰性指标。

9.直流电机调压调速：旋转变流机组；晶闸管相控静止整流；直流脉宽调制。

10.晶闸管相控静止整流的缺点：功率因数低，谐波大，是造成电力公害的主要原因之一11.（1）在相同负载下，闭环系统的转降速只是开环系统的1/（1+K）；（2）在相同负载下，闭环系统的静差率只是开环系统的1/（1+K）；（3）静差率相同时，闭环系统的调速范围是开环系统的（1+K）倍。

(4) 当给定电压相同时，闭环系统的空载转速是开环系统的1/(1+K),也就是说闭环系统的理想空载转速大大降低，如果希望闭环系统和开环系统的理想空载转速相同，则闭环系统的给定电压必须是开环系统的(1+K)倍，如果希望两者给定电压相同、理想空载转的理想空载转速相同，则闭环系统必须设置放大器。