运动控制系统复习(直流部分)

目录

• 重点总结
  • 1、自动控制系统由哪些环节组成？
  • 2、自动控制系统例子分析说明5个
    • 2.1 速度给定控制系统 P6
    • 2.2 导弹发射架方位随动控制系统 P7
    • 2.3 玻璃窑炉的温度控制系统 P9
    • 2.4 自整角机位置随动PWM控制系统 P171
    • 2.5 采用粗精测自整角机的位置随动控制系统 P173
  • 3、检测电流的方法有哪些？应用的元件是什么？
  • 4、测速元件有哪些？
  • 5、温度检测元件有哪些？
  • 6、检测气体中含氧量的元件？工作原理？
  • 7、可逆PWM变换器有几种，工作原理？
    • ①双极式可逆 PWM 变换器
    • ②单极式可逆 PWM 变换器
    • ③受限单极式可逆 PWM 变换器
  • 8、试述比例、积分、微分控制对系统性能的影响？
  • 9、单闭环直流调速系统稳态参数设计
  • 10、电机运行时的电压、电流、功率能否超过额定值？电动机的温升与哪些因素有关？电机需要降温时可以采取什么措施？
  • 11、三相全控桥式整流电路需要几个触发器？各触发器的同期电压如何提取？它们由同一电压信号控制时的工作顺序如何？
  • 12、整流装置交流侧电流的有效值I2于直流侧电枢电流Id的关系
  • 13、在双闭环调速系统中，转速调节器（ASR）的作用是什么？其限幅值按什么要求设计？电流调节器（ACR）的作用是什么？其限幅值按什么要求设计？
  • 14、正常工作时，欲改变双闭环调速系统的转速，调节哪一个元件的参数可以实现？能否靠调节速度反馈系数α来完成？

重点总结

1、自动控制系统由哪些环节组成？

给定环节、比较环节、放大环节、控制环节、执行环节、被控对象、反馈环节

图片如下：

2、自动控制系统例子分析说明5个

2.1 速度给定控制系统 P6

分析说明：

稳定运行时

此时由于稳定时运算放大器反馈支路的电容C已经充好电，它建立了两个条件：

• 电流的隔离作用使 $ I_2 = I_1 $ ,即 $ U_n=-{U_n}^* $ , $ I_3 = 0 $ ；
• 建立了正值电压 $ U_{ct} $

负载增大时

\[负载转矩↑ \Longrightarrow 转速n↓ \Longrightarrow U_n ↓ \Longrightarrow I_2 = \frac{U_n}{R} ↓ \Longrightarrow I_2 < I_1,I_3 ≠ 0 ,C充电使U_{ct}↑ \Longrightarrow 输出转矩↑ \Longrightarrow 达到新的平衡 \]

Tips：由于电容C经历了再充电的过程，$ U_{ct} $ 的值比原来的数值更大了。

负载减小时

\[负载转矩↓ \Longrightarrow 转速n↑ \Longrightarrow U_n ↑ \Longrightarrow I_2 = \frac{U_n}{R} ↑ \Longrightarrow I_2 > I_1,I_3 ≠ 0 ,C放电使U_{ct}和U_d ↓ \Longrightarrow 输出转矩↓ \Longrightarrow 达到新的平衡 \]

Tips：由于电容C经历了放电的过程，$ U_{ct} $ 的值比原来的数值更小了。

2.2 导弹发射架方位随动控制系统 P7

分析说明：

• 输入信号 $ U_{t} $ 经模/数转换器转换成数字量输入到单片机；
• 光电编码盘将导弹发射架的旋转角度编成数码作为反馈量输入给单片机。单片机经控制程序计算或查表后输出一个数字量
• 该数字量经数/模转换器转换成离散的模拟量，再由保持器将离散信号连续化后作用于放大器，控制电动机端电压 $ u_{d} $ 拖动发射架沿水平面转动。

2.3 玻璃窑炉的温度控制系统 P9

分析说明：

• 该系统是一个串级控制（多闭环控制）方案，主回路由控制器TC1、检测池底温度的温度变送器TT1、位于内环的副控制回路组成。副控制回路由控制器TC2、熔炉的碹顶温度检测变送器TT2、燃料油流量调节阀及被控对象组成。
• 池底温度表征玻璃液温度。碹顶温度变化会造成玻璃液温度波动。当扰动使碹顶温度变化但玻璃液温度未变时，副回路中的控制器及时动作，调节调节阀开度，改变燃料油流量，克服扰动量影响。主回路检测的是碹底温度，当影响到碹底温度时，由TT1检测出来，并由主回路控制器TC1动作，及时修正碹顶温度设定值，加强对扰动量的抑制控制，使玻璃液温度稳定。

2.4 自整角机位置随动PWM控制系统 P171

• 如图为自整角机控制的，由PWM可逆功放提供可控电压的位置随动控制系统
• 自整角机BS的发射机BST转子接正弦交流励磁电压 $ u_f $ ,当转子按给定角位移 $ {θ_m}^* $ 变化时，在接收机BSR的转子输出端产生与 $ u_f $ 同频率的交变电压 $ u_{bs} $ 。
• 由于 $ u_{bs} $ 是时间的交变量，幅值又是失调角的正弦函数，用于位置随动控制系统的控制时需要进行相敏整流，使整流后的信号具有直流电的特性，并且能够鉴别极性，以满足正反转控制的要求。

2.5 采用粗精测自整角机的位置随动控制系统 P173

• 如图所示，高精度的位置随动控制系统有时采用双通道位置检测装置来提高控制精度。一个通道为粗测装置，另一个为精测装置，二者由变比为i(i>1)的变速器连接。
• 粗测自整角机转子旋转 $ θ_m $ 弧度角时，精测自整角机转子旋转 $ iθ_m $ 弧度角
• 两路电压由信号选择电路切换，当失调角很小、处于粗测自整角机固有误差范围内时， $ u_{bs1} = 0 $ ；但精测自整角机的失调角 $ iδ $ 在误差范围之外，切换至精测自整角机会使系统的输出向进一步减小失调角的方向运动。

3、检测电流的方法有哪些？应用的元件是什么？

• 方法：交流电流检测法、直流电流检测法
• 元件：交流电流互感器、直流电流互感器、霍尔电流传感器

4、测速元件有哪些？

直流测速发电机、光电编码器

5、温度检测元件有哪些？

热电偶、热电阻、温度计

6、检测气体中含氧量的元件？工作原理？

• 元件：氧量计
• 原理：氧浓度差电池
• 意义：检测锅炉中烟气的含氧量，可以控制风量达到最佳燃烧状态。

7、可逆PWM变换器有几种，工作原理？

①双极式可逆 PWM 变换器

原理：变换器的同一组中的两个电力晶体管的基极驱动电压波形相同，两组控制信号之间电压波形相反。电枢电压在正负电源电压两个极性之间交替变化，通过调节占空比可以调节电动机的转速以及控制电动机正反转。

②单极式可逆 PWM 变换器

原理：单极式可逆 PWM 变换器让每一组的一个电力电子器件的基极接收脉冲信号，工作在开关状态；另一个接受常值信号工作在饱和导通和可靠截止状态。

③受限单极式可逆 PWM 变换器

原理：受限单极式可逆 PWM 变换器在电机正转时只让 V1 工作在 PWM 状态，让反组的 V2 一直接受负极性的基极驱动而工作于可靠截止状态；反转时反之。

8、试述比例、积分、微分控制对系统性能的影响？

• 比例环节：随着控制器放大系数的增大，系统的稳定性降低。随着控制器放大系数的增大，余差将减小，但不能完全消除，因此，比例控制为有差控制。
• 积分环节：积分控制作用可以消除系统余差，但降低了系统稳定性。特别是积分时间常数较小的时候，稳定性下降较为严重。
• 微分环节：微分作用不可消除余差，但可以提高控制品质。在纯比例作用的基础上增加微分作用提高了系统的稳定性，减小了最大偏差。微分作用对于克服对象容量滞后的影响有明显作用，但对纯滞后环节的影响无能为力。

9、单闭环直流调速系统稳态参数设计

如图所示控制系统要求调速范围D=10,静差率s≤5%。电动机的额定数据为10kW，220V，55A，1000r/min；电枢电阻Rs=0.5Ω，电枢电感La=5.2mH。晶闸管整流装置采用三相桥式全控整流，整流变压器按角-星连接，触发整流放大系数Ks=50，整流回路总电阻R=1Ω（包括电枢电阻）。测速发电机采用永磁式，额定数据为23.1w,110V,0.21A,1900r/min。试计算：

（1） 变压器二次绕组相电压有效值
（2）运算放大器的放大倍数Kp
（3）平波电抗器电感Lf

TIPS：
开环系统的静特性

\[n=\frac{K_pK_sU_g}{C_e}- \frac{I_dR}{C_e} \]

单闭环控制系统的静特性

\[n=\frac{K_pK_sU_g}{C_e(1+K)}- \frac{I_dR}{C_e(1+K)} = n_0 - Δn \\ 其中 K=\frac{K_PK_sα}{C_e} \]

解：（1）计算变压器二次绕组相电压有效值

\[U_d=2.34*U_2*cosα (自然换相点设计，α=0）\\ 可得 U_2=\frac{U_{de}}{2.34}=220/2.34=94V \]

(2)计算电动势转速比

\[C_e = \frac{U_{de}-I_{ae}R_a}{n_e}=\frac{220-55*0.5}{1000}=0.1925V·min/r \]

(3)计算反馈系数

\[α=\frac{U_g}{n_e} = \frac{12}{1000} = 0.012 \]

(4)计算开环放大倍数

\[由于Δn= \frac{I_dR}{C_e(1+K)} ,可得 K = \frac{I_dR}{C_eΔn_e},有未知量Δn_e \\ 由D=\frac{sn_e}{(1-s)Δn_e} ,可得Δn_e=\frac{sn_e}{(1-s)D} = \frac{0.05*1000}{(1-0.05)*10} = 5.26r/min \\ 故 K = \frac{55*1}{0.1925*5.26}-1=53.3 \]

(5)计算运算放大器的放大倍数

\[K_p=\frac{KC_e}{K_sα} = \frac{53.3*0.1925}{50*0.012} = 17.1 \]

(6)计算平波电抗器电感

\[L_f = 0.693 \frac{U_2}{I_{d min}} = 0.693* \frac{94}{0.1*55} = 11.8mH \]

10、电机运行时的电压、电流、功率能否超过额定值？电动机的温升与哪些因素有关？电机需要降温时可以采取什么措施？

• 不能超过额定值。
• 外界环境和电流强度。
• 电风扇吹。

11、三相全控桥式整流电路需要几个触发器？各触发器的同期电压如何提取？它们由同一电压信号控制时的工作顺序如何？

• 6 个。
• 在三相整流变压器的三相铁心上，每相缠绕与原边绕组同相和反相的相同匝数的同期绕组各一个，可得到六相同期绕组，将其按导电顺序接到 6 个晶闸管的触发电路作为同期电压信号。
• 工作顺序为 VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。

12、整流装置交流侧电流的有效值I2于直流侧电枢电流Id的关系

• 对于单相桥式全控整流电路：$ I_2=I_d $
• 对于三相半波可控整流电路：$ I_2= \frac{1}{\sqrt{3}}= 0.577I_d $
• 对于三相全控桥式整流电路：$ I_2= \sqrt{ \frac{2}{3} }= 0.816I_d $

13、在双闭环调速系统中，转速调节器（ASR）的作用是什么？其限幅值按什么要求设计？电流调节器（ACR）的作用是什么？其限幅值按什么要求设计？

• 转速调节器使转速跟随给定电压变化，稳态无误差；对负载变化其抗扰作用；起限幅作用，用于限制最大电流；
• 输出幅值根据电动机的过载能力和系统允许最大加速度整定（限幅值按电动机的最大电枢电流设计）。
• 电流调节器的作用有抗内环扰动；保证电动机获得允许最大电流；在转速调节过程中使电流跟随给定电压变化；过载或堵转时限制电枢电流的最大值，起到快速、安全、保护作用；改造被控对象，加快电流跟随；
• 幅值根据可控电源最大输出值整定。

14、正常工作时，欲改变双闭环调速系统的转速，调节哪一个元件的参数可以实现？能否靠调节速度反馈系数α来完成？

调节给定环节的给定电压。不可以调节α。