直流调速系统复习题库

一、填空题

1．双闭环的调速系统的特点是：利用（ASR的饱和非线性）实现了（“准时间最优”）控制，同时带来了（转速超调）。

2．在设计双闭环系统的调节器时，先设计（内环的ACR），然后设计（外环的ASR）。

3．在双闭环调速系统中，电流调节器主要是对（电网电压波动）起调解作用；而转速调节器主要是对（负载扰动）起抗扰调节作用。

4．变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢电压常用的三种可控制电源分别为（旋转变流机组）、（静止可控整流器）及（脉宽调制器和直流斩波变换器）。

5．直流电动机的调速方法有三种，即为（改变电枢电压调速）、（弱磁调速）和（电枢回路串电阻）调速。

6．直流调速系统的静态技术指标有（调速范围D）和（静差率S），它们的表达式分别为（D n n max）和（s n ncl），它们之间的关系式为（ D （1n s n）oms n）。

n min n omin （1 s） n nom 7．脉中宽度调制简称（PWM，）它是通过功率管开关作用，将（恒定直流电压）转换成频率一定，宽度可调的（方波脉冲电压），通过调节（脉冲电压的宽度），改变输出电压的平均值的一种变换技术。

8．调速控制系统是通过对（电动机）的控制，将（电能）转换成（机械能），并且控制工作机械按（给定）的运动规律运行的装置。

9．用（直流电动机）作为原动机的传动方式称为直流调速，用（交流电动机）作为原动机的传动方式称为交流调速。

10．电气控制系统的调速性能指标可概括为（静态）和（动态）调速指标。11．在电动机微机控制系统中，电动机是（被控对象），微型计算机则起（控制器）的作用。

12．总的来说，在电动机微机控制系统中，计算机主要完成（实时控制）、（监控）和（数据处理）等工作。

13．模拟信号到数字信号转换包括（采样）和（量化）两个过程。

14．PID 控制中P、I 、D的含义分别是（比例）、（积分）和（微分）。

15．脉冲式传感器检测转速的方法有（M法测速）、（T 法测速）和（M/T法测速）。

16．从系列数据中求取真值的软件算法，通常称为（数字滤波算法）。17．与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是（离散化）和（数字化）。18．数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种： 1. 数模混合控制系统 2. 数字电路控制系统 3.

计算机控制系统

19．常规PID控制算法中可分为（位置式PID算法）和（增量式PID 算法）。

20．微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构主要包括以下部分：（主电路）、（检测电路）、（控制电路）、（给定电路）和（显示电路）。

二、判断题

1．双闭环调速系统中，给定信号Un 不变，增加转速反馈系数α，系统稳定运行时转速反

馈电压Ufn 不变。√

2．双闭环调速系统稳态运行时，两个PI 调节器的偏差输入均不为零。×

3．I 型系统工程最佳参数是指K=1/（2T）或ξ=0. 707 。√ 4．双闭环调速系统的设计过程中，一般把h=4 定义为按M p（min）法设计的“三阶工程最佳” 参数配置。×

5．在双闭环调速系统的设计过程中，若按“三阶工程最佳”设计系统时，系统的超调量为%。√

6．在设计双闭环调速系统时，应先设计转速调节器再设计电流调节器。×

7．在双闭环系统调试中，若两个调节器采用PI 调节器，Uim 固定，想得到恒定的电流Idm 只需调节转速反馈系数α即可。×

8．在双闭环系统调试中，若两个调节器采用PI 调节器，Unm固定，想得到固定的转速n 只需调节β即可。×

9．转速单闭环调速系统当给定输入变化时，输出转速不变化。× 10．积分或比例积分调节器的输出具有记忆和保持功能。√ 11．转速单闭环有静差系统与无静差系统的主要区别是看调节器采用什么类型。√ 12．闭环系统的静特性与开环系统的机械特性比较，其系统的静差率减小，稳速精度变低。×

13．转速闭环系统对一切扰动量都具有抗干扰能力。× 14．实际工程中，无静差系统动态是有静差的，严格的讲“无静差”只是理论上的。√ 15．积分调节器输入偏差电压为零时，其输出电压也为零。× 16．在双闭环调速系统的设计过程中，若按“ I 型系统工程最佳”设计系统时，系统的超调量为5%。×

17．在双闭环调速系统中，电流调节器对负载扰动没有抗扰调节作用。√ 18．双闭环调速系统中，电动机起动过程主要是转速调节器起作用；稳定运行过程主要是电流调节器起作用。×

19．双闭环调速系统中，ASR的输出量U*i 是由其输入给定电压U*n 和转速反馈电压Un决定的。×

20．在双闭环调速系统的设计过程中，通常将电流环校正为I 系统，将转速环校正为II 型系统。√

21．双极性可逆PWM变换器中的占空比=0 时，电机停止，即电枢两端的瞬时电压、电流为零。× 22．数字控制器用于实时、在线控制方式，因此必须采用简单、可靠和足够精确的方法来实现。（√）

23．数字控制器用于实时、在线控制方式，因此其算法越先进、越复杂越好。（× ）24．位置式PID算法比增量式PID 算法更容易产生积分饱和现象，且不便于计算机编程，

所以工程实践中已很少采用了。 （√）

25．微机控制直流脉宽调速系统中，转速、电流调节主要是软件定时中断完成的。√

三、选择题

1．限止电流冲击的最简单方法是采用（ B ）

（A ）转速微分负反馈 （B ）电流截止负反馈

（C ）电压负反馈

（D ）带电流正反馈的电压负反馈

2．双闭环调速系统中，在恒流升速阶段时，两个调节器的状态是（ A ）。

（A ）ASR 饱和、 ACR 不饱和 （B ）ACR 饱和、 ASR 不饱和 （ C ） ASR 和 ACR 都饱和

（D ）ACR 和 ASR 都不饱和

3．在双闭环调速系统稳态特性的平直段， ASR 工作在（ A ）状态、 ACR 工作在（ A ）

状态； 而在双闭环调速系统稳态特性的下垂段， ASR 工作在（ C ）状态、 ACR 工作在（ B ）状态 （ A ） ASR 工作在线性状态 （B ）ACR 工作在线性状态 （ C ） ASR 工作在限幅状态 （D ）ACR 工作在限幅状态

4．在PWM 技术中，改变占空比ρ值，可以实现调压的目的， 试选择： T on 保持一定，使 T off

在 0~∞范围内变化，属于（ B ）；T off 保持一定，使 T on 在 0~∞范围内变化，属于（ C ）；

T on +T off =T 保持一定，使 T on 在 0~T 范围内变化，属于（ A ）

（A ）定频调宽法（ B ）定宽调频法 （ C ）调宽调频法 5．无静差调速系统中，调节器一般采用（ C ）调节器。

（A ） P 调节器 （B ） PD 调节器

（C ） PI 调节器

6．将晶闸管看成一阶惯性环节的工作近似条件为（ A ）。

7．下列各项指标中，反应系统抗干扰性能指标的是（ D ）。

（ A ） t r （B ） t s （C ） σ （ D ） t f

8．在速度负反馈单闭环调速系统中，当下列（ C ）参数变化时系统无调节能力。

（A ） 放大器的放大倍数 Kp （ B ）负载变化 （C ）转速反馈系数

（D ）供电电网电压

9．在转速负反馈单闭环有静差调速系统中，突减负载后又进入稳定运行状态，此时晶闸

管装置的输出电压 Ud 较之负载变化前是（ B ）；在无静差调速系统中，突加负载后进 入稳态时转速 n 较之负载变化前是（ C ），整流装置的输出电压 Ud 是（ A ）。 （A ）增加 （B ）减少 （C ）不变 （D ）先增加后减少

10. 为了增加系统响应的快速性，我们应该在系统中引入（ A ）环节进行调节。

（A ） 比例

（B ） 积分

（C ） 微分

11．双闭环调速系统中，稳定运行时 ASR 的输出量 U*i 是由（ B ）决定的。

（A ） 输入给定电压 U*n （B ） 负载电流 I dL （C ） 转速反馈电压 Un

A ）

1

3Ts

B ）

2Ts

C ） 1 3Ts

D ）

1 Ts

12．I 型系统工程最佳参数是指选用（ D ）

（A）K T = （B）ξ=0. 5 （C）ξ= （D）K T =

13．双闭环调速系统的设计过程中，按M p（min）法设计的“三阶工程最佳”参数配置是（ B ）（A）h=4 （B）h=5 （C）h=6 （D）h=

14．在双闭环调速系统中，电流调节器主要对以下哪种扰动有抗扰调节作用。（ B ）（A）给定电压扰动（B）电网电压扰动（C）负载扰动

15．在双闭环调速系统中，转速调节器主要对以下哪种扰动有抗扰调节作用。（ C ）（A）给定电压扰动（B）电网电压扰动（C）负载扰动

16．下列不属于直流调速系统的静态技术指标的是（ B ）。

（A）调速范围（B）超调量（C）静差率

17．下列不属于直流调速系统的跟随性能指标的是（ A ）。

（A）恢复时间t f （B）超调量σ（C）调节时间t s （D）上升时间t r

18. 为了消除静差，提高系统的控制精度，我们应该在系统中引入（ B ）环节进行调节。

（A）比例（B）积分（C）微分（D）惯性

19. 为了加快系统的动作速度，减少调节时间，我们应该在系统中引入（ C ）环节进行

调节。

（A）比例（B）积分（C）微分（D）惯性

20. 下列PWM调节器中，能实现直流电机的四象限运行的是（C）。

（A）简单不可逆型（B）带制动不可逆型（C）双极式可逆型

四、简答题

1．在转速、电流双闭环调速系统中，转速调节器有哪些作用其输出限幅值应按什么要求来整定

答：1）转速调节器的作用：

a. 使转速n 跟随给事实上电压Un变化，实现转速无静差调节；

b. 对负载变化起抗扰作用；

c. 其饱和输出限幅值用为系统允许最大电流的给定，起饱和非线性控制，以实现系

统在最大电流约束下起动过程。

2）其输出限幅值应按最大电流值Idm 和β值整定，即U im I dm。

2．在转速、电流双闭环调速系统中，电流调节器有哪些作用其限幅值应如何整定答：1）电流调节器的作用：

a. 起动时，实现最大允许电流条件下的恒流升速调节——准时间最优；

b. 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压Un变化；

c. 对电网电压波动及时起抗扰作用；

d. 当电动机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护

作用。如果故障消失，系统能自动恢复正常。

K s

限制

3．画出转速电流双闭环调速系统起动时的转速ｎ和电枢电流Id 的对应波形。并回答起

动过程按Id 分哪几个阶段以及转速调节器的在各阶段的工作状态在图中分别注明时间。答：起动曲线见P40。分三个阶段：第一阶段0~t 1是电流上升阶段, 转速调节器迅速从不饱和进入饱和状态；第二阶段t 1~t 2阶段是恒流升速阶段，转速调节器饱和输出限幅值；第三阶段t 2~t 4阶段是转速调节阶段，转速调节器退饱和工作。

4．闭环系统的静特性优于开环系统的机械特性，表现在哪些方面。

答：如下四方面：

（1）在相同的负载下，闭环系统的转速降落仅为开环系统转速降落的1/ （1＋K）；

（2）在相同的理想空载转速时，闭环系统的静差率是开环系统静差率的1/ （1＋K）；

（3）在静差率相同时，闭环系统的调速范围是开环系统调速范围的（1＋K）倍；

（4）闭环系统设置放大器后，才能获得以上各方面好的性能。

5．试回答双极式和单极式H型PWM变换器的优缺点。

答：（1）双极式H 开PWM变换器的优点是：

1）电流一定连续；

2）电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；

3）低速时每个晶体管的驱动电压脉冲仍较宽，有利于晶体管可靠导通，低速平稳性好，调速范围宽；

4）控制简单，易于实现。

其缺点是：1）工作过程中，四个晶体管都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发

生上、下两管直通事故，降低装置的可靠性；

2）电枢电流波动较大。

（2）单极式H 形PWM变换器的优点是：1）由于一个晶体管常通，一个晶体管截止，频繁交替通断的管子少，有利于减少开关损耗；

2）电枢电流波动比双极式小。

其缺点是：

1）仍有两个晶体管处于交替导通状态，仍有发生直通的可能性；2）调速范围较双极式的窄。

控制器各环节的作用是什么

答：PID 控制器各环节的作用是：

（1）比例环节P：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦出现，控制器立即产生控制作用，以便减少偏差，保证系统的快速性。

（2）积分环节I ：主要用于消除静差，提高系统的控制精度和无差度。

（3）微分环节D：反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得过大之前，在系统中引入一个早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

7. 与模拟滤波器相比，数字滤波器有哪些优点

答：与模拟滤波器相比，数字滤波器的优越性表现在以下三个方面：

（1）数字滤波器是用程序实现的，不需要增加任何硬设备，也不存在阻抗匹配问题，可以多个通道共用。

（2）数字滤波器可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟滤波电路由于受电容容量的影响，频率不能太低。

（3）数字滤波器灵活性好，可以用不同的滤波程序实施不同的滤波方法。

8. 转速和电流调节器均采用PI 调节器的双闭环系统起动过程的特点是什么答：（1）转速环出现饱和开环和退饱和闭环两种状态。转速开环时，系统为恒值电流调节单环系统。转速闭环时，系统为无静差调速系统，电流内环为电流随动系统。（2）转速环从开环到闭环发挥调节作用，其转速一定出现超调，只有靠超调才能使ASR 退饱和，才能进行线性调节。

（3）恒电流转速上升阶段，取I d为I dm，充分发挥了电动机的过载能力，实现了电流受限制条件下的最短时间控制即“时间最优控制”。

9. 微机数字控制系统的主要特点是什么由此引起的负面效应是什么答：微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。离散化和数字化的结果导致了时间上和量值上的不连续性，从而引起下述的负面效应：

（1）A/D 转换的量化误差：模拟信号可以有无穷多的数值，而数码总是有限的，用数码

来逼近模拟信号是近似的，会产生量化误差，影响控制精度和平滑性。

（2）D/A 转换的滞后效应：经过计算机运算和处理后输出的数字信号必须由数模转换器D/A和保持器将它转换为连续的模拟量，再经放大后驱动被控对象。但是，保持器会提高

控制系统传递函数分母的阶次，使系统的稳定裕量减小，甚至会破坏系统的稳定性。随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，上述两个问题的影响已经越来越小。

10．试述PWM调速系统的优越性。

答：（1）主电路线路简单，需要的功率器件少；

（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；

（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；

（4）系统频带宽，动作响应快，动态抗干扰能力强；

（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高。

11. 推导增量式数字PID 控制算法的差分方程公式。并问：与位置式PID 算法相比，增

量式PID 算法主要优点是什么解：设模拟PID 调节器的约束方程为：

1 t de（t）

u（t） K p[e（t）0 e（t）dx T d ]

T i0dt

1

令对应数字 PID 调节器的采样周期为 T ，使用一阶后向差分公式和内接矩形数值积分公 式，对上式连续两次作后向离散化近似变换，得

T k

T d

k

u(k)

K p e(k) e(k)

d

[e(k) e(k 1)] K p e(k) K i

e(k) K d [e(k) e(k 1)]

T i j 0

T

j0

和

T k1

T d

k1

u(k 1) K p

e(k 1) e(k)

T i j 0

T d

[e(k 1)

e(k 2)] K p e(k 1)

K i e(k) K d [e(k 1) e(k 2)] j0

其中K i K T

p i T ， K d K T

pTd 。由此得增量式数字 PID 控制算法的差分方程公式为：

u(k) K p [e(k) e(k 1)] K i e(k) K d [e(k) 2e(k 1) e(k 2)]

与位置式 PID 算法相比，增量式 PID 算法主要优点在于不容易产生积分饱和现象，需站 用得存储单元更少，计算机编程也更方便。

五、应用题

T 1=；T 2=； T 3=；T 4=。要求阶跃输入时系统超调量σ %<5%。

用 PI 调节器将系统设计成典型 I 型系统，试设计调节器参数并计算调节时间 t 解：用 PI 调节器校正时，调节器传递函数为 W PI (s) K pi i

i s

取 i T 1 0.4s ，并将 T 2 、 T 3 、 T 4 看成小时间常数，令

则按典型 I 型系统校正时系统开环传递函数为

t s 6T 6 0.1s 0.6s

所以 PI 调节器的参数 i 0.4s ， K pi 1；调节时间 t s 0.6s

3． P59. 3-9

例 、P11 例设控制对象的传递函数为 W obj (s) (T 1s 1)(T 2s 1)(T 3s 1)(T 4s 1)

，式中 K1=2；

T T 2 T 3 T 4 0.08s 0.015s

0.005s 0.1s

取 K

K pi K 1

21T

，则

W(s) K pi

is 1

i

s (T 1s

K 1

1)(Ts 1)

K pi

K 1

i

s (Ts 1)

K pi

i

2K 1T

0.4 2 2 0.1

调节时间

4.已知电流环的动态结构图如图 3 所示，将该系统校正为典型Ⅰ型系统，确定电流调节器参

解：（1）对动态结构图进行等效变换如下图：

态结构图化简为如下图：

3）选择PI 调节器：

W ACR(S) K i iS i S1 2 3

取工程最佳，有

1

所以有ACR的比例系数为：

K i

K I i R 0.03 0.5 135.14 1.013 i K s

4）校验近似条件：

六、综合题

1. 如图1如示转速反馈直流调速系统中，已知P N=10Kw，U=220V，I=55A，n N=1000r/min ，电枢电阻Ra=Ω，V-M系统主电路总电阻R=Ω。生产机械要求调速范围D=10，静差率

s≤5%。

1135.14 ( 1/S )

2 0.0037

确定ACR的超前时间常数

为：

i T l 0.03S

又因为K

I

K i K s

i R

数。（提示：取工程最佳ξ =时，KITΣi= ；注意小惯性环节降阶处理的条件ci3 T s T oi )

0.0037( S) ；则动

K I

1

2T i

40 0.05

2）进行小惯性时间常数的近似处理：T i T oi T s 0.002 0.0017

而0.0017 0.002180.8S

1

ci K I 135.14S 1

（1）试计算额定转速降和闭环系统的开环放大倍数；

（2）画出系统的静态结构图；

（3）在此调速系统中，若给定电压Ugn和测速发电机的励磁发生了变化，试分析直流电动机的转速n 是否变化

答：(1)

1)为了满足D＝10，静差率s≤5％

n nom s 1000 0.05

n cl r / min 5.26r / min

cl D (1 s) 10 (1 0.05)

2)根据n cl ，求出系统的开环放大系数

因为U nom I nom R a (220 55 0.5)V

因为C e 0.1925V min/ r n nom 1000 r / min

所以有K Inom R155 1.01 54.3 1 53.3

C e n cl 0.1925 5.26

(2)系统静态结构图为：

3）分析如下：

反馈控制系统对于被负反馈环包围的前向通道上的一切扰动作用都能有效地加以抑制，对反馈通道上检测元件或装置的扰动无能为力，但对给定作用的变化则惟命是从，如果给定电压发生了变化，则被调量也要跟着变化，反馈控制系统无法鉴别这种变化是正常的调节结果，还是给定电压给定的变化；如果测速发电机的励磁发生了变化，反馈电压也要改变，不能通过系统的调节作用消除这种变化，反而使电动机转速偏离了原应保持的数值。因此说，高精度的调速系统要有高精度的反馈检测元件作为保证。

2. 试分析下图为哪种控制系统系统的主要组成有哪几部分图中的LC、DI、LP、SR、CR均起

什

么用

答：（1）此系统是微机控制的双闭环直流脉冲宽度调制调速系统

（2）系统的主要组成部分H 型可逆PWM变换器和电动机组成的主电路；光电编码CT1、CT2等组成的检测电路；转速给定部分；8098 最小系统组成的控制电路等。

3）LC：电动机正反转控制逻辑，其输入根据转矩极性和实际电流确定基极驱动的方向；DI：鉴相电路，将光电编码盘输出的脉冲信号经过鉴相电路送到8098 的高速输入口作为反馈信号，形成速度闭环；SR 和CR是转速环和电流环的数字控制器，根据给定和反馈的偏差信号进行PID 运算，输出控制信息。

3. P59. 3-10 （按作业要求）