运动控制考试复习题及答案(完整版)

运动控制考试复习题及答案(完整版)

一、填空题

1、控制系统的动态性能指标是指跟随指标和抗扰指标，而调速系

统的动态指标通常以抗扰性能指标为主

2、直流电机调速方法有变压调速、电枢串电阻调速和弱磁调速。异

步电动机调速方式常见有6种分别是：降压调速、差离合调速、转子串电阻调速、串级调速和双馈电动机调速、变级调速、变压变频调速。其中转差率不变型有：变级调速、变压变频调速，只有变压变频应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统。同步电动机按频率控制方式不同分为：他控式变频调速和自控式变频调速。（变电阻调速：有级调速。变转差率调速：无级调速。调压调速：调节供电电压进行调速）

按按转差功率可以怎么划分电动机:转差功率消耗型、转差功率不变型、转差功率馈送型

3、对于异步电动机变压变频调速，在基频以下，希望维持气隙磁

通不变，需按比例同时控制定子电压和定子频率，低频时还应当抬高电压以补偿阻抗压降，基频以下调速属于恒转矩调速；

而基频以上，由于电压无法升高，只好仅提高定子频率而迫使磁通减弱，相当直流电动机弱磁升速情况，基频以上调速属于恒功

率调速。

4、对于SPWM型逆变器，SPWM的含义为正弦波脉宽调制，以正弦波

作为逆变器输出的期望波形，SPWM波调制时，调制波为频率和期望波相同的正弦波，载波为频率比期望波高得多的等腰三角波，SPWM型逆变器控制方式有同步调制、异步调制、混合调制。SPWM型逆变器的输出的基波频率取决于正弦波。SPWM控制技术包括单极性控制和双极性控制两种方式。

5、调速系统的稳定性能指标包括调速范围和静差率

6、供变压调速使用的可控直流电源有：旋转交流机组（G-M系统）、静止式可控整流器（V-M系统）与直流斩波器（PWM-M系统）或脉宽调制变换器。

7、典型I型系统与典型II型系统相比,前者跟随性能好、超调小，但抗扰性能差。

典型I型系统和典型Ⅱ型系统在稳态误差和动态性能上有什么区别？

答：稳态误差：对于典型I型系统，在阶跃输入下，稳态时是无差的；但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与K值成反比；在加速度输入下稳态误差为∞。对于典型II型系统，在阶跃和斜坡输入下，稳态时均无差；加速度输入下稳态误差与开环增益K成反比。

动态性能：典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗

扰性能稍差；典型Ⅱ型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。

8、数字测速中,T法测速适用于低速,M法测速适用于高速。

9、PI调节器的双重作用是指：一是比例部分加快动态进程；二是积

分部分最终消除偏差。

10、直流调速系统的理论依据φ

e n C R I U d d-=

，交流调速系统的理论依据)1(60n s p f-=。11、交-直-交电压型变频器的主要电路基本组成为整流器、直流平滑电路、逆变器。

12、在交-直-交逆变器中，直流侧所用滤波元件为大电容，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，成

为电压源型逆变器，其输出交流电压波形为矩形波或阶梯波。而直流侧所用滤波元件为大电感，因而滤波比较平直，相当于恒流，成为恒流源逆变器，其输出交流电压波形为矩形波或阶梯波。13、在转速、电流双闭环直流调速系统中,出现电网波动时，电流ACR 调节器起主要作用；出现负载扰动时，转速ASR调节器起主要作用。

（ASR所起的作用为对负载变化起抗扰作用，ACR所起的作用为对电网电压波动起及时抗扰作用。）

14、转速电流双闭环直流调速系统之所以具有起动的快速性，是因为

在启动过程中ASR调节器输出具有最大电流给定，并有ACR调节器维持电流最大，从而使系统启动最快。

15、在两组晶闸管反并联可逆V-M系统中，回路中传入电抗器的作用

是抑制瞬时脉动环流。

16、双击式控制的桥式可逆PWM变换器，在电动机停止时仍有高频微

振电流，起着“动力润滑”的作用。

17、交-直-交PWM电压型变频器，再生制动时需增设制动回路，逆变

器同时实现调压和调频，而其动态响应不受中间环节的影响。18、交流电动机需要输入三项正弦电流的最终目的是在电动机空间形

成圆形旋转磁场，而异步电动机有六拍阶梯波逆变器供电时，其电压空间矢量运动轨迹是封闭的正六边形。

19、对异步电动机进行坐标变换时，以产生同样的旋转磁动势为准则，

其目的就是把异步电动机动态模型加以简化。

20、为使异步电动机调速时具有高动态性能，对其动态模型的控制可采用按转子磁链定向矢量控制系统，另外还可以采用按定子

磁链控制的直接转矩控制系统。

21、把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制

逆变器的工作,这种控制方法称做“磁链跟踪控制”，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM控制”。电压与磁链空间矢量的关系：us=Ri+dψ/dt 22、双闭环直流调速系统中，给定滤波环节的作用是平衡反馈滤波环

节的延迟作用，使二者得到恰当的配合。

23、交流异步电动机动态数学模型特点是：高阶、非线性、强耦合、

多变量。

24、异步电动机每个绕组的磁链是自感磁链和互感磁链之和。

25、异步电动机定子绕组是静止的，只要进行3/2变换即可，而转子

绕组时旋转的，因此必须通过3/2变换及2r/2s变换，才能变换到静止两相正交坐标系。

26、起动时，为什么转速以恒加速度增加？主要是哪个调节器的贡献（ASR）？

在恒流升速过程中，ASR始终饱和，转速环等同于开环，所以基本上保持I不变，所以系统的加速度恒定。

27、设计双闭环调速系统时，电流环和转速环为什么一个要设计

成I型，一个是II型？P68--P77这两种系统各有什么优点？（典型I型系统与典型II型系统相比,前者跟随性能好超调小，但抗扰性能差。）

1.典型I型和II型的优点与区别（跟随指标、抗扰指标）

转速、电流双闭环调速系统中，

转速环按典型Ⅱ型系统设计，抗扰能力强，稳态无静差。

电流环按典型Ⅰ型系统设计，抗扰能力稍差，超调小。

典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能差。典型II型系统的超调量相对较大，但抗扰性能却比较好。

跟随指标

上升时间：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值所经过的时间（有些教材定义为10%--90%）

超调量：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏移量与稳态值之比。

调节时间：又称过度过程时间原则上是系统从给定量阶跃变化到输出量完全稳定下来的时间。一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，

取±5%（或±2%）的范围作为允许误差。

抗扰性能指标：

动态降落：在系统稳定时，突加一个约定的标准的扰动量，在过度过程中引起的输出量最大降落值。

恢复时间：从阶跃扰动作用开始，到输出量基本恢复稳态，距新

稳态值之差进入某基准量的±5%（或±2%）范围之内所需的时间。

28、调速系统中，根据跟随和抗扰两个指标，是要哪个比较好？因为电动机带动负载要经常变化，希望电动机速度稳定，因此追求的是抗扰性能

29、异步电动机矢量变化为什么要进行矢量变化？（其目的是为了提高异步电动机的动态性能。）动态模型控制异步电动机有2种方式：FOC、直接转矩控制。P179、P191

30、什么叫无刷直流电机？是不是真正的直流电机？它电源是什么？若给定一个直流电源，怎么相连接（将同步电机加上驱动器，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正）？P231

31、电动机从0开始起动的过程中，转速输出信号的波形是？P63

32、起动过程中，为什么电动机的电流不是由负载决定的？（因为电动机要加速，加速就必须施加转矩比负载转矩大，只有这样才能够速度上升。）

二、问答题

1.双闭环调速系统正常工作时，调节什么参数可以改变电动机转速？如果速度闭环的转速反馈线突然断掉，会发生什么现象？电动机还能否调速？

答：（1）双闭环调速系统正常工作时，只有调节速度给定信号Ug才可以改变电动机转速。而改变速度调节器的参数（比如比例系数、积分时间常数）均无作用，改变负载大小也不能影响转

速，因为是速度闭环系统，不论负载大小均速度无差。

（2）转速反馈线突然断掉，Ufn=0，使ΔUn=Ug-Ufn=Ug很大，速度调节器饱和限幅输出，调速系统以最大电流、最大转矩加速，直至电磁转矩与负载转矩、阻尼转矩相平衡，达到最高转速而恒定，故电机不可调速。

1-1转速单闭环调速系统有哪些特点？

改变给定电压能否改变电动机的转速？为什么？

如果给定电压不变，调节转速反馈系数是否能够改变转速？为什么？

如果测速发电机的励磁发生了变化，系统有无克服这种干扰的能力？

答：（1）转速单闭环调速系统增加了转速反馈环节，可获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而保证在一定静差率下，能够提高调速范围。

（2）改变给定电压可以改变电动机的转速，服从给定。

（3）能改变转速，因为对于反馈通道上的扰动作用，调速系统无抵抗能力。（4）无克服这种干扰的能力，对于对于反馈通道上的扰动作用，调速系统无抵抗能力。

1-2根据ASR和ACR的作用，回答

（1）双闭环系统在稳定运行中，如果电流反馈信号线断开，系统仍能正常工作吗？

（2）双闭环系统在额定负载下稳定运行时，若电动机突然失磁，

最终电动机会飞车吗？

答：（1）稳态时转速变大，电流不变。

（2）不会飞车，而是停转。

2.在转速、电流双闭环系统中，速度调节器有哪些作用？其输出限幅值应按什么要求来调整？电流调节器有哪些作用？其输出限幅值应如何调整？

答：（1）速度调节器用于对电机转速进行控制，以保障:调节精度，做到静态无差；机械特性硬，满足负载要求。

（2）速度调节器输出限幅值应按调速系统允许最大电流来调整，以确保系统运行安全（过电流保护）。

（3）电流调节器实现对电流的控制，以保障：精确满足负载转矩大小要求（通过电流控制）；调速的快速动态特性（转速的快速响应）

电流调节器的输出限幅作为可控整流器晶闸管的移相触发电压，其限幅值决定了触发的移相范围，故应按max minαα-来调整。

3.双闭环为什么比单闭环系统控制性能好？

答：A.单闭环调速系统不能充分按照理想要求控制电流的动态过程；

B．单闭环调速系统不能对电网电压波动起及时的抗扰作用；C．双闭环系统在转速动态过程中，能保证获得电动机的最大电流，

加快其动态过程，而单闭环不能做到；

D.双闭环系统能起快速的自我保护作用，而单闭环不能

4.什么叫做静差？什么是静差率？为什么有静差？怎样消除静差？答：（1）是指过渡过程终了时的残余偏差，也就是被控变量的稳定值与给定值之差

（2）当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值

时所对应的转速降落N n?与理想转速n0之比，称为静差率。（3）调节器采用比例控制规律，就不可避免的会使系统存在静差。

这是因为只有偏差信号e不为零时，调节器才会有输出调节。如果e为零，调节器输出为零，就会失去调节作用。或者说P调节器正是利用偏差实现调节控制，使系统被控参数近似跟踪给定值的。

（4）采用PI调节器。

4-1：无静差直流调速系统中为何要引入PI调节器？比例积分两部分各起什么作用？

答：积分可以消除静差，但只有积分响应就会很缓慢，需适当加入比例才可以使系统快速消除静差，所以使用PI调节器。

作用：比例：能够迅速响应控制器作用

积分：消除稳态偏差

5.闭环控制有哪些特点？

答：（1）闭环系统静特性比开环系统机械特性硬得多

（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多

（2）静差率一定，闭环系统则可以提高调速范围

6.什么是空间矢量控制技术？用来控制什么？为什么？

答：通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动模型，然后模仿直流电动机控制策略设计控制系统的技术。

控制的根本目的？（目的是保持电动机磁链接近原型。控制电压是手段。）

为什么控制电压能控制磁链？【说清楚相关的理论依据，可以用图形

表示，也可以用U和磁能之间数学表达式说明】

空间电压矢量，又名“电压空间矢量”，和空间电流矢量、磁通矢量一样，是变频调速系统控制矢量的一种。空间电压矢量是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。

空间电压矢量（SVPWM）运用电压平均值等效原理，在每个周期内，根据给定电压矢量所处的扇区，通过控制该扇区两个有效电压矢量作用时间的长短，来合成该给定电压矢量，剩余时间由零电压矢量处理。

对于正弦交流电压来说，电压值是随着时间变化的。进一步说它是时间....更正确地说是所谓的失量角度的正弦函数！一定的值就对应一个空间的角度。电压值就是这一个失量值在Y轴上的投

影！

空间矢量控制系统

将异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过坐标反变换，就能够控制异步电动机。由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势)的空间矢量，所以这样通过坐标变换的控制系统就叫做矢量控制系统VCS(Vector Control System)

7.画出PI调节器电路和写出其控制方程并推到出其传递函数？PI调节器的模拟电路，要求把这个电路的微分方程写出来并转化成传递函数，注意：推导过程中要写出书上的传递函数，记住结果和方法

9.双闭环或是单闭环中某个参数发生变化，系统能不能调节？如果能调节，如何调节？系统相关物理量如何变化？如电网电压下降，触发角不变（来不及变化），则输出电压下降，直流电动机转速下降了，系统怎么自动调回去？

10.转速单闭环调速系统有哪些特点？改变给定电压能否改变电动机的转速？如果给定电压不变，调节转速反馈系数是否能够改变转速？如果测速发电机的励磁发生了变化，系统有无克服这种干扰的能力？答：（1）转速单闭环调速系统增加了转速反馈环节，可获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，保证在一定静差率下，能够提高调速范围。

改变给定电压可以改变电动机的转速，服从给定。

（2）能改变转速，因为对于反馈通道上的扰动作用，调速系统无抵抗能力。

（3）无克服这种干扰的能力，对于反馈通道上的扰动作用，调速系统无抵抗能力。

11.在转速负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数发生变化时系统是否有调节作用？为什么？

（1）放大器的放大系数Kp（2）供电电网电压Ud（3）电枢电阻Ra(4)电动机励磁电流If（5）转速反馈系数a.

答：（1）（2）（3）（4）变化时系统有调节作用（5）转速反馈系数α变化时系统无调节作用；根据反馈控制系统的作用“服从给定，抵抗扰动”即可得出结论。

12.单闭环系统存在什么问题？为什么要引入双闭环系统？

答：（1）A.只有转速负反馈的调速系统不能限制启动电流和堵转电流；

B.带电流截止负反馈的转速负反馈系统，过渡过程中电流变化规律不理想，时间长；

C.同时将转速、电流反馈引入一个调节器的输入端，不能使两个被控量的过渡过程都有很理想。

为了实现理想的过渡过程，从而引入双闭环直流调速系统。13.在转速电流双闭环直流调速系统中，若要改变电动机的转速，应调节什么参数？改变转速调节器的放大倍数Kn行不行？改变

电力电子变换器Ks行不行？改变转速反馈系数a行不行？若要改变电动机的堵转电流，应调节系统中的什参数？

答：（1）Un*=αn，应调节转速反馈系数a和电流给定电压Ui*。（2）（3）不行（4）行（5）Ui*=βId,应调节电流反馈系数β和电流给定电压Ui*。

14.PI调节器的传递函数：s s K Wττ1)s(p+=；典型Ⅰ型系统：

)1()s(+=Ts s K W；典型Ⅱ型系统：

)1()

1()s(2++=Ts s s K Wτ；电动机的传递函数：s T R I s I E s T R s E s U I s dL d m)(d l d0)()s(,)1(1)()(=-+=-。

15.起动过程分三个阶段：

第一阶段（0~t1）电流上升阶段：ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。

第二阶段（t1~t2）恒流升速阶段：为主要阶段，ASR调节器是指保持在饱和状态，ACR不饱和状态、

第三阶段（t2以后）转速调节阶段：ASR退出饱和，ASR和ACR 都不饱和。

特点

①饱和非线性控制

ASR饱和，转速环开环，恒值电流调节的单闭环系统；ASR不饱和，转速环闭环，无静差调速系统.

②准时间最优控制：恒流升速可使起动过程尽可能最快.③转速超调：只有转速超调才能使ASR退饱和

系统制动过程分三个阶段：（1）本组逆变阶段：电动机正向电流衰减，VF组处于逆变状态，VR组处于待整流状态，ASR和ACR饱和。

（2）它组整流阶段：电动机反向电流建立阶段，VR组处于整流状态，VF组处于待逆变状态，ASR和ACR均不饱和。（3）它组逆变阶段：电动机恒值电流制动阶段，VR处于逆变状态，VF处于待整流状态，ASR和ACR均退出饱和

16对于恒转矩负载，为什么调压调速的调速范围不大？电机机械特性越软调速范围越大吗？

答：带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳

定工作范围为0 17异步电动机变频调速时，为何要电压协调控制？在整个调速范围

内，保持电压恒定是否可行？为何在基频以下时，采用恒压频比控制，而在基频以上保持电压恒定？

答：因为定子电压频率变化时，将导致气隙磁通变化，影响电动机工作。

在整个调速范围内，若保持电压恒定，则在基频以上时，气隙磁通将减少，电动机将出力不足；而在基频以下时，气隙磁通将增加，由于磁路饱和，励磁电流将过大，电动机将遭到破坏。因此保持电压恒定不可行。

在基频以下时，若保持电压不变，则气隙磁通增加，由于磁路饱和，将使励磁电流过大，破坏电动机，故应保持气隙磁通不变，即保持压频比不变，即采用恒压频比控制；而在基频以上时，受绕组绝缘耐压和磁路饱和的限制，电压不能随之升高，故保持电压恒定。18异步电动机变频调速时，基频以下和基频以上分别属于恒功率还是恒转矩调速方式？为什么？所谓恒功率或恒转矩调速方式，是否指输出功率或转矩恒定？若不是，那么恒功率和恒转矩调速究竟是指什么？

答：在基频以下调速，采用恒压频比控制，则磁通保持恒定，又

额定电流不变，故允许输出转矩恒定，因此属于恒转矩调速方式。在基频以下调速，采用恒电压控制，则在基频以上随转速的升高，磁通将减少，又额定电流不变，故允许输出转矩减小，因此允许输出功率基本保持不变，属于恒功率调速方式。

恒功率或恒转矩调速方式并不是指输出功率或输出转矩恒

定，而是额定电流下允许输出的功率或允许输出的转矩恒定。19、I.转速调节器的作用

（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。

（2）对负载变化起抗扰作用。

（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

II.电流调节器的作用

（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分

重要的。

引入电流负反馈的目的：解决系统起动和堵转时电流过大的问题

三、证明题

对于调速系统，给出一个结论，证明之。（比如说，证明双闭环调速系统能对负载扰动起抑制作用。证明双闭环调速系统中，开环调速范围为什么小于闭环的。【解答要有逻辑理论依据】答：单闭环为什么比双闭环好，好在哪里，书上有表达式

四、计算题

给出电机的参数要求设计直流双闭环调速系统，以及回答对哪些干扰有调节作用，调节器的设计，起动波形，以及在某种特殊情况下系统的状态。

转速环什么时候饱和？（当ASR输出值达到限幅值时）

为什么电流环为什么不容易饱和？（为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望ACR不要进入饱和状态）

简述异步电机的工作原理

三相异步电动机的定子通入对称三相电流产生旋转磁场→与静止的转子有相对运动→产生感应电动势→转子导体有感应电流→转子导体带电导体在磁场中受电磁力的作用→两边同时受到电磁力的作用，产生电磁力矩→转子转动→带动生产机械运动。