《自動控制原理與系統(tǒng)》（第4版）參考答案解析第1章自動控制系統(tǒng)概述1、習題1-6圖1-16為太陽能自動跟蹤裝置角位移(t)的階躍響應曲線。曲線Ⅰ為系統(tǒng)未加校正裝置時的階躍響應，曲線Ⅱ和Ⅲ為增加了不同的校正裝置后的階躍響應。試大致估計Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種情況時的動態(tài)性能指標、ts、N，并分析比較Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種情況技術性能的優(yōu)勢。[答]

Ⅰ：最大超調(diào)量≈45％，調(diào)整時間ts1≈0.37s，振蕩次數(shù)N1≈3，技術性能最差。

Ⅱ：≈％，ts2≈0.12s，N2≈1，技術性能較好。

Ⅲ：≈％，ts3≈0.7s，N3≈0.5，技術性能最好。2、習題1-7圖1-7為一晶體管穩(wěn)壓電源電路圖，試分別指出哪個量是給定量、被控量、反饋量、擾動量？畫出系統(tǒng)的框圖，寫出其自動調(diào)節(jié)過程。[解]要畫出控制系統(tǒng)方塊圖，第一步（也是關鍵的一步）就是搞清系統(tǒng)的工作原理或工作過程。在如圖1-17所示的電路中，被控量是負載（電阻ＲＬ）上的電壓ＵＬ(輸出電壓)。若不采用穩(wěn)壓電源，將負載直接接到整流電路（圖中未畫出）的輸出電壓Ｕ上，則當負載電流ＩＬ增加（ＲＬ減?。r，整流電源的等效內(nèi)阻上的電壓降落將增加，使整流輸出電壓Ｕ（此時即為負載上的電壓）降低。當然，若電網(wǎng)電壓波動，也會使整流輸出電壓產(chǎn)生波動。設整流輸出電壓的波動為△Ｕ，它是造成負載上電壓不穩(wěn)定的主要原因。

如今增設了穩(wěn)壓電路，此時負載上的電壓不再是整流電壓Ｕ，而是整流電壓在經(jīng)調(diào)整管Ｖ２的調(diào)節(jié)后輸出的電壓ＵＬ。Ｖ２導通程度愈大，則輸出電壓ＵＬ大些，反之將小些。由圖可見，調(diào)整管Ｖ２的導通程度將取決于放大管Ｖ１的導通程度。Ｖ１管的發(fā)射極電位由電阻Ｒ２和穩(wěn)壓管Ｖ３構成的穩(wěn)壓電路提供恒定的電位。Ｖ１管基極電位ＵＡ取決于負載電壓ＵＬ（由Ｒ３和Ｒ４構成的分壓電路提供輸出的負載電壓ＵＬ的采樣信號ＵＡ）。

當負載電壓ＵＬ因負載電流增加（或電網(wǎng)電壓下降）而下降時，則ＵＡ下降；由于Ｖ１發(fā)射極電位恒定，于是Ｕ１ｂｅ將減??；這將導致Ｖ１的集電極電流Ｉｃ１減小，此電流在電阻Ｒ１的壓降（Ｉｃ１Ｒ１）也將減??；這將是調(diào)壓管Ｖ２的基極電位升高，Ｖ２的導通程度加大，使輸出電壓Ｕ２增加，從而起到自動補償?shù)淖饔?。其自動調(diào)節(jié)過程參見下圖。由以上分析可知，此系統(tǒng)的輸出量為ＵＬ，給定值取決于穩(wěn)壓管Ｖ３的穩(wěn)壓值，檢測元件為Ｒ３、Ｒ４構成的分壓電路，反饋信號為電壓負反饋，執(zhí)行元件為調(diào)壓管Ｖ２，放大元件為Ｖ１，擾動量為整流輸出電壓的波動△Ｕ。由此可畫出如圖所示的框圖。3、習題1-8圖1-18為倉庫大門自動控制系統(tǒng)。試說明自動控制大門開啟和關閉的工作原理。如果大門不能全開或全關，則怎樣進行調(diào)整？[解]在圖1-18所示的控制系統(tǒng)中，合上"開門"開關（"關門"開關聯(lián)動斷開），給定電位器便向放大器送出一個給定電壓信號。此時反映大門位置的檢測電位器向放大器送出一個反饋電壓信號。這兩個電壓信號在放大器的輸入端進行迭加比較，形成偏差電壓。此電壓經(jīng)放大后驅動電動機帶動卷筒使大門向上提升。這一過程要一直繼續(xù)到大門的開啟位置達到預期值，反饋電壓與給定電壓相等，偏差電壓為零時才停止。若大門開啟的程度不夠大（門未全開），則可調(diào)節(jié)給定電位器，使與"開門"開關相連的觸點上移即可。

由以上分析可知，此系統(tǒng)的控制對象是倉庫大門，執(zhí)行單元是直流電動機和卷筒，給定信號由"開門"（或"關門"）開關給出，調(diào)節(jié)給定電位器（的觸點）即可改變大門的開啟（或關閉）的程度。（當然，整定檢測電位器觸點與大門的對應位置，也可調(diào)整大門的開啟程度）。通過與大門相連的連桿帶動的檢測電位提供位置反饋信號。由以上分析可畫出如下圖所示的系統(tǒng)組成框圖：*4、題1-9圖1-19為一自動繞線機的速度控制系統(tǒng)的示意。試分析其自動繞線、排線的工作原理，畫出系統(tǒng)的框圖（排線機構為齒輪與齒條的組合件）。圖1-19系統(tǒng)組成框圖如下：*5、習題1-10在卷繞加工的系統(tǒng)中，為了避免發(fā)生像拉裂、拉伸變形或褶皺等這類不良的現(xiàn)象，通常使被卷物的張力保持在某個規(guī)定的數(shù)值上，這就是恒張力控制系統(tǒng)。在如圖1-20所示的恒張力控制系統(tǒng)中，右邊是卷繞驅動系統(tǒng)，由它以恒定的線速度卷繞被卷物(如紙張等)。右邊的速度檢測器提供反饋信號以使驅動系統(tǒng)保持恒定的線速度（驅動系統(tǒng)的控制部分，此處省略未畫出）。左邊的開卷筒與電制動器相聯(lián)，以保持一定的張力。為了保持恒定的張力，被卷物將繞過一個浮動的滾筒，滾筒具有一定的重量，滾筒搖臂的正常位置是水位位置，這時被卷物的張力等于浮動滾筒總重力W的一半。在實際運行中，因為外部擾動、被卷物料的不均勻及開卷筒有效直徑的減少而使張力發(fā)生變化時，滾筒搖臂便保持不了水平位置，這時通過偏角檢測器測出偏角位移量，并將它轉換成電壓信號，與給定輸入量比較，兩者的偏差電壓經(jīng)放大后去控制電制動器。試畫出該系統(tǒng)的組成框圖。今設因外部擾動而使張力減小，請寫出該系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)過程。6、題1-11圖1-21為一直流調(diào)速系統(tǒng)。圖中TG為測試發(fā)電機，M為工作電動機，SM為伺服電動機，伺服電動機將驅動電位器RP2的滑桿上下移動。試畫出該系統(tǒng)的組成框圖，寫出該系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)過程（設轉速n因負載轉矩TL增大而下降）[解]圖1-21所示系統(tǒng)的組成框圖和自動調(diào)節(jié)過程如下圖所示：第2章拉普拉斯變換及其應用1、題2-1已知微分方程為ut=Rit+L[解]I2、題2-2求Fs=4[解]ft=2(1-e3、題2-3應用終值定理求下列象函數(shù)的原函數(shù)f(t)。①F②F③F④F[解]①0；②5；③∞；④0。第3章自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型1、題3-2慣性環(huán)節(jié)在什么條件下可近似為比例環(huán)節(jié)？又在什么條件下可近似為積分環(huán)節(jié)？[答]：慣性環(huán)節(jié)在動態(tài)響應初期，它近似為一積分環(huán)節(jié)，而在響應后期（近穩(wěn)態(tài)時）則近似為一比例環(huán)節(jié)，此外，從頻率響應看（參見第4章分析），在高頻段，慣性環(huán)節(jié)近似為積分環(huán)節(jié)，而在低頻段則近似為一比例環(huán)節(jié)。2、題3-3一個比例積分環(huán)節(jié)和一個比例微分環(huán)節(jié)相連接，能否簡化為一個比例環(huán)節(jié)？[答]：不能。從它們串聯(lián)（或并聯(lián)）后的等效傳遞函數(shù)來分析，就可得到這個結論：

比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為G1(s)=K1(T1s+1)T1s

比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為G2s=K2(s+1)

(1)兩者串聯(lián)后的傳遞函數(shù)Gs=G3、題3-9求取圖3-26a、b、c、d四個電路的傳遞函數(shù)。圖中物理量角標i代表輸入，o代表輸出。[解]a）Gs=U0(s)Ui(s)=R1C1sR1C1s+1=τsτｓ＋１（由分壓公式求取）

上式中=R1C1，此為一慣性微分環(huán)節(jié)。

b）Gs=U0sUis=K(τ1s+1)τ2s+1（由分壓公式求?。?/p>

上式中K=R2R4、題3-10圖3-27為一控制系統(tǒng)的電模擬電路，試畫出此控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，并注明各參數(shù)的數(shù)值。

[解]與圖3-27所示系統(tǒng)對應的系統(tǒng)框圖，如下圖所示：

(1)圖中G1(s)

為比例系數(shù)可調(diào)的比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)G1s=K1(T1s+1)T1s。

由圖3-27可見，此運放反饋回路取樣電壓不是U0，而是U0經(jīng)3.3KΩ電位器與300Ω電阻分壓后的U0'。

由圖可見：

U0'=0.3~3.6KΩ3.6KΩU0=(112~1)U0

反饋電壓的減小，相當反饋電阻增大為(12~1)倍，因此其增益為

K1=1~12R1R0=1~1251KΩ10KΩ=(1~12)×5.1

其時間常數(shù)T1=R1C1=51×103×1×10-6=5.1×10-2s

(2)G2s為比例環(huán)節(jié)

G2s=K2=R2R0=100KΩ10KΩ=10。

(3)G3s為比例微分環(huán)節(jié)

5、題3-11圖3-28為一自動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，其中R(s)為給定量，D1(s)與D2(s)為兩個擾動量。求取系統(tǒng)在R(s)、D1(s)和D2(s)同時作用下的輸出C(s)。[解]由圖3-28并參考式（3-45）有C題3-12化簡圖3-29a、b所示的系統(tǒng)框圖。a)b)圖3-29自動控制系統(tǒng)框圖答：a)[Gb)G7、題3-13應用公式求取圖3-29a、b所有系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)?s[解]（１）對圖3-29a所示系統(tǒng)，要特別注意的是：系統(tǒng)框圖中的H1(s)構成的回路不是反饋回環(huán)，而是G1(s)、G2(s)的并聯(lián)支路。于是先并聯(lián)后，再應用式（3-38），可求得

C(s)R(s)=G1sG2s+H1sG38、題3-14圖3-30為一調(diào)速系統(tǒng)框圖，其中Ui(s)為給定量，?U(s)為擾動量（電網(wǎng)電壓波動）。求取轉速對給定量的閉環(huán)傳遞函數(shù)N(s)Ui(s)[解]由圖3-30并參考式（3-45）有

N第4章分析自動控制系統(tǒng)性能常用的方法1、題4-11畫出題4-9中所列的比例積分調(diào)節(jié)器的對數(shù)幅頻特征L(ω)（Bode圖）。[解]先將PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)化成標準形式：

Gs=K(Ts+1)Ts=100(0.1s+1)s=10(0.1s+1)0.1s于是L(ω)如圖4-18b）所示，其低頻漸進線為-20dB2、題4-12畫出第3章習題3-9（圖3-26）中c圖所示的調(diào)節(jié)器的對數(shù)幅頻特征

L(ω)（Bode圖）。設圖中R0=10kΩ，R1=22kΩ，[解]由題3-9解答有G上式中，K=20lgK=20lg2.2dB=6.85dBτωτω于是可畫出對數(shù)幅頻特征L(ω)如下圖所示由于τ2>3、題4-13已知某隨動系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖4-40所示。圖中的Gc(s)為檢測環(huán)節(jié)和串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的總傳遞函數(shù)?，F(xiàn)設Gcs試寫出該隨動系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，畫出該系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特征L(ω)（伯德圖）。圖4-40某隨動系統(tǒng)框圖由圖4-42可見，系統(tǒng)的固有部分的傳遞函數(shù)為G串聯(lián)ＰＩ調(diào)節(jié)器后，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為G上式中，K=400,∴20lgK=20lg400=52.0dB；T1T2=0.25s，于是可畫出如下圖所示的對數(shù)幅頻特性L(ω)。4、題4-14若上題中，Gc(s)為比例調(diào)節(jié)器，并設若KcG在上式中，K=50T1于是可畫出如下圖所示的對數(shù)幅頻特性L(ω)5、題4-15已知某比例-積分-微分（PID）調(diào)節(jié)器的對數(shù)幅頻特征如圖4-41所示。寫出該調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。圖4-41某PID調(diào)節(jié)器的對數(shù)幅頻特性由圖4-41可見，此環(huán)節(jié)有4個交接頻率，他們分別是：ω1ω3=8rad此環(huán)節(jié)低頻漸近線為０dB/dec水平線，所以不含積分環(huán)節(jié)。另由水平線高度為20dB有，20lgK=20dB可得K=10。因此，由圖可得出其傳遞函數(shù)為G6、題4-16求取題4-13所示系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)?(s)。并應用MATLAB軟件，求取?(s)的零點與極點。并在s7、題4-17求取題4-14所示系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)?(s)。并應用MATLAB軟件，求取?(s)的零點與極點。并在8、題4-18應用SIMULINK軟件，建立如題4-13所示系統(tǒng)的仿真模型，并求此系統(tǒng)校正前、后的單位階躍響應曲線。（1）校正前，系統(tǒng)仿真及階躍響應曲線（2）比例積分（PI）校正后，系統(tǒng)仿真及階躍響應曲線9、題4-19應用MATLAB的SIMULINK工具箱，建立如圖4-14所示系統(tǒng)的仿真模型，并求此系統(tǒng)的單位階躍響應曲線。（2）比例（P）校正后，系統(tǒng)仿真及階躍響應曲線10、題4-20比較題4-18所示系統(tǒng)與題4-19所示系統(tǒng)輸出的技術性能，從中分析校正裝置對系統(tǒng)性能的影響。（答）參見題5-24（3）解答中的分析第5章自動控制系統(tǒng)的性能分析1、題5-1今將一調(diào)速系統(tǒng)改制為位置跟隨系統(tǒng)（以位置負反饋取代轉速負反饋），系統(tǒng)的其他結構、參數(shù)未變。若原調(diào)速系統(tǒng)是一個穩(wěn)定系統(tǒng)，則由它改制的位置控制系統(tǒng)是否也將是穩(wěn)定的？為什么？［答］由于位置跟隨系統(tǒng)的輸出量為角位移θ，而調(diào)速系統(tǒng)的輸出量為轉速n，兩者間的關系θs=2π601sN(s)。因此，在同一個系統(tǒng)中，作為位置跟隨系統(tǒng)將較調(diào)速系統(tǒng)多包含一個積分環(huán)節(jié)，它將使系統(tǒng)的相位穩(wěn)定裕量顯著下降（減少2、題5-2在調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)一采用PI調(diào)節(jié)器控制的調(diào)速系統(tǒng)持續(xù)振蕩，試分析可采取哪些措施使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。［答］當速度調(diào)節(jié)器為比例積分（PI）調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)振蕩時，可采取的措施有：

（1）(PI）調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)Gs=Kn(Tns+1)(Tns)，減?。校烧{(diào)節(jié)器的增益Kn，可使系統(tǒng)的穩(wěn)定性改善（相位裕量γ增加）。

（2）適當增加速度調(diào)節(jié)器的時間常數(shù)Tn(即增大Cn)，這一方面可使系統(tǒng)的總增益下降[注意ＰＩ調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)分母中G(s)含有Tn]，有利系統(tǒng)穩(wěn)定。另一方面，G(s)的分子(Tns+1)中的Tn增加，使它產(chǎn)生的相位(+arctanTnωc)增大，它使系統(tǒng)的相位穩(wěn)定裕量增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性改善。

（3）將構成ＰＩ調(diào)節(jié)器的運放電路中的反饋電容Cn短接。這樣便將比例積分（ＰＩ）調(diào)節(jié)器變換成比例（Ｐ）調(diào)節(jié)器，這將使相位穩(wěn)定裕量增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯改善。［原先ＰＩ調(diào)節(jié)器使相位滯后的電角為(-90o+arctanTnω3、題5-3在研制具有厚度檢測反饋控制，以電動機為驅動部件的銅箔軋制系統(tǒng)時，發(fā)現(xiàn)軋制出來的銅箔嚴重厚薄不勻，你認為對檢測-加工系統(tǒng)應該從哪些方面去進行改進與調(diào)整？［答］銅箔軋制系統(tǒng)通常是由多臺電動機同步聯(lián)動驅動的，若電動機轉速不穩(wěn)定，便會產(chǎn)生銅箔厚薄不均勻的現(xiàn)象。因此當發(fā)現(xiàn)軋制出來的銅箔嚴重不均勻時，便可推斷可能是電動機的轉速不穩(wěn)定造成的。對這種傳動精度和穩(wěn)定性的要求都是比較高的場合，一般都采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。而且為了保證有足夠的穩(wěn)定裕量，常常采用上題（５－２題）解答中介紹的（１）、（２）、（４）三種方法。并且盡量采用轉動慣量較小的電動機和盡量使銅箔厚度檢測點靠近軋制點（以減少反饋量在時間上的延遲）。4、題5-7不用計算或作圖，對照式（5-7），判斷下列閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀況（穩(wěn)定、不穩(wěn)定、穩(wěn)定狀況無法確定）。下列系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為①G②G③G④G⑤G［答］①穩(wěn)定，②穩(wěn)定邊界（屬不穩(wěn)定），③不穩(wěn)定，④穩(wěn)定，⑤穩(wěn)定。5、題5-8某系統(tǒng)對跟隨信號為無靜差，則對擾動信號是否也是無靜差？反之，若對擾動信號為無靜差，則對跟隨信號是否也是無靜差？為什么？［答］若某控制系統(tǒng)對跟隨信號為無靜差，對擾動信號則不一定為無靜差，因為這要看系統(tǒng)所含的積分環(huán)節(jié)在擾動量作用點之前還是之后，若是后者則為有靜差。若對擾動量系統(tǒng)為無靜差，這說明前向通路中含有積分環(huán)節(jié)。這樣，對跟隨信號也將是無靜差的。6、題5-9在分析系統(tǒng)性能時，對調(diào)速系統(tǒng)為什么通常以階躍輸入信號為代表；而對追隨系統(tǒng)為什么又通常以速度輸入信號為代表？［答］由于調(diào)速系統(tǒng)為恒值控制系統(tǒng)，所以通常以階躍信號作為典型輸入量（階躍信號的穩(wěn)態(tài)即為恒值信號）。而在隨動系統(tǒng)中，輸入量一般是變化著的。在不斷變化著的信號中，等速信號是最簡單的一種，所以在分析跟隨性能時，通常以等速信號作為典型輸入量。7、題5-21證明典型二階系統(tǒng)G(s)=K/[s(T1s+1)]在K>1/T時，ωc提示：在Bode圖上，對等分坐標，縱坐標為20lgK，橫坐標則為lgω；這樣，便可用幾何圖形的方法，求得L( ω)與橫軸的交點ωC（下同）。答：Bode圖如下L(ω1)lgω18、題5-22證明圖5-28所示的典型Ⅱ型系統(tǒng)的穿越頻率ωc答：Ⅱ型系統(tǒng)低頻延長線與橫軸交點頻率ω=K，Lω1=40lg9、題5-23若如圖5-28所示的系統(tǒng)為最小相位系統(tǒng)，求此系統(tǒng)的相位穩(wěn)定裕量γ為多少？［解］由圖5-28有20lgK=40dB，∴K=100；r=arctan==10、題5-24判斷第4章習題中下列系統(tǒng)是否穩(wěn)定，并求其相位穩(wěn)定裕量γ為多少（利用在上章中已解習題的伯德圖）⑴4-13題所列系統(tǒng)⑵4-14題所列系統(tǒng)⑶比較題4-13和題4-14所列系統(tǒng)的差別（分析不同調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響）[解](1)ωcr=arctan = =(2)校正前ωγ= (３)校正后ω γ(４)分析:①校正前γ=11.3o,比例校正使增益降為1/2,使γ'=15.8o

,相對穩(wěn)定性有改善,但不明顯。

②采用PI調(diào)節(jié)器后γ變?yōu)?o11、題5-25在如圖3-12所示的軋鋼機的自動控制系統(tǒng)中，若已知此系統(tǒng)未計檢測延時的影響時，其開環(huán)傳遞函數(shù)為Gs=5s0.1s+1(1)先求出系統(tǒng)在未計及測量環(huán)節(jié)在時間上的延遲時的相位穩(wěn)定裕量。此時系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)

G由上式可知，此時K=5，T1=0.1(ω1=1/T1=10rad/s),T2=0.1(ω2=1/T2=100rad/s),由上述數(shù)字可知，此時K<1/T1，所以穿越頻率ωc=K=5，于是可得相位裕量γ=180°-1×90°-arctan（T1ωc）-arctan（T2ωc）=180°-90°-arctan（0.1×5）-arctan（0.01×5）=90°-26.6°-2.9°=60.5°=1.05rad（2）若計及延遲環(huán)節(jié)影響，要使系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，則延時環(huán)節(jié)造成相位上的滯后[φ0（ωc）=τ0ωc]，不能超過相位裕量。即τ0ωc<γ由于測量環(huán)節(jié)延遲的時間τ0=d/u，帶入上式有dωd<γu有以上計算可知，測量儀器離軋制點的最大允許距離為0.63m(63cm)。12、題5-26在如圖5-18所示的系統(tǒng)中，若比例調(diào)節(jié)器的增益Kk=8，求此系統(tǒng)的相位穩(wěn)定裕量[解]圖5-18所示系統(tǒng)為三個慣性環(huán)節(jié)，它的Bode圖如圖5-10②曲線所示。

由圖5-18可見，

開環(huán)增益K=8×40×8.33×0.01=26.6，ω1ω2ω3此時的算越頻率ωc如圖（5-2）e于是有：ωc于是由式（5-7）有：γ== =18013、題5-27圖5-29為一隨動系統(tǒng)框圖，設圖中K1=2V/(O)，K2=10O/(V?s)，T[解]（1）由圖5-29可見，系統(tǒng)前向通路中含有一個積分環(huán)節(jié)，由于給定輸入量為階躍信號，所以其跟隨穩(wěn)態(tài)誤差essr=0（2）由圖可見，在擾動量作用電前不含積分環(huán)節(jié)，v1=0，所以擾動誤差為

essd≈sv1+1αK1Ds=s2V/(O)κ?2VΘ系統(tǒng)輸出量得穩(wěn)態(tài)值可應用終值定理求得，即

θoss=limt→∞θ0(t)=lims→0sΘ0(s)

以前式Θ0s代入上式（當s→0時，14、題5-28圖5-30為某調(diào)速系統(tǒng)框圖。①求該系統(tǒng)因擾動而引起的穩(wěn)態(tài)誤差△n。②求該系統(tǒng)的靜差率？（設如圖所示的轉速為系統(tǒng)額定最低轉速）。③怎樣才能減小靜差率？怎樣才能實現(xiàn)無靜差？圖5-30所示系統(tǒng)中，擾動量作用點前，不含積分環(huán)節(jié)，由于v1=0及v2=0，不可采用近似公式，所以，由式（5-27）有e此時的轉速n由終值定理可求得n=177.8-11.1=166.7r/min（題意即nmin）靜差率s（3）=1\*GB3①增大增益K，=2\*GB3②在D（s）前采用PI或PID調(diào)節(jié)器15、題5-29圖5-31所示為仿型機床位置隨動系統(tǒng)示意圖。求該系統(tǒng)的：阻尼比ξ及無阻尼自然振蕩頻率ωn在單位階躍作用下的動態(tài)性能超調(diào)量σ，調(diào)整時間[解]與標準形式對照得ξ=0.167，ωn=3rad/s，T=1s。由以上參數(shù)由公式或曲線圖得第6章自動控制系統(tǒng)的校正1、題6-6為什么PID校正稱為相位滯后-超前校正，而不稱為相位超前-滯后校正？相位即滯后又超前，能否相互抵消？能不能將這種校正更改為相位超前-滯后校正？若作這樣的變更，對系統(tǒng)又會產(chǎn)生怎樣的影響？[答]PID串聯(lián)校正是在低頻段使系統(tǒng)的相位滯后，可改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而在中頻段，它使系統(tǒng)的相位超前，可增加系統(tǒng)的相位裕量和穿越頻率，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性得到改善；由于人們分析頻率特性時，通常由低頻段中頻段高頻段的順序去探討問題的，因此按此順序命名為相位滯后-超前校正。此外，由于相位的滯后與超前，不是在同一個頻率點發(fā)生的。因此不能相互抵消。若采取在低頻段使相位超前，而在中頻段使相位滯后，則效果與上述相反，將使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和穩(wěn)定性，快速性全面變差，因此，這是不可取的。2、題6-7在位置隨動系統(tǒng)中，采用位置的比例加微分負反饋，試問在信號綜合處（比較點處），反饋信號代表的是什么物理量？[答]在教材圖6-11a所示的隨動系統(tǒng)中，若串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)：與對應的與此校正環(huán)節(jié)的伯德圖如圖（6-1）所示。

由圖可見，它為相位超前校正，將改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性，使最大的超調(diào)量減小，振蕩次數(shù)減少，調(diào)整時間縮短。3、題6-9圖6-23為一隨動系統(tǒng)框圖，框圖中標出各種可能增添的環(huán)節(jié)（從eq\o\ac(○,1)~eq\o\ac(○,11)），試說明它們的名稱。[答]①比例(P)串聯(lián)校正；

②比例加微分(PD)串聯(lián)校正；

③比例加積分(PI)串聯(lián)校正；

④比例加積分加微分(PID)串聯(lián)校正；

⑤轉速負反饋（位置微分負反饋）；

⑥轉速微分負反饋（角加速度負反饋）；

⑦位置負反饋（主反饋）；

⑧擾動順饋補償；

⑨擾動微分順饋補償；

⑩輸入順饋補償；

⑾輸入微分順饋補償。4、6-10應用MATLAB/SIMULINK，求取例6-2所示系統(tǒng)校正前、后的斜坡輸入響應曲線，并通過比較，分析PID校正對系統(tǒng)性能的影響。答：校正前：校正后：4、題6-11圖6-24為某單位負反饋系統(tǒng)校正前、后的開環(huán)對數(shù)幅頻特征（漸近線）（此為最小相位系統(tǒng)）。寫出系統(tǒng)校正前、后的開環(huán)傳遞函數(shù)G1(s)和求出串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)Gc求出校正前、后系統(tǒng)的相位裕量γ1和γ分析校正對系統(tǒng)動、穩(wěn)態(tài)性能（σ、解：(1)在式中K=0.3，T=0.1s，此時為PI調(diào)節(jié)器。其電路圖如表6-2a）所示。若選取R0=20KΩ，則R1=KR0=0.3×20KΩ(取6.2KΩ)由T=R1C1有，①穩(wěn)態(tài)性能：校正后，系統(tǒng)有O型變?yōu)镮型，對階躍信號由有靜差為無靜差，穩(wěn)態(tài)性能明顯改善。②穩(wěn)定性：由于PI調(diào)節(jié)器的增益K=0.3，增益減小，使相位裕量γ有所增加（γ有54.5?！?9.0。），穩(wěn)定性改善，σ與N均有減少。由此例可見，適當降低增益，可彌補PI校正對穩(wěn)定性的消極影響。③快速性：ωc由70rad/s→30rad/s，t3↑，快速性變差。5、題6-12若對如圖6-25所示的系統(tǒng)中的一個大慣性環(huán)節(jié)采用微分負反饋校正（軟反饋），試分析它對系統(tǒng)性能的影響。設圖中K1未設反饋校正時系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。增設反饋校正后，再求校正后系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。[解]

K2Ts+1被微分負反饋（βsK系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)G與式（5-33）對照有ωn=KT可得校正前、后的性能對比如表(6-6)所示。注：(ess對階躍信號而言)

由于微分負反饋，在穩(wěn)態(tài)不起作用，所以對穩(wěn)態(tài)性能無影響。微分負反饋對慣性環(huán)節(jié)的影響是使慣性時間常數(shù)變大，這將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速都變差(σ由55%→66%，由6.3s→14.6s6、題6-13在上題中，若將反饋校正改為硬反饋，并設傳遞函數(shù)為α=0.01，應用SIMULINK[解]

1、校正前，系統(tǒng)仿真及階躍響應曲線2、對大慣性環(huán)節(jié)，采用硬反饋校正后的系統(tǒng)統(tǒng)仿真及階躍響應曲線結論：對照校正前后的階躍響應曲線，不難發(fā)現(xiàn)，對大慣性環(huán)節(jié)采用硬反饋校正后，超調(diào)量明顯減?。é矣?0%→25%），快速性明顯加快（ts由7秒→3.5秒），系統(tǒng)性能明顯改善。第7章直流調(diào)速系統(tǒng)1、題7-4和題7-5如果反饋信號線斷線，會產(chǎn)生怎樣的后果？為什么？如果負反饋信號線極性反了，會產(chǎn)生怎樣的后果？為什么？[答]在反饋控制系統(tǒng)中，控制器的的輸入量通常是給定量與反饋量的偏差量（Δx），Δx=xs-xf,式中xs為給定量,

xf為反饋量。通常Δx相對xs（或xf）是很小的，例如設xs=10,xf=9.5，則Δx=0.5。當反饋信號線斷線（xf=0）[或反饋信號線接反（xf=-9.5）]時,則Δx變?yōu)?０2、題7-6電流負反饋、電流微分負反饋和電流截止負反饋這三種反饋環(huán)節(jié)各起什么作用？它們間的主要區(qū)別在哪里？它們能否同時在同一個控制系統(tǒng)中應用？[答]電流負反饋環(huán)節(jié)、電流微分反饋環(huán)節(jié)和電流截止負反饋環(huán)節(jié)在結構、特點和作用上的區(qū)別如表(7-1)所示。由于它們之間不存在相互的制約因素，因此在同一個控制系統(tǒng)中，可以同時采用。3、題7-8為了抑制零飄，通常在PI調(diào)節(jié)器的反饋回路中并聯(lián)一高阻值的電阻。試分析這對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)性能的影響。[答]PI調(diào)節(jié)器的反饋回路并聯(lián)一個電阻后，其傳遞函數(shù)由K(TS+1)/T4、題7-9當PI調(diào)節(jié)器輸入電壓信號為零時，它的輸出電壓是否為零？為什么？[答]不為零。這電壓靠反饋電容器上的充電電壓維持的。5、題7-10在直流調(diào)速系統(tǒng)中，若希望快速啟動，采用怎樣的線路？若希望平穩(wěn)啟動，則又采用怎樣的線路。[答]增添微分環(huán)節(jié)，將加速啟動過程（如采用PID調(diào)節(jié)器）。增添給定積分環(huán)節(jié)，將使啟動過程平穩(wěn)（如采用給定積分電路）。6、題7-11在調(diào)試如圖7-1所示直流調(diào)速系統(tǒng)時，若發(fā)現(xiàn)下列情況，應怎樣進行整定？系統(tǒng)振蕩；啟動時，啟動電流過大；穩(wěn)態(tài)精度不夠，（靜差率s太大）；[答]①a.降低比例調(diào)節(jié)器增益；b.采用比例微分調(diào)節(jié)器；c.采用PID調(diào)節(jié)器。

②由截止電流

IB=U0/Rc

③a.增大增益；b.采用PI調(diào)節(jié)器;C.采用PID調(diào)節(jié)器。以上均以降低系統(tǒng)穩(wěn)定性為條件，因此要注意系統(tǒng)動態(tài)性能改變的情況。7、題7-12在調(diào)試轉速中、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)時，發(fā)現(xiàn)電流環(huán)振蕩，問應怎樣進行整定？[答]參見題7-11①解答8、題7-13在上題中，若電流環(huán)已整定好（不再振蕩），但接上速度調(diào)節(jié)器后，系統(tǒng)（電機）又發(fā)生振蕩，問這時又怎樣進行調(diào)試。

[答]主要調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)器參數(shù)，并參見題7-11①解答。9、題7-15在如圖7-30所示的H型供電電路中，若同一個橋臂上的兩個BJT管（如V1和V2）同時導通，會產(chǎn)生怎樣的后果？怎樣才能避免這種情況發(fā)生？[答]V1與V2同時導通會對電源形成短路，燒壞元件。常用的防止措施是在驅動電路中增加延時環(huán)節(jié)，使后面的管子延時導通。10、題7-16在調(diào)速系統(tǒng)中，若電網(wǎng)電壓波動（設電壓降低），則會產(chǎn)生怎樣的后果？為什么？若設有轉速負反饋環(huán)節(jié)，能否起自動補償作用？寫出其自動調(diào)節(jié)過程。答：電動機轉速降低但可以被轉速負反饋自動補償。在轉速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中，當負載增加以后轉速下降，可通過負反饋環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用使轉速有所回升，系統(tǒng)調(diào)節(jié)前后，電動機電樞電壓將增大，電動機主電路電流將增大。不能。轉速負反饋調(diào)速系統(tǒng)示意：負載↑-n↓-ufn↓-△un↑-un↑-ud↑-n↑當轉速n下降，調(diào)整的結果使n回升到接近原來的值；當轉速n上升時，調(diào)整的結果使n下降到原來的值。這就形成了速度負反饋閉環(huán)系統(tǒng)，被控量也參加了控制作用，形成了閉環(huán)。11、題7-17在KZD-Ⅱ型直流調(diào)速系統(tǒng)中（見圖7-10），試判斷下列情況下，對系統(tǒng)性能將產(chǎn)生怎樣的變化？二極管VD4極性接反。穩(wěn)壓管2CW9損壞（短路或斷路）。電位器RP5右移。電位器RP3下移。[解]①二極管VD4極性接反，控制電路（包括電壓放大電路）與電源間的連接將被VD4

阻斷，系統(tǒng)無法工作。②若2CW9穩(wěn)壓管斷路，電流截止負反饋信號將無法送出，電路機啟動時將會產(chǎn)生很大的啟動電流，把晶閘管燒壞。若2CW9穩(wěn)壓管短路，則電流截止負反饋變?yōu)殡娏髫摲答仯鼘⒁种齐娏魃仙?，使啟動過程變慢，機械特性變軟。③電位器RP5右移，將使電流正反饋電壓UfI④電位RP3下移，意味著給定電壓下降，它將使電動機的轉速降低。12、題7-18圖7-41為一實例線路圖（圖中限流環(huán)節(jié)為畫出）。圖中SM為微型伺服電動機。通過讀圖，請回答下列問題:這是什么控制系統(tǒng)？伺服電動機的最大供電電壓為多少？伺服電動機的最大供電電流為多少？伺服電動機能否實現(xiàn)正、反可逆轉動？為什么？⑴由圖可見,SG1731模塊的輸出端A、B直接供給一永磁式直流伺服電動機。此外模塊中的偏差放大器的反相輸入端4是接入給定指令（電壓），而其正相輸入端3則接入直流測速發(fā)電機的輸出信號，因此這是轉速負反饋。不難推斷，這是一個直流調(diào)速系統(tǒng)。⑵由于集成模塊的橋式功放電路的供電電壓±U0=±15V⑶由于此模塊的最大輸出電流為±100mA，所以供給電動機的最大電流也是±100mA。由此可見，系統(tǒng)中的直流伺服電動機是一個微型電動機。⑷由于輸出端A、B（12、13腳）能交替產(chǎn)生正、反向電壓（UA=“+”時，UB＝“0”；反之當UB=“+”時，⑸此時偏差放大器的輸入回路阻抗為一電阻，而它的輸出端5與輸入端4之間，接入并聯(lián)著的電阻、電容；所以這是一個慣性調(diào)節(jié)器。它的作用是實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。⑹由于ＳＧ１７３１模塊的結構所致，它只能輸出單極性ＰＷＭ波形的電壓。因此伺服電動兩端的電壓波形便是單極性的脈寬調(diào)制波。⑺由于具有轉速負反饋環(huán)節(jié)，所以它是閉環(huán)控制系統(tǒng)。又由于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器是慣性調(diào)節(jié)器，對調(diào)速系統(tǒng)來說，它將是一個有靜差控制系統(tǒng)[若要實現(xiàn)無靜差，應采用比例積分(ＰＩ)調(diào)節(jié)器，即在4、5腳之間，接入一個電阻與電容串聯(lián)的阻抗]。（8）此模塊輸出的電壓的開關頻率f=5×1042×ΔU×C式中ΔU=2UA+-2UL13、題7-19畫出圖7-41所示系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。14、題7-20圖7-42為KCJ-1型小功率直流調(diào)速系統(tǒng)電路圖。試分析：1）該系統(tǒng)有哪些反饋環(huán)節(jié)？由哪些元件構成？2）電位器RP1~RP6各起什么作用？3）此系統(tǒng)對轉速為有靜差還是無靜差系統(tǒng)？4）畫出系統(tǒng)框圖。答：1）電壓負反饋環(huán)節(jié)由R3、R16、RP6組成；電流截至負反饋環(huán)節(jié)由R15、RP5、VD15、VT組成。2）RP1：起到限速的作用；RP2：調(diào)整RP2的大小與電壓反饋信號疊加后送入運算放大器的2腳，便可改變放大器的輸出，從而使KC05移相，也就是使直流電動機轉速發(fā)生變化。RP3：調(diào)節(jié)運放器零點，使之“零輸入”時，“零輸出”。RP4：調(diào)節(jié)鋸齒波斜率。RP5：與R15并聯(lián)，RP5分壓隨R15增大而增大，減小而減小，從而控制V1基極電壓大小。RP6：取出反饋電壓，加在放大器的輸入端。3）無靜差系統(tǒng)4）15、題7-21圖7-43為一注塑機直流調(diào)速系統(tǒng)實例線路圖。試搞清楚該線路圖中所有的元件的作用；分析該系統(tǒng)有哪些反饋環(huán)節(jié)，它們的作用是什么？系統(tǒng)中VD1是什么元件？RS是什么元件？各起什么作用？系統(tǒng)中的電容C1和C2各起什么作用？系統(tǒng)中的二極管VD2～VD8各起什么作用？系統(tǒng)中的各個電位器（RP1~RP9）各調(diào)節(jié)什么量，若設各電位器觸點下移（或右移），則對系統(tǒng)的性能或運行狀況會產(chǎn)生怎樣的影響。提示：圖中RP4（300Ω）電位器是用來調(diào)節(jié)勵磁電流，以進行調(diào)磁調(diào)速的。當弱磁升速使超過額定轉速時，這時測速反饋電壓Ufn也隨之升高，它將使偏差電壓ΔU=(US-Ufn)降低，從而導致Ud的降低，影響轉速n的上升。為了補償這種消極影響，與RP4電位器同軸帶動一個RP(1)主電路：圖中Ｍ為直流電動機（控制對象）。它由單相半控橋式整流電路供電。電路中VD2為續(xù)流二極管（由于電動機為感性負載，它為感性負載提供放電回路，使晶閘管在交流電壓過零時能關斷）。VD1

為正組與負組對接的硒堆（吸收交流側浪涌電壓）。在元件兩端和直流側的阻容吸收電路為吸收作用于元件和直流側的尖脈沖過電壓。ＲＳ為分流器，（為電流表提供電流取樣信號）。（I>）為過電流繼電器（過電流保護，它對主電路的保護，線路圖中未畫出）。RC為電樞電流取樣電阻，RP5為調(diào)節(jié)電流取樣信號的電位器。RP6是調(diào)節(jié)電樞電壓取樣信號的電位器。電動機的勵磁回路由(2)觸發(fā)電路：它由單晶體管組成的自激震蕩電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖（其工作原理可參見教材中的有關論述）。其脈沖輸出經(jīng)電壓放大后供給脈沖變壓器一次線圈，與線圈并聯(lián)的VD5

為續(xù)流二極管。脈沖變壓器有兩個二次線圈，分送兩個晶閘管門極。與門極并聯(lián)的電容是限制門極電壓的dv/dt大，與門極反并聯(lián)一二極管為門極反向過電壓限幅保護，二極管VD7為阻擋反向脈沖形成。與脈沖輸出電路并聯(lián)一個（容量較大的）電解電容，是為了讓它在脈沖輸出時向脈沖變壓器一次線圈放電，以增加脈沖功率和脈沖前沿陡度。為了避免此電容使觸發(fā)電路同步電壓的過零點消失，因此增設了隔離二極管VD(3)控制電路：給定電壓由電位器RP1給出，它與轉速負反饋電壓疊加后（此兩電壓極性相反）送往放大觸發(fā)電路。（在分析控制電路時，要首先注意找出公共端線，在此系統(tǒng)中，與電位器RP3滑動端相聯(lián)的線為公共端線）。圖中RP2為調(diào)節(jié)最大給定電壓（亦即整定系統(tǒng)的最高轉速），RP3調(diào)節(jié)最小給定電壓（亦即整定最低轉速）。在放大器的輸入端設有由二極管構成的正、反向限幅電路。(4)反饋環(huán)節(jié)：此系統(tǒng)含有的反饋環(huán)節(jié)有：1)轉速負反饋，它由測速發(fā)電機ＴＧ提供反饋信號，與給定電壓反向串聯(lián)疊加后送往控制電路。它的作用是保持系統(tǒng)轉速恒定。電位器RP9調(diào)整反饋電壓大小。與測速發(fā)電機并聯(lián)的電壓表讀數(shù)與轉速成正比，因此可做轉速指示，電位器RP8整定轉速的讀數(shù)。2)電壓微分負反饋，它由電位器迫RP6取出電壓反饋信號，再經(jīng)電阻與電容輸出，形成電壓微分負反饋（因其極性與給定電壓相反）（注意RP6的上端為公共端）。此電壓信號與給定信號在放大器輸入端為并聯(lián)輸入。電壓微分負反饋環(huán)節(jié)主要是抑制電樞電壓的上升率（dv/dt），使系統(tǒng)的動態(tài)過程平穩(wěn)。限制3)電流截止負反饋，它由電位器RP5取出電流信號電壓Ufi再與穩(wěn)壓管V2的閾值電壓（轉折電壓）進行比較后去控制－３ＤＧ６Ｄ三極管的基極（此三極管對形成鋸齒波的充放電電容器構成放電電路）。當電樞電流超過某允許值（截止電流）時，電流信號電壓超過穩(wěn)壓管的轉折電壓，將穩(wěn)壓管“擊穿”(5)電位器RP1～RP9下移（或右移）對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響如下：1)RP1下移：調(diào)節(jié)電動機轉速，（使轉速下降）。2)RP2下移：整定系統(tǒng)最高轉速（增加），（RP2

壓降減小，RP1上端電位上升）。3)RP3下移：調(diào)整系統(tǒng)最低轉速（增大），（RP1下端電位上升）。4)RP4左移：調(diào)磁調(diào)速，它將使電動機勵磁回路電阻增加，勵磁電流減小，磁通減小，電機轉速增加。于此同時，與RP4同軸的RP3觸點將下降。將使給定電壓增大（注意RP3觸點為公共端，RP3觸點下移，將使RP1電位升高）（為便于理解，改為RP4左移來說明）。5)RP5右移：整定系統(tǒng)截止電流數(shù)值（增大），（RP5右移，取出信號將減小，因此需較大電流才能使信號電壓將V2

擊穿，因此截止電流數(shù)值增大）。截止電流數(shù)值增大將加快啟動過程，但保護作用減弱。6)RP6下移：電壓取樣信號增加（相對公共端線而言），它將使dv/7)RP7下移：增大微分電路的時間常數(shù)。8)RP8：下移轉速指示讀數(shù)減小，整定讀數(shù)，使之準確。9)RP9：下移整定轉速反饋系數(shù)α（使α減?。?，α減小，將使系統(tǒng)額定轉速增大。16、題7-22圖7-44為一小功率脈寬調(diào)制控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的實際電路。試分析：這是開環(huán)控制還是閉環(huán)控制？這是可逆調(diào)速系統(tǒng)還是不可逆調(diào)速系統(tǒng)？電動機兩端電壓的波形是怎樣的（單極性的還是雙極性的）？電動機端電壓的調(diào)節(jié)范圍為多少？答：1）閉環(huán)控制2）可逆調(diào)速系統(tǒng)3）雙極性的；-12~+12V第8章交流調(diào)速系統(tǒng)1、題8-7試畫出變頻調(diào)速的機械特性，并簡要分析其特點。答：基頻以下的恒磁通調(diào)速：恒U1/f1控制模式特點：由于異步電動機電磁轉矩與定子電壓的二次方成正比，隨著電壓和頻率的降低，電動機的輸出轉矩有較大幅值減少，因此在低頻時需要加定子電壓補償。但是即便如此，恒U1/f1控制模式在低頻時帶負載的能力仍然有限，使其調(diào)速范圍受到限制并影響系統(tǒng)性能。2、恒Eg/f1控制模式特點：恒Eg/f1控制模式因其定子壓降得到完全補償，在調(diào)速過程中最大轉矩保持不變，系統(tǒng)性能優(yōu)于前者，但其機械特性還是非線性的，輸出轉矩的能力仍受一定限制。3、恒Er/f1控制模式的機械特性曲線特點：恒Er/f1控制模式能獲得與直流電動機一樣的線性機械特性，其動靜性能優(yōu)越?；l以上的恒壓變頻調(diào)速特點：由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢必減弱，導致轉矩減小，但轉速卻升高了，可以證明輸出功率基本不變。所有，基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁功率調(diào)速。2、題8-8簡述SPWM變壓變頻器的工作原理。答：SPWM變壓變頻器以一定的頻率控制開關器件開通與關斷得到接近正弦的SPWM波。具體調(diào)制方法是利用正弦波作為基準調(diào)制波，以等腰三角波作為載波。當U相調(diào)制波電壓大于載波電壓時，VT1導通，輸出電壓為Ud/2；當調(diào)制波電壓小于載波電壓時，VT1關斷，輸出電壓為零。這樣，對VT1的反復通斷進行控制，就獲得了正向PWM波形。在負半周中，用類似的方法反復控制VT4的通斷可獲得負向PWM波形，這樣就得到了U相的SPWM波。如果讓同一橋臂上、下兩只開關器件交替地導通與關斷，則輸出正負脈沖，便得到了雙極式SPWM波。同理，控制VT3和VT6的通斷可得到V相的SPWM波；控制VT5和VT2的通斷可得到W相的SPWM波。改變調(diào)制波頻率，輸出電壓基波頻率隨之改變；改變調(diào)制波的幅值，輸出電壓基波幅值也隨之改變。3、題8-9試分析比較交-直-交電流源型變頻器的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)與交-直-交電壓源型變頻器的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點。答：交-直-交電流源型變頻器的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點：直流電流波形平穩(wěn)，回饋制動方便，動態(tài)響應速度快，輸出電壓易于反向。缺點：輸出電壓取決于負載，輸出電流波形對負載變化反應遲緩。交-直-交電壓源型變頻器的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點：直流電壓波形平穩(wěn)，輸出電流波形對負載變化反應迅速，輸出電壓不易反向。缺點：輸出阻抗小，動態(tài)響應速度較慢，實用不頻繁起制動、不可逆調(diào)速，實用條件有限，輸出波形取決于負載功率因素，有較大的諧波分量，輸出電壓不易反向。4、題8-10簡述采用交-直-交電壓源型變頻器的轉差頻率控制變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和優(yōu)缺點。答：工作原理：由光電碼測速器PG檢測電動機的轉速ωf，一路與轉速給定信號ωref，相比較，轉速誤差經(jīng)轉速調(diào)節(jié)器ASR（一般選擇PI調(diào)節(jié)器）并限幅以后產(chǎn)生轉差角頻率信號ωsref，再與另一路轉速檢測信號ωf，相加后形成定子給定角頻率ω1ref。通過函數(shù)發(fā)生器FG，按恒Egf1，控制曲線產(chǎn)生相應的定子電壓幅值給定信號優(yōu)點：頻率環(huán)節(jié)的輸入是轉差信號，而給定角頻率信號是由轉差信號與電動機的實際轉速信號相加后得到的，因此，逆變器輸出的實際角頻率ω1缺點：。其動態(tài)性能還不能完全達到直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的水平，這是因為在分析轉差頻率控制規(guī)律時，是從異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉矩公式出發(fā)的，所得到的“保持磁通Φm恒定”的結論也只有在穩(wěn)態(tài)情況下才成立。在動態(tài)中Φm不會恒定，這不得不影響系統(tǒng)的實際動態(tài)性能。電流ASR只控制了定子電流的幅值，并沒有控制到電流的相位，而在動態(tài)中電流相位如果不能及時趕上去，將延緩動態(tài)轉矩的變化。5、題8-11簡述矢量控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和優(yōu)缺點。答：工作原理：經(jīng)過坐標系變換以后可以等效成直流電動機，那么模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應的坐標系反變換，就能夠控制異步電動機了?；舅悸肥菍⑷嘟涣麟妱訖C繞組產(chǎn)生的旋轉磁場變換為和直流電動機類似的兩繞組產(chǎn)生的旋轉磁場，然后控制這兩個繞組中的電流，從而得到像直流電動機一樣的轉矩控制特性。優(yōu)點：①動態(tài)的高速響應。直流電動機受整流的限制，過高的轉速和di/dt是不容許的，異步電動機只受逆變器容量的限制，強迫電流的倍數(shù)可取得很高，故速度響應快，一般可達到毫秒級，在快速性方面已超過直流電動機。

②低頻轉矩增大。一般通用變頻器（VVVF控制）在低頻時轉矩常低于額定轉矩，在5Hz以下不能帶滿負載工作。而矢量控制變頻器由于能保持磁通恒定，轉矩與it呈線性關系，故在極低頻時也能使電動機的轉矩高于額定轉矩。圖3-13所示為二者機械特性的比較。矢量控制時1～50Hz范圍內(nèi)電動機轉矩均可保持為150%額定轉矩。③控制的靈活性。直流電動機常根據(jù)不同的負載對象，選用他勵、串勵、復勵等形式，它們各有不同的控制特點和機械特性。而在異步電動機矢量控制系統(tǒng)中，可使同一臺電動機輸出不同的特性。在系統(tǒng)內(nèi)用不同的函數(shù)發(fā)生器作為磁通調(diào)節(jié)器，即可獲得他勵或串勵直流電動機的機械特性。缺點：①按轉子磁鏈定向，實現(xiàn)了定子電流勵磁分量和轉矩分量的解耦，需要電流閉環(huán)控制。

②轉子磁鏈系統(tǒng)的控制對象是穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，可以采用磁鏈閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制。

③采用連續(xù)的PI控制，轉矩與磁鏈變化平穩(wěn)，電流閉環(huán)控制可有效地限制起、制動電流。

問題：

①轉子磁鏈計算精度受易于變化的轉子電阻的影響，轉子磁鏈的角度精度影響定向的準確性。

②需要進行矢量變換，系統(tǒng)結構復雜，運算量大。6、題8-12簡述直接轉矩控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和優(yōu)缺點。答：工作原理：基于在定子坐標系下建立的交流電動機數(shù)學模型，并用定子磁鏈定向代替轉子磁鏈定向，在靜止兩相坐標系上直接控制電動機的磁鏈和轉矩。直接將電動機瞬時轉矩和瞬時磁鏈作為狀態(tài)變量加以反饋，分別通過轉矩和磁鏈兩位式調(diào)節(jié)器，把轉矩檢測值和磁鏈檢測值分別與各自的給定值作比較，轉矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器的輸出直接對逆變器開關狀態(tài)做最佳調(diào)節(jié)，把轉矩和磁鏈波動限制在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，因此它的控制直接而簡單。優(yōu)點：1）由于它不需要模仿直流電動機的控制，因此所需要的信號處理工作比較簡單。2）直接轉矩控制采用定子磁場定向，因此定子磁鏈的估算只與相對比較容易測量、變化較小的定子電阻有關，所以磁鏈的估算更容易，受電動機參數(shù)變化的影響也較小。3）直接轉矩控制不進行坐標變換，計算簡單。缺點：1）在低速運行時，直接轉矩控制de轉矩脈動大，限制了系統(tǒng)的調(diào)速范圍。2）直接轉矩控制為了實現(xiàn)Bang-Bang控制，要求甲酸速度很快，必須在一個開關周期內(nèi)計算多次。3）對電動機參數(shù)變化不敏感，輸出轉矩有脈動，限制了系統(tǒng)的調(diào)速范圍。7、題8-13圖8-29為由IR2233驅動的三相IGBT逆變器電路。試判斷：1）這屬于哪一種逆變器？主要的用途有哪些？2）主電路屬哪一種電路，采用的器件（VT1~VT6）是什么器件？3）圖中的IC是什么芯片，它的功能有哪些？答：1）三相IGBT逆變器，主要用途將直流電變成交流電。2）三相全橋逆變電路，采用的器件是IGBT。3）IR2233芯片，功能有：直接驅動MOSFET或IGBT，可通過外部橋臂電阻取樣電流構成模擬反饋輸入，還具有故障電流保護功能和欠電壓保護功能，還能提供具有鎖存的故障信號輸出，此故障信號可由外部信號清楚。第9章位置隨動系統(tǒng)1、題9-1位置隨動系統(tǒng)在結構上和控制特點上與調(diào)速系統(tǒng)有哪些主要區(qū)別。[答]2、題9-2如果角位移差檢測裝置只能檢測角位移差的大小，而不能分辨它的極性，位置則隨動系統(tǒng)將會出現(xiàn)怎樣的情況。[答]系統(tǒng)將無法判斷如何朝減小偏差的方向運行。3、題9-3采用了轉速負反饋和轉速微分負反饋后，位置隨動系統(tǒng)的快速性是否會受影響？為什么？[答]轉速負反饋將限制轉速變化，轉速微分負反饋將限制加速變化，它們都將使位置跟隨的速度減慢，從而使系統(tǒng)的快速性變差。但有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。4、題9-5交流伺服電動機和直流伺服電動機在結構、性能（包括機械特性、調(diào)節(jié)特性、調(diào)速范圍、快速性等）和用途等方面有什么區(qū)別？[答]5、題9-8伺服電動機的機械特性與調(diào)節(jié)特性有什么區(qū)別？各有什么用途，它們是穩(wěn)態(tài)特性還是動態(tài)特性？[答]表（9-3）伺服電動機（或控制系統(tǒng)）的機械特性與調(diào)節(jié)特性的比較6、題9-9在位置隨動系統(tǒng)中，有開環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)，試說明它們間的區(qū)別，并各舉一個控制實例。又數(shù)控機床的控制系統(tǒng)，屬于哪種類型的控制系統(tǒng)。[答]1）開環(huán)系統(tǒng)——無反饋環(huán)節(jié)——如由步進電動機驅動的簡易型數(shù)控車床。2）半閉環(huán)系統(tǒng)——輸出量的間接反饋，如帶角位移負反饋構成的線位移控制系統(tǒng)——如帶光電編碼盤（角位移）負反饋的、由伺服電動機驅動的、數(shù)控機床走刀系統(tǒng)。由于輸出量為刀架的線位移，而檢測量為電動機的角位移，兩者之間經(jīng)過傳動機構會產(chǎn)生誤差（如間隙和靜摩擦帶來的誤差），精度不及閉環(huán)系統(tǒng)，但高于開環(huán)系統(tǒng)。3）閉環(huán)系統(tǒng)——輸出量的直接反饋——如由感應同步器檢測線位移的數(shù)控機床走刀系統(tǒng)。在數(shù)控機床的控制系統(tǒng)中，上述三種類型都有應用。7、題9-12畫出如圖1-10所示的位置隨動系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。若設伺服電動機的Ta?T它是幾階系統(tǒng)？它對給定信號為幾型系統(tǒng)？對單位階躍給定信號，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差ess為多少？對單位斜坡給定信號，若希望該隨動系統(tǒng)對斜波信號能夠跟隨，則對電壓放大器作怎樣的改進？

[解]圖1-10所示位置隨動系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下圖所示。①它是三階系統(tǒng)，對給定信號是I型系統(tǒng)。②由于它對給定信號為I型系統(tǒng)，所以對單位階躍給定信號ess=0③若希望e'ss=0,則對給定信號應校正成Ⅱ型系統(tǒng),因此可將電壓放大器KA改為PID調(diào)節(jié)器,如表6-2,e圖所示的調(diào)節(jié)器,

這樣就校正成