控制系统复习要点

1、运动控制系统复习要点一期末考试的题型与交流拖动控制系统比较，直流拖动控制系统是重点；考试内容各占 50% 左右。而直流电机控制的要求则是掌握，是以计算，分析，证明题方式出现；交 流的要求是了解和一般掌握，交流电机则以选择、判断、填空、简述的方式出现。10级考试题型及分数分配1判断题（15-20分，1020小题）范围广，2选择题（15-20分，1020小题）范围广3填空题（10分，1020小题）内容深，细节区分3设计题（10分，1小题）4简述题（10-15分，3小题）5设计题（10-15分，2小题）6分析与计算题（15-20分，4小题）7证明题（10-15分，2小题）二考试内容主要依据教材中的作

2、业和例题和复习题。三课程内容复习纲要 直流拖动系统（掌握）控制系统课程贯穿着一个基本方法： 理论联系实际来分析问题解决问题。 具 体来说就是系统思想和模型化、工程化方法。本书的基本结构是以学科历史发展过程或者说实际问题为逻辑起点，而一般的理论课程如物理、数学实际上是与科研实际过程相反的， 以学习者的知识结构 为逻辑起点，从定义、概念、定律再到定理。这是因为理论的发展意味着概念的 创新。控制系统是一门技术理论课程，它是从技术角度来总结的。正因为是技术角 度出发的，具有综合性和实践性的特点。所以对学习者来说，必须具备一定的实 践基础和专业理论基础。对初学者来说，表现出有一定的难度是不奇怪的，而且,

3、 每一部分内容都仅是打下基础，深入的细节方面的知识，需要更进一步地查阅其 它书籍和资料，从另一方面来看，这也给大家留下了自学和实践的空间。从电压平衡方程式，导出调速方法，从反馈控制原理和静态参数的要求导出 闭环控制系统；从静态与动态性能的矛盾分析了P调节器和I调节器，发展到PI调节器；从单闭环的调速系统无法控制起、制动动态电流，导出了带饱和非 线性的PI调节器构成双闭环的系统结构，而双闭环的结构可以说交直流电动机 控制的基本结构；从单向开关的晶闸管不能实现反转和回馈制动导出了可逆系统 结构，又从可逆系统引起的环流问题导出有环流和无环流控制策略；再从调压调速的限制和宽调速范围的要求引出带弱磁控制

4、的非独立弱磁控制系统。问题一步一步深化。但思考问题的出发点是电压平衡方程式， 磁链平衡方程 式，转矩平衡方程式，再加半导体开关的特性导致的电力电子电路中的特殊问题 （也就是电力电子技术），同时分析时用到了电路和电机中的基本概念如输入功 率、输出功率、转差功率、功率因数、效率、损耗等等。1闭环控制 静差率与调速范围 重点掌握可控直流电源VM系统的主要问题直流脉宽调速系统的主要问题单闭环 稳态分析PI调节器2双闭环稳态数学模型及动态性能分析非典型系统的典型化弱磁控制实验电路 模拟式PI调节器，过电流保护电路3数字控制（了解）（因为专门开设了微机控制技术课程）数字测速数字PI调节器及其设计方法4可逆

5、系统（掌握）5变压调速及其软起动器（了解）6.1 VVVF控制方式（掌握）机械特性比较 三段式控制：基频以下小于5HZ时，抬高电压补偿定子压降；基 频以下大于5HZ时，恒压频比；基频以上，则恒定电压，弱磁升速； （以额定频 率为50HZ为例）6.2 PWM模式spwm chbpwm svpwm （了解）（实际上这是现代电机控制的核 心技术）6.3变频器的主要类型 （了解）6.4标量控制系统 转速开环 转速闭环转差频率控制 （一般掌握）6.5矢量控制原理坐标变换转子磁链定向（一般掌握）6.6矢量控制系统直接矢量控制间接矢量控制转子磁链估计和观测（理解）6.7直接转矩控制 定子磁链的估计和观测（理

6、解）7串级调速系统（高效率低功率因数）（掌握）双馈调速的5种工况串级调速的工作原理起动停车顺序转子整流电路的特点 及对机械特性的影响 串级调速系统的功率因数及其改进方案 双馈调速系统（了 解）8同步电动机变频调速 （了解）特点及其类型 他控变频（转速开环，交交变频，气隙磁场定向）自控变频（无 刷直流，永磁同步电动机）四复习要点1直流电动机调压可获得恒转矩调速。调励磁可获得恒功率调速。用不同调速方 法的直流调速系统有不同的调速特性。生产机机械有不同的负载转矩特性，采用 可调速传动装置时需考虑使装置的调速特性与负载的要求相匹配，以获得良好的 技术经济效果。负载特性与电机电磁转矩特性的配合（负载特性

7、：1恒定阻转矩 负载2位能性负载3转矩随转速变化的负载（通风机型，恒功率，转矩与转速 成比例）4转矩随位置变化的负载）调速特性与负载调速要求的不匹配问题采用保种调速方式要考虑负载调速要求。当两者不匹配时，电动机的容量就得放大。 电磁转矩在弱磁时具有恒功率性质，但仍能带动恒转矩负载。2供变压调速使用的可控直流电源有：旋转变流机组、静止可控整流器与直流斩 波器。直流斩波器不同于相位控制调压的可控整流器，它是通过改变主开关元件 的通断时间比例即占空比来调压的，有一系列优点。3 V-M系统的几个特殊问题可归结为：整流电压的相位控制、整流电流的平波与 波形的连续、调速机械特性及其分区。V-M系统的完整调

8、速机械特性包含整流状 态下与逆变状态、连续区与断续区。4调速范围与静差率是调速系统的两个相互关联的稳态性能指标。 闭环控制相对 于开环控制来讲，可使系统稳态性能指标得到改善。正确理解调速范围的静差率 中的理想空载转速指的是稳定运转的最低转速对应的理想空载转速， 这就将调速 范围和静差率联系起来了。闭环后，由于反馈作用降低了静差率，提高了调速范 围。这部分内容要求会计算，会分析，会证明。加转速负反馈和比例调节器的系统， 可使稳态速降减小，但总是有静差，不 可能使速降为零。该系统中，被反馈环所包围的加于控制系统前向通道上的各种 扰动对转速的影响，都受到反馈控制的抑制。但反馈控制无力克服给定电源和检

9、 测反馈元件的误差。按照反馈控制的原理，即要控制什么物理量，就必须检测或 间接检测这个物理量并变成电信号，组成闭环控制系统。5单闭环系统的静态结构图和动态结构图应会推导。 在作闭环调速系统的稳态参 数计算时，可根据稳态性能指标、电动机及其它控制部件的已知参数来计算反馈 检测元件与放大器的参数，这首先需找出系统的输入输出关系。 然后根据各环节 输入输出关系的算式来推导。也可根据结构图通过运算求出。6在有静差单转速闭环系统中，可以用电流截止负反馈来抑制突加给定电压的电 流冲击，以保证系统有较大的比例系数来满足稳态性能指标。7 P调节器动态响应快但静态有误差，且为保证较小的静差需要较大的放大系数，

10、这就可能使得系统出现动态不稳定。I调节器静态无差但动态响应慢也会使系统 不稳定。PI调节器综合了 P和I调节器的优点，可使得系统响应较快且无静差。8根据直流电动机的电压平衡方程式，转矩平衡方程式，可以得到电机的动态模 型。根据整流器的输出与输入关系，可将其视为一个惯性环节。8在带电流正反馈的电压负反馈调速系统中， 省去了测速装置。但必须采用电流 正反馈补偿电枢电阻引起的稳态速降。 全补偿可做到无静差，但系统已处于稳定 边缘，故不能指望用这类系统实现无静差调速。第2章双闭环直流调速系统（重点）1转速电流双闭环调速系统克服了单闭环调速动态电流无法控制的缺点。可以根据原理图画出稳态结构图，进而得出静

11、特性方程式。对于PI调节器组成的双闭环系统，其稳态参数计算比较简单。转速反馈系数和电流反馈系数可按照最高电 压和最大电流及调节器的线性工作电压 （或在数字系统中按位长）来选择。带饱 和非线性的PI调节器组成的双闭环调速系统是本次课程的重点内容。利用饱和 来实现准最优时间控制。要调节起动、制动电流的大小，只能是在正确调节电流 反馈系数的基础上，调节ASR的限幅值。也就是调节ASR中的限幅电路中的电 位器。注意起动、制动电流需调节不同的电位器。对于正向电压给定，起动时， 由于ASR反向，输出负的电压，所以应调节负电压限幅值。而对于制动，调节 正电压限幅值。对于双闭环系统的稳态计算，见 P55式（2

12、-3）、（ 2-4）、（2-5）。 是重点掌握的。PI调节器的输出与输入无关，是由后面环节的需要决定的。这 一原理，在控制系统中经常用到。2根据双闭环系统原理图，可得到动态结构图。双闭环系统的特点是利用饱和非 线性实现了 “准时间最优”控制，但带来了转速超调。可以用附加 微分控制器或 采用智能控制器和内模控制器来改善动态性能。双闭环系统的另一特点就是稳中 求快。先设计和调试内环，使其稳定并满足动态性能后，再设计和调试外环。这 个前提是内环控制量比外环控制量变化慢得多（10倍以上）。3系统动态性能或调节器的工程设计基本思想是非典型系统的典型化，具体来讲 就是零极点抵消方法 再加上工程近似法。注意

13、一般都是抵消大的惯性环节。一般 电流环设计为典型I型系统，因为电流环强调跟随性能；而转速环设计为典型 II 型系统，因为转速环强调抗干扰性能。在微机控制系统中，将闭环控制视为运算，采用定时运算的方法实现实时控 制。也就是说闭环控制可视为定时中断服务程序中间的运算，也就是说包括采样实际反馈值并加以滤波、计算给定与反馈的误差，对误差进行PI运算，输出PI运算结果。由于电流比转速变化快得多，电流定时器设置要比速度环定时器短得 多。定时器设置的时间就是采样周期。采样周期一般按控制对象的惯性时间常数 来设定，最低要满足香农采样定理，以减小采样失真。实际的采样周期远小于香 农采样定理计算值，并在实际调试中

14、予以调整。采样周期越短，调节器的设计就 可按连续系统设计再离散化。也可采用直接离散化的方法来设计调节器。 在计算 机系统中，PI调节器必须离散化。而 PI调节器的离散化形式有很多种，如积分 分离算法，增量式算法等。4在需要宽调速范围的直流调速系统中， 常采用电枢电压与弱磁的配合控制。 即 基速以下调压调速，电磁转矩的性质属于恒转矩。 而基速以上，由于电机电压的 限制，只能弱磁调速，这时，其电磁转矩的性质属于恒功率。这就是说，控制规 律要按照控制对象的物理约束来合理进行。第3章可逆调速系统1从电动机转矩公式可得出改变转矩方向的两种基本方法：改变电枢电流或改变励磁磁通的方向。采用接触器切换、晶闸管

15、开关切换、反并联线路都能实现。前 两者都只适用于动态性能要求不高的情况。 由于励磁绕组电感量大，改变励磁磁 通方向的方法只适用于对快速性要求不高、正反转不频繁的可逆系统。2即使不需要正、反转，但只要它需要快速回馈制动，就必须采用正反两组晶闸 管装置供电。因为回馈制动需使反组晶闸管工作在有源逆变状态才能实现。有源逆变需要一定的条件。而且有源逆变须防止逆变颠覆造成过电流的故障发生。但 是，在位能式负载的情况下可以在只有一组晶闸管的情况下实现回馈制动（它可在二象限即I，IV象限运行）。3环流是采用正、反两组晶闸管供电后带来的新问题。 可分为有环流系统和无环 流系统。有环流系统中必须加环流电抗器， 而

16、无环流可省去环流电抗器，在控制 策略上必须加上无环流逻辑来控制选触开关。4仔细分析配合控制有环流可逆调速系统的正向制动过程，可以看到，过渡过程 包含本组逆变、它组制动两个阶段，而它组制动又可分解为建流，逆变和减流三 个子阶段。但最主要的是它组逆变电动机回馈制动阶段。 该系统的突出优点是正 反转时起动与制动过程完全衔接而适合快速正反转， 但需要增设环流电抗器而增 加负担，因此只适用于中、小容量系统。而采用逻辑无环流控制实现选触，可节 省一套电流调节器与触发装置。5除了晶闸管直流电动机外，采用直流PWM调速系统，具有线路简单、功耗低、 效率高和功率因数高、动态性能好等一系列优点。闭环PWM调速系统

17、的静、动态分析与晶闸管调速系统基本上一样，所以重点在对主回路、PWM控制电路及其它特殊问题进行讨论。主回路分为不可逆、可逆；可逆又分为 双极式，单极式 和受限单极式。PWM全控型双极性桥式变流器供电的直流电动机分析见书中 P14-15。其中的一个特殊问题是电能回馈与泵升电压的问题。这个问题同样出现在交直交变频器的主回路上。第5章交流调速的基本类型和交流变压调速系统1交流调速系统按对转差功率的处理方式分为三类：转差功率消耗型、回馈型、不变型。2相比较而言，变压调速适合于风机泵类负载。而对于恒转矩负载，变压调速的 电动机，由于转差功率损耗与转差率 s成正比，所以不宜长期在低速下工作。3对于大容量的

18、异步电动机，不能直接通电起动。必须采用降压起动，而虽然降 压导致起动电流下降，但由于起动转矩与电压的平方成正比， 又会出现起动转矩 不够的问题。因此，降压起动只适用于空载起动。 异步电动机在额定工况下运行 时效率较高，异步电动机长期轻载时，由于输出功率很小，使得其它功率所占成 分较大，使得效率很低。因此，有限地降低定子电压，可以降低气隙磁通，同时 降低铁损和励磁电流，达到节能的目的。另外，VVVF变频也可用来作软起动和 空载节能，而且比调压方式更理想。 由于调压调速能耗大，谐波严重，正在被变 频调速所取代。只是在大容量的简单的软起动中发挥一定作用。第6章异步电动机变压变频调速系统1变频调速的控

19、制方式：根据变压器绕组电动势公式，可以得出稳态时保持定子 磁通恒定时必须进行 VVVF变压变频协调控制；根据异步电动机的稳态等效电 路，可以分析出恒压频比，怛定子磁通频比，恒气隙磁通频比，恒转子磁通频比 的机械特性如图6-6。相关分析见式6-10, 6-15，6-18。从异步电动机稳态等效电路图6-5可以看出，如果抬高定子电压，能维持Eg/“ 乂，会使线性段范围比Us/r =c更宽，但仍具非线性特征，也就是具有最大转矩；而进一步抬高定子电压，维持 Er/=c,则转矩仅与转差频率成正比， 变成线性的而不再是非线性的。其条件是保持转子全磁通恒定不变而不是保持定 子磁通或气隙磁通不变。而动态保持转子

20、磁通恒定正是转子磁场定向矢量控制的 控制规律。图6-6的比较与分析是重点。其实质是漏抗压降导致了机械特性的非 线性。而恒转子磁通频比控制，抵消了转子漏抗的压降，所以将机械特性变成了 线性的。VVVF的控制规律为三段式：基频以下小于 5HZ时，抬高电压补偿定子压降； 基频以下大于5HZ时，恒压频比；基频以上，则恒定电压，弱磁升速；2采用VVVF可以实现同步电动机的软起动但不能完全克服振荡及失步现象。为此，必须设计给定积分器使定子频率不要变化过快。 这也就间接限制了起制电流。 同样，在异步电动机 VVVF系统中，由于转矩与转差成正比，限制了定子频率 变化率也就限制了转子转差也就间接限制了转矩即限制

21、了起制动电流。3变频器分为交直交（间接变频）和交交变频（直接变频）两种。交直交变频又 分为电压源型和电流源型。交直交变频器因调压与调频环节有差别， 又有多种分 为：可控整流器调压与六拍逆变器、不控整流器加斩波调压与六拍逆变器、不控 整流加PWM同时变压变频的逆变器。交直交变频器分为电压源型和电流源型。直流输出通过并联电容输出的是电压源型变频器，通过串联电感输出的是电流源型变频器。而采用二极管不控整流器加全控型PWM逆变器构成的变频器中，SPWM逆变器是同时实现变压变频的。但可控整流器加可控逆变器构成的晶闸 管交直交变频器，是通过整流器调压，逆变器变频。即变压和变频是分开的。交 -交变频所用元件

22、多，输出频率受限，最高频率不超过电网频率的1/31/2。所以只适用于低速大功率拖动系统。4 SPWM控制模型 主要分为电压正弦，电流正弦，磁通正弦三大类 。还有消除 指定次数谐波的控制技术。其中电流正弦也就是电流滞环跟踪 PWM由于易于用 模拟电路实现而较常用。而SPWM适用于微机控制，也有专用集成电路实现的。 SVPWM由于TI公司的DSP中具有硬件产生电路，且比 SPWM具有更高电压 利用率，谐波分量小，正在推广应用。由于二极管输出直流电压幅值不变，所以 SPWM逆变输出的是一系列等幅不等宽的矩形脉冲，其面积等效于正弦波面积， 即平均值等效于正弦波。 而SVPWM输出电压比SPWM高出15

23、%,即直流电压 的利用率高。5 VVVF转速开环系统中由于本身没有自动限制起制动电流的作用，因此频率设定必须通过给定积分算法（电路）产生平缓的升速或降速信号；由于滑差较小时， 转差频率与转矩成正比，因此控制转差频率也就间接控制了转矩， 但其前提条件 是保证气隙磁通不变，这可以根据图 6-41的函数关系控制定子电压和频率来保 证。转差频率系统可以构成双闭环系统，但还达不到直流双闭环系统，其原因是 只在稳态下保证气隙磁通不变，没有控制定子电流的相位，而且存在正反馈环节 也就影响控制的性能。6异步电动机是多变量、高阶、非线性、强耦合的系统。坐标变换是交流电机矢 量控制的基础。根据磁动势或旋转磁场相等

24、的原则，三相交流绕组可用二相交流 绕组等效；3/2是三相静止坐标变成二相静止坐标，其目的是减少变量，即降阶。 还可以用二相相互垂直的直流绕组旋转等效；矢量旋转变换VR是将两相静止坐标变换到二相旋转坐标系，将交流量变换到直流量，扩展了频带，提高了动态响 应。二相旋转坐标系中很有用的一种是两相同步旋转坐标系DQ系，其旋转速度等于同步角速度。所以DQ系对于转子来讲按转差频率旋转。 将DQ系定向到转 子磁链方向，称之为MT系。也就是按转子磁链定向的旋转坐标系。 这样的好处， 如果保持转子磁链恒定并使之全在 M轴，可将定子电流的励磁分量和转矩分量 解耦，从而可以将之变成单变量系统，可单独闭环控制。而按照

25、矢量控制方程 6-135, 6-136, 6-137可以保证这一点。再加除法器可以将电流控制型的异步电 动机分解成转速和磁通两个独立的线性子系统。其条件是式6-128,结果是6-129, 式6-135，6-136构成的矢量控制方程式。反过来，根据矢量控制方程式，就可 以像直流电机一样分别控制磁通和转速、电流分量来构建单闭环控制系统了，也 就保证了转子磁通动态恒定并使分解到 M轴上。7带磁链闭环和转速闭环的称为直接矢量控制， 其中转子磁链计算是关键，计算 模型中分为电流模型和电压模型两种。电流模型可分为两相静止坐标系和两相旋 转坐标系两种，（如式6-142，143）;电压模型（式144，145）

26、更适合于中、高 速范围，电流模型适合于低速。8磁链开环转差型矢量控制系统也称为间接矢量控制系统。因为磁链闭环的系统 中，磁链计算不准确，反而不如采用磁链开环控制，这时采用转差频率式的矢量 控制方程，可以构成系统。转差频率式的矢量控制系统与转差频率式的标量控制 系统不同的是控制了定子电流的幅值和相位。9直接转矩控制系统其特点是构成转矩和磁通闭环，采用非线性控制器构成砰 砰控制器，利用转矩和磁链控制器输出的误差信号共同直接产生电压的SVPWM波形。直接转矩控制体现了人工智能的思想， 又是一种查表控制。这样控制了定 子磁链和转矩，可以得到较快的转矩响应。由于是在定子坐标系，所用的转矩计 算模型和磁链

27、计算模型都是在两相静止坐标系上进行的，这就避开了旋转变换， 简化了系统结构。直接转矩控制低速时的转矩脉动和磁链计算误差仍是待解决的 问题。直接转矩控制与矢量控制系统的初步比较见表6-1。第7章异步电动机双馈调速系统1双馈就是除了电机与交流电网直接连接外， 转子侧也要与交流电网或外接电动 势相连。从电路拓扑结构看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势。在恒定负载下，转子串附加电动势与转子电动势的同相时， 电机可工作在超同步 状态电动或回馈制动；而反相时，电机工作在次同步状态电动或回馈制动。而在 位能负载时，转子串附加电动势与转子电动势反相时， 还可工作在反转倒拉制动 状态。要实现回馈制动，

28、转子变频器必须能够进行双向功率流动， 转子变频器只 能输出转差功率时，则只须单向变频器。2次同步电动状态下的双馈系统称之为串级调速系统， 可用交直交变频器来实现 交交变频，也就转子侧为不控整流器，经过有源逆变回馈电网。可通过调节逆变 角实现平滑无级调速。由于定子侧输入有功功率，而转子侧输出有功功率，所以串调效率高。由于转差 功率与转差功率成正比，使得 转子变频器的容量、电压等级与调速范围成正比， 因此，从经济角度出发，串级调速和双馈调速常用于有限范围调速， 而很少用于 全范围调速。由于转子整流器不可控，所以不能实现电气制动，只能靠负载自由 停车。3虽然回馈转差功率效率高，但同时定子侧和转子侧都

29、要吸收无功功率，所以 功 率因数低。普通串级调速系统是一种高效率低功率因数的系统。 而且随着转差率 的增大，也就是转速的降低，功率因数也降低，逆变器相控是功率因数低的主要 原因。为提高功率因数，可采取斩波器的方法来固定逆变角；还可用PWM变流器取代晶闸管逆变器；内馈就是将转差功率不是回馈电网而是直接回馈定子， 这 必须在定子上增设一个小功率的调节绕组，通过这个调节绕组的设计还可以抵消 晶闸管逆变器电流谐波中3次和5次分量。4由于异步电动机折算到转子侧的漏抗值比一般整流变压器的等效漏抗大，所以转子整流电路的换相重叠现象导致了转子等效电阻加大，使得串级调速机械特性变软，最大转矩减小。串级调速如同直

30、流电动机一样可采用双闭环结构。但其等效电动势参数不是常数，从而使得转子直流回路的时间常数和放大系数都是转速 的函数，而异步电动机的机电时间常也是转速和电流的函数。 这使得调节器的参 数设计困难，必须采用变参数或自适应设计，才能保证在整个调速范围动态性能 一致。5由于变频器是按有限调速范围设计的，所以变频器只能承受串调运行时的转子 电动势。而起动到串调前的低转速时，转差大，转子电压高，所以 一般串级调速 系统不能直接起动，只能依靠频敏电阻起动到串调运行允许的最低转速才能加入 串调装置。由于是有源逆变，所以逆变器应该先投入工作，而最后切离系统。对 于有源逆变来说，最严重的故障是逆变失败导致的过电流， 逆变失败的物理原因 是机械能无法回馈变成电能，这其中有可能是电网瞬间停电，逆变时丢脉冲。对 此，应加设瞬间停电保护措施。因此，串级调速起动和停车时开关的分合闸有严 格的顺序。当转子变频器故障时，还可以切换到无调速状态即最高转速下短期运 行。第8章同步电动机变频调速系统1同步电动机变频调速属于转差功率不变型。同步电动机的矩角特性使得它不具 备自起动能力，而在转子上加笼式绕组可以利用异步电动机转矩与转差成