1、精選優質文檔-傾情為你奉上運動控制系統習題答案第一章1. 運動控制劃分為兩大類：(1) 位置變化問題 其特征是被控對象空間位置發生改變，我們稱之為第一類運動控制問題。(2) 周期式旋轉速度變化問題 由于某一類物理量（如溫度、壓力、流量、轉矩等）而迫使電機轉速隨負載的變化而變化，以滿足溫度、壓力、流量、轉矩等恒定的目的。我們把這類運動控制問題稱為第二類運動控制問題。2. 第一類運動控制問題1）一維運動 一維運動形式分為兩類：一是直線運動，二是旋轉運動；此外，還可以是兩類基本運動的復合。2）二維運動 把兩個一維直線運動平臺互相垂直搭接在一起，就組成了一個二維運動平臺。分為質點運動，復合運動，輪廓運

2、動3）三維運動 第一類為空間點對點的移動，可以是直線移動，也可以是旋轉運動；第二類為復合移動，是在三個運動軸按照一定的復合比例所做的運動；第三類為空間輪廓線運動3. 運動控制系統的軸1) 運動軸通常，我們把一個定義在直線段上移動的物體或者按照預定旋轉方向旋轉的物體定義為運動軸。軸一般分為兩類：線性軸和旋轉軸。2) 線性軸線性軸的定義為：只有初始位置和結束位置，而且軸的當前實際位置一定是在其初始位與結束位之間。3) 旋轉軸一個周期式的旋轉軸做圓周運動，其起始點是0°，完成一個循環之后，又重新回到0°。這種情況也稱為模軸。4. 運動控制系統有以下部分構成：運動控制器、驅動執行器

3、、運動反饋單元等。運動控制器主要由三大要素構成：軌跡生成器、插補器與控制回路。5. 運動控制系統：運動控制系統是一個控制某些機器位置、速度、力或者壓力的系統。例如，一套基于運動控制系統的電氣機械系統是由運動控制器（系統的大腦）、驅動器（接收來自運動控制器的弱電指令信號，并且把相關指令信號變換成高電壓/大電流的功率信號）、電機（其作用是把電能轉換為機械能）、反饋裝置（其作用是把受控信號反饋到運動控制器，運動控制器依據設定與反饋信號給出需要做出的調節量，直到系統達到期望的結果為止。 運動控制：運動控制器：運動控制器就是根據期望的路徑或者軌跡，計算并且產生輸出命令，控制驅動放大器驅動執行器，從而完成

4、相應的任務。運動控制器的復雜性是依據任務的復雜性而變化的，就伺服電機控制而言，典型的運動控制器通常由三個部分組成：軌跡生成器、插補器及控制回路。軌跡生成器：軌跡生成器依據所希望的目標位、最大速度、加速度、減加速度及抖動計算移動路徑的各個段設置特征點，并確定移動的三個主要階段加速度階段、恒速度階段和減加速度階段花費了多少時間。插補器：按照由軌跡生成器生成的設置特征點精確地計算出其空間位置。插補器的結果送給控制回路。控制回路：根據所期望位置/速度與實際位置/速度之間的偏差，計算出誤差信號。步序發生器：按照所期望的運動路徑精確地產生數字步序指令脈沖。第二章1. 什么是插補？常用的插補算法有哪兩種？答

5、：插補是在一條已知起點和終點的曲線上進行數據點的密化。通常采用的形式有一次插補、二次插補或三次插補。插補算法有：直線插補、圓弧插補、拋物線插補、樣條插補、基準脈沖插補和數據采樣插補。常用的插補算法有直線插補和圓弧插補。2. 點位控制、直線控制和輪廓控制各有什么特點？點位控制：點位控制是實現從一個位置到另一個位置的精確控制。這種控制模式運動需求描述簡單，控制容易。負載速度從零開始，加速到設定速度，穩定運行，然后減速至停止，起動加速和停止減速都是平滑的。直線控制：直線控制是不僅要實現一個位置到另一個位置的精確移動和定位，而且能實現平行于坐標軸的直線運動或控制兩個坐標軸實現斜線運動。輪廓控制：輪廓控

6、制不僅能實現從起點到終點的運動，而且能控制每一點的速度和位移量，強調走過的具體位置及精度。3. 已知啟動點是，結束點是，求梯形曲線各特征點時間。解：梯形曲線如下圖所示： 4已知加速時間和減速時間各為0.5 s，最大速度時間為7.5 s，wmax =, amax =，求啟動點和結束點？5已知qstart = 20°，qend = 24°，wmax =，amax =，求出梯形曲線的特征點？答：=10/20=0.5s 由于時間不可能是負值，因此改變的是加速和減速時間，=0.447s= 0.347s可見，速度不可能達到最大值，梯形曲線變化為三角形曲線。7已知起點坐標為，終點坐標為，

7、請使用逐點比較法，計算插補過程，寫出流程表。答：步數=7+3=10,Xe=9,Ye=6步數判別插補方向偏差計算終點判別0F0=0=101Fi>0+xF1=F0-Ye=0-6=-6=92Fi<0+yF2=F1+Xe=-6+9=3=83Fi>0+xF3=F2-Ye=3-6=-3=74Fi<0+yF4=F3+Xe=-3+6=3=65Fi>0+xF5=F4-Xe=3+7=5=56Fi>0+xF6=F5-Ye=5-3=2=47Fi>0+xF7=F6-Ye=2-3=-1=38Fi<0+yF8=F7+Xe=-1+7=6=29Fi>0+xF9=F8-Ye=

8、6-3=3=110Fi>0+xF10=F9-Ye=0=013運動控制器的硬件組成方式有哪幾種？答：有6種，包括基于微處理器MCU的技術，基于專用集成電路的技術，基于PC的技術，基于DSP的技術，基于可編程邏輯控制器的技術，基于多核處理器的技術。14基于MCU的運動控制器的特點是什么？答：以8位或16位的MCU單片機技術為核心，再配以存儲器電路，編碼器信號處理電路及D/A、A/D電路，這類電路整體方案比較簡單，可以實現一些簡單的控制算法，具有一定的靈活性，能提供簡單的人機界面管理。基于MCU技術的運動控制器主要目標對象還是簡易型運動控制對象。15基于PC的運動控制器的特點是什么？答：PC系

9、統的硬件體系結構具有開放性，模塊化，可嵌入的特點，為廣大用戶通過開發應用軟件給數控系統追加功能和實現功能個性化提供了保證。PC的運動控制器的缺點是與專用運動控制系統相比實時性差，可靠性也不如專用運動系統高，對實際編程者的水平要求較高，尤其要利用PC進行高性能運動控制算法開發。PC的運動控制系統適合中高檔，多用途的運動系統對象。16基于DSP的運動控制器的特點是什么？答：DSP芯片擁有高速運算能力，它使復雜算法的實時性得到有效保證。17運動控制器的軟件架構是什么？答：運動控制系統軟件架構體系，其四大部分為主監視進程、人機交互進程、運動控制進程和運動驅動進程。第三章1執行器的作用是什么？答：運動控

10、制系統具體完成運動的基本元件。2執行器的分類有哪些？各自的特點是什么？答：1）按照動力來源分：電動執行器、液壓執行器、氣動執行器和新型微機電執行器。2）按照運動部件結構特征分：缸類執行器、馬達類執行器。3）按照運動軌跡特征分：直線型執行器、旋轉型執行器（位移式、周期式、往復式）4）新型執行器：壓電執行器、記憶合金執行器、電致聚合分子執行器等。3缸類執行器的運動特點是什么？答：實現直線往復運動或擺動。4馬達類執行器的特點是什么？答：實現連續回轉運動。5新型執行器有哪些類型？答：按照新型執行器的主要驅動方式及其對應材料分，有電力型執行器（靜電/壓電/電致伸縮/凝膠/電流變體）、磁力型執行器（磁力/

11、磁致伸縮）、熱力型執行器（SMA/雙金屬/熱氣動）、光能型執行器和化學型執行器等；按照驅動材料與驅動結構的關系分，有機械微結構型和可變形微結構型。6執行器的設計原則是什么？執行器的設計步驟是什么？執行器的設計原則是：在系統運動功能分析的基礎上，設計出結構簡單的執行器。經典的執行器設計步驟為：選擇機械傳動連接形式，確定轉動慣量；確定運動方程式和運動軌跡曲線；計算選擇合適的電機和驅動功率單元（驅動器）。第四章1不可逆PWM直流調速控制器主電路的特點是什么？試利用時序圖進行分析。答：簡單的不可逆PWM變換器的主電路原理圖如下圖所示。該電路采用全控式電子晶體管，開關頻率可達20 kHz甚至更高，電源電

12、壓Us一般由不可控整流電源提供，采用大電容器C濾波，二極管VD在晶體管VT關斷時釋放電感儲能為電樞回路續流。下面分析其運行特點。圖1 簡單的不可逆PWM變換器的主電路Us直流電源 電壓；C濾波電容器；VT功率開關器件；VD續流二極管；M直流電機1) 電壓和電流波形(1) 在一個開關周期T內。(2) 當0 t < ton時，Ug為正，VT飽和導通，電源電壓Us通過VT加到直流電機電樞兩端。(3) 當ton t < T時，Ug為負，VT關斷，電樞電路中的電流通過續流二極管VD續流，直流電機電樞電壓等于零。1.1 帶制動的不可逆PWM變換器 1) 電動狀態下運行（第一象限運行）(1) U

13、g1的正脈沖比負脈沖寬，id始終為正。當時，VT1飽和導通，VT2截止，電流沿回路1流通。(2) 當時，VT1截止，VD2續流，電流沿回路2流通。VT1和VD2交替導通，VT2和VD1始終截止。其工作波形如下所示。 帶制動的不可逆PWM變換器工作波形2) 制動狀態下運行（第二象限）Ug1的正脈沖比負脈沖窄，E >Ud，id始終為負。(1) 當時，Ug2為正，VT2導通，在感應電動勢E的作用下，反向電流沿回路3能耗制動。(2) 當時，Ug2為負，VT2截止，反向電流沿回路4經過VD1回饋制動。VT2和VD1交替導通，VT1和VD2截止。2試分析可逆PWM直流調速控制器的各個晶體管的工作狀態

14、，畫出電流回路，并說明電動態與制動態的時序波形，反轉狀態的時序波形。答：H型可逆PWM變換電路是可逆PWM變換器主電路中最為普遍的一種電路拓撲結構。電路由四個電力電子開關管（如CMOS晶體管、IGBT）、四個整流二極管和一個直流電機構成。其中，電機電樞兩端標記符號為A、B兩點，用來表示電樞兩端電壓的極性。H型可逆PWM變換電路可以實現電機四個象限運行。下面結合圖2和圖3對可逆調速進行說明。圖2 H型可逆PWM變換電路實際運行中可以分為三種情況：ton < T/2、ton = T/2和ton > T/2。圖3所示的是電樞兩端UAB的波形。圖3 H型可逆PWM變換電路波形1) 正向運行

15、狀態當正向運行時，UAB的特點是正脈沖電壓的寬度大于負脈沖的寬度，如圖3(a)所示（注意，負載電流不是輕載）。(1) 當0 t < ton時，Ug1 = Ug4為正，VT1和VT4導通；Ug2 = Ug3為負，VT2和VT3截止。UAB = + Us，電樞電流Id沿著回路1流通。(2) 當ton t < T時，Ug1 = Ug4為負，VT1和VT4截止；Ug2 = Ug3為正，VT2和VT3被鉗位，保持截止。UAB = -Us，電樞電流Id沿著回路2經VD2和VD3續流。2) 反向運行狀態當正向運行時，UAB的特點是正脈沖電壓的寬度小于負脈沖的寬度，如圖3(b)所示（注意，負載電流

16、不是輕載）。(1) 當0 t < ton時，Ug2 = Ug3為負，VT2和VT2截止；Ug1 = Ug4為正，VT1和VT4被鉗位，保持截止。UAB = + Us，電樞電流Id沿著回路4經VD1和VD4續流。(2) 當ton t < T時，Ug2 = Ug3為正，VT2和VT3導通；Ug1 = Ug4為負，VT1和VT4保持截止。UAB = -Us，電樞電流Id沿著回路3流通。3) 停止狀態當停止狀態時，UAB的特點是正脈沖電壓的寬度等于負脈沖的寬度。 此刻，輸出電壓為零，電機停轉。3何謂調速范圍？什么是靜差率？二者之間有何關系？調速范圍：電機在額定負載情況下所需的最高轉速和最低

17、轉速之比稱為調速范圍，用字母D表示。 靜差率：當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時電機轉速的變化率，稱為靜差率s。 用百分數表示為 上面兩式中，n0為理想空載轉速；為負載從理想空載增大到額定值時電機所產生的轉速降落。二者之間的關系：D與s之間是相互約束的關系 (4-18)對系統的調速精度要求越高，即要求s越小，則可達到的D必定越小。當要求的D越大時，所能達到的調速精度就越低，即s越大，所以這是一對矛盾的指標。 4如果一個直流調速系統的調速范圍D = 10，額定轉速,，并且額定轉速降不變，試問系統最低轉速是多少？系統的允許靜差率是多少？解：5一個直流調速系統調速范圍D = 10

18、，要求，請問系統允許的靜態速降是多少？假如開環速降是100 ，試求開環放大倍數。6如果某一個直流調速閉環系統的開環放大倍數是15，額定速降是8 r/min，若把開環放大倍數加大至40，那么這個系統的速降是多少？在相同的靜差率要求下，系統的調速范圍變為多少？7如果某直流調速系統的調速范圍D = 20，開環速降，額定轉速，若要求系統的靜差率由10%減小到5%，試計算并說明開環放大倍數的變化。解：當s=10%時，可見，在調速范圍保持不變的情況下，靜差率減小，開環放大倍數增大。11在單閉環調速系統中，為了限制電流，可以采取何種措施？在單閉環調速系統中，為了限制電流，可以添加電流負反饋限流電路，如下圖所

19、示14試比較速度、電流雙閉環系統和帶電流截止環節的速度單閉環系統的性能。（主要從靜態性能、動態性能、快速性、抗干擾能力方面考慮。）調速系統的靜態性能: 在轉速、電流雙閉環調速系統中，轉速調節器采用PI調節器，整個系統成為一個無靜差的系統。帶電流截止環節的轉速單閉環調速系統中，轉速調節器采用PI調節器，整個系統成為一個無靜差系統。動態限流性能: 在轉速、電流雙閉環調速系統中，電流調節器采用PI調節器，將電流限制在Idm內。 帶電流截止環節的轉速單閉環調速系統中，將電流限制在Idcr-Idbl內。啟動的快速性:在轉速、電流雙閉環調速系統在啟動/制動過程中，轉速調節器飽

20、和，電流調節器在最大電流Idm附近進行PI調節，時間最短，提高了啟動/制動的快速性。帶電流截止環節的轉速單閉環調速系統中，在啟動/制動過程中，當電流大于截止電流Idcr時，電流調節器起作用，并不是在最大電流附近進行調節，啟動/制動的快速性較差。 抗負載擾動的性能：在轉速、電流雙閉環調速系統中，負載擾動在轉速外環中，負載擾動作用在電流環之后，因此只能靠轉速調節器ASR來產生抗負載擾動的作用。在設計ASR時，應要求有較好的抗擾性能指標。帶電流截止環節的轉速單閉環調速系統中，負載擾動立即引起電流變化，當電流大于截止電流Idcr時，電流調節器起作用，可以進行調節。 抗電源波動的性能

21、：在轉速、電流雙閉環調速系統中，由于增設了電流內環，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗電源波動的性能大有改善。在電流截止環節的轉速單閉環調速系統中，電網電壓擾動的作用點離被調量較遠，調節作用受到多個環節的延滯，因此單閉環調速系統抵抗電源電壓擾動的性能要差一些。第五章2恒壓頻比變頻控制是屬于哪類控制技術？恒壓頻比的具體方法是什么？答：恒壓頻比變頻控制是屬于標量控制。其具體方法是：1）基速以下。采用電動勢頻率比為恒值的控制方式，由于感應電動勢難以直接控制，通常取定子相電壓等于相電動勢，即。2）基速以上。在基頻以上調速時，頻率從f1N向上升高，由于定子

22、電壓Us絕對不可能超過額定電壓UsN，最多只能保持Us=UsN，這將迫使磁通與頻率成反比降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。3變頻控制的標量控制方法的另一種方式是什么？答：變頻控制的標量控制方法的另一種方式是可控轉差頻率控制法。7結合變頻器，說明變頻器的使用方式有哪幾種？試畫出變頻器主回路與控制回路的框圖。變頻器的使用分為以下兩個重點。1) 變頻器硬件的接線它有以下四種工作模式可選擇：(1) 變頻器屏幕按鍵操作模式，即手動工作模式；(2) I/O端子控制模式，即外控模式；(3) 標準信號模擬量控制模式；(4) 標準總線工作模式，通過RS232或者RS485總線控制。2) 變頻器工作模式的選擇變頻器作為通用驅動設備，除了接線按照相應的模式外，主要還要對變頻器的各個功能寄存器進行設定，使之符合模式要求。13說明變頻器的保護措施有哪些？具有完善的故障診斷和保護功能（過壓、欠壓、過流、過載、缺相等故障的檢測與顯示等）第六章1位置隨動系統要解決的主要問題是什么？試比較位置隨動系統與調速系統的異同。答：位置隨動系統解決的主要問題是實