1、机械工业技师考评培训教材机械工业技师考评培训教材编审委员会 编培训要点 本章应重点掌握自动控制系统的基本概念，自动调速系统的性能指标，各种调节器的基本控制规律、特点和应用知识。自动控制 是指在人不直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象(如机器、设备或生产过程)自动地按照预定的规律运行或变化。自动控制系统 是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，一般是由控制装置和被控对象组成的。定义分类 是研究自动控制共同规律的技术科学。经典控制理论现代控制理论 以传递函数为基础，主要研究单输入、单输出的反馈控制系统，采用的主要研究方法有时域分析法、根轨迹和频率法。以状态空间法为基础，主要研究多变量、
2、变参数、非线性、高精度及高效能等各种复杂控制系统。1)被控对象 是一个设备，由一些机械或电器零件组成，其功能是完成某些特定的动作，这些动作通常是系统最终输出的目标。2)系统 系统是由一些部件所组成的，用以完成一定的任务。3)环节 是系统的一个组成部分，它由控制系统中的一个或多个部件组成，其任务是完成系统工作过程中的局部过程。4)扰动 是一种对系统的输出量产生反作用的信号或因素。若扰动产生于系统内部，则称为内扰；若其来自于系统外部，则称为外扰。5)反馈控制 在有扰动的情况下，反馈控制有减小系统输出量与给定输入量之间偏差的作用，而这种控制作用正是基于这一偏差来实现的。1.按系统的结构特点分 恒值控
3、制系统 随动系统 程序控制系统 线性控制系统 非线性控制系统 开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系2.按输入量的特点分3.按输出量与输入量间的关系分特征：系统中没有反馈环节，作用信号从输入到输出是 单一方向传递的。1.开环控制系统特征：系统中存在反馈环节，作用信号按闭环传递，系统的 输出量对控制作用有着直接影响。1.闭环控制系统前向通路：信号从输入端沿箭头方向，到达输出端的传输通路。主反馈通路：系统输出量通过测量装置反馈到输入端的传输通路。主回路(主环)：前向通路与主反馈通路一起构成主回路(主环)。是决定一个自动控制系统能否实际应用的首要条件。稳定性是就动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工
4、作状态的能力而言的。是对稳定系统过渡时间的长短而言的。过渡过程持续时间长，说明系统的快速性差、响应迟钝，将使系统受控量长久地出现偏差。是指系统过渡到新的平衡状态后，其最终保持的精度。它反映了系统在动态过程后期的性能。一般自动控制系统要求被控量与其期望值的偏差是很小的。1.稳定性2.快速性3.准确性1.静态性能指标1)调速范围D2)静差率s3)调速平滑性4)稳态误差(静差)2.动态性能指标1)最大超调量2)上升时间tr3)调节时间ts4)振荡次数N是指在调节时间内，输出量在稳定值上下摆动的次数。是指从系统受到输入量作用开始到系统的转速进入偏离稳定值n1的(25)%区域所需要的时间 是指系统在输入
5、量作用下，系统的转速从零上升到第一次到达稳定值n1所经过的时间。开环电压放大倍数高，加入电压深度负反馈后，可获得 高稳定度的电压放大倍数 运放输入端的各种信号是并联输入进行电流叠加的，调整 方便，易于组成各种类型的调节器 运放输入阻抗高，故其外部输入电路的电阻对运放工作 影响小 运放输入端各输入信号共地，干扰小 运放输出端可采用钳位限幅或接地保护，使系统工作安全 可靠自动调节系统中常采用集成运放构成系统的调节器。主要优点1.比例(P)调节器式中 KpP调节器的比例系数。Uo输出信号2.比例控制的特点 作用及时、快速、控制作用强，而且Kp值越大，系统的静特性越好、静差越小。比例控制 是指系统的输
6、出量与输入量(即偏差量)成比例的控制，简称P控制。Ui输入信号1.积分(I)调节器式中 KII 调节器的积分常数；I调节器的积分时间，=1/KI。2.积分控制的特点 可以消除输出量的稳态误差，能实现无静差控制，这是积分控制的最大优点。积分控制 是指系统的输出量与输入量对时间的积分成正比例的控制，简称I控制。1.比例积分(PI )调节器式中 比例控制的输出；积分控制的输出；比例积分调节器的积分时间，TI=KP/KI。比例积分控制 是把比例控制和积分控制作用结合起来。比例积分控制简称为PI 控制。2.比例积分控制的特点1)系统动态响应速度快；系统基本上无静差。2)减小超调量，降低系统的动态响应速度
7、。1.比例积分微分(PID)调节器比例积分微分控制 是把比例、积分、微分三种控制规律结合起来。比例积分微分控制，通常简称为PID控制。2.比例积分微分控制的特点1)不但可以实现控制系统无静差，而且具有比PI控制更快的动态响应速度。2)PID调节器是一种较为完善的调节器，其参数主要有比例系数Kp、积分时间TI和微分时间TD，三者必须根据被控对象的特性正确配合，才能充分发挥各自优点，满足控制系统的要求。1.实用调节器电路内限幅电路外限幅电路2.电子调节器的基本调试步骤1)检查电源电压2)调零与消振3)调整对称性及输出限幅4)观察调节器的输出波形培训要点 本章应重点掌握各种直流和交流调速系统的基本组
8、成、工作原理、性能特点及应用知识。调速方法：电枢回路串电阻调速、弱磁调速和调压调速。组成：有异步电动机调速和同步电动机调速两大部分。调速方法：即变极调速、变转差率调速、变频调速。优点：交流调速系统与直流调速系统相比，具有容量大、转速高、耐高压、节能、经济、可靠等优越性。1.工作原理转速负反馈有静差直流调速系统原理图1.工作原理 当负载突然发生变动时，电动机转速会随之发生变化，系统就将进行自动调速。例如，当TL增大时，转矩的不平衡将引起转速降落，该系统的自动调速过程如下：2.系统静特性分析设系统为线性系统。系统中各环节的静态关系方程式如下：1)放大器的输出电压Uc为式中 Kp放大器的电压放大倍数
9、。2)晶闸管整流装置输出电压Ud为式中 Ktr晶闸管整流装置的放大倍数。3)电动机电枢回路的电动势平衡方程式为式中 Rd电枢回路总电阻；UT晶闸管正向管压降。4)转速负反馈回路的反馈电压Ufn为式中5)系统开环时的机械特性为式中 n系统开环时的理想空载转速，nN系统开环时的转速降落，系统是根据给定量Ug与反馈量Ufn之差Ui来进行转速调节的，因此它是一个有静差调速系统。2)提高系统的开环放大倍数K，可以减小静态误差，扩大调速范围。但放大倍数K要受到系统稳定性的限制，不能无限制增大，因而系统的静态误差也不能彻底消除。3.转速负反馈有静差直流调速系统的特点在给定电压Ug为负极性的情况下，该系统的自
10、动调速过程如下：适用：适用于静态性能要求不高的生产机械，常用于调速范围 D10，静差率s=15%30%的场合。电流正反馈的工作原理如下：适用：适用于调速范围D20、静差率s10%的场合。输入偏差电压为Ui=-Ug+Ufn 当负载增大时，转矩的不平衡将引起转速下降，并使Ui0，系统自动调速过程如下：该系统有两个PI调节器，一个是用于转速调节的转速调节器(ASR)，另一个是用于电流调节的电流调节器(ACR)，两个调节器串级联接，其输出均有限幅，输出限幅值分别为Usm和Uim。1.系统的组成及基本原理2.系统的工作过程(1)起动过程1)第阶段即电流上升阶段2)第阶段即电流保持恒值、电动机恒加速阶段3
11、)第阶段即转速调节阶段(2)负载变化时的自动调速过程(3)电动机堵转过程1.两组晶闸管反并联的变流装置 图中，VF为正组变流器，其供电时，电动机正转；VR为反组变流器，其供电时，电动机反转；VF与VR两组变流器为反并联联接且分别由两套触发装置控制，可以灵活地控制电动机的可逆运转。为防止电源短路，两组变流器不能同时处于整流状态。两组晶闸管反并联变流装置的可逆电路2.电动机的四象限运行及正反组变流器的状态反转回馈发电制动运行，n 0，Id 0；VF工作于逆变状态，F90，EdUd。正转电动运行，n0，Id0；VF工作于整流状态，F90，EdUd。正转回馈发电制动运行，n0，Id0；VR工作于逆变状
12、态，R90，EdUd。反转电动运行，n0，Id0；VR工作于整流状态，R90，EdUd。反并联可逆电路的四象限运行1.=工作制配合控制 在=配合控制的条件下，没有直流平均环流，但由于整流组的输出电压和逆变组的逆变电压的瞬时值并不相同，故还存在瞬时脉动环流。因此，把这种可逆调速系统称为=配合控制的有环流可逆调速系统。定义 这种保持正、反组变流器的=，即一组变流器工作而另一组变流器处于等待工作的状态的控制方式，称为=工作制配合控制。2.系统的组成和原理 LL为环流电抗器 Ld为平波电抗器 ASR和ACR都采用PI调节器，分别 为转速、电流调节器 GTF、GTR分别为正、反组晶闸管 的触发装置 AR
13、为反号器 KF和KR用于切换可逆系统的正、反向运行时所需的给定电压Ug 的极性=配合控制的有环流可逆调速系统的原理框图3.系统的工作过程 以正转制动为例，整个制动过程可按电流方向的不同，分为本组逆变和它组制动两个阶段。优点：响应迅速突出。缺点：需要添置环流电抗器，且损耗较大。适用：只适用于中小容量的调速系统。DLC是逻辑无环流可逆系统中的关键部件。2.可逆系统对无环流逻辑控制装置的要求1)必须由电流给定信号(即转速调节器ASR的输出Us)的极性和零电流检测信号Ui共同发出逻辑切换指令。2)发出切换指令后，必须经过封锁延时时间t(对三相全控桥来说约为23ms)才能封锁原导通组脉冲，以确保主电路电
14、流为零；再经过开放延时时间t2(对三相全控桥而言约为57ms)才能开放另一组脉冲，以确保原导通组的关断。3)任何情况下，两组晶闸管绝对不允许同时加触发脉冲，一组工作时，必须严格封锁另一组的触发脉冲。3.无环流逻辑控制装置无环流逻辑控制装置原理图 由于这种调速方法可以将串入附加电动势而增加的转差功率，回馈到电网或者电动机轴上，因此它属于转差功率回馈型调速方法。串级调速 在转子回路中不串入电阻，而是串入附加电动势来改变转差功率，同样可以改变转差率，实现调速，这种调速方法称为串级调速。1)当 Ef 与E2 两者的频率相同、相位相反时转子串入 后将引起如下的变化过程：转子串入 后将引起如下的变化过程：
15、1)当 Ef 与E2 两者的频率相同、相位相同时1.低同步晶闸管串级调速系统的主电路组成：主要由绕线转子异步电动机M，三相桥式二极管整流器UR、三相桥式晶闸管有源逆变器UI、逆变变压器TI、平波电抗器Ld等部分组成。晶闸管串级调速系统2.工作原理 在不计电动机转子绕组和逆变变压器漏抗等影响时，转子直流回路的电压平衡方程为 在电动机拖动恒转矩负载情况下，当T=TL时，电动机稳态运行，其转子电流 I2 和直流电流 Id 均保持定值。当使触发超前角增大时，电动机的升速过程为3.闭环串级调速系统优点：保证系统既具有较硬的机械特性，又具有响应速度快、抗干扰能力强、易于过电流保护等。转速、电流双闭环串级调
16、速系统 根据异步电动机的转速表达式n=(1-s)60f/p=(1-s)n可知，改变异步电动机的供电频率 f，可以改变异步电动机的同步转速n，从而改变其转子转速n。1.变频调速的基本原理2.变频调速的基本控制方式1)额定频率以下的恒磁通变频调速2)额定频率以上的弱磁调速1)额定频率以下的恒磁通变频调速恒压频比控制特性1不带压降补偿 2带压降补偿U/f=常数的恒压频比控制的机械特性2)额定频率以上的弱磁调速恒功率机械特性a)f1f 1n的近似恒功率机械特性 b)严格恒功率机械特性 交-交变频器直接将电网交流电变为可调频调压的交流电输出，没有明显的中间滤波环节，故又称为直接变频器。交-直-交变频器则
17、先将电网交流电经整流器转换为直流电，经中间滤波环节后，再经逆变器变换为调频调压的交流电，故称为间接变频器。交-直-交变频器根据其中间滤波环节是电容性或是电感性，可分为电压型变频器和电流型交频器两种。1.PWM型变频器主电路PWM型变频器主电路2.正弦波脉宽调制(SPWM)方式 通常，把参考信号为正弦波的脉宽调制方式称为正弦波脉宽调制(SPWM)，而把采用SPWM方式的变频器称为SPWM变频器。SPWM方式控制电路框图2.正弦波脉宽调制(SPWM)方式从调制脉冲的极性上，可以分为单极性和双极性两种。单极性双极性 系统由主电路和控制电路组成，主电路是一个典型PWM型交-直-交变频器主电路。控制电路主要由PWM控制信号形成电路、GTR的基极驱动电路和保护电路等组成。
