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维修电工技师培训教材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1第四章第四章 自动控制系统的基本知识自动控制系统的基本知识培训要点 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。2第四章第四章 自动控制系统的基本知识自动控制系统的基本知识自动控制 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。3第一节第一节 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念一、自动控制理论简介一、自动控制理论简介定义分类 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、变参数、非线性、高精度及高效能等各种复杂控制系统。4二、自动控制技术中常用的一些术语二、自动控制技术中常用的一些术语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。第一节第一节 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念5三、自动控制系统的类型三、自动控制系统的类型1.按系统的结构特点分 恒值控制系统 随动系统 程序控制系统 线性控制系统 非线性控制系统第一节第一节 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 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6四、开环控制系统与闭环控制系统四、开环控制系统与闭环控制系统特征：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.开环控制系统第一节第一节 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念7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。四、开环控制系统与闭环控制系统四、开环控制系统与闭环控制系统1.闭环控制系统第一节第一节 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念8五、自动控制系统的基本组成五、自动控制系统的基本组成前向通路：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)。第一节第一节 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念9第二节第二节 自动控制系统性能及其指标自动控制系统性能及其指标一、对自动控制系统的性能要求一、对自动控制系统的性能要求 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10二、自动调速系统的性能指标二、自动调速系统的性能指标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)第二节第二节 自动控制系统性能及其指标自动控制系统性能及其指标112.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。第二节第二节 自动控制系统性能及其指标自动控制系统性能及其指标二、自动调速系统的性能指标二、自动调速系统的性能指标12第三节第三节 自动控制的基本规律与调节器自动控制的基本规律与调节器 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13一、比例控制与比例调节器一、比例控制与比例调节器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。第三节第三节 自动控制的基本规律与调节器自动控制的基本规律与调节器比例控制 是指系统的输出量与输入量(即偏差量)成比例的控制，简称P控制。Ui输入信号14二、二、积分控制与积分调节器积分控制与积分调节器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。第三节第三节 自动控制的基本规律与调节器自动控制的基本规律与调节器积分控制 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。15三、比例积分控制与比例积分调节器三、比例积分控制与比例积分调节器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。第三节第三节 自动控制的基本规律与调节器自动控制的基本规律与调节器比例积分控制 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。16四、比例积分微分控制与比例积分微分调节器四、比例积分微分控制与比例积分微分调节器1.比例积分微分(PID)调节器第三节第三节 自动控制的基本规律与调节器自动控制的基本规律与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。17五、调节器的应用五、调节器的应用1.实用调节器电路内限幅电路外限幅电路第三节第三节 自动控制的基本规律与调节器自动控制的基本规律与调节器18五、调节器的应用五、调节器的应用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第三节第三节 自动控制的基本规律与调节器自动控制的基本规律与调节器19第五章第五章 电动机的调速系统电动机的调速系统培训要点 本章应重点掌握各种直流和交流调速系统的基本组成、工作原理、性能特点及应用知识。20第一节第一节 概述概述一、直流调速系统一、直流调速系统调速方法：电枢回路串电阻调速、弱磁调速和调压调速。二、交流调速系统二、交流调速系统组成：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。21第二节第二节 有静差直流自动调速系统有静差直流自动调速系统一、转速负反馈有静差直流调速系统一、转速负反馈有静差直流调速系统1.工作原理转速负反馈有静差直流调速系统原理图22第二节第二节 有静差直流自动调速系统有静差直流自动调速系统一、转速负反馈有静差直流调速系统一、转速负反馈有静差直流调速系统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：232.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。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。第二节第二节 有静差直流自动调速系统有静差直流自动调速系统一、转速负反馈有静差直流调速系统一、转速负反馈有静差直流调速系统24一、转速负反馈有静差直流调速系统一、转速负反馈有静差直流调速系统4)转速负反馈回路的反馈电压Ufn为第二节第二节 有静差直流自动调速系统有静差直流自动调速系统式中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，25一、转速负反馈有静差直流调速系统一、转速负反馈有静差直流调速系统1)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第二节第二节 有静差直流自动调速系统有静差直流自动调速系统26二、电压负反馈直流调速系统二、电压负反馈直流调速系统在给定电压Ug为负极性的情况下，该系统的自动调速过程如下：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。第二节第二节 有静差直流自动调速系统有静差直流自动调速系统电压负反馈直流调速系统电压负反馈直流调速系统27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。第二节第二节 有静差直流自动调速系统有静差直流自动调速系统带电流正反馈环节的电压负反馈直流调速系统带电流正反馈环节的电压负反馈直流调速系统三、带电流正反馈环节的电压负反馈直流调速系统三、带电流正反馈环节的电压负反馈直流调速系统28四、带电流截止负反馈环节的转速负反馈直流调速系统四、带电流截止负反馈环节的转速负反馈直流调速系统第二节第二节 有静差直流自动调速系统有静差直流自动调速系统带电流截止负反馈环节的转速负反馈直流调速系统带电流截止负反馈环节的转速负反馈直流调速系统29第三节第三节 无静差直流自动调速系统无静差直流自动调速系统一、转速单闭环无静差直流调速系统一、转速单闭环无静差直流调速系统输入偏差电压为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：转速单闭环无静差直流调速系统转速单闭环无静差直流调速系统30二、二、转速、电流双闭环直流自动调速系统转速、电流双闭环直流自动调速系统 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第三节第三节 无静差直流自动调速系统无静差直流自动调速系统转速、电流双闭环直流自动调速系统转速、电流双闭环直流自动调速系统31二、二、转速、电流双闭环直流自动调速系统转速、电流双闭环直流自动调速系统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)第阶段即转速调节阶段(2)负载变化时的自动调速过程(3)电动机堵转过程第三节第三节 无静差直流自动调速系统无静差直流自动调速系统32第四节第四节 可逆直流调速系统可逆直流调速系统一、可逆调速系统的基本概念一、可逆调速系统的基本概念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332.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工作于逆变状态，R90，EdUd。反转电动运行，n0，Id0；VR工作于整流状态，R90，EdUd。第四节第四节 可逆直流调速系统可逆直流调速系统一、可逆调速系统的基本概念一、可逆调速系统的基本概念反并联可逆电路的四象限运行34二、二、=配合控制的有环流可逆系统配合控制的有环流可逆系统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。第四节第四节 可逆直流调速系统可逆直流调速系统定义 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。352.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 的极性第四节第四节 可逆直流调速系统可逆直流调速系统二、二、=配合控制的有环流可逆系统配合控制的有环流可逆系统=配合控制的有环流可逆调速系统的原理框图363.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。第四节第四节 可逆直流调速系统可逆直流调速系统二、二、=配合控制的有环流可逆系统配合控制的有环流可逆系统37三、三、逻辑无环流可逆调速系统逻辑无环流可逆调速系统DLC是逻辑无环流可逆系统中的关键部件。第四节第四节 可逆直流调速系统可逆直流调速系统逻辑无环流可逆调速系统逻辑无环流可逆调速系统382.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。第四节第四节 可逆直流调速系统可逆直流调速系统三、三、逻辑无环流可逆调速系统逻辑无环流可逆调速系统393.无环流逻辑控制装置第四节第四节 可逆直流调速系统可逆直流调速系统三、三、逻辑无环流可逆调速系统逻辑无环流可逆调速系统无环流逻辑控制装置原理图40第五节第五节 异步电动机串级调速系统异步电动机串级调速系统 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。411)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：第五节第五节 异步电动机串级调速系统异步电动机串级调速系统一、串级调速的原理一、串级调速的原理42一、串级调速的原理一、串级调速的原理转子串入 后将引起如下的变化过程：第五节第五节 异步电动机串级调速系统异步电动机串级调速系统1)当 Ef 与E2 两者的频率相同、相位相同时431.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。第五节第五节 异步电动机串级调速系统异步电动机串级调速系统二、低同步晶闸管串级调速系统二、低同步晶闸管串级调速系统晶闸管串级调速系统442.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第五节第五节 异步电动机串级调速系统异步电动机串级调速系统二、低同步晶闸管串级调速系统二、低同步晶闸管串级调速系统45二、低同步晶闸管串级调速系统二、低同步晶闸管串级调速系统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。第五节第五节 异步电动机串级调速系统异步电动机串级调速系统转速、电流双闭环串级调速系统46第六节第六节 异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统 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一、变频调速的基本原理与基本控制方式一、变频调速的基本原理与基本控制方式47一、变频调速的基本原理与基本控制方式一、变频调速的基本原理与基本控制方式1)额定频率以下的恒磁通变频调速第六节第六节 异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统恒压频比控制特性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48一、变频调速的基本原理与基本控制方式一、变频调速的基本原理与基本控制方式2)额定频率以上的弱磁调速第六节第六节 异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统恒功率机械特性a)f1f 1n的近似恒功率机械特性 b)严格恒功率机械特性49 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。第六节第六节 异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统二、变频器的分类与特点二、变频器的分类与特点50二、变频器的分类与特点二、变频器的分类与特点 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。第六节第六节 异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统511.PWM型变频器主电路第六节第六节 异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统三、脉宽调制三、脉宽调制(PWM)(PWM)型变频器型变频器PWM型变频器主电路522.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。第六节第六节 异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统三、脉宽调制三、脉宽调制(PWM)(PWM)型变频器型变频器SPWM方式控制电路框图53三、脉宽调制三、脉宽调制(PWM)(PWM)型变频器型变频器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。单极性双极性第六节第六节 异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统54四、四、PWMPWM型变频调速系统简介型变频调速系统简介 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。第六节第六节 异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统转速开环的转速开环的PWMPWM型变频调速系统的原理框图型变频调速系统的原理框图55