自控原理复习总结.doc

自动控制原理
自控控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备或工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。
反馈的输出量与输入量相减，称为负反馈；反之，则称为正反馈。

自动控制原理系统基本组成示意图
o 测量元件：测量被控对象的需要控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般需要转化为电量。
o 给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量。
o 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出它们之间的偏差。
o 放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。
o 执行元件：直接作用于被控对象，使其被控量发生变化，达到预期的控制目的。
o 校正元件：也称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件。
对自动控制系统性能的基本要求：稳定性、快速性、准确性

系统的传递函数：线性系统，在零初始条件下，输出信号的拉普拉斯变换与输入信号的拉普拉斯变换之比。
典型环节：
比率环节：
惯性环节：
积分环节：
微分环节：
一阶微分环节：
振荡环节：
延迟环节：
数学模型：微分方程、传递函数、结构图、信号流图、频率特性等
结构图的等效变换：（例）
1
G
2
G
3
G
1
H
3
2
H
H
+
)
(
s
R
)
(
s
C
1
G
1
H
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1
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3
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3
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G
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G
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+
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Þ
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3
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G
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3
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3
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H
G
G
G
G
G
+
+

无源电气网络的传递函数：P46习题2.7
用梅森公式求系统的闭环传递函数：P38例2.9

第三章：
典型输入信号：

动态性能指标：
¡ 1．延迟时间td：响应曲线第一次达到稳态值的一半所需的时间，叫延迟时间。
¡ 2．上升时间tr：响应曲线从稳态值的10%上升到90%所需的时间。对于有振荡的系统，也可定义为响应从零第一次上升到稳态值所需的时间。
¡ 3. 峰值时间tp：响应曲线超过其稳态值达到第一个峰值所需要的时间。
¡ 4. 调节时间ts：指响应到达并保持在稳态值或内所需的时间。
¡ 5. 超调量：指响应的最大偏离量h(tp)与稳态值的差与稳态值的比，用百分号来表示，即
¡ 6．振荡次数m: ：是指在调节时间ts内，h(t)波动的次数。
稳态性能指标：稳态误差

一阶系统单位阶跃相应曲线 二阶系统在不同值得瞬态相应曲线
二阶系统阶跃响应的性能指标： 临界阻尼 ；过阻尼；欠阻尼
超调量只是的函数，阻尼比越小超调量越大

左图为：阻尼比与超调量之间的关系
调节时间的计算：

劳斯判据：系统特征方程式的根全部都再s左半平面的充分必要条件是劳斯表的第一列系数全部为正数。如果劳斯表第一列出现小于零的数值，系统就不稳定，且第一列各系数符号的改变次数，代表特征方程式的正实部根的数目。（P66）

掌握绘制系统根轨迹的基本法则
对于稳定的系统，闭环主导极点越远离虚轴，即闭环主导极点的实部绝对值越大，系统振荡越严重，从而系统超调量增大，振荡次数增多，引起系统的调整时间增加。
常见的开环零极点分布及相应的根轨迹图（P101）
作业4-4（P120）答案：

]

惯性环节的伯德图
Nyquist图绘制方法：
① 写出A(ω) 和j(ω) 的表达式；
② 分别求出ω = 0和ω =+∞ 时的G(jω)；
③ 求Nyquist图与实轴的交点；
④ 如果有必要，可求Nyquist图与虚轴的交点，交点可利用G(jω)的实部Re[G(jω)]=0的关系式求出，也可利用∠G(jω) = n·90°(其中n为正整数)求出；
⑤ 必要时画出Nyquist图中间几点；
⑥ 勾画出大致曲线。
系统各频段的作用：
低频段：系统的稳定性能
中频段：系统的动态性能
高频段：系统的抗干扰能力
例题5-4（P139）
例题5-8（P152） 重要

串联超前校正和串联滞后校正方法的适用范围和特点：
（1）超前校正是利用超前网络的相角超前特性对系统进行校正，而滞后校正则是利用滞后网络的幅值在高频衰减特性。
（2）用频率法进行超前校正，指在提高开环对数幅频渐进线在截止频率处的斜率(-40dB/dec提高到-20dB/dec)，和相位裕度，并增大系统的频带宽度。频带的变宽意味着校正后的系统响应变快，调整时间缩短。
（3）对同一系统超前校正系统的频带宽度一般总大于滞后校正系统，因此，如果要求校正后的系统具有宽的频带和良好的瞬态响应，则采用超前校正。当噪声电平较高时，显然频带越宽的系统抗噪声干扰的能力也越差。对于这种情况，宜对系统采用滞后校正。
（4）超前校正需要增加一个附加的放大器，以补偿超前校正网络对系统增益的衰减。
（5）滞后校正虽然能改善系统的静态精度，但它促使系统的频带变窄，瞬态响应速度变慢。如果要求校正后的系统既有快速的瞬态响应，又有高的静态精度，则应采用滞后-超前校正。
工程最佳系统：二阶工程最佳系统、三阶工程最佳系统、四阶工程最阶系统。
采样定理：
若已知连续信号的最大角频谱为，采样周期为，则当采样周期满足时，采样信号才能较好地复现连续函数的形式。
离散系统的数学模型：差分方程、脉冲传递函数（差分方程通过Z变换得到脉冲传递函数）

非线性系统的分析方法：描述函数法、相平面法
自动控制系统
忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制系统的简化运动方程式：

生产机械的负载转矩特性：恒转矩负载，恒功率负载，风机、泵类负载
直流调速系统的可控直流电源：
①晶闸管整流器-电动机调速系统（V-M系统）；
②PWM变换器-电动机系统。
为了避免或减轻电流脉动的影响，需采用抑制电流脉动的措施，主要有：
①增加整流电路相数，或采用多重化技术；
②设置电感量足够大的平波电抗器。
V-M系统机械特性：

与V-M系统相比，直流PWM调速系统在很多方面有较大的优越性：
①主电路简单，需要的电力电子器件少；
②开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗及发热都较小；
③低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；
④若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；
⑤电力电子开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；
⑥直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
转速控制的要求和稳态调速性能指标：
1.调速范围：
2.静差率：
3.调速范围、静差率和额定速降之间的关系：
例题2-2（重要）
某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻R=0.18Ω，电动机电动势系数Ce=0.2Vmin/r。如果要求调速范围D=20，静差率s≤5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降ΔnN最多能有多少？
解:当电流连续时，V-M系统的额定速降为

开环系统在额定转速时的静差率为

如要求，，即要求

图2-19 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图

图2-22 直流电动机动态结构框图的变换

图2-23 转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图

在同样的负载扰动下，开环系统的转速降落与闭环系统的转速降落的关系是：

例题2-3（重要）
在例题2-2中，龙门刨床要求D=20，s≤5%，已知 Ks=30,α= 0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制闭环调速系统满足上述要求时，比例放大器的放大系数应该有多少？
开环系统额定速降为 ，
闭环系统额定速降须为 ，由式（2-48）可得

代入已知参数，则得：

即只要放大器的放大系数等于或大于46。

反馈控制规律：
①比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统；
②反馈控制系统的作用是：抵抗扰动, 服从给定；反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环所包围的前向通道上的扰动。
③系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。

比例控制闭环直流调速系统的动态稳定性其稳定条件：

PI控制优点：
PI控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点。
比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。
PI调节器的传递函数：
由扰动引起的稳态误差取决于误差点与扰动加入点之间的传递函数。
测速方法：M法测速（高速）、T法测速（低速）、M/T法测速
为了解决转速反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，系统引入电流截止负反馈。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。
参数计算：

图3-6 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形
双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：
（1）饱和非线性控制；
（2）转速超调；
（3）准时间最优控制。

转速调节器的作用：
（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。
（2）对负载变化起抗扰作用。
（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。

电流调节器的作用：
（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
（3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。
（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

控制系统的动态性能指标：
1.跟随性能指标
（1）上升时间
（2）超调量与峰值时间
（3）调节时间
2.抗扰性能指标
（1）上升时间
（2）恢复时间

图3-10 典型Ⅰ型系统
(a)闭环系统结构图
(b)开环对数频率特性

图3-13 典型Ⅱ型系统
(a)闭环系统结构图 (b)开环对数频率特性

可逆PWM变换器的控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种。
了解V-M可逆直流调速系统中的环流问题（P103）

图4-13 配合控制的三相零式反并联可逆线路的瞬时脉动环流（）
(a)三相零式可逆线路和瞬时脉动环流回路
(b) 时整流电压 波形
(c) 时逆变电压波形
(d)瞬时电压差 和瞬时脉动环流 波形
直流平均环流可以用配合控制消除，而瞬时脉动环流却是自然存在的。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，称做环流电抗器，或称均衡电抗器。

当可逆系统中一组晶闸管工作时（不论是整流工作还是逆变工作），如用逻辑关系控制使另一组处于完全封锁状态，就可彻底断开环流的通路，确保两组晶闸管不同时工作，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。（P106）
降低励磁电流以减弱磁通则是从基速向上调速（P110）
异步电动机的调速方式：变频、变压、变极对数
了解软启动器（P120）
变压变频调速的基本原理：1.基频以下调速：恒压频比；2基频以上调速：恒功率调速（近似）

图5-13 异步电动机在不同控制方式下的机械特性
a）恒压频比控制b）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制d）恒转子磁通控制

图5-15 交-直-交变频器主回路结构图（重要 P129）

为了限制泵升电压，可采取下述两种方法：
（1）在直流侧并入一个制动电阻，当泵升电压达到一个定值时，开通与制动电阻相串联的功率器件，通过制动电阻释放电能，以降低泵升电压，如图5-36所示。
（2）在直流侧并入一组晶闸管有源逆变器（见图5-37）或采用PWM可控整流（见图5-38），当泵升电压升高时，将能量回馈至电网，以限制泵升电压。

图5-36 带制动电阻的交-直-交变频器主回路 图5-37 直流侧并晶闸管有源逆变器的
交-直-交变频器主回路

了解转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统（P149）
直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较：

l 矢量控制系统通过电流闭环控制，实现定子电流的两个分量的解耦，进一步实现电磁转矩与转子磁链的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可获得较宽的调速范围。
l 按转子磁链定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。
l 直接转矩控制系统采用双位式控制，根据定子磁链幅值偏差、电磁转矩偏差的符号以及期望电磁转矩的极性，再依据当前定子磁链矢量所在的位置，直接产生PWM驱动信号，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构。
l 不可避免地产生转矩脉动，影响低速性能，调速范围受到限制。

在串级调速系统中在转子端引入一个附加直流电动势的要求：首先，直流附加电动势应该是可平滑调节的，以满足对电动机转速平滑调节的要求；其次，从节能的角度看，希望产生附加直流电动势的装置能够吸收从异步电动机转子侧传递来的转差功率并加以利用。

图7-6 异步电动机串级调速时的机械特性
a) 大电机 b)小电机

伺服系统的基本要求：
(1) 稳定性好 (2) 精度高 (3) 动态响应快 (4) 抗扰动能力强