电力拖动控制系统基础知识(培训教材)

4电力拖动控制系统基础知识自动控制系统可以从一些不同的角度来进行分类。

一般按系统结构特点分类，大致可分为：开环控制系统、闭环控制系统及复合控制系统。

其中，闭环控制系统又分为单环控制系统、双环控制系统等；而复合控制系统是既有主反馈，又有前馈的控制系统。

所谓前馈控制是一种按照扰动进行控制的开环控制。

因此复合控制系统是开环、闭环结合的系统。

4.1开环控制系统与闭环控制系统的概念4.1.1开环控制系统（1）开环控制系统概念开环控制系统是与闭环控制系统相对而言的。

如果在系统中控制信息的流动未形成闭合回路，那么该系统就称之为开环控制系统。

（2）开环控制系统种类常见的开环控制系统有以下两种：1）按干扰补偿的前馈控制系统通过前面对控制的分析可知，稳定被控制量实质上就是在干扰信号出现时，操纵控制量使之对被控量的影响与干扰量对被控量的影响互相抵消以保持被控量不变，这样就产生了利用干扰去克服干扰的控制思路。

其原理方框图见图4-1-1。

图4-1-1前馈系统控制图在这种系统中，由于测量的是干扰量，故只能对可测干扰进行补偿。

不可测干扰以及对象、各部件内部参数变化给被控量造成的干扰，系统自身无法控制。

因此，控制精度受到了原理上的限制。

2）按给定值操作的开环控制系统所谓按给定值操作的开环控制系统，就是事先计算出希望的给定量，然后向执行器提供该给定量后就不再管它了，那么这种系统就是所谓的按给定值操作的开环系统。

见图4-1-2。

开环控制系统由于没有信息的回馈，控制器就无法知晓控制的效果，因此也就没有纠正偏差的能力。

因此这种系统只能用在对控制质量要求不高的场合，或者是在闭环控制中起辅助的控制以减轻反馈控制的负担。

图4-1-2按给定值操作的开环系统综上所述，开环控制系统的特点是：①不必对被控量进行测量和反馈，因而结构简单。

②这种系统需要采用高精度元件保证控制精度。

③对干扰造成的误差，系统不具有修正能力。

④系统不存在稳定性问题。

（3）开环调速系统及其存在的问题在实际应用中，晶闸管-电动机系统和可逆直流脉宽调速系统都是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。

如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，可以找到一些用途。

但是，在开环系统中，当负载电流增大时，电枢压降也增大，转速只能降下来；许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。

例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但是，为了保证工件的加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度却必须基本稳定，也就是说，静差率不能太大，一般要求，调速范围D=20～40，静差率5％。

又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属每秒流量相等，才不致造成钢材拱起或拉断，根据工艺要求，须使调速范围D=3～10时，保证静差率0.2％～0.5％。

在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。

在开环系统中，当负载电流增大时，电枢压降也增大，转速只能降下来；闭环系统装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就会降低，通过比较和放大，提高电力电子装置的输出电压，使系统工作在新的机械特性上，因而转速又有所回升。

图4-1-3电动机开环控制原理图图4-1-4电动机的开环控制方块图图4-1-3为电动机开环控制原理图，图4-1-4为电动机的开环控制方块图，n 是要求控制的输出量，亦称为被控量。

作用于被控对象的量U 称为控制量。

作用于系统输入端的g U 称为输入量。

因此对于一个确定的输入量来说，总存在一个与之对应的输出量。

所有妨碍输入量对输出量按要求进行正常控制的因素称为扰动量，如电源电压U。

的波动、发电机原动机转速的变化、电动机励磁电压变化、发电机和电动机绕组电阻的变化、发电机剩磁及磁滞等，特别是电动机负载转矩z M 变化都将在输入量g U 和输出量n 以决定的预期值之间引起偏差。

为了分清主次，把各种扰动分为主扰动和次扰动，主扰动就是经常变化，对输出量影响较大的扰动，通常是被控对象的负载，以后就把主扰动称为扰动，而忽略次扰动。

上述控制系统被控量只能受控于输入量，而对输入量不能反施任何影响的系统称为开环控制系统。

4.1.2闭环控制系统开环控制系统往往是不能满足生产要求的，如刨床加工零件时，由于在加工过程中负载转矩不同，而产生不同的转速降．为了保证刨床的加工SF 度，要求在加工时电动机速度不变或几乎不变，为此在电动机轴上装设永磁式测速发电机SF，其原理图如图4-1-3所示。

电动机如因负载转矩增大而转速降低，刚sf E 降低，g sf U U E Δ=−，由于g U 近似不变，U Δ提高，发电机电势亦相应增加，自动调节电动机的转速，从而减小由于扰动在输出端造成的使被控量偏离预期值的偏差。

（1）闭环控制系统概念通过反馈，使整个控制系统形成一个闭合的环路，这种输出与输入间存在负反馈的系统就称为闭环控制系统或反馈控制系统。

图4-1-5电动机闭环控制原理图图4-1-6电动机闭环控制方块图图4-1-5所示的闭环调速系统中由测量元件(测速发电机)对被控量(转速)进行检测,并将其反馈至输入端与给定电压相比较(相减)得到偏差电压(ΔUe=Ｕg-Ut);经放大器放大后加到触发器-晶闸管可控整流装置的输入端,并根据偏差的信息(偏差电压的极性和大小)对被控量进行相应的调节,以达到消除偏差或使偏差减小到容许范围内的目的。

这种联接极性的反馈称为负反馈。

通过负反馈产生偏差并根据偏差的信息进行控制,以达到最终消除偏差或使偏差减小到容许范围内的控制机理,称为负反馈控制原理简称反馈控制原理。

反馈信号只与被控量成比例时，称为硬反馈。

若反馈信号与被控量的变化速度有关时，则称为软反馈．硬反馈不仅在过渡过程中，而且在稳态下也起作用；而软反馈只是在过渡过程中起作用，在稳态时，反馈作用就消失了。

图4-1-6中给定信号、反馈信号共同作用的圆圈表示比较环节，其中正负符Δ为偏差信号，图中箭头指示的方号表示信号之间的极性，比较环节输出信号U向表示信号流通方向，同时也说明了构成控制系统的各元件作用的单向性。

（2）闭环控制系统特点闭环控制系统的特点是；1)闭环控制就是反馈控制在闭环控制系统中,控制装置与受控对象之间不仅有正向作用而且还有反馈联系,因而信号的传递形成一个闭合的环路,故命名为闭环控制系统2)系统需要反馈元件，而反馈元件的精度直接影响控制系统的精度，所以尽可能采用精度高的反馈元件。

3)由于采用了负反馈，因而对控制装置及被控对象参数变化而引起的干扰都不甚敏感，因此可采用不太精密的元件。

4)闭环控制系统的抗扰动能力强。

当出现干扰时，可以减弱其影响。

5)在实际的控制系统中,扰动总是不可避免的而且往往是无法预计的,系统可能工作不稳定，因此存在稳定性校核问题。

因而扰动成为制约控制系统性能提高的一个重要因素。

一般闭环传动控制系统的组成如图4-1-7所示。

图4-1-7一般闭环控制系统的方块图图4-1-7中为比较元件(又称比较器)，在比较元件中，参考输入信号(给定值信号)与反馈信号进行比较，其差值输出即为偏差信号，偏差信号就是控制器的输入。

控制器输出控制信号来控制受控对象，而被控量通过反馈回路形成反馈信号，与给定信号再次进行比较，即系统中控制信号的流动形成了闭合回路，故称之为闭环控制系统。

一般闭环控制系统尚有为改善系统控制性能而设的校正环节，即一般称为稳定环节，图上未曾画出。

（3）单回路闭环控制系统与多回路闭环控制系统图4-1-7为单回路控制系统，而图4-1-8为双环回路自动控制系统方块图。

图4-1-8双环回路自动控制系统方块图在实际应用中，为实现调速的闭环控制，通常的闭环调速系统一般在电动机上同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压，用以控制电动机的转速。

这就组成了反馈控制的闭环直流调速系统，根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。

闭环系统装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就会降低，通过比较和放大，提高电力电子装置的输出电压，使系统工作在新的机械特性上，因而转速又有所回升。

闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。

4.2单闭环调速系统的动态性能4.2.1单闭环调速系统的特点（1）单闭环调速系统组成在一般单闭环调速系统中，控制系统大致可分为给定环节、比较放大环节、功率放大环节、电机和反馈环节。

测速发电机SP是测量元件，用来测量电动机速度并给出与速度成正比的电压，然后，将反馈到输入端并与给定电压比较得到偏差电压。

由于偏差电压一般比较微弱，故需经电压放大器放大后才能作为触发器的控制电压。

如果电动机所带负载增加使电动机速度降低而偏离给定值，则测速发电机电压减小，偏差电压将因此增大，触发器控制电压也随之增大，从而使晶闸管输出整流电压升高，逐步使速度回升到给定值附近。

这种按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制方式。

其速度闭环调速系统的简要控制原理如图4-2-1所示：图4-2-1速度单闭环调速系统控制原理图（2）单闭环调速系统特点采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

4.2.2单闭环调速系统的动态性能（1）单闭环调速系统的性能在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但I值以后，靠强烈的负反馈作甩限制电流的冲击，并不它只是在超过临界电流dcr能很理想地控制电流能动态波形。

带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图4-2-2a所示。

当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。

图4-2-2调速系统起动过程的电流和转速波形a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程b）理想快速起动过程（2）单闭环调速系统的问题对于像龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。

为此，在电机最大电流（转矩）受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。