1 自动控制系统的基本知识

2011-9-19
3）根据生产机械的负载性质 选择电动机的调速方式

目的：保证电动机在整个调速范围内始终得到最 充分的利用。
生产机械的负载特性

恒转矩型：如起重机 恒功率型：如车床主轴
•直流电动机调压调速属于恒转矩调速。 •直流电动机调磁通调速属于恒功率调速。
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电动机的调速特性与 生产机械负载特性匹配
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(3) 振荡次数
在过渡过程时间内， 被调量n在其稳定值 上下摆动的次数。 图中为1次。

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自动调速系统动态性能的比较
•系统1 时间太长。
•系统2 振荡次数太多。 •系统3 最好。
• 不同的生产机械对 动态指标的要求不 同。 • 造纸机不允许有振 荡的过渡过程。

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闭环控制系统 其特点是输入量与输出量之间既有正向 的控制作用（前向通道），又有反向的反馈 控制作用，形成一个闭环，并按偏差的性质 产生控制作用，以求减小或消除偏差的控制 系统，又称反馈控制系统。 闭环控制系统具有很强的纠偏能力，对干扰 作用具有良好的适应性。

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2. 动态技术指标

调速过程中，从一种稳 定速度变化到另一种稳 定速度运转（启动、制 动过程仅是特例而已）， 由于有电磁惯性和机械 特性，过程不能瞬时完 成，而需要一段时间， 即要经过一段过渡过程， 或称动态过程。
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（1）最大超调量
nmax n2 MP n2

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电动机的调速系统
广泛采用电气方法调速。 电气调速的优点： 简化机械变速机构； 提高传动效率； 操作简单； 易于获得无级调速； 便于实现远距离控制和制动控制；
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电动机的调速系统
直流调速系统：直流电动机 交流调速系统：交流电动机
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自动调速系统的技术指标
1. 静态技术指标
(1)调速范围D：电动机在额定负载下所允许的最高 转速和在保证生产机械满足静差度的 前提下所能达到的最低转速之比。
nmax D nmin
对于非弱磁的调速系统，最高转速就是电动机的 额定转速。
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(2) 静差度（率）S

静差度：即转速变化率，也叫稳定度。
nmax S 2 D nN (1 S 2 )

在保证一定静差度的前提下，扩大系统调速范 围的方法是提高电动机机械特性的硬度以减小 △nN

为了减小转速降，提高机械特性的硬度，必须 设法在负载转矩发生变化时，尽可能使电动机 的转速不变。为此，引进转速负反馈控制系统。
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（3）调速的平滑性
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比例（P）控制器
输出量与输入量的大小成正比。 按照负反馈原理构成的自动控制系统，其最 大特点是采用偏差△U进行控制的，即 输入信号为偏差△U

则
UO=KP△U KP —— 控制器的比例系数
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运算放大器组成的比例控制器

实质上是一个反相放大器。

只有当偏差电压为负值，即△U＜0时，放大 器的输出电压才为正值。
1 自动控制系统的基本知识

人工控制和自动控制; 开环控制和闭环控制; 掌握自动控制系统的组成、分类; 自动控制系统的基本要求; PID控制.
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1.2 人工控制和自动控制
自动控制： 在没有人直接参与的情况下，利用自动控 制装置（控制器）使整个生产过程或工作机 械（被控对象）自动地按预定的规律运行， 或者使它的某些物理量（被控量）按预定的 要求变化。 人工控制： 用人工操作来完成对生产机械或设备的 操作和控制，以抵消外界的扰动和影响。





根据调速指标确定拖动方案: D=2~3，有级调速，选多速电动机; D< 3，有级调速，重载启动、短时工作， 选线绕式异步电动机； D=3~10，无级调速，不经常正反转，选滑 差电动机；经常正反转、经常低速运行，选 晶闸管直流拖动系统； D=10~100，采用晶闸管直流拖动系统和交 流变频调速系统. D>100，交流变频调速系统
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比例控制器具有作用及时、快速、控制作用 强的优点。 且KP的绝对值越大，系统的偏差就越小，控 制精度就越高。 但是KP值过大，将会导致瞬态响应过程出现 剧烈的震荡，容易造成系统的不稳定。 因此，比例控制是不可少的，但一般不单独 使用。

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积分（I）控制器
具有转速负反馈的G－M调速系统
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反馈控制：分为：正反馈、负反馈 通常，只有按负反馈原理组成的闭环控制系 统才能实现自动控制的功能。 负反馈：反馈信号的正负极性（或符号）必 须与给定值的极性相反，以便取得偏差值作 为控制之用。 因此：开环控制系统——给定信号控制 闭环控制系统——偏差信号控制

通常用两个相邻调速级的转速差来衡量。

在一定的调速范围内，可以得到的稳定运行 转速级数越多，调速的平滑性就越高。
若级数趋近于无穷大，即表示转速连续可调， 称为无级调速。 不同的生产机械对调速的平滑性要求不同， 有的采用有级调速即可，有的则要求无级调 速。


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例 题

某直流调速系统，其高速、低速特性如图示, n01 =1450r/min, n =145r/min, 02 n N =10r/min。问系统达到的调速范围有多大?系 统允许的静差度是多少?
nN n0 nN S n0 n0
no——理想空载转速，一般指具有最低转速时的n0 △nN ——额定负载时的转速降。

静差度用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳 定性。和电机的机械特性有关，特性越硬，静差 率越小，电机转速的稳定性就越高。
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调速范围和静差度的关系
以调压调速为例：特性如下图，静差度S取最低转 速时S2的值.

输出量与输入量对时间的积分成正比。
1 UO TI


t
0
Udt
TI —— I 控制器的积分时间， KI —— I 控制器的积分常数； TI = 1/KI
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运算放大器的积分电路

特点：1. 输入为负值，则输出为正值；

2. 只要输入△U≠0，UO就越来越大， 即控制作用越来越强，使得UO逐渐接近期望 值，即△U越来越小，直到=0.
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1.7 自动控制系统的基本要求

稳定性、快速性、准确性
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1.8 PID控制器



控制器对偏差信号△U进行加工、处理，使其输出 信号随着偏差信号的变化而变化的规律——控制规 律，也称 控制算法。 PID控制是最古老、最成熟、使用经验最丰富的一 种控制规律。 PID控制分三种基本控制： 比例控制——P控制 积分控制——I 控制 微分控制——D控制
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比例微分（PD）控制器
既与输入量（偏差信号△U ）成正比，又与 输入量对时间的一阶导数成正比。 PD控制的超前性，预见性，有助于系统的稳 定，能抑制过大的超调量。 纯粹的微分（D）控制只是在△U变化的瞬间 才有效， △U不变化或者极其缓慢变化的情 况下无效——有输入，但无输出。 能放大干扰信号。
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解
nmax n01 nn 1450 10 1440
nmin n02 n 145 10 135
nmax D nmin
=1440/135=10.67
nN S =10/145=6.9% n0
或
nmax S 2 D =1440(0.069)/10(1-0.069)=10.67 nN (1 S 2 )
前题下所能达到的最低速度即S2≤S生
nmax s2 D n N (1 s2 )

调速范围和静差率是相互联系的，并不是彼此孤立 的。 静差率是对应最低转速时推出的，计算时必须按最 低转速时静差率进行计算。 只有减小静态转速降△nN ，才能扩大调速范围D， 减小静差率，提高转速的稳定度。


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3. 尽管△U=0，但是UO却可以不等于零。 “无输入，但有输出”。
源自文库

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优缺点



积分控制可以消除系统输入量的偏差，能实现无静 差控制。 控制不及时，过程很缓慢。只能作为一种辅助控制 手段，不能单独使用。 通常与比例控制相结合，比例控制为主，积分控制 为辅——比例积分(PI)控制器。 PI控制器的比例作用使得系统的动态响应速度加快， 积分控制器又使得系统的静态性能显著提高，实现 了无静差控制。所以工业控制中应用广泛。

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比例积分微分（PID）控制器
自动控制系统的基本要求：快速性、准确性、 稳定性——PID控制器。 比例控制响应快、作用强；积分控制可减小 或消除静差，提高精度；微分控制可抑制超 调量，加快过渡过程，提高稳定性。 控制器参数整定：合理地选择比例系数、积 分时间和微分时间的值，使系统达到最佳控 制效果。

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控制的过程： 测量——求偏差——控制
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1.3 开环控制和闭环控制
开环控制系统 只有控制量(输入量)对被控制量(输 出量)的单向控制作用，而不存在被控制 量对控制量的影响和联系。 开环控制系统的精度：输入量的标定精 度和控制装置参数的稳定程度。 缺点：精度不高，适应性差，往往不能 满足高要求的生产机械的需要。

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自动控制系统的特征
1 结构上必须具有反馈装置，并按负反馈的 原则组成系统； 2 由偏差产生控制作用，系统中必须具有执 行纠偏任务的执行机构； 3 控制目的是力图减小或消除误差，使被控 量尽量接近期望值。

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1.4 自动控制系统的组成
测量反馈元件 比较元件 校正元件 放大元件 执行元件
超调量太大，达不到生产工艺上的要求；太 小，又会使过渡过程过于缓慢，不利于生产 率的提高，一般为10%-35%.
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(2) 过渡过程时间T
从输入控制（或扰动）作 用于系统开始直到被调量 n进入（0.05~0.02）n2稳 定值区间时为止（并且以 后不再越出这个范围）的 一段时间，叫做过渡过程 时间T。

单闭环直流调速系统 双闭环直流调速系统 可逆系统
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单闭环直流调速系统

单闭环直流 调速系统

有静差调速系统：按比例控制 无静差调速系统：按积分或 比例积分控制
电流截止 负反馈 ～
给定 速度
调节器 （放大器） 变流器 速度 负反馈
D nmax / nmin nmax nmax n02 nN nN 1 S 2 S2 nmax
nN n02 1 n02 nmax S 2 nN 1 S 2
11.4
nmin是在保证生产机械对s的要求
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3. 机电传动控制系统方案的确定原则

不要求电气调速的:
(1) 空载、轻载起动的，选鼠笼式异步 电动机; (2) 重载起动的，选线绕式异步电动机; (3) 大容量的，选同步电动机;
其中，简单的——继电器-接触器控制； 复杂的——PLC控制.
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2) 要求电气调速的

控制器
被控对象
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1.5 自动控制系统的分类
（1）从组成原理上分：开环控制系统和闭环 控制系统； （2）按组成系统的元件特性：线性系统和非 线性系统； （3）按传递信号的动作和时间的关系，分： 连续时间控制系统和离散时间控制系统；
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(4) 按自动调节系统的复杂程度，可分为单 环自动调节系统和多环自动调节系统； (5) 按系统稳态时被调量与给定量有无差别， 可分为有静差调节系统和无静差调节系 统； (6) 按输入信号变化的规律，可分为恒值控 制系统、程序控制系统和随动系统（伺 服系统）；

负载为恒转矩型的生产机械应尽可能选用恒 转矩性质的调速方式，且电动机的额定转矩 TN应等于或略大于负载转矩TL； 负载为恒功率型的生产机械应尽可能选用恒 功率性质的调速方式，且电动机的额定功率 PN应等于或略大于生产机械的静负载功率 PL。

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晶闸管-电动机直流调速系统

SCR——M 直流调速系统