自动控制技术

CE
CE
K p Ks U gd n Id R
CE
单闭环直流调速系统
整理得到闭环系统稳态特性方程：
n
K p KsU gd K
CE 1
IdR
p Ks
CE
K p KsU gd
CE 1 K
CE
Id R
1
K
n0b
nb
其中： K K pKs
CE
— 闭环系统的开环放大倍数。
单闭环直流调速系统
四、自动控制系统性能要求
❖ 典型试验信号 阶跃信号
❖ 系统性能分析方法 动态特性分析 稳态特性分析
阶跃信号（Step Function）
r(t)
R u(t)
R 0
t0 t0
r(t)
R
u(t)-----单位阶跃 函 数
时间
阶跃信号是最常用系统性能测试信号
动态特性分析
动态响应: 系统输出在典型测试信号下随时间变 化的特性
速度单闭环有静差 直流调速系统原理图
单闭环直流调速系统
在假设忽略各种非线性因素等条件下，系统各环 节的稳态关系为：
1.电压比较环节： U U gd U f
2.放大器： U k K pU 3.触发器及晶闸管整流装置： U d0 KsU k
4.此系统的开环机械特性： n Ud0 Id R
5.测速发电机： U f n
（二）专业知识
1.电子电路知识 2.电机及拖动基础知识 3.自动控制技术知识 （1）自动控制的基本概念
一、自动控制的基本概念
自动控制: 指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简 称控制器）使被控对象（如设备生产过程等） 的工作状态或简称被控量（如温度、压力、 流量、速度、pH值等）按照预定的规律运行.
二、自动控制系统的组成
❖ 自动控制系统组成方框图
偏 差 给定值 值 反 馈 值
操 作
控值 执
制
行
器
器
扰动
调节阀 受控 对象
测量、变送元件
被控量Hale Waihona Puke Baidu
三、自动控制系统的分类
1 按系统环节连接形式分类
开环控制系统：
扰动
设定器 控制器
闭环控制系统 :
被控对象
被控量
设定器
控制器 被控过程
传感器
开环控制系统与闭环控制系统
y (t ) --输出 x (t ) --输入
y（t）= f ( x（t）)
y( t )
x (t )
t
t
稳态特性:
稳态特性分析
平衡状态下系统输出与输入的关系
y（t = ）= f ( x)
y () ---稳态输出 x ---输入
自动控制系统被控量变化的动态特性
(a)单调过程
(b)衰减振荡过程
(c)等幅振荡过程 (d)渐扩振荡过程
I-电流上升阶段
在突加给定Ugn作用下，由于转速上升缓慢， 速度调节器很快进入饱和，输出达到Ugim。
Ugim加到电流调节器输入端，使其输出控制电 压Uk上升，使电动机电枢电流Id随之增加，达到 Idm时，电流环反馈电压Ufi=Ugim。
自动控制系统性能要求
(1)稳定性---自动控制系统的最基本的要求
(2)快速性---在系统稳定的前提下，希望控 制过程（过渡过程）进行得越快越好，但如 果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差 （偏差）过大。合理的设计应该兼顾这两方 面的要求。
(3)准确性---即要求动态误差和稳态误差 都越小越好。
（二）专业知识
当ST达到饱和、输出达到限幅值时，转速环失 去作用，呈开环状态，转速变化对系统不再产生 影响，只剩下电流环起作用，双闭环系统变为无 静差的单闭环系统。电流负反馈的作用使系统特 性呈陡然下降趋势。
双闭环直流调速系统
Ugn加到系统上后，在惯性作用下，转速缓慢 上升，这时Un=Ugn-Ufn很大，而ST积分时间相 对很小，ST很快进入饱和，输出达到限幅值，电 动机在电流环作用下起动。
CE
其中：Kp — 放大器电压放大倍数； Ks — 晶闸管整流装置的电压放大倍数； — 测速发电机的反馈系数（Vmin/r）
单闭环直流调速系统
将上述各关系式代入系统开环机械 特性方程，消去中间变量：
n Ud0 Id R KsUk Id R
CE
CE
KP KsU Id R K p Ks U gd U f Id R
单闭环直流调速系统
转速控制基本要求
1.调速 —— 在一定的速度范围内分级或无 级调速；
2.稳速 —— 以一定的精度稳定在所需转速 上运行，尽量不受负载变化、电源电压变化等各 种因素的干扰；
3.加、减速控制 —— 频繁起、制动的生产 机械要求尽量缩短起动和制动的时间，以提高生 产率；另外，不宜经受剧烈速度变化的生产机械 要求起、制动平稳。
s
)
(1
K
)Dk
即闭环系统调速范围提高，达到开环时的(1+K)倍。
单闭环直流调速系统
单闭环有静差直流调速 系统基本特征
1.闭环系统开环放大倍数 K值越大，静特性越硬， 稳态速降越小，在一定的 静差率要求下，调速范围 越大。
总之，K值越大，系统 稳态性能越好。
2. 稳 态 速 降 只 能 减 小 ， 不
一般在直流调压调速系统中，常以电动机的额 定转速为最高转速。若拖动额定负载时的转速降 为ned，则对静差率提出的要求，应该是最低转
速时的静差率，故这时有： s ned
n0 min
且有：
nmax
ned
,
nmin
n0min
ned
ned
s
ned
故得： D neds
ned( 1 s )
单闭环直流调速系统
在启动阶段，虽然Ufn随转速增加而提高，但 仍为Ufn<Ugn，ST仍处于饱和状态，只有电流环 起作用。直到转速超过给定值，出现Ufn>Ugn， ST输入变为负值，由于积分的作用，ST开始退饱 和，速度环才开始发挥作用，使电流开始下降。
双闭环直流调速系统
双闭环 调速系统 起动过程
波形
双闭环直流调速系统
为实现调压调速，在交流供电系统中，可采用晶闸管整 流装置，获得可调节的直流电压；在具备恒定直流电源 供电的场合，可采用斩波器，实现脉冲调压调速。
单闭环直流调速系统
晶闸管直流调速系统主电路及等效电路
单闭环直流调速系统
由等效电路列写电压方程：
Ud0
E
id R
L
d dt
id
其中： L -- 主回路总电感； R=Rb+Rhx+Ra -- 主回路等效总电阻； Rb -- 整流变压器绕组折合到副边的等效电阻； Rhx -- 变压器漏抗引起换向电压所对应电阻； Ra -- 电动机电枢回路电阻。
CE 1 K
Id
CE
R
1
K
Id
其中转速降为：
n
K P KS RC
CE 1 K
Id
R
CE 1
K
Id
该转速降要比没有电流负反馈时大很多，故在 采用电流负反馈限制启动电流的系统中，为保证 系统具有较硬的静特性，必须在启动过程完成时 及时切除电流反馈回路，使电动机有如下图所示 的机械特性。
双闭环直流调速系统
单闭环直流调速系统
调速指标
1.调速范围 —— 生产机械 要求电动机在额定负载时提供的 最高转速与最低转速之比。
D nmax nmin
2.静差率 —— 电动机在某 一个转速下运行时，负载由理想 空载变到满载所产生的转速降 ned与理想空载转速n0之比。
s% ned 100%
n0
单闭环直流调速系统
可能为零。
(1).
nb
Id R CE( 1
K
)
只有当K时，nb才能为 零，这是不可能的。
(2). U U gd U f
若 n=0 ， 则 U=0 ， 放 大 器无输出，晶闸管无法控制， 电动机也就无法运行了。
单闭环直流调速系统
3.对干扰的抑制
在系统前向通道上（即包含在反馈环内各 环节上）的扰动，可被测速发电机反映出来， 通过反馈控制可得到抑制；而对给定电压及反 馈通道中的干扰，系统则无能为力。
❖ 前馈---反馈控制系统 即复合控制系统
复合控制:闭环控制和开环控制结合的一种方式。 它是在闭环控制等基础上增加一个干扰信号的补 偿控制，以提高控制系统的抗干扰能力。
增加干扰信号的补偿控制作用，可以在干扰 对被控量产生不利影响同时及时提供控制作用以 抵消此不利影响。纯闭环控制则要等待该不利影 响反映到被控信号之后才引起控制作用，对干扰 的反应较慢。
4 按系统特性分类
线性控制系统 输入与输出成正比，可用叠加原理 用线性数学模型描述
非线性控制系统 输入与输出不成正比，不可用叠加原理 用非线性数学模型描述
5 按变量的时间特性分类
1、连续时间控制系统 系统各部分的信号是模拟的连续函数 例：工业中普遍采用的常规控制仪表PID调节器控制的 系统
2、离散时间控制系统 系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式 传递的控制系统 例 计算机控制系统
由此得到如下的转速、电流双闭环直流调速系 统。
双闭环直流调速系统
转速、电流双闭 环直流调速系统
速度调节器ST、电流调 节器LT均为PI调节器
双闭环直流调速系统
该系统中，电流负反馈使电动机机械特性变软， 但由于有速度环在外，电流负反馈对于速度环而 言相当于扰动，只要转速调节器ST的放大倍数足 够大，而且未饱和，则电流负反馈引起的扰动即 可得到抑制，使系统实现无静差。
开环控制系统特点： 1. 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 2. 控制精度不高,无法抑制扰动.
闭环控制系统特点:
1. 有反馈回路;
2. 控制精度高,自动纠偏
2 按控制依据信号性质分类
反馈控制系统
控制器
被控过程
前馈控制系统
前馈---反馈 控制系统
控制器
被控过程
控制器 控制器
被控过程
前馈---反馈控制系统
双闭环直流调速系统
V-M系统中，若无任何限制启动电流措施，突加 给定输入时，因转速不能突变，Uf=0、U=Ugd， 电动机相当于全压起动，会产生很大的起动电流。
为限制起动电流，可 采用具有电流负反馈 的控制方案。
双闭环直流调速系统
由图得系统静态
特性：
n
KP KSU gd
CE 1 K
KP KS RC
单闭环直流调速系统
2.系统前向通道的输入电压信号：
闭环时： U U g开d 环U时f ：
U U gd
即开环时U较大，闭环时U较小。为保证n0基 本不变，系统闭环后的U应放大（1+K）倍。
3.负载扰动相同，即Id一定时，闭环系统转速降 与开环转速降的关系为： nb nk 1 K 即当K较大时，nb比nk小许多，所以闭环系统特 性比开环特性硬许多。
自动控制系统: 实现上述控制目的，由相互制约的各部分按 一定规律组成的具有特定功能的整体.
反馈控制系统的中的常用术语：
给定值（参考输入值） 偏差值 控制量 被控量 扰动量(内扰,外扰) 自动控制装置 = 传感器 + 控制器 + 给定器 + 执行器 受控过程（受控对象） 控制系统 = 受控过程＋控制装置
单闭环直流调速系统
4.对具有相同n0（即n0b=n0k）的闭环 与开环系统，静差率的关系为：
sb sk 1 K
即闭环系统静差率比开环时小许多。
5.若电动机的最高转速为ned，对最低转速静差率 的要求相同，则由： nb nk 1 K
有：D ned及s
nedk( 1 s )
Db
ned s
nedb( 1
1.电子电路知识 2.电机及拖动基础知识 3.自动控制技术知识 （1）自动控制的基本概念 （2）常见直流调速系统的控制原理及控制过程
单闭环直流调速系统
对于直流调速系统，从调速范围和平滑无级调节的要求角度 说，调压调速方法最好。弱磁调速虽然也能达到平滑调速， 但调速范围不大，一般只作为辅助方案，在电动机额定转速 上进行小范围调节。
根据上述各环节稳态关系，可画出闭环系 统稳态结构图：
单闭环直流调速系统
由图可得系统开环稳态特性：
n Ud0 IdR CE
K p KsU gd CE
Id R CE
n0k
nk
比较系统开环、闭环稳态特性： 1.当Ugd不变时，闭环系统的理想空载 转速为： n0b n0k 1 K
即 闭 环 系 统 n0 下 降 为 开 环 时 的 1/(1+K) 。
起动时只有转速 负反馈起作用
正常运行时只有转 速负反馈起作用
双闭环直流调速系统
在上述系统控制方案中，将电流和转速负反馈 信号引入同一个放大器中，双方互相牵制，这是 造成电动机机械特性变软的原因。
为解决这个问题，可以设置两个调节器，分别 调节转速和电流。以转速调节器的输出作为电流 调节器的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸 管触发装置的控制电压，使两个调节器互相配合， 即可实现完整的控制过程。
3 按给定值变化规律分类
恒值控制系统（或称自动调节系统） 特点：输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系 统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何 克服这些干扰
随动控制系统（或称伺服系统） 特点：输入信号是一个未知函数，要求输出量跟 随给定量变化。
程序控制系统 特点：输入信号是一个已知的时间函数，系统的 控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速 准确地复现。