自动控制技术.

（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.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＋控制装置二、自动控制系统的组成自动控制系统组成方框图扰动调节阀控制器执行器受控对象测量、变送元件给定值被控量操作值偏差值反馈值三、自动控制系统的分类设定器控制器被控对象扰动被控量设定器被控过程传感器控制器1按系统环节连接形式分类闭环控制系统:开环控制系统：开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统特点：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控制器控制器被控过程控制器被控过程控制器被控过程反馈控制系统前馈控制系统前馈---反馈控制系统前馈---反馈控制系统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。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。3按给定值变化规律分类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（StepFunction）阶跃信号是最常用系统性能测试信号时间r(t)R)(000)()(tuttRtuRtr-----单位阶跃函数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y(t)--输出x(t)--输入y（t）=f(x（t）)x(t)y(t)tt稳态特性分析稳态特性: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(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。自动控制系统性能要求（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（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。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：dd0didtdLRiEU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。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。单闭环直流调速系统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。minmaxnnD%100nn%s0ed调速指标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。单闭环直流调速系统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：min0ednnsedededmin0minedmaxnsnnnn,nn且有：故得：)s1(nsnDeded单闭环直流调速系统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：2.放大器：3.触发器及晶闸管整流装置：4.此系统的开环机械特性：5.测速发电机：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）Ed0dCRIUnfgdUUUUKUpkks0dUKUnUf单闭环直流调速系统EdgdspEdfgdspEdsPEdksEd0dCRInUKKCRIUUKKCRIUKKCRIUKCRIUn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：单闭环直流调速系统整理得到闭环系统稳态特性方程：bb0EdEgdspEspEdgdspnnK1CRIK1CUKKCKK1CRIUKKnEspCKKK其中：—闭环系统的开环放大倍数。单闭环直流调速系统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：kk0EdEgdspEd0dnnCRICUKKCRIUn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：即闭环系统n0下降为开环时的1/(1+K)。K1nnk0b0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：开环时：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。fgdUUUgdUU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：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。K1nnkb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：即闭环系统静差率比开环时小许多。K1sskb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：有：及即闭环系统调速范围提高，达到开环时的(1+K)倍。K1nnkb)s1(nsnDedkedkedbedbD)K1()s1(nsnD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，不可能为零。(1).只有当K时，nb才能为零，这是不可能的。(2).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。)K1(CRInEdbfgdUUU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。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：dEdECSPEgdSPIK1CRIK1CRKKK1CUKKn其中转速降为：dEdECSPIK1CRIK1CRKKn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正常运行时只有转速负反馈起作用起动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。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。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。在启动阶段，虽然Ufn随转速增加而提高，但仍为UfnUgn，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UfnUgn，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。由于电流调节器的积分作用，使Id继续增加，直至出现超调，使电流调节器的输入为负，导致电流调节器输出下降，又使Id下降，故起到限制起动电流的作用。I-电流上升阶段双闭环直流调速系统II-恒流升速阶段速度调节器ST处于饱和状态，速度环相当于开环，不起作用。而电流环未饱和，电流调节器LT起作用，以保证系统电流恒定，电机在此电流的作用下起动，转速直线上升，即系统表现为恒流调节系统。双闭环直流调速系统III-转速调节阶段电机在恒定电流下升速到Ugn=Ufn时，ST输入n=0，在积分作用下Ugi仍为Ugim，电动机继续加速。当转速超调时，UfnUgn，n0，ST退出饱和状态，其输出Ugi下降，通过LT的调节，电枢电流I