1 自动控制系统的基本知识

2011-9-191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.2011-9-191.2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。2011-9-19控制的过程：测量——求偏差——控制2011-9-191.3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。2011-9-19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。2011-9-19具有转速负反馈的G－M调速系统2011-9-19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2011-9-19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。2011-9-191.4自动控制系统的组成测量反馈元件比较元件校正元件控制器放大元件执行元件被控对象2011-9-191.5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2011-9-19(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）2011-9-191.7自动控制系统的基本要求稳定性、快速性、准确性2011-9-191.8PID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2011-9-19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△UKP——控制器的比例系数2011-9-19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。2011-9-19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。2011-9-19积分（I）控制器输出量与输入量对时间的积分成正比。tIOUdtTU01TI——I控制器的积分时间，KI——I控制器的积分常数；TI=1/KI2011-9-19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.3.尽管△U=0，但是UO却可以不等于零。“无输入，但有输出”。2011-9-19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。2011-9-19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。2011-9-19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。2011-9-19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；2011-9-19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2011-9-19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。minmaxnnD对于非弱磁的调速系统，最高转速就是电动机的额定转速。2011-9-19(2)静差度（率）S静差度：即转速变化率，也叫稳定度。000nnnnnSNN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。2011-9-19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.4.11111/22max22max0202max02maxminmaxSnSnSSnnnnnnnnnnnDNNNNnmin是在保证生产机械对s的要求前题下所能达到的最低速度即S2≤S生2011-9-19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。)1(22maxsnsnDN2011-9-19)1(22maxSnSnDN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。2011-9-19（3）调速的平滑性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。2011-9-19例题某直流调速系统，其高速、低速特性如图示,=1450r/min,=145r/min,=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?01n02nNn2011-9-19解144010145001maxnnnn1351014502minnnnminmaxnnD=1440/135=10.670nnSN=10/145=6.9%或=1440(0.069)/10(1-0.069)=10.67)1(22maxSnSnDN2011-9-192.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。2011-9-19（1）最大超调量22maxnnnMP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%.2011-9-19(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。2011-9-19(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。2011-9-19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。2011-9-193.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.2011-9-192)要求电气调速的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;D3，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.D100，交流变频调速系统2011-9-193）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。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。生产机械的负载特性2011-9-19电动机的调速特性与生产机械负载特性匹配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。2011-9-19晶闸管-电动机直流调速系统SCR——M直流调速系统单闭环直流调速系统双闭环直流调速系统可逆系统2011-9-19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～电流截止负反馈电动机调节器（放大器）变流器速度负反馈给定速度常用调节器是釆用运算放大器（p比例调节器）2011-9-191.单闭环有静差调速系统有静差调速系统转速负反馈调速系统电压负反馈系统电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统电流截止负反馈系统——作为保护手段2011-9-191)转速负反馈自动调速系统--------系统原理方框图2011-9-19转速负反馈自动调速系统(1)系统组成①直流电动机②晶闸管触发电路和主电路③放大器（比例调节器）④给定环节：给定电压Ug;⑤反馈环节：反馈电压⑥比较环节nUf2011-9-19转速自动调节过程：有差调速系统有载时空载时00nnUUUUnRITnUUUUUdKfaLdKfg特征：1.有静差系统2.给定电压Ug变化转速n变化3.环内各种干扰都能抑制2011-9-19例1:某直流闭环调速系统的速度调节范围是1500~150r/min，静差度为0.05，问系统允许的转速降是多