第3章典型自动控制系统的组成和工作原理

第3章典型自动控制系统的工作原理•对自动控制系统进行分析，通常是先定性分析，后定量分析。在进行定性分析时，首先分析系统的组成以及各个部件、环节在系统中所起的作用和它们相互之间的联系。然后分析系统的调节过程和工作原理。分析系统的组成及其工作原理是建立系统模型并进而对系统进行定量分析的基础。本章将通过对几个典型自动控制系统的分析，来阐述分析的过程和方法。第3章典型自动控制系统的工作原理•3.1水位控制系统•3.2具有转速负反馈的晶闸管直流调速系统•3.3具有电压负反馈和电流正反馈的晶闸管直流调速系统•3.4转速与电流双闭环直流调速系统•3.5晶闸管交流调压位置随动系统•3.6全控型电力电子器件组成的SPWM变压变频调速系统3.1水位控制系统3.1.1系统的组成3.1.2系统的工作原理3.1水位控制系统•水位自动控制系统是最常见的自动控制系统之一，让我们通过这个较简单的系统，来说明怎样确定各个环节和各种物理量在系统中的地位和作用，又是如何建立系统职能方块图的。3.1.1系统的组成•图3.1为一个水位控制系统的示意图。分析系统的组成，首先应明确系统的任务。水位控制系统的任务就是设法保持水箱中的水位高度H恒定。因此系统的被控量(或输出量)是水位高度H，系统控制对象就是水箱。当水位维持到期望值后，若用水量Q2突然增大，必然引起水位下降。也就是说，用水量Q2是使水位高度H偏离期望值的主要因素，因此Q2是系统的扰动量。Q2增大后，欲使水位重新调整回到期望高度，主要依靠增大给水量Q1来实现，因此Q1为系统主要的控制作用量。理清H与Q1、Q2的关系，是分析本系统组成的关键。3.1.1系统的组成-+浮球水箱用水开关用水量控制阀变速箱伺服电动机控制器放大器-+aABRPRPoSM1m11VV2图3.1水位控制系统示意图2图3.1水位控制系统示意图3.1.1系统的组成3.1.1系统的组成图3.2水位控制系统职能方块图给定RP控制器放大器+-BA水箱（水位）电位器给定元件电动机变速箱V控制阀1控制对象RP电位器杠杆浮球执行元件检测与反馈元件用水量2给水量1-图3.2水位控制系统职能方框图3.1.2系统的工作原理3.2具有转速负反馈的晶闸管直流调速系统3.2.1系统的组成3.2.2系统的工作原理3.2具有转速负反馈的晶闸管直流调速系统•变电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。由晶闸管可控整流电路供电的调速系统是当前应用最普遍的调速系统，具有转速负反馈的晶闸管直流调速系统是其中典型的系统。下面将通过它来说明调速系统的组成和工作原理。3.2.1系统的组成3.2.1系统的组成3.2.1系统的组成化变度温电路触发图3.4具有转速负反馈的直流调速系统职能方块图给定给定s电位器-+fnk比例调节器反馈电位器源电动机d整流发电机测速电路波动压电（转速）扰L动载负电图3.4具有转速负反馈的直流调速系统职能方框图3.2.2系统的工作原理3.2.2系统的工作原理3.2.2系统的工作原理3.3具有电压负反馈和电流正反馈的晶闸管直流调速系统3.3.1电压负反馈调速系统3.3.2电压负反馈和电流正反馈的直流调速系统3.3具有电压负反馈和电流正反馈的晶闸管直流调速系统•转速负反馈调速系统，是调速系统中最常采用的基本形式，它的调速性能良好。但缺点是：它必须采用测速发电机，由此而带来了安装、维护麻烦和设备投资增加。在调速指标要求不高的系统中，往往以电压负反馈和电流正反馈来代替转速反馈。3.3.1电压负反馈调速系统3.3.1电压负反馈调速系统3.3.1电压负反馈调速系统3.3.2电压负反馈和电流正反馈的直流调速系统3.3.2电压负反馈和电流正反馈的直流调速系统图3.7具有电压负反馈和电流正反馈的晶闸管调速系统fv0s1RP00+k+∞-1+-+2RPMd+-0d+-+-fifvcGTfi-图3.7具有电压负反馈和电流正反馈的晶闸管调速系统3.3.2电压负反馈和电流正反馈的直流调速系统3.3.2电压负反馈和电流正反馈的直流调速系统3.4转速与电流双闭环直流调速系统3.4.1系统的组成3.4.2系统的工作原理3.4转速与电流双闭环直流调速系统•由于转速负反馈和电压负反馈调速系统中只有一个反馈闭合回(环)路，所以通常称为单闭环调速系统。当采用PI调节器控制时也可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，即具有良好的静态性能。当对系统的动态性能要求较高(例如要求快速起制动等)，单闭环系统就难以满足需要。这时，应用更普遍、更典型的是转速、电流双闭环调速系统。下面将介绍系统的组成和工作原理。3.4.1系统的组成•图3.9为转速、电流双闭环直流调速系统的原理图。•为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节调速和电流，二者之间实行串级连结。这就是说，将转速调节器SR的输出当作电流调节器CR的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，由电流检测反馈环节和电流调节器构成的电流环在里面，称为内环；由转速检测反馈环节和转速调节器所构成的转速环在外边，称为外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。3.4.1系统的组成0sn1RP00++∞-1-2RPMdd+-图3.9转速、电流双闭环直流调速系统∞+000+-2+-RP3fnTGSRCRk12+dfi图3.9转速、电流双闭环直流调速系统3.4.1系统的组成3.4.1系统的组成图3.10转速与电流双闭环直流调速系统职能方块图触发电路给定电位器fn-+调节器给定sn速度k电动机发电机测速电路整流d（转速）n调节器电流整流电路电流互感器电流环si+-ifidSRCRMTGUTA转速环图3.10转速、电流双闭环直流调速系统职能方框图3.4.2系统的工作原理3.4.2系统的工作原理3.4.2系统的工作原理3.4.2系统的工作原理3.4.2系统的工作原理•3.突加负载时系统的工作•当电动机突加负载时，轴上转矩的平衡遭到了破坏，从而产生了电动机转速的降落。在这个系统中，是靠测速发电机测出这个转速降落，反馈到转速调节器的输入端，使它发挥调节作用(此时SR为不饱和状态)，此时电流调节器跟随Usi发挥调节作用，使电动机电枢电压加大，电动机的转矩增加，经过一段时间的调节，最后电动机轴上转矩达到新的平衡。由此可见，在突加负载时，本系统主要靠转速调节器来发挥主调节器的作用，而电流调节器则发挥副调节器的作用。•4.系统抵抗电网电压波动的能力•电网电压波动时，晶闸管整流装置的整流电压就会随之受到影响，由于电动机机械惯性的存在，电动机转速的变化要比电枢电流的变化要慢，因此这时首先投入工作的是电流调节器CR，它通过PI作用，在电动机磁场稳定的情况下，电动机就可产生与原来一样大小的转矩，来与负载转矩相平衡。这样就可能维持，抵抗电动机转速不变电网电压波动的影响。•由此可见，当电网电压波动时，主要是靠电流调节器来发挥调节作用的，而转速调节器的作用却不显著，往往在电动机转速还没有发生显著变化时，电流调节器已经使电动机恢复了转矩平衡，达到了使转速稳定的目的。3.4.2系统的工作原理•综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用可以归纳如下：•(1)转速调节器的作用•①使转速跟随给定电压变化，并实现稳态无静差。•②对负载变化起抗扰作用。•③其输出限幅值确定允许的最大电流。•(2)电流调节器的作用•①对电网电压波动起及时抗扰作用。•②起动时保证获得允许的最大电流。•③在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化。•④当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护用权作用。•双闭环调速系统由两个调节器分别调节转速和电流，这两个调节器可以分别设计，分别调整(通常先内环，后外环)，结构合理，调整方便。由于采用PI调节器，可实现无静差，因此具有良好的稳态性能。同时也具有良好的动态性能。系统还能较好地抑制负载变化、电网电压波动等扰动对转速的影响，系统的抗扰能力强。因此双闭环调速系统获得了广泛的应用。3.5晶闸管交流调压位置随动系统3.5.1系统的组成3.5.2系统的工作原理3.5.3位置随动系统与调速系统的比较3.5晶闸管交流调压位置随动系统•在前面所讨论的直流调速系统解决了对直流电动机转速的控制问题。但在实际生产中，电动机带动生产机械运动的表现不一定都是转速，也可能是使生产机械产生一定的位置移动，这时需要控制的量就不再是转速，而是对象的角位移或线位移，这是应用非常广泛的又一类系统——位置随动系统(又称跟随系统或伺服系统)。下面将通过由晶闸管交流调压供电的位置随动系统，来说明交流调压电路的应用和位置随动系统的组成、工作原理和控制特点。3.5.1系统的组成3.5.1系统的组成3.5.1系统的组成∞-++1A+2∞A-[phone]++-A∞300fnTG转速负反馈转速微分负反馈PID调节器（串联校正）正组触发电路控制电压互锁信号同步电源反组触发电路控制电压同步变压器3TC1C2反相器测速发电机变速器③①②oi+-θisRPRPdfθSM～位置负反馈变速器交流伺服电动机反VT反正2Ts①③②T11图3.11晶闸管交流调压位置随动系统原理图30:1正VT10:10115V～400Hz图3.11晶闸管交流调压位置随动系统原理图3.5.1系统的组成3.5.1系统的组成3.5.1系统的组成信号变换校正串联放大压电放大功率器环节速变执行载负转速检测检测位置输入信号伺服电位器PID调节器正（反）相放大器触发器双向晶闸管电路交流伺服电动机输出量工作机构反馈校正（局部反馈）测速机伺服电位器（RP）主反馈iiθ-++-nffθksood图3.12位置随动系统职能方块图图3.12位置随动系统职能方块图3.5.2系统的工作原理3.5.3位置随动系统与调速系统的比较•通过上面的分析，不难看出位置随动系统与调速系统的异同。随动系统和调速系统一样都是反馈控制系统，即通过对系统的输出量和给定量进行比较，组成闭环控制，因此两者的控制原理是相同的。•调速系统的被控量是转速，而随动系统的被控量是对象的角位移或线位移。•调速系统的给定量是恒值，不管外界扰动情况如何，都希望系统输出量能够稳定，因此系统的抗扰性能往往显得十分重要。而位置随动系统中的给定位置指令是经常变化的，有时还是随机变量，要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置随动系统的主要特征。也就是说，系统的跟随性成了主要指标。•从图3.11还可看出，随动系统的主反馈为位置负反馈(构成位置环或称外环)，它的主要作用是消除位置偏差。在要求较高的系统中还可增设转速负反馈或转速微分负反馈，作为局部反馈(构成转速环，内环)，以稳定转速和限制加速度，改善系统的性能。由此也可以说，随动系统可以在调速系统的基础上增加一个位置环，因此随动系统在结构上往往要比调速系统复杂一些。•此外，在随动系统中，为了消除正或负的位置偏差，要求作为执行机构的伺服电动机等可以正、反两个方向转动，因此要求功率放大器也应是可逆的。而在调速系统中就不一定要求它为可逆的了。3.6全控型电力电子器件组成的SPWM变压变频调速系统3.6.1变频调速的基本控制方式3.6.2模拟式SPWM变压变频调速系统3.6.3微机控制的SPWM变压变频调速系统简介3.6全控型电力电子器件组成的SPWM变压变频调速系统•在要求较高的调速系统中，以往是以直流调速系统为主，如今由于全控型电力电子器件(如BJT、IGBT等)的发展，SPWM集成电路的开发，特别是应用微机、采用矢量控制进行变压变频调速的方案日益完善，使用交流调速的性能获得极大的提高，在许多方面已可取代直流调速系统。本节将先介绍变压变频调速的基本控制方式，然后再通过例子对交流调速系统中的变频调速作一简单介绍。3.6.1变频调速的基本控制方式3.6.1变频调速的基本控制方式3.6.1变频调速的基本控制方式3.6.1变频调速的基本控制方式3.6.2模拟式SPWM变压变频调速系统•由图3.14可见，系统主电路