自动控制系统的分析调试与故障的排除

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1、8.1自动控制系统的分析步骤 在工程技术上，经常会遇到陌生的控制系统。这时，首先是搞清自动控制系统的工作原理(定性分析)，建立系统的数学模型，然后对系统进行定量的估算和分析。关于分析系统的方法，在前面各章中都已作了说明，现再作一些补充的说明与分析。系统分析一般包括如下几个方面的内容：1、了解工作对象对系统的要求2、搞清系统各单元的工作原理 3、搞清整个系统的工作原理 maxl max 8.1.1了解工作对象对系统的要求这些要求通常是： 1系统或工作对象所处的工况条件电源电压及波动范围例如三相交流380(110%)V；供电频率及波动范围例如(501)Hz；环境温度(例如-20+40C)；相对湿度

2、(例如85%)；海拔高度(例如1000m)等。 2系统或工作对象的输出及负载能力额定功率 (例如60kW)及过载能力(例如120%)；额定转矩 (例如80N.m)及最大转矩(例如150%额定转矩)；速度 对调速系统为额定转速(例如1000r/min)、最高转速(例如120%额定转速)及最低转速(例如1%额定转速)；对随动系统则为最大跟踪速度(线速度 max及角速度max)(例如1m/s及100rad/s)、最低平稳跟踪速度(线速度max及角速度max)(例如1cm/s及0.01rad/s)；最大位移(线位移及角位移)等。 maxn ft3系统或工作对象的技术性能指标稳态指标对调速系统，主要是静

3、差率(例如s0.1%)和调速范围(例如100 1)；对随动系统，则主要是阶跃信号和等速信号输入时的稳态误差(例如0.1mm或1密位等)。动态指标对调速系统主要是因负载转矩扰动而产生的最大动态速降 (例如10r/min)和恢复时间 (是指从扰动量作用开始，到被调量进入并保持在离稳态值某一误差带内所需的时间。 4系统或设备可能具有的保护环节 过电流保护，过电压保护，过载保护，短路保护，停电(或欠电压)保护，超速保护，限位保护，欠电流失磁保护，失步保护，超温保护和联锁保护等。5系统或设备可能具备的控制功能 点动，自动循环，半自动循环，各分部自动循环，爬行微调，联锁，集中控制与分散控制，平稳起动、迅速

4、制动停车，紧急停车和联动控制等。6系统或设备可能具有的显示和报警功能 电源通、断指示，开、停机指示，过载断路指示，缺相指示，风机运行指示，熔丝熔断指示和各种故障的报警指示及警铃等。7工作对象的工作过程或工艺过程 在了解上述指标和数据的同时，还应了解这些数据对系统工作质量产生的具体的影响。例如造纸机超调会造成纸张断裂；轧钢机的过大的动态速降会造成明显的堆钢和拉钢现象；仿形加工机床驱动系统的灵敏度直接影响到加工精度的等级；再如传动试验台的调速范围就关系到它能适应的工作范围等。在提出这些指标要求时，一般应该是工作对象对系统的最低要求，或必需的 要求；因为过高的要求，会使系统变得复杂，成本显著增加。而

5、系统的经济性，始终是一个必须充分考虑的因素。而在调试系统时，则应留有适当的裕量；因为系统在实际运行时，往往会有许多无法预计的因素。同时还要估计到各种可能出现的意外故障，并采取相应的措施，以保证系统能安全可靠地运行。同样，系统的可靠性，也是一个始终必须充分考虑的因素 对一个实际系统进行分析，应该先作定性分析，后作定量分析。即首先把基本的工作原理搞清楚，这可以把电路分成若干个单元，对每一个单元又可分成若干个环节。这样先化整为零，弄清每个环节中每个元件的作用；然后再化零为整，抓住每个环节的输入和输出两头，搞清各单元和各环节之间的联系，统观全局，搞清系统的工作原理。现以表8-1-1所示的晶闸管直流调速

6、系统的单元为例作一些说明。1主电路主要是对电动机电枢和励磁绕组进行正常供电，对它们的要求主要是安全可靠。因此在部件容量的选择上，在经济和体积上相差不是太多的情况下，尽可能选大一些。在保护环节上，对各种故障出现的可能性，都要有足够的估计，并采取相应的保护措施，配备必要的警报、显示、自动跳闸线路，以确保主电路安全可靠的要求。若主电路采用晶闸管整流，则还应考虑晶闸管整流时的谐波成分对电网的有害的影响；因此，通常要在交流进线处串接交流电抗器或通过整流变压器供电。 自动控制系统电动机（控制对象） 主电路 整流变压器（或交流电抗器）整流电路（单相或三相，半控桥或全控桥，可逆或不可逆等）（在可逆电路中又分为

7、有环流或无环流等）电流互感器 保护环节 快速熔丝（短路保护） 过电流继电器（过载保护） 阻容吸收（交、直流两侧及元件两端）（吸收浪涌电压 ）过电压保护（硒堆、压敏电阻、电抗器等） 检测电路 检测装置（电流互感器、测速发电机、光电测速计、电磁感应测速计、光电码盘等）检测信号的分压或放大 检测信号的变换（如相敏整流）和滤波，A/D 和 D/A 变换等 触发电路 同步电源 脉冲电源 移相信号控制 脉冲形成 功率放大 控制电路 控制器（调节器）（如 P、PD、PI、PID 等调节器），给定积分器 各种信号的综合 各种反馈环节（如电流、转速、电压等量的负反馈，微分负反馈及截止负反馈等）及顺馈补偿。 其他

8、功能的控制（如点动调试、爬行调试、零速封锁、平稳启动、停车制动、最大电流限制等） 辅助电路 各种电源（如给定电压信号源、同步电压源、脉冲信号电源、运放器工作电源、电动机励磁电源等）继电保护电路或电子保护电路（如过电流继电保护、直流电动机 失磁保护、快熔熔断后的缺相保护、逻辑控制保护、超速保护、 限位保护及冷却风机的继电保护等）显示与报警电路（如电源指示，开机、停机指示、过载断路指示、缺相指示、风机运行指示，以及各种故障的报警等） 2触发电路主要考虑的是它的移相特性(即移相范围和线性度)，控制电压的极性与数值，以及它与晶闸管输出电压间的关系。此外，还有同步电压的选择，同步变压器与主变压器相序间的

9、关系(钟点数)，以及触发脉冲的幅值和功率能否满足晶闸管的要求，各触发器的统调是否方便等等，这些都涉及到触发电路与其他单元的联系，需要进行综合考虑。3控制电路它是自动控制系统的中枢部分，它的功能将直接影响控制系统的技术性能。对调速系统主要是电流和转速双闭环控制；对恒张力控制系统，除了电流、转速闭环外，还要再设置张力闭环控制；对随动系统，除位置闭环外，还可设置转速闭环。若对系统要求较高时，还可设置微分负反馈或其他的自适应反馈环节。对由运放器组成的调节器电路，则还要注意其输入和输出量的极性，输入、输出的限幅，零飘的抑制和零速或零位的封锁等。4 检测电路主要是检测装置的选择，选择时应注意选择适当精度的

10、检测元件；若精度过高，不仅成本增加，而且安装条件苛刻；若检测元件精度过低，又无法满足系统性能指标要求，因为系统的精度，正是依靠检测元件提供的反馈信号来保证的。选择时，还要注意输出的模拟量，还是数字量；对计算机控制，则应选数字量 输出；对模拟控制，则应选择模拟量输出；否则还要增加A/D(或D/A)单元，既增加费用，又增加传递时间。此外检测装置要牢固耐用、工作可靠、安装方便，并且希望输出信号具有一定的功率和幅值。5辅助电路 则主要是继电(或电子)保护电路、显示电路和报警电路。继电保护电路没有电子线路那种易受干扰的缺点，是一种有效而可靠的保护环节，应给予足够的重视和考虑。但其灵敏度、快速性以及自动控

11、制、自动恢复等性能不及电子保护线路。 8.1.3搞清整个系统的工作原理在搞清各单元、各环节的作用和各个元件的大致取值的基础上，再集零为整，抓住各单元的输入、输出两头，将各个环节相互联系起来，画出系统的框图。然后在这基础上，搞清整个系统在正常运行时的工作原理和出现各种故障时系统的工作情况。 8.2.1系统调试前的准备工作 1了解工作对象的工作要求(或加工工艺要求)，仔细检查机械部件和检测装置的安装情况。是否会阻力过大或卡死。因为机械部件安装得不好,开车后会产生事故,检测装置安装得不好(如偏心、有间隙、甚至卡死等)将会会严重影响系统的精度,形成振荡,甚至产生事故。 2. 系统调试是在各单元和部件全

12、部合格的前题下进行的。因此，在系统调试前，要对各单元进行测试，检查它们的工作是否正常，并作记录，记录要存档，以便于追查事故原因。3系统调试是在按图样要求接线无误的前提下进行的。因此，在调试前，检查各接线是否正确、牢靠。特别是接地线和继电保护线路，更要仔细检查(对自制设备或经过长途运输后的设备，更应仔细检查、核对)。未经检查，贸然投入运行,常会造成严重事故。4写出调试大纲。明确调试顺序。系统调试是最容易产生遗漏、慌乱和出现事故的阶段，因此一定要明确调试步骤，写出调试大纲；并对参加调试的人员进行分工，对各种可能出现的事故(或故障)事先进行分析，并订出产生事故后的应急措施。5准备好必要的仪器、仪表。

13、例如双踪示波器、高内阻万用表、代用负载电阻箱、慢扫描示波器或数字示波器、兆欧表，和其他监控仪表(如电压表、电流表、转速表等)以及作为调试输入信号的直流稳压电源和印制电路接长板等。 选用调试仪器时，要注意选用仪器的功能(型号)、精度、量程是否符合要求，要尽量选用高输入阻抗的仪器(如数字万用表、示波器等)，以减小测量时的负载效应。此外还要特别注意测量仪器的接地(以免高电压通过分布电容窜入控制电路)和测量时要把弱电的公共端线和强电的零线分开(例如测量电力电子电路用的双踪示波器的公共线不可接强电地线)。6准备好记录用纸，并画好记录表格。7清理和隔离调试现场，使调试人员处于进行活动最方便的位置，各就各位

14、。对机械转动部分和电力线应加罩防护，以保证人身安全。调试现场还应配有可切断电力总电源的“紧停”开关和有关保护装置，还应配备灭火消防设备，以防万一。 调试的顺序大致是：1.先单元，后系统。2. 先控制回路，后主电路。3. 先检验保护环节，后投入运行。4.通电调试时，先用电阻负载代替电动机，待电路正常后，再换接电动机负载。 5.对调速系统和随动系统，调试的关键是电动机投入运转。投入运行时，一般先加低给定电压开环起动，然后逐渐加大反馈量(和给定量)。6. 对多环系统，一般为先调内环，后调外环。7. 对加载试验，一般应先轻载后重载；先低速后高速，高、低速都不可超过限制值。 8. 系统调试时，应首先使系

15、统正常稳定运行,通常先将PI调节器的积分电容短接(改为比例调节器)，待稳定后，再恢复PI调节器，继续进行调节(将积分电容短接，可降低系统的阶次，有利系统的稳定运行，但会增加稳态误差)。9.先调整稳态精度，后调整动态指标。对系统的动态性能，可采用慢扫描示波器 或采用数字(记录性)示波器，记录有关参量的波形(现在也可采用虚拟示波器来记录有关波形)。10.分析系统的动、稳态性能的数据和波形记录。对系统的性能进行分析，找出系统参数配置中的问题，以作进一步的改进调试。 8.2.3系统调试过程今以双闭环直流调速系统为例来说明系统的调试过程。 1系统控制回路各单元和部件的检查和测试(并记录有关数据) (1)

16、 拔出全部控制单元印制电路板，断开电动机电枢主回路(可将平波电抗器一端卸开)。 (2) 检查各类电源的输出电压的幅值(如运放器工作电压，给定信号电压，触发器电源电压，同步电压，电动机励磁电压等)，以及用来调试的给定信号电压。 (3) 核对主回路U、V、W三相电压的相序，触发电路同步电压的相序以及它和主回路电压间的关系是否符合触发电路的要求(相序可用双线示波器来观察)。 (4) 触发电路调试。先调整其中的一块触发器。主要是检查输出触发脉冲的幅值与脉宽(用双线示波器观察，下同)。然后通过改变调试信号电压(代替控制电压 )来检查脉冲的移相范围(对三相全控桥，则要求移相120)。若移相范围过大或不够，

17、对锯齿波触发器，则调节锯齿波斜率。 在调好一块触发器后，再以此为基准，调试其他各块触发器；若为双脉冲触发，则应使两个脉冲间隔互为60(若为锯齿波触发器，则主要调节得使各锯齿波平行)。 (5) 调整电流调节器(ACR)和速度调节器(ASR)的运放电路。 先检查零点飘移(整定运放器电路的调零电位器，使之达到零输入时为零输出)。若调整后，零点仍飘移，则应考虑增设一个高阻值( )的反馈电阻(如今许多运放模块，内部已有抑制零飘功能，毋需外部调整)。 然后，以调试信号电压输人，整定其输出电压限幅值(一般为810V)。 (6) 对反馈信号电压(如 及 )，在投入运行前，先将调节电位器调至最上限(即使 及 为

18、较大数值)；这样在投入运行时，不致造成电流和转速过大。同时还要检查反馈信号的极性与给定信号是否相反(若为负反馈的话)。CUM2fiU fnUfiU fnU 2系统主电路、继电保护电路的检查和电流开环的整定（1）检查主电路时，先将控制回路断路(可拔去ASR和ACR运放插件)，而以调试信号去代替ACR的输出电压 ，去控制触发电路(调试信号通常通过印刷线路“接插件”接入)。改变调试信号，即可改变整流装置输出电压 。 (2)在主电路输出端以三相电阻负载(灯泡或电阻箱)来代替电动机。合上开关，接通主电路。 (3)测定主电路输出电压 与控制电压 间的关系，并调节触发电路的总偏置电压，使 时， 。 (4)改

19、变 数值，观察在不同控制角( )时的 波形是否正常(具体波形，参见变流技术书籍)。 (5)主电路小电流通电后，可拔去一相快速熔丝，以检验缺相保护环节的动作和报警是否有效。 (6)检查电动机励磁回路断路时，失磁保护是否正常。 (7)调节调试信号，使主电路电流达到最大允许电流，即 ，这时整定 电流反馈分压电位器，使电流反馈电压 (810V)(此即整定电流反馈系数 )。(8)若主电路设有过电流继电器，则可调节电流至规定动作值，然后整定过电流继电器动作，并检验继电保护电路，能否使主电路开关跳闸。cU dUdU cU0cU 0dUcU 120,90,60,30,0 dUmd II simfi UU 3系

20、统开环调试及速度环的整定 由于电流环(内环)已经整定，这里的开环主要指速度环(外环)开环。(1) 电流环已经整定，因此可插上电流调节器ACR的插件板，并将ACR的反馈电容器短路，(即将PI调节器改为P调节器)。这时速度调节器的输出( )由调试信号来代替,先将调试信号电压调至零，电动机电枢和励磁绕组均接上对应电源，然后合上开关。 观察主电路电压波形，这时应该 ，电动机不应该转动。若有爬行或颤动,则表明 。这时应重新检查触发器、总偏置电压及电流调节器的运放电路，以排除上述现象。 (2) 逐渐加大调试信号电压，使电动机低速运行(工作对象应为空载，电动机则为轻载)。这时应检查各机械部分运行是否正常，主

21、电路的电压及电流波形是否正常。 (3) 在开环低速运转正常的情况下，逐渐增大转速，同时监视各量的变化，并 作记录。当转速达到额定值时，则整定速度反馈分压电位器，使 为给定电压的上限)。此即整定转速反馈系数 。 snU0,0 dd IU0dU snmsnmfn UUU ( 4系统闭环调试(1)由于速度环已整定，可接上转速负反馈，插上速度调节器ASR插件。先将ASR和ACR的反馈电容用临时线短接(即将PI调节器暂时改为P调节器)。并将 调至零。合上开关，然后逐步增大 ，使转速上升，继续观察系统机械运转是否正常，有无振荡。观察输出电压、电流的波形，并记录有关数值(例如 等)。 (2)待空载正常运行一

22、段时间(几小时)后，可分段如(0.1，0.2，0.9,1.0) 逐次增加负载至额定值，并记录下 等的数值。这时可作出机械特性曲线，分析系统的稳态精度。(3)在系统稳定运行后，可将调节器反馈电容两端的临时短路线拆除，重复上述试验，观测系统是否稳定，特别是在低速和轻载时。若不稳定，可适当降低电流调节器ACR的比例系数K；，适当增大ACR微分时间常数 ，并适当增大反馈滤波电容量，使电流振荡减小。当然，电流振荡也与速度调节器ASR的参数有关，也可同时适当降低ASR的比例系数K。，适当增大ASR微分时间常数 ，并适当增大速度反馈滤波电容。若仍不能稳定，则对PI调节器，再增加一个高阻值的反馈电阻。当然这会

23、降低稳态精度。 总之，参数的调节，首先保证系统稳定运行(然后是提高稳态精度)。(4)在系统稳定运行并达到所需要稳态精度后，可对系统的动态性能进行测定和调整。这通常以开关作为阶跃信号，观察并记录下主要变量如 (对应转速n)， (对应 )， 等的响应曲线，并从中分析调节器参数对系统动态性能的影响，找出改善系统动态性能的调节趋向，再作进一步的调整，使系统动、静态性能逐渐达到要求的指标。sU ddsi IUnU , sU NIddsi IUnU , iT nT fnU fiUdi csi UU , 上节阐述的系统调试的方法，通常用于新试制的控制系统(或非标设备或实验装置)。而如今许多控制系统多采用各种

24、现成的(专用的或通用的)控制装置(市场产品)来进行控制。对现成的产品进行调试要简便得多，但调试时仍要注意：(1) 仔细、反复阅读控制器产品说明书，摘录下要点，列成表格，用彩色笔醒目地标出重要注意事项，并力争把这些全部记住(这是调试现成产品的关键)。(2) 仔细检查控制对象有无故障(如机械传动、电气绝缘等是否正常)。 (3) 检查控制器与控制对象间的接线是否正确、牢靠。 (4) 根据说明书和系统对性能的要求，对各种物理量逐一进行设定；如转速(额定转速、最高转速、最低转速)，正、反转向，最大限制电流，升、降速时的加速度(给定积分时间常数)，采用的反馈方式(如位置负反馈或转速负反馈，还是电压负反馈，

25、以及电流正反馈等)的选择，PID调节器参数的选择与整定以及其他保护环节的选择等(这一切都要预先确定，并做到心中有数)。(5) 通电前，可先将设定量先放在较低的量值上(如低压、低速、轻载、 小电流等)，若有可能，也可先用电阻性负载来取代电动机进行测试。总之，对现成的产品，虽然它里面已设置较多的保护环节，但调试者仍要仔细、按步就班地根据说明书，一步一步地设定与调试，并在调试时不断观察有无异常情况产生(如摩擦声，振动声、焦味等)。 掌握要领、正确使用、维护检查、及时修理，是提高生产效率，保证产品质量，充分发挥自动控制装置性能的根本保证。8.3.1系统的维护和使用晶闸管、晶体管和集成电路等半导体器件的

26、装置，由于无机械磨损部分，故维修简单。但由于装置中电子部件小巧，对尘埃、温度和湿度要特别注意。(1) 一般维护。保持清洁，定期清理；定期清扫尘埃时，要断开电源，采用吸尘或吹拭方法。要注意压缩空气的压力不能太大，以防止吹坏零件和断线。吹不掉的尘埃可用布擦，清扫工作一般自柜体上部向下进行，接插件部分可用酒精或香蕉水揩擦。 (2) 长期停机再使用时，要先进行检查，检查项目如下： 外表检查：要求外表整洁，无明显损伤和凹凸不平。 查对接线：是有松头、脱落，尤其是现场临时增加的连线。 接地检查：必须保证装置接地可靠。 器件完整性检查：装置中不得有缺件，对于易损的元件应该逐一核对，已经损坏的或老化失效的元件

27、，应及时更换(如熔断器熔芯，有无缺损；转换开关，转动、 接触是否良好等)。 绝缘性能检查：由于装置长期停机，可能带有灰尘和其他带电的尘埃，而影响绝缘性能，因此必须用兆欧表进行绝缘性能检查，若较潮湿，则应用红外灯烘干或低压供电加热干燥。 电气性能检查：根据电气原理，进行模拟工作检查，并且模拟制造动作事故，查看保护系统是否行之有效。 主机运转前电动机空载试验检查：可以参照上节“系统调试”中的电动机空负荷试验方法进行。 主机运转时系统的稳态和动态性能指标的检查：用慢扫描示波器查看主机点动、升速及降速瞬间电流和速度波形，用双线或同步示波器查看装置直流侧的电压波形。检查系统性能、精度和主要参量的波形是否

28、正常，是否符合要求。(3) 日常维护。经常查看各类熔丝，特别是快速熔断器。快速熔断一般都有信号指示，但也有可能信号部分失效，因此可以在停电情况下用万用表R1档测量熔丝电阻是否为0。有些连续生产的设备，可以带电检查，只要用万用表交流电压档测量，若熔丝两端有高压，则表明熔丝已经熔断。对大电流部分也要经常注意是否有过热部件，是否有焦味、变色等现象。(4) 定期检修。对于紧固件(晶闸管元件本身除外)，在运行约6个月时需检查一次，其后23年再进行一次紧固。对保护系统，12年需进行测试，检查其工作情况是否正常。这可在停机情况下，由控制部分通电进行检查，并根据其原理，制造模拟事故看其是否能有效保护(参见上节“系统调试”)。导线部分要查看有否过热、损伤及变形等，有些地方需用500V或800V兆欧表检查其绝缘电阻。有条件的地方，需经常用示波器查看直流侧的输出波形，如 发现波形缺相不齐，要及时处理，排除故障。 (1) 表8-3-1为晶闸管直流调速系统的常见故障，产生这些故障的可能原因，检查的方法和处理建议。(2) 表 8-3-2 FRN G95/P9S 系列变频器的故障情况、保护功能、检查要点和处理方法