自动控制系统论文

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1、自动控制系统论文直流调速系统院系：机电工程学院班级：电气二班姓名：*学号：10*指导老师：*引言直流电动机和交流电动机相比, 其制造工艺复杂,生产成本高, 维修困难, 需备有直流电源才能使用。但因直流电动机具有宽广的调速范围, 平滑的调速特性，较高的过载能力和较大的起动、制动转矩, 因此被广泛地应用于调速性能要求较高的场合。在工业生产中, 需要高性能速度控制的电力拖动场合, 直流调速系统发挥着极为重要的作用, 高精度金属切削机床, 大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。特别是晶闸管直流电动机拖动系统,具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大, 易于实现无级调速

2、等优点而被广泛应用。而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此加强对直流调速系统的发展有利于更进一步发展交流调速系统，促进调速系统的进一步完善。晶闸管直流调速系统有可逆调速和不可逆调速两种。不可逆直流调速系统只适用于不要求改变电动机转向或不要求经常改变电动机转向, 同时在停车时对快速性又无特殊要求的生产机械, 如车床、镗床等。在工业生产中, 某些生产机械要求电动机既能频繁正反转又能快速起动、制动, 如龙门刨床、可逆轧钢机等,这些生产机械就需要采用可逆直流调速系统。直流电动机的调速方法有三种, 即电枢回路串电阻调速、弱磁调速和调压调速。其中弱磁

3、调速和调压调速均可实现无级平滑调速, 调压调速的调速范围大, 调速性能最好, 是应用最为广泛的自动调速方法。采用调压调速的直流调速系统, 需要一可控直流电源为直流电动机电枢供电。常见的可控直流电源有三种:旋转变流机组、静止可控整流器和直流斩波器。相应的直流调速系统也有三种: 即发电机- 电动机调速系统, 晶闸管相位控制直流调速系统和直流斩波器调速系统。晶闸管相位控制直流调速系统和发电机- 电动机 调速系统相比,具有放大倍数大、快速好、效率高、经济性好、体积小、控制方便、运行噪声小等优点; 而直流斩波器调速系统和晶闸管相位控制直流调速系统相比, 又具有功率器件少、线路简单、调速范围宽、快速响应好

4、、效率和功率因数高等优点, 但因受器件容量等因素的限制, 目前主要用于中小功率的调速系统。在工业生产上, 早期应用的是发电机- 电动机 调速系统, 随着电子技术的发展, 晶闸管相位控制直流调速系统获得越来越广泛的应用。目录1、直流调速概念11调速概念41.2直流调速类型41.3直流调速性能指标62、自动控制系统概念2.1开环控制系统92.2闭环控制系统93、晶闸管-电动机直流调速控制系统3.1 开环直流调速系统存在的问题.103.2 速度负反馈单闭环调速系统的组成及静特性.113.3 单闭环调速系统的动态分析123.4 单闭环无静差直流调速系统123.5 单闭环调速系统的限流保护电流截止负反馈

5、143.6 转速、电流双闭环直流调速系统组成及静特性154、总结165、参考文献171、调速概念及直流调速类型1.1调速概念被控对象：电动机 被调量：速度调速：为了满足生产机械的要求，人为的改变电机的转速。稳速：把负载变化、电网波动等因素对电机转速的影响，通过调节作用降到最低限度，甚至消除。调速系统要求调速和稳速相结合。速度要求可调，但调至到某一速度运行时，要求速度要稳定。1.2流调速分类 机械调速：人为的改变传动比，有级调速（汽车）。n 电气调速：改变电机转速。 直流电机的转速和其它参数的关系可以表示为： n ： 电机转速（r/min）；U 3U 2U 1UNI U：电枢供电电压（V）； I

6、： 电枢电流（A）；nN R： 电枢回路总电阻（ ）； ： 励磁磁通（Wb）；n1 Ke：由电机结构决定的电动势常数 。 可改变如下参数调速：n2 调节U (降压调速，如图1-1) 工作条件： 保持励磁 F = FN ；n3 电阻 R = Ra 调节过程：O 改变电压 UN U n ， n 0 IL 调速特性： 图1-1 随着U ，转速下降，机械特性曲线平行下移。nn0OTeTL 图1-2F NF 1F 2F 3nNn1n2n3 调节 （弱磁调速，如图1-2） 工作条件： 保持电压 U =UN ； 电阻 R = R a ； 调节过程： 减小励磁 从FN F n ， n 0 调速特性： 随着F，

7、转速上升，机械特性曲线变软。调节R（电枢串电阻调速，如图1-3）工作条件： 保持励磁 F = FN ；电压 U =UN ； 调节过程： 增加电阻从 Ra Rnn ，n 0不变；调速特性：no 随着R，转速下降，R0机械特性曲线变软。n1n2n0R1n3R2R3IIL 图1-3对于要求在一定范围内平滑调速的系统来说，调压方式最好改变电阻只能有级调速；并且功耗大 ；特性软。弱磁虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只与调压方案配合，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速，以扩大调速系统的调速范围。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电

8、枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。（2）静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。晶闸管可控整流器的功率放大倍数大约在，控制功率小，有利于微电子技术引入到强电领域；在控制作用的快速性上也大大提高，有利于改善系统的动态性能。但是，晶闸管整流器也有它的缺点，主要表现在以下方面：（1）晶闸管一般是单向导电元件，

9、晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。必须实现四象限可逆运行时，只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路，构成V-M可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍。（2）晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内元件损坏，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应保留足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。（3）晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因素低，特别是在深调速状态，即系统在较低速运行时

10、，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因素很低，并产生较大的高次谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。如果采用晶闸管整流装置的调速系统在电网中所占容量比重较大，将造成所谓的“电力公害”。为此，应采取相应的无功补偿、滤波和高次谐波的抑制措施。（4）晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的。如果主电路电感不是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，连续段特性比较硬，基本上还是直线；断续段特性则很软，而且呈现出显著的非线性。1.3调速性能指标转速控制要求各种生产机械对调速系统提出了不同的转速控制要求，归纳起来有以下三个方面：（1）调速。在

11、一定的最高转速和最低转速范围内，分档（有级）地或者平滑（无级）地调节转速。（2）稳速。以一定的精度在所需转速上稳定地运行，不因各种可能的外来干扰（如负载变化、电网电压波动等）而产生过大的转速波动，以确保产品质量。（3）加、减速控制。对频繁起、制动的设备要求尽快地加、减速，缩短起、制动时间，以提高生产率；对不宜经受剧烈速度变化的生产机械，则要求起、制动尽量平稳。运动控制系统稳定运行时的性能指标称为稳态指标，又称静态指标。例如，调速系统稳态运行时调速范围和静差率，位置随动系统的定位精度和速度跟踪精度，张力控制系统的稳态张力误差等等。下面我们具体分析调速系统的稳态指标。稳态指标（1）调速范围D生产机

12、械要求电动机能达到的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即 （1.1）其中nmax和nmin一般指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可以用实际负载的转速。在设计调速系统时，通常视nmax为电动机的额定转速nnom。（2）静差率S当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载变到额定负载时所对应的转速降落与理想空载转速no之比，称为静差率S，即 （1.2）显然，静差率表示调速系统在负载变化下转速的稳定程度，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定程度就越高。（3）调压调速系统中D，S和之间的关系在直流电动机调压调速系统中，就是电动机

13、的额定速度nnom，若额定负载时的转速降落为，则系统的静差率应该是最低转速时的静差率，即 （1.3）而额定负载时的最低转速为（1.4）考虑到式（1.3），式（1.4）可以写成 （1.5）而调速范围为 （1.6）将式（1.5）代入式（1.6），得 （1.7）式（1.7）表达了调速范围D、静差率S和额定速降之间应满足的关系。对于同一个调速系统，其特性硬度或值是一定的，如果对静差率的要求越严（即S值越小），系统允许的调速范围D就越小。例如，某调速系统电动机的额定转速为nnom=1430r/min，额定速降为，当要求静差率S30%时，允许的调速范围为 （1.8）如果要求静差率S10%，则调速范围只有

14、（1.9）动态指标运动控制系统在过渡过程中的性能指标称为动态指标，动态指标包括跟随性能指标和抗扰性能指标两类。（1）跟随性能指标在给定信号（或称参考输入信号）R（t）的作用下，系统输出量C（t）的变化情况用跟随性能指标来描述。对于不同变化方式的给定信号，其输出响应不一样。通常，跟随性能指标是在初始条件为零的情况下，以系统对单位阶跃输入信号的输出响应（称为单位阶跃响应）为依据提出的，如图8.4所示。具体的跟随性指标有下述几项：上升时间tr单位阶跃响应曲线从零起第一次上升到稳态值所需的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。 超调量动态过程中，输出量超过输出稳态值的最大偏差与稳态值之比，用百分数

15、表示，叫做超调量，即 （1.10） 超调量用来说明系统的相对稳定性，超调量越小，说明系统的相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。 调节时间ts调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个动态响应过程的快慢。原则上它应该是系统从给定信号阶跃变化起，到输出量完全稳定下来为止的时间，对于线性控制系统，理论上要到才真正稳定。实际应用中，一般将单位阶跃响应曲线衰减到与稳态值的误差进入并且不再超出允许误差带（通常取稳态值的5%或2%）所需的最小时间定义为调节时间。2、自动控制系统概念2.1开环控制系统若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，这样的系统称为开环控制系统。如图2-1，为数控加工机床开环控制

16、框图。此系统的输入量为加工程序指令，输出量为机床工作台的位移，系统的控制对象为加工台，执行机构为步进电动机和传动机构。由图可见，此系统无反馈环节，输出量并不返回影响控制部分，因此是开环系统。输出量输入量控制对象执行原件控制器（控制脉冲）（位移）（脉冲分配器）（工作台）（步进电动机）图2-1开环系统无反馈环节，一般结构简单，系统稳定性好，成本也低。在输出量和输入量之间关系固定切内部参数和外部参数扰动因素不大，或这些扰动因素产生的误差可以预计确定并能进行补偿，则应尽量采取开环控制系统。 2.2闭环控制系统若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合回路，这样的系统称为闭环控制系统，又称反

17、馈控制系统。图2-2为电炉箱恒温自动控制系统，由于炉壁散热和增、减工件，将使炉温产生变化，而这种变化通常是无法预先确定的。因此，若工艺要求保持炉温恒定，则开环控制将无法自动补偿，必须采用闭环控制。由于需要温度保持恒定，所以最常用的方法是采用温度负反馈。T散热工件增、减UsTU电压放大电动机功率放大电炉调压器减速器_+UfT热电偶当温度偏低时，UfTUST,形成偏差电压供给电动机电枢，从而调节温度当T=TST(TST为给定值)，UfT=ST，这样炉温就自动回复，并保持恒定值。反馈控制可以自动进行补偿，这是闭环控制系统的一个突出特点。当然，闭环控制系统要增加检测、反馈比较，调节器等部件，会使系统复

18、杂、成本提高。而且闭环控制会带来副作用，使系统的稳定性变差，甚至造成不稳定。这是采用闭环控制时必须重视并要加以解决的问题。3.1 开环直流调速系统存在的问题只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，它们都属于开环控制的调速系统，称为开环调速系统。在开环调速系统中，控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，即控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。如果生产机械对静差率要求不高，开环调速系统也能实现一定范围内的无级调速，而且开环调速系统结构简单。但是，在实际中许多需要无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格

19、的要求，不能允许很大的静差率。例如，由于龙门刨床加工各种材质的工件，刀具切入工件和退出工件时为避免刀具和工件碰坏，有调节速度的要求；又由于毛坯表面不平，加工时负载常有波动，为了保证加工精度和表面光洁度，不允许有较大的速率变化。因此，龙门刨床工作台电气传动系统一般要求调速范围D=2040，静差率S5%，动态速降，快速起、制动。多机架热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内同时轧制，为了保证被轧金属的每秒流量相等，不致造成钢材拉断或拱起，各机架出口线速度需保持严格的比例关系。根据以上轧钢工艺要求，一般须使电力拖动系统的调速范围D=10时，静差率S0.2%0.5%，动态速降，恢复

20、时间。在上述情况下，开环调速系统是不能满足要求的。3.2 速度负反馈单闭环调速系统的组成及静特性开环调速系统不能满足较高的性能指标要求。根据自动控制原理，为了克服开环系统的缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统。闭环系统的方框图如图3-1在闭环系统中，把系统的输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。图3-1转速负反馈单闭环调速系统的静特性：电压比较环节： 放大器： 晶闸管整流器与触发装置： V-M系统开环机械特性： 测速发电机： 以上各关系式中：Kp

21、放大器的电压放大系数；Ks晶闸管整流器与触发装置的等效电压放大倍数；转速反馈系数，单位为Vmin/r；Ce电机反电势系数（在第三章中按习惯用Ke表示，在本章中为了避免与放大系数相混淆而用Ce表示）；运用结构图的计算方法，可以推导出转速负反馈单闭环调速系统的静特性方程式： 式中，闭环系统的开环放大系（倍）数。闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，因此称为“静特性”，以示区别。3.3 单闭环调速系统的动态分析单闭环调系统的动态结构和传递函数。图3-2馈单闭环调速系统动态结构图利用结构图的计算方法，可以求出转速负

22、反馈单闭环调速系统的传递函数为 式中，闭环控制系统的开环放大倍数。3.4 单闭环无静差直流调速系统图3-3调节器的单闭环无静差调速系统图3-4时PI调节器的调节过程可以看出，不管负载怎样变化，积分调节作用一定要把负载变化的影响完全补偿掉，使转速回升到原来的转速，这就是无静差调节过程。从以上分析可以看出，电压的增长速度与偏差电压一一对应，只要有偏差，整流输出电压就要增长，而且的增长是积累的。因此可以说，偏差存在的时间越久，电压增长量就越大。调节过程结束后的新电压稳态值不但取决于偏差的大小，还取决于偏差存在的时间。增长的那一部分电压，正好补偿由于负载增加引起的那部分主回路电阻R上的压降。在整个调节

23、过程中，比例部分在开始和中间阶段主要作用，由于的出现，阻止转速n的继续下降，帮助转速的顺利回升，随着转速接近稳态值，比例部分作用变小。积分部分在调节过程的后期主要作用，而且依靠它最后消除转速偏差。在动态过程中最大的转速降落叫做动态速降（如果突减负载，则为动态速升），这是一个重要的动态性能指标，它表明了系统抗扰的动态性能。总之，采用PI调节器的单闭调速系统，在稳定运行时，只要不变，转速n的数值也保持不变，与负载的大小无关；但是在动态调节过程中，任何扰动都会引起动态速度变化。因此系统是转速无静差系统。需要指出，“无静差”只是理论上的，因为积分或比例积分调节器在稳态时电容器C两端电压不变，相当于开路

24、，运算放大器的放大系数理论上为无穷大，才能达到输入偏差电压，输出电压为任意所需值。实际上,这时的放大系数是运算放大器的开环放大系数,其数值很大,但仍是有限的,因此仍然存在着很小的n，只是在一般精度要求下可以忽略不计而已。3.5 单闭环调速系统的限流保护电流截止负反馈为了实现截止负反馈，必须在系统中引入电流负反馈截止环节。电流负反馈截止环节的具体线路有不同形式，但是无论哪种形式，其基本思想都是将电流反馈信号转换成电压信号，然后去和一个比较电压Ucom进行比较。电流负反馈信号的获得可以采用在交流侧的交流电流检测装置，也可以采用直流侧的直流电流检测装置，我们将在电流检测装置一节中作详细介绍。最简单的

25、是在电动机电枢回路串入一个小阻值的电阻Rs，IdRs是正比于电流的电压信号，用它去和比较电压Ucom进行比较。当IdRsUcom，电流负反馈信号Ui起作用，当IdRsUcom，电流负反馈信号被截止。比较电压Ucom可以利用独立的电源，在反馈电压IdRs和比较电压Ucom之间串接一个二极管组成电流负反馈截止环节，如图3-5也可以利用稳压管的击穿电压Ubr作为比较电压，组成电流负反馈截止环节，如图3-5后者线路更为简单。图3-5静特性如图3-6图3-6显然，在IdIdcr时，系统的转速是无静差的，静特性是平直的（图中的no-A）段；当IdIdcr时A，A-B段的静特性则很陡，静态速降很大。这种两段

26、式的特性常被称为下垂特性或挖土机特性，因为挖土机在运行中如果遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，这时的电流称为堵转电流Idbl。电机堵转时，n=o，得Idbl应小于电动机的允许最大电流（1.52.5）Inom，另一方面，从正常运行特性n0-A这一段看，希望有足够的运行范围，截止电流Idcr应大于电动机的额定电流，例如取。这些就是设计电流截止负反馈环节参数的依据。3.6 转速、电流双闭环直流调速系统组成及静特性图3-7双闭环调速系统双闭环调速系统在稳态工作点上，转速n是由给定电压和转速反馈系数决定的，转速调节器的输出电压即电流环给定电压是由负载电流和电流反馈系数决定的，而控制电压即电流调节器的输

27、出电压则同时取决于转速n和电流，或者说同时取决于和。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点：比例调节器的输出量总是正比于输入量，而PI调节器的稳态输出量与输入量无关，而是由其后面环节的需要所决定，后面需要PI调节提供多大的输出量，它就能提供多少，但这要在调节器不饱和的情况下。 采用转速、电流双闭环调速系统后，由于增加了电流内环，而电网电压扰动被包围在电流环里，当电网电压发生波动时，可以通过电流反馈得到及时调节，不必等到它影响到转速后，再由转速调节器作出反应。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压扰动所引起的动态速度变化要比在单态环调速系统中小得多。综上所述，在双闭环调速系统中，转速调节器和

28、电流调节器的作用可以归纳如下：转速调节器的作用使电动机转速n跟随给定电压变化，保证稳态转速无静差。对负载扰动起抗扰作用。其输出限幅值决定允许的最大电流，在起动时给出最大电流给定信号。电流调节器的作用对电网电压扰动起及时抗扰作用。起动时保证获得恒定的最大允许电流。当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到快速的安全保护作用。在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化。4、总结：调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实

29、现远距离控制和自动控制，因此，在生产机械中广泛采用电气方法调速。由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。但是就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。5、参考文献【1】王兆安，刘进军.电力电子技术【M】.北京：机械工业出版社【2】许晓峰. 电机与拖动【M】.北京：高等教育出版社【3】孔凡才. 自动控制原理与系统【M】.北京：机械工业出版社 （注：文档可能无法思考全面，请浏览后下载，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注！）