《自动控制系统》重点整理(余发山版).doc

第一章1.直流电机转速n=(U-IR)/Ke 调节转速方法:1.调节点数供电电压(最好)U；2.减弱励磁磁通(平滑调速,范围小)；3.改变电枢回路R(有级调速)2.电流的连续与断续:V-M系统主回路串联足够大电感量的电抗器且负载电流也足够大,波形连续电流连续时,机械特性比较硬,为一簇平行直线,n=(Udo-IdR)/Ce,Ce= Kenom为电机在额定磁通下的电动势转速比；断续时,机械特性很软,呈非线性,理想空载转速翘的较高。3.V-M直流调速系统在经济型和可靠性有提高,技术上性能优越,控制快速性达到毫秒级,但是由于晶闸管单向导电性,电流不能反向,可逆系统必须要有晶闸管变流器,在深调速状态时,导通角很小,系统功率因数低,谐波电流大。4.调速性能指标:调速,稳速,加、减速5.调速范围D:最高转速和最低转速之比D=Nmax/nmin6.静差率s是负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落nnom与理想空载转速no之比,用来衡量调速系统在负载变化是转速的稳定度,特性软的转速降落大,静差率大,稳定性差。7.调速范围、静差率和额定速降之间的关系是:D=(nnomS)/nnom(1-s)8.只有设法减小静态速降nN 才能扩大调速范围,减小静差率,提高转速的稳定度。9.开环调速系统中,转速差 nnom =nnoms/D(1-s) =IdomR/Ce,只有 Un*对输出量n产生控制作用。当 D1s Ce负载发生变化,输出量就发生变化。按反馈控制的原理构成转速闭环系统,被调量是电动机转速n当堵在增加时,转速下降,如维持给定量不变,则偏差增大,使 Uct 增加,移向角减小, Ud上升,于是转速回升,以达到减少甚至消除静态速降的目的。10. 闭环系统静特性表示电动机转速与负载电流的稳态关系:n=KpKsUn*/Ce(1+K)-IdR/Ce(1+K) 开环放大系数K=KpKs/Ce11. 开环n=(Udo-IdR)/Ce=n0op-nop 闭环n=n0cl-ncl (理想空载转速-稳态速降) 闭环系统优点:1、静态速降小,特性硬 2、系统静差率小,稳速精度高 3、当要求的静差率一定时,闭环系统的调速范围可大大增加Dcl=(1+K)Dop, 综上所述,闭环系统可以获得比开环系统硬的多的稳态特性,从而保证在一定静差率下能扩大调速范围。12.单闭环调速系统的基本性质:1.具有比例调节器的闭环控制系统是有静差系统(稳态速降只能见效,不能消除,系统以存在偏差为前提)2.抗扰动和服从给定(对于负反馈包围的前向通道上一切扰动都抑制,对给定作用变化惟命是从) 3.系统精度依赖于给定反馈精度13. 单闭环调速系统的限流保护-电流截止负反馈目的:防止启动或堵转时的过电流对电机造成损害。IdRc-Ucom0输入输出相等,IdRc-Ucom0输出为零；IdIdcr电流负反馈起作用,n=n01-ncl1.下垂特性/挖土机特性14.积分调节器能通过不断积累最后消除误差,快速性差。 PI 调节器能满足系统的动态快速性和稳态无静差性的实质是调节初期中期U大,比例部分起主导作用,增量Uctp迫使转速下降减缓,在后期,U减小,比例部分作用减弱,积分起主导作用,ucti逐渐增长,直到转速恢复到扰动前的数值,消除静差,实现无静差。其中最大转速降nm越小,抗扰动性越强。15.闭环系统能减少稳态速降实质？在开环系统中,当负载电流增大时,电枢压降也增大,转速只能降下来；闭环系统装有反馈装置,转速稍有降落,反馈电压就计较和放大提高晶闸管装置的输出电压,使系统工作在新的机械特性上,因而转速又有所回升第二章1.单闭环系统问题:1.一个调解器综合多种信号,各参数相互影响,难调整,动态性不好；2.任何扰动只有等转速出现偏差时才能调节,转速动态降落大；3.采用电流截止负反馈来限制启动电流,不能充分利用电机的过载能力以获得最佳过渡过程2.转速电流双闭环调速系统中,转速调节器 ASR 调节转速,其输出限幅值整定取决于电动机过载电流能力Imon ；电流调节器 ACR 调节电流。3.调节器锁零的要求:1、系统处于停车状态时,调节器必须锁零 2、系统接到启动指令或正常运行时,调节器锁零立即解除并正常工作4.双闭环静特性(在负载电流小于Idm时表现为转速无静差,ASR主调；启动或堵转时电流达到Idm后,ACR主调,表现为电流无静差):1.n0A段,系统正常负载运行,ASR不饱和,调节达到转速无静差,保证系统有很硬的机械特性,ACR起辅助作用,两者偏差电压都为零 2.AB段,启动和堵转时,ASR饱和,电流达到Idm,转速环开环,系统为恒电流无静差调节5. 双闭环调速系统突加给定启动过程三个阶段 1、强迫电流上升阶段,ASR 迅速饱和,ACR 不饱和 2、恒流升速阶段,ASR 饱和,ACR 调节 Id=Idm 3、转速调节阶段,ASR 退饱和与 ACR一起作用使电机运行于给定转速6. 在转速、电流双闭环调速系统中,起动阶段电流环起作用,稳态时转速环起主导作用电流环为随动。电流环作用:在转速调节过程中,电动机电流 Ia 跟随给定电压 Ui变化；在启动过程中,电流环又可限制启动电流,保证在最大允许电流下启动,实现准时间最优控制；对于电网电压的扰动起到几十抗扰作用；当电动机过载,甚至堵转时,限制电枢电流为Idm ,并获得理想下垂特性,从而起到安全保护作用。转速环作用:在稳态运行时,转速跟随给定值变化,由于ASR的积分作用,使系统达到转速无静差；对负载变化起抗扰作用；ASR 一旦限幅,对电流环进行饱和非线性控制,系统进入恒流调节7. 双闭环调速系统在启动过程中的特点:1、饱和非线性控制(即ASR饱和与不饱和两种状态) 2、准时间最优控制(电流保持恒定,一般为允许最大值,以充分发挥电机裹在能力,使启动过程尽可能快) 3、转速超调(只有转速超调,ASR才能推出饱和)8.双域控制系统:调压、调磁相互配合的控制系统。1.基速以下转速调节:在额定励磁磁通条件下,将点数电压从零变到接近额定值,称为满磁下调压2.高于基速环节:在接近额定电枢电压或额定电势条件下,改变励磁电流来实现,称为满压下调磁9.双域控制系统原理:设置两个控制通道,电枢控制回路(调节电枢电压)和磁场控制回路(调节励磁电流),并能从基速以下满磁调解节电枢电压升速自动转入基速以上满压以下减弱励磁电流升速(靠反电动势信号Ue的控制来进行)。1.基速以下保持励磁为额定值,调电枢电压升速调节过程2.基速以上,保持电动机饭店是恒定的弱磁升速调节过程第三章1.环流:是指不流过电动机或其它负载,而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。分类:1、静态环流:当晶闸管整流装置在某一触发角下稳定工作时,系统中所出现的环流。分为直流平均环流即环流电压有正向直流分量的环流；瞬时脉冲环流即环流电压没有正向 2、动态环流:稳态运行时并不存在, 只有当系统由一种工作状态过渡到另一种工作状态时才出现的环流。 2.反并联线路中静态环流:VF和VR都处于整流状态,两组整流电压顺极性串联,造成短路电流,即为直流平均环流。控制Udofr。称为配合控制(=工作制配合控制)3.反并联线路中动态环流:触发器出触发脉冲相位移动,是环流电压差正值部分增加,负值部分减小,形成正负半波不对称,暂时出现直流环流,由于时间常数较大,动态环流长时间才消失,逐步过渡到新的静态环流4.=工作制的实现及环流控制方法:将两组晶闸管装置触发脉冲的零位定在90度,即当控制电压Uct=0时,Udof=Udor,电动机处于停止状态；增大控制电压Uct移向时,只要两组触发装置的控制电压大小相等符号相反即可。为防止逆变颠覆,需设置限制最小逆变角min保护环节,并使min=min,防止产生直流平均环流。5.工作制:两组触发装置零位都整定大于90,此时整流组的平均电压总小于逆变组平均电压,从而使环流电压具有反向直流成分,故不产生直流平均环流,而且能抑制脉动环流。6.系统=工作制配合控制下,可逆线路虽然消除直流平均环流,但一定有瞬时脉动环流存在,称为有环流可逆系统。特点:1.主电路采用两组晶闸管反向并联2.控制线路采用定性的转速电流双闭环系统,两个调节器都设置双向输出限幅来限制最大动态电流,min,min 3.给定电压Un有正负极性,可由KF和KR来切换4.反馈信号也能反映出相应极性7.有环流可逆系统的正向制动过程分析:第一阶段,电流Id由正向负载电流+IdL下降到零,其方向仍未变,仍通过正组晶闸管装置VF流通,这时正组处于逆变状态,称作本组逆变阶段；第二阶段,电流方向变负,由零变到负向最大电流-Idm,维持一段时间后再衰减到负向负载电流-IdL,这时电流流过反组晶闸管装置VR,在允许的最大制动电流-Idm下转速迅速降低,这个阶段称为它组制动阶段8.正向运行时,f90,反组待逆变；本组逆变阶段,正组逆变,反组待整流；它组建流子阶段,反组整流,正组待逆变,电机反接制动；它组逆变子阶段,反组逆变,正组待整流,电机回馈制动；反向建流子阶段,反组逆变,电机停车9.可控环流的可逆调速系统:充分利用有环流可逆系统制动和反向过程的平滑性和连续性,当主回路电流可能断续时,采用控制方式,提供一个附加的直流平均环流使电流连续,一旦电流连续了,形成控制方式,遏制环流至零。充分利用了环流有利的一面,必考了电流断续区,使系统在正反向过渡过程中没有死区,提高了快速性,同时克服了环流不利的一面,减少了环流的损耗,在快速性要求高的系统中广泛应用。10.逻辑无环流系统:一组晶闸管工作时,用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲,使它完全处于阻断状态,确保两个晶闸管不同时工作,从根本上切断环流的通路11.逻辑无环流系统构成特点 1、主电路采用两组晶闸管装置反并联线路,由于没有环流,不用再设置环流电抗器,但为了保证稳定运行时电枢电流波形的连续,仍应保留平波电抗器 2、控制线路采用典型的转速、电流双闭环系统,只是电流环分设两个电流调节器,1ACR 用来控制正组触发装置GTF, 2ACR控制反组触发装置GTR,1ACR的给定信号Ui*经反号器AR作为2ACR的给定信号, 这样可使电流反馈信号Ui的极性在电动机正、反转时都不必改变,从而采用不反映极性的电流检测器 3、设置了无环流逻辑控制器DLC由于主电路不设均环流电抗器,一旦出现环流将造成严重的短路事故,所以对工作时的可靠性要求特别高,为此在逻辑无环流系统中设置了无环流逻辑控制器 DLC12.无环流逻辑控制器任务:正组晶闸管VF工作时封锁反组脉冲,反组晶闸管VR工作时封锁正组脉冲。13.对无环流逻辑控制器的要求:1、由电流给定信号 Ui 的极性和零电流检测信号 Ui 0 共同发出逻辑切换指令,当 Ui 改变极性,且零电流检测器发出零电流信号时,允许封锁原工作组,开放另一组 2、发出切换指令后,须经过封锁延时时间 tdbl ,才能封锁原导通组脉冲,再经过开放时间 tdt 后才能开放另一组脉冲 3、无论在任何情况下,两组晶闸管绝对不允许同时加触发脉冲,当一组工作时,另一组的触发脉冲必须被封锁住14.逻辑无环流可逆系统的延时电路:封锁延时tdbl,作用是等待电枢电流真正到零防逆变颠覆；开放延时tdt,作用是使原工作组可靠关断,防止电源短路15. DLC的基本组成及功能说明如何实现无环流控制？1、电平检测设有转矩极性鉴别器和零电流检测器,分别将电流给定的极性和电流是零或非零转换成1或0数字量,供逻辑判断使用。2、逻辑判断电路根据两个电平检测器的输出信号,经过逻辑运算后准确的发出切换信号 UF 和 UR；3、逻辑判断电路发出切换指令 UF和UR后,送给延时电路,经过封锁延时和开放延时,执行切换指令；4、正常工作时,逻辑判断电路和延时电路的两个输出总是一个为1态,另一个为0态,一旦电路发生故障,如果两个输出同时为态,则会使两组晶闸管同时开放而导致电源短路,延时电路后设置联锁保护电路可以避免两组晶闸管同时处于整流状态而造成电源短路事故16.直流调速系统中,有环流系统优点:避免 电流的断续区,系统在正反向过渡过程中没有死区,提高了快速性,过渡平滑、反向快。缺点:必须设置几个环流电抗器,增加了设备的投资。有环流系统适用于对快速性要求较高的可逆调速系统和随动系统；无环流系统优点:从根本上切断了环流回路,安全可靠。缺点:对控制提出了更高的要求。无环流系统适用于容量大并且对过度特性的平滑性要求不高但安全性要求较高的系统中。电枢可逆系统优点:电枢回路电感量小,时间常数小,正反向切换快速性好,缺点:要两套容量较大的晶闸管整流装置,投资较大,特别是大容量可逆系统时更为突出。电枢可逆系统适用于频繁起制动、要求过渡时间段、中小容量的生产系统；磁场可逆系统优点:激磁功率小,设备容量激电枢可逆方案小的多,投资费用低,比较经济；缺点:激磁回路电感量大,时间常数大,控制线路复杂,必须保证在换向过程中当激磁磁通接近于零时, 电枢供电电压为零,以防止电动机在反转过程中的飞车现象。磁场可逆系统适用于不要求快速正反转的大容量可逆系统中第六章1.异步电动机调速途径:1.改变电源频率f1、2.极对数np 3.转差率s(调整定子电压,转子电阻,转差电压及定子供电频率)2.调速系统分类:转差功率消耗型调速系统,转差功率回馈型调速系统,转差功率不变型调速系统3.系统构成:静止式变频装置,交流电动机,控制电路4.变频调速基本要求:保持每极磁通量为额定值不变,即在频率变化是仍保持磁通恒定,实现恒磁通变频,调速时保证电动机最大转矩不变。基频以下,保持电压频率比基本恒定,使磁通恒定从而转矩恒定,因此恒压频比属于恒转矩调速；基频以上,转速升高时,转矩降低,属于恒功率调速5.变频调速时为什么要对电压和频率进行协调控制？变频调速时,电动机内部阻抗也将改变,单是改变频率,将产生由弱磁引起的转矩不足,倘若过励磁,又会引起磁饱和等,导致电动机的功率显著下降,V/F 控制必须是在改变频率的同时,改变变频器的输出电压,才能保证调速电动机的效率,功率因数不下降6.静止式变频装置:把频率和电压恒定的电网电压变成频率和电压可调的交流电,成为变压变频装置VVVF。间接变频装置:先将工频交流电源通过整流器变成直流,然后在经过逆变将直流变换为可控频率的交流(交-直-交变频器),直接变频装置将工频交流一次变换成可控频率交流,无直流环节7.间接变频装置按控制方式分为1.用可控整流器变压、变频器变频(谐波大,功率因数低,适用于电压变化不太大的)2.直流斩波器调压、直流变频器变频(提高功率因数,灵活调压,谐波较大)3.变频器自身调压、变频(PWM脉宽调制,功率因数搞,谐波小)8.间接变频装置按电源性质方式分电压源变频器(大电容滤波,直流电压波较平直,输出交流电压为矩形或梯形波,适用于不经常启制动和不需再生发电回馈的负载和装置),电流源变频器(大电感滤波,电流波较平直,电压波为矩形或梯形波,能迅速改变电压极性进入逆变,可方便再生制动,用于要求频繁启制动场合)9.电压源变频器工作原理:由相控整流电路,滤波电容C和有源逆变电路构成,采用续流二极管为特征,180导电型:晶体管导通角为180,在一个周期每隔T/6一次导通,每一时刻有3个导通,分别在不同桥臂上,变频器输出相电压为阶梯波,线电压为间断式矩形波,波形复制取决于Ud,频率取决于环流频率；120导电型:晶体管导通角为120,变频环流在同一组相邻桥臂上,相电压为间断式矩形波,线电压为阶梯波,其余相同,电压波形基波幅值和相位收负载功率因数影响,稳定性差10.正弦波脉宽调制SPWM特点:1.主电路只有一个可控的功率环节,简化结构2.使用不可控整流器,是电网功率因数与输入电压无关3.调频同时调压,与中间直流环节原件参数无关,加快系统动态响应4.更好输出电压波形,抑制或消除低次谐波,扩大调速范围,提高系统性能11.SPWM 变频器的工作原理:将正弦波等效为等幅不等宽的矩形脉冲波形,因此,控制脉冲的幅值变窄,相当于输出期望的正弦波信号。控制的思想是:把一个正弦波分作N等分,然后把每一等分的正弦波曲线与横轴所围的面积都用一个面积相等的等高矩形来代替,矩形脉冲与正弦波每一等分的中点重合,这样有几个等幅不等宽的矩形脉冲与正弦波等效,所以就用这些 SPWM 脉冲去控制变频器电子开关。是负载输出的波形为SPWM波形,其中正弦波为调制波,受它调制的信号为载波12.SPWM制约条件:1.开关频率:变频器个功率开关器件的开关损耗限制了SPWM的每秒脉冲数 2.调制度m:m=Urm/Utm,为保证安全工作,必须使做调制的脉冲波有最小脉宽与最小间隙的限制,以保证最小脉冲间歇大于关断时间13.单极性:正弦波半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断；双极性:同一桥臂上下两个开关交替通断,处于互补方式14.载波比N=ft/fr(载波频率/调制波频率),同步调制:N为常数,ft和fr同步变化,变频器输出电压半波内矩形脉冲固定不变,当频率很低时,谐波增加,负载电动机产生较大脉动转矩和噪声；异步调制:改变fr时ft不变,提高了低频时载波比,矩形脉冲可随输出频率降低而增加,减小转矩和噪声,但难保持三相输出电压间的对陈冠希,引起电机工作不稳定；分段同步调制:一定频率范围内同步调制,保持输出电压波形对称的优点。频率降低较多时,N分段有级增加,采纳异步调制长处。15. 机械特性:1.恒压恒频下:s很小时,Tm是直线,s接近1时,Tm与s成反比,为一段双曲线；2.电压、频率协调控制下:1.恒压频比运行U1/w1,改变频率机械特性基本不变 2.恒气隙磁通运行Eg/w1,频率降低使转矩减小,机械特性为一段双曲线 3.恒转子磁通运行Er/w1,一组平行直线,稳态性最好 4.恒电压运行(基频以上),Tm与w12反比,岁频率郑家转矩减小,带负载能力降低,转速升高,输出功率基本不变。16.转速开环:结构简单,成本较低,适用于不要求动态特性或电机常处于恒速有耐性的传动系统；转速闭环:稳态精度较高,并有快速加减速要求的系统17.恒压频比开环调速系统:1.给定积分器GI,当转速给定信号Uw*发生阶跃变化时,防止变频器的频率电压也阶跃性变化,限制冲击电流2.绝对值变化器GAB,变频器输出电压频率指令全为正值3.电压控制环节,采用电压电流双闭环结构,内环设CR限制动态电流兼保护,外环设AVR控制输出电压4.频率控制环节,由压频变换器GVF(将电压信号转变成一系列脉冲信号,脉冲列频率与控制电压大小正比,得到恒压频比的控制作用),环形分配器DRC(将GVF输出脉冲分配成6个一组相互间隔60度的具有一定宽度的脉冲信号)和脉冲放大器AP(脉冲功率的放大和除触发脉冲宽度的保证)组成18.调速系统的动态性能就是控制转矩的能力,转差频率控制概念:在S值很小的范围内,想要保持气隙磁通m不变,在异步电动机中控制s使能够达到间接控制转矩的目的,控制转差率就代表控制转矩。19.控制规律:1.在转差频率控制系统中,只要给