自控原理复习总结

1、自动控制原理自控控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备或工艺过程进行合理的控 制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。反馈的输出量与输入量相减，称为负反馈；反之，则称为正反馈。按输人补偿黠元絆主反馈前惯校正、元件 自动控制原理系统基本组成示意图测量元件：测量被控对象的需要控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般需 要转化为电量。给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量。比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求 出它们之间的偏差。放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。 执行元件：直接作用于被控对

2、象，使其被控量发生变化，达到预期的控制目的。 校正元件：也称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件。对自动控制系统性能的基本要求：稳定性、快速性、准确性系统的传递函数:线性系统，在零初始条件下，输出信号的拉普拉斯变换与输入信号的拉普拉斯变化之比。典型环节：比率环节：G(s) K惯性环节：G(s) KTs 1积分环节：G(s)Ts微分环节：G (s) Ts一阶微分环节：G(s) s 1振荡环节:G(s)KT2s2 2 Ts 1s22 nS延迟环节：G (s) e数学模型：微分方程、传递函数、结构图、信号流图、频率特性等 结构图的等效变换：（例）G2G31 GLz H3)ms).鼻厂仁0占 g2C

3、(sLH2也-R(s).岸GQG©C(s).去1 G2G3W2 H3)対G1G2G3c傀1 qq(H2 h3)GG2G3H1”H1无源电气网络的传递函数：P46习题2.7用梅森公式求系统的闭环传递函数：P38例2.9 第三章：典型输入信号:超调量（T % =sis峰A100%上升 时间tr调节时间ts2调节时间ts上升时间tr:2T祕® !名称时域表达式复域表达式取位阶跃繭数1(f)l/s単位斜坡属数1心01/s2单位祀速度兩数J r2(3；1/j3单位脉冲3<t) (t0>1正弦繭数动态性能指标：1 延迟时间td :响应曲线第一次达到稳态值的一半所需的时间，叫

4、延迟时间。2 上升时间tr:响应曲线从稳态值的10%上升到90%所需的时间。对于有振荡的系统，也可定义为响应从零第一次上升到稳态值所需的时间。3峰值时间tp :响应曲线超过其稳态值达到第一个峰值所需要的时间。4. 调节时间ts:指响应到达并保持在稳态值5%或2%内所需的时间。5. 超调量：指响应的最大偏离量 h(tp)与稳态值的差与稳态值的比，用百分号来表示,h(tp) h()hO100%6 振荡次数：是指在调节时间ts内，h(t)波动的次数。 稳态性能指标：稳态误差1临界阻尼；1过阻尼；01欠阻尼二阶系统阶跃响应的性能指标:%h(tp) h( ) “12 100%h()1 UU70D超调量%

5、只是的函数，阻尼比越小超调量%越大左图为：阻尼比与超调量 %之间的关系SJ.1胖畝網綁下脱蛊诞Kl)=Jtoft3&ISO0LyIccQ1Ofltd：调节时间的计算:ts（0.05）n4ts（0.02）n劳斯判据：系统特征方程式的根全部都再s左半平面的充分必要条件是劳斯表的第一列系数全部为正数。如果劳斯表第一列出现小于零的数值，系统就不稳定，且第一列各系数符号的改变次数，代表特征方程式的正实部根的数目。（P66） 掌握绘制系统根轨迹的基本法则对于稳定的系统，闭环主导极点越远离虚轴，即闭环主导极点的实部绝对值越大，系统振荡越严重，从而系统超调量增大，振荡次数增多，引起系统的调整时间增加。

6、常见的开环零极点分布及相应的根轨迹图（P101）作业4-4（ P120）答案：W -45J*90o o o o o o1 12 3 N - mp)fT)7-V X -Br>、*l/Tq (rad/sec)惯性环节的伯德图Nyquist图绘制方法： 写出A(3)和(3)的表达式； 分别求出3 = 0和3 =+8时的G(j 3)； 求Nyquist图与实轴的交点； 如果有必要，可求 Nyquist图与虚轴的交点，交点可利用G(j3)的实部ReG(j 3=0的关系式求出，也可利用/G(j 3) = n 90° (其中n为正整数)求出； 必要时画出Nyquist图中间几点； 勾画出大致

7、曲线。系统各频段的作用：低频段：系统的稳定性能中频段：系统的动态性能高频段：系统的抗干扰能力例题 5-4 ( P139)例题5-8( P152) 重要 串联超前校正和串联滞后校正方法的适用范围和特点：(1 )超前校正是利用超前网络的相角超前特性对系统进行校正，而滞后校正则是利用滞后 网络的幅值在高频衰减特性。(2) 用频率法进行超前校正，旨在提高开环对数幅频渐进线在截止频率处的斜率(-40dB/dec提高到-20dB/dec)，和相位裕度，并增大系统的频带宽度。频带的变宽意味着校正后的系统响应变快，调整时间缩短。(3) 对同一系统超前校正系统的频带宽度一般总大于滞后校正系统，因此，如果要求校正

8、后的系统具有宽的频带和良好的瞬态响应，则采用超前校正。当噪声电平较高时， 显然频带越宽的系统抗噪声干扰的能力也越差。对于这种情况，宜对系统采用滞后校正。(4 )超前校正需要增加一个附加的放大器，以补偿超前校正网络对系统增益的衰减。(5)滞后校正虽然能改善系统的静态精度， 但它促使系统的频带变窄，瞬态响应速度变慢。 如果要求校正后的系统既有快速的瞬态响应，又有高的静态精度，则应采用滞后-超前校正。工程最佳系统：二阶工程最佳系统、三阶工程最佳系统、四阶工程最阶系统。采样定理:若已知连续信号e(t)的最大角频谱为max，采样周期为T,则当采样周期满足T 时,max采样信号e (t)才能较好地复现连续

9、函数的e(t)形式。离散系统的数学模型：差分方程、脉冲传递函数(差分方程通过Z变换得到脉冲传递函数)非线性系统的分析方法：描述函数法、相平面法自动控制系统忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制系统的简化运动方程式:吟 Te TLd mdt m生产机械的负载转矩特性：恒转矩负载，恒功率负载，风机、泵类负载 直流调速系统的可控直流电源： 晶闸管整流器-电动机调速系统（V-M系统）； PWM变换器-电动机系统。为了避免或减轻电流脉动的影响，需采用抑制电流脉动的措施，主要有: 增加整流电路相数，或采用多重化技术； 设置电感量足够大的平波电抗器。V-M系统机械特性：遊却JU整流电貉形式平均去輕时闾Tiun

10、s单和半波20|O单和桥式（全波1105和半波(j.67.V33三相桥式3 331.67总心晶尿管整荷裁的光控吐间fAJOHi）与V-M系统相比，直流 PWM调速系统在很多方面有较大的优越性： 主电路简单，需要的电力电子器件少； 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗及发热都较小； 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽； 若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强； 电力电子开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大, 因而装置效率较高； 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 转速控制的要求和稳态调速性能指标：1调速范围：D

11、nmaxnmin2静差率：Sn。3调速范围、静差率和额定速降之间的关系:nNS nN (1 s)例题2-2 （重要）某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW，220V，305A, 1000r/min ,采用V-M系统，主电路总电阻 R=0.18 Q,电动机电动势系数 Ce=0.2Vmin/r。如果要求调速范 围D=20,静差率sw 5%采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降Ain最多能有多少？解:当电流连续时，V-M系统的额定速降为nN1 dN RCe305 0.180.2=275r/m in开环系统在额定转速时的静差率为SNnN nN0.216 21.6%

12、1000 275如要求D 20, s 5%，即要求nNnNSD(1 s)1000 0.0520 (1 0.05)2.63r / min图2-19转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图1W5)R( T1 54-1 %)+_ <1/Ce09耐忌.$+1图2-22直流电动机动态结构框图的变换图2-23转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图在同样的负载扰动下，开环系统的转速降落nop与闭环系统的转速降落nci的关系是:ndnop1 K例题2-3 (重要)在例题 2-2 中，龙门刨床要求 D=20, sw5% 已知 Ks=30, a= 0.015Vmin/r , Ce=0.2Vmin/r，采用比例

13、控制闭环调速系统满足上述要求时，比例放大器的放大系数应该有多少？开环系统额定速降为nop 275r / min ,闭环系统额定速降须为ncl2.63r / min，由式（2-48）可得K 上 1 逻 1 103.6nci2.63代入已知参数，则得:KpKKs /Ce103.630 0.015/0.246即只要放大器的放大系数等于或大于46。反馈控制规律： 比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统； 反馈控制系统的作用是：抵抗扰动 ，服从给定；反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环所 包围的前向通道上的扰动。 系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。比例控制闭环直流调速系统的动态稳定性其稳定条件

14、：Tm(T Ts) Ts2TTsPI控制优点：PI控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点。 比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。PI调节器的传递函数:Wpi (s)Kp1s 1is由扰动引起的稳态误差取决于误差点与扰动加入点之间的传递函数。测速方法：M法测速（高速）、T法测速（低速）、M/T法测速 为了解决转速反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，系统引入电流截止负反馈。从闭环结构上看, 参数计算：电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。UnUnnoUiUiIdIdUnnoUm1 dm图3-6双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形双

15、闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制；（2）转速超调；（3）准时间最优控制。转速调节器的作用：（1 ）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压 U；变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3 ）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。电流调节器的作用：（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui* （即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电动机过

16、载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。控制系统的动态性能指标:1跟随性能指标(1 )上升时间tr(2) 超调量 与峰值时间tp(3) 调节时间ts2抗扰性能指标(1) 上升时间Cmax图3-10 典型I型系统(a)闭环系统结构图(b)开环对数频率特性口 7s+ h图 3-13(a)闭环系统结构图(b)开环对数频率特性h5457891072_2*-4773*fl81,2%E4.O%MJ%S8 1%19.6%90. S%心丁2452.703.3?3加3 J53.353.50期0h T1058 $0：,

17、9516.851980：2.80邛85崔屯匚孚我习茗托廿性能桔标与昜绘旳弋寒可逆PWM变化器的控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种。(2) 恢复时间tvLVR +|图4-13配合控制的三相零式反并联可逆线路的瞬时脉动环流（f r 60 ） 三相零式可逆线路和瞬时脉动环流回路（b） f 60时整流电压Udof波形(C) r 60 ( f 120 )时逆变电压Ud0f波形（d）瞬时电压差山。和瞬时脉动环流 icp波形直流平均环流可以用配合控制消除，而瞬时脉动环流却是自然存在的。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，称做环流电抗器，或称均衡电抗器。当可逆系统中一组晶闸管工作时（不论是

18、整流工作还是逆变工作），如用逻辑关系控制使另一组处于完全封锁状态，就可彻底断开环流的通路， 确保两组晶闸管不同时工作，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。（P106）降低励磁电流以减弱磁通则是从基速向上调速（P110）异步电动机的调速方式：变频、变压、变极对数了解软启动器（P120）变压变频调速的基本原理：1基频以下调速：恒压频比；2基频以上调速：恒功率调速（近似）a）恒压频比控制 b）恒定子磁通控制 c）恒气隙磁通控制 d ）恒转子磁通控制二屯A工OfC 图5-15 交-直-交变频器主回路结构图（重要P129）为了限制泵升电压，可采取下述两种方法：（1）在直流侧并入一个制动电阻，当泵升电压达到一个定值时，开通与制动电阻相串联的功率器件，通过制动电阻释放电能，以降低泵升电压，如图5-36所示。交-直-交变频器主回路（2） 在直流侧并入一组晶闸管有源逆变器（见图5-37）或采用PWM可控整流（见图5-38）， 当泵升电压升高时，将能量回馈至电网，以限制泵升电压。直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较：SM 接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较性能与特点