机电控制工程基础课件：机电控制系统应用举例

机电控制系统应用举例9.1晶闸管交流调压位置随动系统9.2水位控制系统9.3发动机离心调速系统习题

9.1晶闸管交流调压位置随动系统

位置随动系统又称为跟随系统或伺服系统。在自动控制中,有许多要求具有一定精度的位置控制问题,如机床的自动加工、仿形机床和数控机床的定位控制、加钢机的压下装置的定位控制、船舵的位置控制、火炮的瞄准和雷达天线的跟踪等。随动系统主要解决位置的自动跟踪问题,因此随动系统在自动控制中获得广泛的应用。

9.1.1晶闸管交流调压位置随动系统的工作原理

要实现高精度的位置控制,必须采用反馈控制,所以随动系统和调速系统一样,也是一种反馈控制系统。它和调速系统的主要区别在于调速系统的输入量是恒量,输出量为转速,而随动系统的输入量是变动的,输出量是位置。因此,它在构造上和控制特点上都与调速系统有很多不同。图9－1为一小功率晶闸管交流调压的位置随动系统的原理图。

1.系统组成

1)交流伺服电机

图中的被控对象是交流伺服电动机SM,A为励磁绕组,为使励磁电流与控制电流互差90°电角,励磁回路中串接了电容C1,它通过变压器T1产生的交流电源供电。B为控制

绕组,它通过变压器T2经交流调压电路接于同一交流电源。供电的电源为115V、400Hz交流电源。系统的被控量为角位移θ0。

2)主电路

系统的主电路为单相双向晶闸管交流调压电路,由于随动系统的位置偏差可能为正,也可能为负,要消除位置偏差,便要求电动机能做正、反两个方向的可逆运行,因此调压电路便由VT正和VT反构成正、反两组供电电路。两组电路的连接如图9－1所示。图9－1晶闸管交流调压位置随动系统原理图

3)触发电路

与主电路VT正与VT反相对应,触发电路也有正、反两组(具体触发线路略去未画出),它们由同步变压器T3提供同步信号电压。图中①③为正组触发输出,送往VT正门极;②③为反组触发输出,送往VT反门极;③为公共端。

4)控制电路

(1)给定信号:设位置给定量为θi,它通过伺服电位器RPs转换成电压信号Uθi,Uθi=Kθi。

(2)位置负反馈环节:此位置随动系统的输出量为角位移θo,因此其主反馈应为角位移负反馈。

(3)调节器与电压放大器:图中,A1为比例积分微分(PID)调节器,它是为改善随动系统的动、静态性能而设置的串联校正环节。

(4)转速负反馈和转速微分负反馈环节:有时为了改善系统的动态性能,减小位置超调量,还设置转速负反馈环节。

(5)控制信号的综合:现有一个输入量和三个反馈量,若在同一个输入端处进行综合,几个参数互相影响,调整也比较困难。因此可将它们分成两个闭环,使位置反馈构成外环,信号在PID调节器输入端进行综合,而把转速负反馈和速度微分负反馈构成内环,信号在电压放大器输入端进行综合。

2.系统方块图

综上所述,可得如图9－2所示的位置随动系统的方框图。图9－2位置随动系统方框图

3.工作原理

在稳态时,θo=θi,ΔU=0,Uk1=Uk2=0,VT正与VT反均关断,Us=0,电机停转。当位置给定信号θi改变,设θi增大,则Uθi=kθi,偏差电压ΔU(=Uθi-Ufθ)>0,此信号电压经PID调节器A1和放大器A2后产生的Uk1>0,使正组触发电路发出触发脉冲,双向晶闸管VT正导通,使电动机正转,θo增大。这个调节过程一直继续到θo=θi,到达新的稳态,此时Ufθ=Uθi,ΔU=0,Uk1=0,VT正关断,电机停转。如图9－3(a)所示。

同理可知,当θi减小时,则Uk2>0,VT反导通,电机反转,使θo减小,直到θo=θi为止。如图9－3(b)所示。

综上所述,当输入量在不断变化时,位置跟随系统输出的角位移θo将跟随给定的角位移θi的变化而变化。

位置随动系统的自动调节过程如图9－3所示。图9－3位置随动系统的自动调节过程

4.位置随动系统的特点

由以上的分析,可归纳出位置随动系统有下列一些特点:

(1)输出量为位移,而不是转速。

(2)随动系统的主要矛盾是输入量在不断地变化,而调速系统的主要矛盾是负载的扰动作用。

(3)供电线路应是可逆电路,以便伺服电动机可以正、反两个方向转动,来消除正或负的位移偏差,而恒值控制系统则不一定要求电路可逆。

(4)随动系统的主反馈(外环)为位置负反馈(位置环),它的主要作用是消除位置偏差。在要求较高的系统中还增设转速负反馈或转速微分负反馈(转速环)作为局部反馈(内环),以稳定转速和限制加速度,改善系统的稳定性。

9.1.2晶闸管交流调压位置随动系统的数学模型

根据图9－1和9－2所示的线路图和方框图,便可建立如图9－4所示的位置随动系统的数学模型(框图)。图9－4位置随动系统框图

前述直流伺服电机忽略电枢回路漏磁电感La,电枢回路电磁时间Ta常数比机电时间常数TM小很多,电机输出转角位移与电枢电压之间的传递函数为

交流伺服电动机的传递函数也可写为:

式中,UB为控制绕组电压;Km为电动机的增益;Tm为电动机的机电时间常数。

图9－4中,框图所包含的PID环节、惯性环节、积分环节、变速箱的传动比都是比例环节。

9.2水位控制系统

9.2.1系统组成图9－5为水位控制系统示意图。由图可见,系统的控制对象是水箱(不是控制阀),被控量(或输出量)是水位高度H(而不是Q1或Q2)。使水位发生变化的外界因数是用水量Q2,因此,Q2为负载的扰动量(是主要的扰动量)。使水位保持恒定的可控因数是给水量Q1,因此Q1为主要作用量(理清H与Q1、Q2间的关系,是分析本系统的关键)。图9－5水位控制系统示意图

控制Q1的是由电动机驱动的控制阀门V1,因此,电动机—变速箱—控制阀构成执行元件。电压UA由电位器RPA给定,对应设定水箱的液位高度H1(电位器RPA为给定元件)。UB由电位器RPB给出,UB的大小取决于浮球的位置,而浮球的位置取决于实际水位H0。因此,浮球—杠杆—电位器RPB就构成了水位的检测和反馈环节。UA为给定量,UB为反馈量,UA与UB极性相反,所以为负反馈。UA与UB的差值即为偏差电压ΔU(ΔU=UA-UB),此电压经过控制器与电压放大器后作为伺服电动机的电枢控制电压Ua。

根据以上分析可画出组成系统的方框图,如图9－6所示。图9－6水位控制系统方框图

9.2.2系统工作原理分析

当系统处于稳态时,此时电动机停转,ΔU=UA-UB=0,即UA=UB,同时Q1=Q2,H1=H0(实际水位与设定水位相等)。若用水量Q2增加,则水位H下降,通过浮球的反馈作用,使电位器RPB的滑动触点上移,UB将增大,这样ΔU=UA-UB<0,此电压经放大后,使伺服电机反转,再经减速器后,驱动控制阀V1,使阀门开大,从而使给水量Q1增加,水位逐渐上升并回复到原位。这个自动调节的过程一直要持续到Q1=Q2,H=H1=H0(恢复到原水位),这时UA=UB,ΔU=0,电机停转。其自动调节过程流程如图9－7所示。图9－7水位自动控制的自动调节过程

9.3发动机离心调速系统

9.3.1液压阀控液压缸和液压阻尼器1.液压阀控液压缸液压阀控油缸(又称液压伺服阀)是液压伺服系统中常用的一种执行元件。其结构原理图如图9－8所示。它实际上是一个控制滑阀和一个动力液压缸的组合。图9－8液压阀控液压缸结构原理图

2.液压阻尼器

在液压控制系统中,为了减小液压缸活塞突然动作产生的冲击力,在实际中,常常增设一个液压阻尼器。如图9－9(a)为液压阻尼器的结构原理图,图中A为阻尼器活塞(它通

常与具有冲击力的主杆相连),B为油缸,k为弹簧阻尼系数,R为节流阀。图9－9液压阻尼器的结构及其阶跃响应

9.3.2发动机离心调速系统

1.系统的组成

图9－10为发动机离心调速系统示意图。

由图可见,系统的被控对象是发动机,被控量是转速n。驱动发动机的是燃料,调节燃料的阀门V1为执行元件。控制阀门开起程度的是滑阀,它相当一个控制器,滑阀活塞的位移量为x。动力液压缸相当一个功率放大元件,动力活塞的位移量为y。动力活塞杆与液压阻尼器活塞杆相接,动力液压缸的活塞动作通过阻尼器及连杆,对滑阀活塞位移起反馈缓冲作用。图9－10发动机离心调速系统

发动机离心调速系统的方框图如图9－11所示。图9－11发动机离心调速系统方框图

2.工作原理

发动机在稳态运行时,设转速n=n0,此时滑阀处于如图所示的位置(设x=x0),动力液压缸的两边的油路均被关闭,动力活塞处于静止状态。并设此时滑块的位置e=e0。

发动机稳速的自动调节过程见图9－12。图9－12发动机稳速自动调节过程

习题

1.如图910所示的发动机离心调速系统中,要使转速上升,应调整哪些元件?怎样调整?为什么?2.在阀控动力液压缸和液压阻尼器中,阻尼器起什么作用?阀控液压缸起什么作用?3.具有位置负反馈和速度负反馈的位置随动系统如图91所示,如何调节位移?如何整定速度?

4.如习题9－1图所示为仓库大门的自动控制系统,说明自动控制大门的开启和关闭的工作原理。如果大门不能全开或全关,那么应如何调整?画出系统的方框图。习题9－1图车库大门自动开关控制系统图

5.如习题9－2图所示为函数记录仪的原理图和方框图,分析当输入电压ur变化时(1Hz正弦信号)的函数记录仪的工作原理,被控对象和被控量分别是什么?反馈元件、反馈量和执行机构是什么?该控制系统属于何种类型系统?习题9－2图函数记录仪的原理图和系统框图

6.如习题9－3图所示是电加热器原理示意图。在使用热水时,水箱中流出热水并补充冷水,为了保持希望的热水温度,采用温控开关接通或断开电加热器的电源。试说明在使

用热水的过程中,该系统是如何保持热水温度为希望值的?画出系统方框图。如果需要改变热水温度的希望值,则应该如何操作?习题9－3图电加热器原理示意图

7.习题94图是面包烘烤工艺的温度调节装置示意图,待烘烤的面包用传送带按一定速度和一定时间通过烘箱进行烘烤。传送带由无级变速机驱动,其速度是根据安装在烘箱中的温度检测器测量的烘箱温度进行调整的。如果烘箱温度过高,传送带速度就加快;反之,传送带速度就减慢。由此来能保证烘烤面包的质量。试说明传送带速度自动控制的原理,并绘制其相应的方框图。习题9－4图面包烘箱的温度调节装置

8.控制工程中用来控制液体或气体流量的阀门是很重要的执行元件。习题9－5图是用电流控制的某气动调节阀的原理示意图。图中,与杆固连的线圈内有一个永久磁铁,当电流通过线圈时,产生使杆围绕支点旋转的旋转力矩,从而带动挡板关闭或打开喷嘴。当喷嘴被关闭时,进入膜片上腔的空气压力增大,从而将膜片下压,并带动弹簧、阀杆一起向下移动;当喷嘴被打开时,由于空气从喷嘴跑出,进入膜片上腔的空气压力减小,膜片连同弹簧、阀杆一起上升。此外,在阀杆上下移动的同时,反馈联动机构将阀杆位移反馈回去,并由与杆相连的弹簧产生一个平衡力矩。这样,通过电流控制阀杆位移来改变阀门开度,从而达到控制流量的目的。试绘制系统方框图。习题9－5图气动调节阀控制装置