自动控制系统的基本知识

1、1 自动控制系统的基本知识,人工控制和自动控制; 开环控制和闭环控制; 掌握自动控制系统的组成、分类; 自动控制系统的基本要求; PID控制.,2011-9-19,1.2 人工控制和自动控制,自动控制： 在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（控制器）使整个生产过程或工作机械（被控对象）自动地按预定的规律运行，或者使它的某些物理量（被控量）按预定的要求变化。 人工控制： 用人工操作来完成对生产机械或设备的操作和控制，以抵消外界的扰动和影响。,2011-9-19,控制的过程： 测量求偏差控制,2011-9-19,1.3 开环控制和闭环控制,开环控制系统 只有控制量(输入量)对被控制量(输出量

2、)的单向控制作用，而不存在被控制量对控制量的影响和联系。 开环控制系统的精度：输入量的标定精度和控制装置参数的稳定程度。 缺点：精度不高，适应性差，往往不能满足高要求的生产机械的需要。,2011-9-19,闭环控制系统 其特点是输入量与输出量之间既有正向的控制作用（前向通道），又有反向的反馈控制作用，形成一个闭环，并按偏差的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差的控制系统，又称反馈控制系统。 闭环控制系统具有很强的纠偏能力，对干扰作用具有良好的适应性。,2011-9-19,具有转速负反馈的GM调速系统,2011-9-19,反馈控制：分为：正反馈、负反馈 通常，只有按负反馈原理组成的闭环控制系统才

3、能实现自动控制的功能。 负反馈：反馈信号的正负极性（或符号）必须与给定值的极性相反，以便取得偏差值作为控制之用。 因此：开环控制系统给定信号控制 闭环控制系统偏差信号控制,2011-9-19,自动控制系统的特征,1 结构上必须具有反馈装置，并按负反馈的原则组成系统； 2 由偏差产生控制作用，系统中必须具有执行纠偏任务的执行机构； 3 控制目的是力图减小或消除误差，使被控量尽量接近期望值。,2011-9-19,1.4 自动控制系统的组成,测量反馈元件 比较元件 校正元件 控制器 放大元件 执行元件 被控对象,2011-9-19,1.5 自动控制系统的分类,（1）从组成原理上分：开环控制系统和闭环

4、控制系统；,（2）按组成系统的元件特性：线性系统和非线性系统；,（3）按传递信号的动作和时间的关系，分：连续时间控制系统和离散时间控制系统；,2011-9-19,(4) 按自动调节系统的复杂程度，可分为单环自动调节系统和多环自动调节系统；,(5) 按系统稳态时被调量与给定量有无差别，可分为有静差调节系统和无静差调节系统；,(6) 按输入信号变化的规律，可分为恒值控制系统、程序控制系统和随动系统（伺服系统）；,2011-9-19,1.7 自动控制系统的基本要求,稳定性、快速性、准确性,2011-9-19,1.8 PID控制器,控制器对偏差信号U进行加工、处理，使其输出信号随着偏差信号的变化而变化

5、的规律控制规律，也称 控制算法。 PID控制是最古老、最成熟、使用经验最丰富的一种控制规律。 PID控制分三种基本控制： 比例控制P控制 积分控制I 控制 微分控制D控制,2011-9-19,比例（P）控制器,输出量与输入量的大小成正比。 按照负反馈原理构成的自动控制系统，其最大特点是采用偏差U进行控制的，即 输入信号为偏差U 则 UO=KPU KP 控制器的比例系数,2011-9-19,运算放大器组成的比例控制器,实质上是一个反相放大器。 只有当偏差电压为负值，即U0时，放大器的输出电压才为正值。,2011-9-19,比例控制器具有作用及时、快速、控制作用强的优点。 且KP的绝对值越大，系统

6、的偏差就越小，控制精度就越高。 但是KP值过大，将会导致瞬态响应过程出现剧烈的震荡，容易造成系统的不稳定。 因此，比例控制是不可少的，但一般不单独使用。,2011-9-19,积分（I）控制器,输出量与输入量对时间的积分成正比。,TI I 控制器的积分时间， KI I 控制器的积分常数； TI = 1/KI,2011-9-19,运算放大器的积分电路,特点：1. 输入为负值，则输出为正值； 2. 只要输入U0，UO就越来越大，即控制作用越来越强，使得UO逐渐接近期望值，即U越来越小，直到=0. 3. 尽管U=0，但是UO却可以不等于零。“无输入，但有输出”。,2011-9-19,优缺点,积分控制可

7、以消除系统输入量的偏差，能实现无静差控制。 控制不及时，过程很缓慢。只能作为一种辅助控制手段，不能单独使用。 通常与比例控制相结合，比例控制为主，积分控制为辅比例积分(PI)控制器。 PI控制器的比例作用使得系统的动态响应速度加快，积分控制器又使得系统的静态性能显著提高，实现了无静差控制。所以工业控制中应用广泛。,2011-9-19,比例微分（PD）控制器,既与输入量（偏差信号U ）成正比，又与输入量对时间的一阶导数成正比。 PD控制的超前性，预见性，有助于系统的稳定，能抑制过大的超调量。 纯粹的微分（D）控制只是在U变化的瞬间才有效， U不变化或者极其缓慢变化的情况下无效有输入，但无输出。

8、能放大干扰信号。,2011-9-19,比例积分微分（PID）控制器,自动控制系统的基本要求：快速性、准确性、稳定性PID控制器。 比例控制响应快、作用强；积分控制可减小或消除静差，提高精度；微分控制可抑制超调量，加快过渡过程，提高稳定性。 控制器参数整定：合理地选择比例系数、积分时间和微分时间的值，使系统达到最佳控制效果。,2011-9-19,电动机的调速系统,广泛采用电气方法调速。 电气调速的优点： 简化机械变速机构； 提高传动效率； 操作简单； 易于获得无级调速； 便于实现远距离控制和制动控制；,2011-9-19,电动机的调速系统,直流调速系统：直流电动机,交流调速系统：交流电动机,20

9、11-9-19,自动调速系统的技术指标,1. 静态技术指标 (1)调速范围D：电动机在额定负载下所允许的最高 转速和在保证生产机械满足静差度的 前提下所能达到的最低转速之比。,对于非弱磁的调速系统，最高转速就是电动机的额定转速。,2011-9-19,(2) 静差度（率）S,静差度：即转速变化率，也叫稳定度。,no理想空载转速，一般指具有最低转速时的n0,nN 额定负载时的转速降。,静差度用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定性。和电机的机械特性有关，特性越硬，静差率越小，电机转速的稳定性就越高。,2011-9-19,调速范围和静差度的关系,以调压调速为例：特性如下图，静差度S取最低转速时S2的

10、值.,nmin是在保证生产机械对s的要求 前题下所能达到的最低速度即S2S生,2011-9-19,调速范围和静差率是相互联系的，并不是彼此孤立的。 静差率是对应最低转速时推出的，计算时必须按最低转速时静差率进行计算。 只有减小静态转速降nN ，才能扩大调速范围D，减小静差率，提高转速的稳定度。,2011-9-19,在保证一定静差度的前提下，扩大系统调速范围的方法是提高电动机机械特性的硬度以减小nN 为了减小转速降，提高机械特性的硬度，必须设法在负载转矩发生变化时，尽可能使电动机的转速不变。为此，引进转速负反馈控制系统。,2011-9-19,（3）调速的平滑性,通常用两个相邻调速级的转速差来衡量

11、。 在一定的调速范围内，可以得到的稳定运行转速级数越多，调速的平滑性就越高。 若级数趋近于无穷大，即表示转速连续可调，称为无级调速。 不同的生产机械对调速的平滑性要求不同，有的采用有级调速即可，有的则要求无级调速。,2011-9-19,例 题,某直流调速系统，其高速、低速特性如图示, =1450r/min, =145r/min, =10r/min。问系统达到的调速范围有多大?系统允许的静差度是多少?,2011-9-19,解,=1440/135=10.67,=10/145=6.9%,或,=1440(0.069)/10(1-0.069)=10.67,2011-9-19,2. 动态技术指标,调速过程

12、中，从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转（启动、制动过程仅是特例而已），由于有电磁惯性和机械特性，过程不能瞬时完成，而需要一段时间，即要经过一段过渡过程，或称动态过程。,2011-9-19,（1）最大超调量,超调量太大，达不到生产工艺上的要求；太小，又会使过渡过程过于缓慢，不利于生产率的提高，一般为10%-35%.,2011-9-19,(2) 过渡过程时间T,从输入控制（或扰动）作用于系统开始直到被调量n进入（0.050.02）n2稳定值区间时为止（并且以后不再越出这个范围）的一段时间，叫做过渡过程时间T。,2011-9-19,(3) 振荡次数,在过渡过程时间内，被调量n在其稳定值上下摆动的

13、次数。 图中为1次。,2011-9-19,自动调速系统动态性能的比较,系统1 时间太长。 系统2 振荡次数太多。 系统3 最好。,不同的生产机械对动态指标的要求不同。 造纸机不允许有振荡的过渡过程。,2011-9-19,3. 机电传动控制系统方案的确定原则,不要求电气调速的: (1) 空载、轻载起动的，选鼠笼式异步电动机; (2) 重载起动的，选线绕式异步电动机; (3) 大容量的，选同步电动机; 其中，简单的继电器-接触器控制； 复杂的PLC控制.,2011-9-19,2) 要求电气调速的,根据调速指标确定拖动方案: D=23，有级调速，选多速电动机; D100，交流变频调速系统,2011-

14、9-19,3）根据生产机械的负载性质 选择电动机的调速方式,目的：保证电动机在整个调速范围内始终得到最充分的利用。,恒转矩型：如起重机,恒功率型：如车床主轴,直流电动机调压调速属于恒转矩调速。 直流电动机调磁通调速属于恒功率调速。,生产机械的负载特性,2011-9-19,电动机的调速特性与 生产机械负载特性匹配,负载为恒转矩型的生产机械应尽可能选用恒转矩性质的调速方式，且电动机的额定转矩TN应等于或略大于负载转矩TL； 负载为恒功率型的生产机械应尽可能选用恒功率性质的调速方式，且电动机的额定功率PN应等于或略大于生产机械的静负载功率PL。,2011-9-19,晶闸管-电动机直流调速系统,SCR

15、M 直流调速系统,单闭环直流调速系统,双闭环直流调速系统,可逆系统,2011-9-19,单闭环直流调速系统,单闭环直流 调速系统,有静差调速系统：按比例控制,无静差调速系统：按积分或 比例积分控制,常用调节器是釆用运算放大器 （p比例调节器）,2011-9-19,1. 单闭环有静差调速系统,有静差 调速系统,转速负反馈调速系统,电压负反馈系统,电流正反馈与电压负反馈的 综合反馈系统,电流截止负反馈系统作为保护手段,2011-9-19,1) 转速负反馈自动调速系统,-系统原理方框图,2011-9-19,转速负反馈 自动调速系统,(1)系统组成 直流电动机 晶闸管触发电路和主电路 放大器（比例调节

16、器） 给定环节：给定电压Ug; 反馈环节：反馈电压 比较环节,2011-9-19,转速自动调节过程：,特征： 1.有静差系统 2.给定电压Ug变化转速n变化 3.环内各种干扰都能抑制,2011-9-19,例1: 某直流闭环调速系统的速度调节范围是1500 150r/min，静差度为0.05，问系统允许的转速降是多少? 如果开环系统的静态速降是80r/min，求闭环系统的开环放大倍数。,解：由 得,思考题：1500r/min是额定转速还是理想空载转速?,2011-9-19,2）自动调速系统中的其他反馈形式,转速负反馈是抑制转速变化的最直接而有效的方法，它是自动调速系统最基本的反馈形式。 但转速负

17、反馈需要有反映转速的测速发电机，它的安装和维修都不太方便，因此，在调速系统中还采用其他的反馈形式。,2011-9-19,（1）电压负反馈系统(电压反馈系数=Uf/U),负载nIdUf(U)UUKUd Un由可控整流电源内阻引起速度降可得以补偿,注意反馈电压与给定电压的极性,电压负反馈系统就是把电动机电枢电压作为反馈量，以调整转速。,2011-9-19,电压负反馈系统的特点,线路简单，但稳定速度的效果并不大。（因为，负载增加时，电动机电枢内阻引起的内阻压降得不到补偿。） 一般线路中采用电压负反馈，主要不是用它来稳速，而是用它来防止过压、改善动态特性、加快过渡过程。,为了补偿电枢电阻压降,一般在电

18、压负反馈的基础上再增加一个电流正反馈环节.,2011-9-19,（2）电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统,电流正反馈的作用: 把反映电动机电枢电流大小的量取出，与电压负反馈一起加到放大器输入端。由于是正反馈，当负载电流增加时，放大器输入信号也增加，使晶闸管整流输出电压增加，以此来补偿电动机电枢电阻所产生的压降。,2011-9-19,(电桥法),a、o负反馈电压信号，b、o电流正反馈信号，a、b为综合反馈信号，电动机反电势的反馈。Uab=R3E/(R3+Ra),由于这种反馈方式的转速降落比仅有电压负反馈时小了许多，因而扩大了调速范围，如果比例选择恰当，综合反馈将具有电势内反馈,即相似于转速反馈

19、的性质。,2011-9-19,（3）电流截止负反馈系统,是一种在过渡过程中起作用的反馈,称为软反馈。 作用： 在转速负反馈系统中，电动机起动瞬间，转子没有动，没有反馈电压，只有给定电压起作用。一方面，电动机将快速起动；另一方面，过大的起动电流对电动机不利。为了限制电动机起动过程时的过大电流，引入电流截止负反馈.,2011-9-19,带电流截止负反馈环节的自动调速系统 方框图,组成： 反馈信号IaR; 比较电压Ub; 方向整流器V.,2011-9-19,电流截止负反馈的工作原理：,1）电流较小时， 二极管不导通， 电流负反馈不起作用，只有转速负反馈。 2）电流增大， 二极管导通，电流负 反馈起作

20、用，,UUK Ud n,2011-9-19,电流截止负反馈的特性 因常被用于挖土机上，故称为“挖土机特性”。 因为只有当电流大到一定程度反馈才起作用，故称电流截止负反馈。,Iao堵转电流， Iao=(22.5)IaN Io转折点电流，电流负反馈开始起作用。 一般Io=1.35IaN,2011-9-19,2. 单闭环无静差调速系统,问题1：什么叫无静差 调速系统？ （静态时系统的反馈量总是等于给定量，偏差等于零。）,2011-9-19,问题2：,如何实现无静差？ （采用积分放大器，当误差信号达到零时，停止积分，达到饱和值，而不是等于零）,2011-9-19,积分放大器（I调节器）Integral

21、,2011-9-19,若输入信号电压为恒定直流量，即 ui= Ui 时，则,积分饱和,线性积分时间,线性积分时间,-UOM,ui = Ui 0,ui = Ui 0,输出电压随时 间线性变化,2011-9-19,积分调节器的缺点：调整慢,解决办法：采用比例积分调节器（PI调节器）Proportional-Integral 比例部分迅速反映调节作用，动态响应快； 积分部分最终消除静态偏差，静态精度高； 较好地解决了系统静态与动态的矛盾，从而获得了广泛的应用。,2011-9-19,比例积分调节器 (PI调节器),2011-9-19,2) 具有比例积分调节的无静差调速系统方框图,放大器的反馈电路不是R

22、，而是R、C,2011-9-19,(a)图：电动机负载增加 (b)图：转速下降 (c )之1曲线：比例部分从一开始起调节作用，使整流电压增加 (c )之2曲线：积分部分在以后起作用，并保持数值不变 (c )之曲线3 ：PI调节器的综合作用。,调节作用：,2011-9-19,双闭环直流调速系统,.,前面讲的单闭环，转速负反馈，仅仅解决恒速问题（特性曲线硬，无静差，刚性好。） 此外，对一个实用系统，还要解决系统启动和堵转时，对电流要加以控制，利用电流截止负反馈。 但仍然不能满足对快速性的要求。,2011-9-19,理想的起动过程曲线,有些生产机械经常处于正反转工作状态(如龙门刨床、可逆轧钢机等)，

23、为了提高生产率，要求尽量缩短起动、制动和反转过渡过程的时间。 分析理想的起动过程曲线：,图11.28 启动时的电流波形,启动时电动机电压： 启动结束时 电压：,2011-9-19,这就要求在起动过程中，把电动机的电流当作被调节量，使之维持为电动机允许的最大值Iam并保持不变。这就要求有一个电流调节器（ACR)来完成这个任务。 具有速度调节器ASR和电流调节器ACR的双闭环调速系统就是在这种要求下产生的.,2011-9-19,1.转速、电流双闭环调速系统的组成,ASR-速度调节器 ACR-电流调节器， 均采用PI调节器,电流调节环在里面，是内环； 转速调节环在外面，是外环。,2011-9-19,

24、如果扰动作用在电流环以内，如电网电压的波动，则电流内环能及时加以调节； 如果扰动作用在电流环之外，如负载波动，则靠转速环进行调节，此时，电流环相当于电流的随动系统，电流反馈加快了跟随作用。,2011-9-19,2转速、电流双闭环调速系统 的静态与动态分析,1)静态分析 从静特性上看，维持电动机转速不变是由速度调节器ASR来实现的。 整个系统的本质由外环速度调节器来决定，它仍然是一个无静差的调速系统。,2011-9-19,在电流调节器ACR上，使用的是电流负反馈，它有使静特性变软的趋势，但转速负反馈环是外环，内环电流负反馈对于转速环来说相当于一个扰动作用，只要转速调节器ASR的放大倍数足够大，而

25、且没有饱和，则电流负反馈的扰动作用就受到抑制。,2011-9-19,当ASR不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降完全被转速调节器的积分作用所抵消 一旦ASR饱和，当负载电流过大，系统实现保护作用使转速下降很大时，转速环即失去作用，只剩下电流环起作用，这时系统表现为恒流调节系统，静特性呈现出很陡的下垂段特性。,2011-9-19,在突加给定电压Ugn的起动过程中，Ugi, Uk, Ud, Ia和转速n的动态响应波形如右图。 整个过渡过程分成三个阶段，分别标以,和 .,2) 动态分析,2011-9-19,第1阶段：,电流上升阶段。 UgimUfi=Iam,2011-9-19,第2阶段：,恒流

26、升速阶段； 这是启动过程的主要阶段； ASR饱和，转速环不起作用，相当于开环； 系统表现为恒电流调节。,2011-9-19,第3阶段：,转速调节阶段； 超调，U0，ASR退出饱和，开始起作用； ASR和ACR同时发挥作用，但ASR处于主导地位；,2011-9-19,双闭环调速系统小结：,在起动过程的大部分时间内，ASR处于饱和限幅状态，转速环相当于开路,系统表现为恒电流调节。 转速响应一定有超调，只有在超调后，ASR才能退出饱和，使在稳定运行时ASR发挥作用，使在稳态和接近稳态中表现为无静差调速。 恒流下启动，出现超调后，恒速。,2011-9-19,转速、电流双闭环调速系统 的主要优点：,1）

27、系统的调整性能好，有很硬的静特性，基本上无静差； 2）动态响应快，启动时间短； 3）系统的抗干扰能力强； 4）两个调节器可分别设计，调整方便（先调电流环，再调速度环）。,2011-9-19,晶体管-电动机直流脉宽调速系统,对角线上的一对大功率晶体管的基极，接受同一控制信号同时导通或截止。电动机的转向和转速取决于电压平均值 占空比：,电压平均值：,1.基本工作原理,2011-9-19,例 题,有一直流电动机脉宽调速系统（PWMM），若外加电源电压U（E）100V，脉冲频率f=4000Hz，在脉冲周期内全导通时的理想空载转速n01=1000r/min，如要求电动机的理想空载转速n02=400r/m

28、in，问：此系统在一脉冲周期内的导通时间（脉冲宽度）T1应是多少？,2011-9-19,2、主要特点,(1)主电路所需的功率元件少。实现同样的功能，一般晶体管的数量仅为晶闸管的1/31/6。 (2) 控制线路简单。晶体管的控制比晶闸管的容易，不存在相序问题，不需要烦琐的同步移相触发控制电路。 (3) 晶体管脉宽调制（PWM）放大器的开关频率高，前者的动态响应速度和稳速精度等性能指标都比后者好。电动机的附加损耗都小。,2011-9-19,(4) 晶体管脉宽调制放大器的电压放大系数不随输出电压的改变而变化，而晶闸管整流器的电压放大系数在输出电压低时变小。这样前者的低速性能要比后者好得多，它可使电动

29、机在很低的速度下稳定运转，其调速范围很宽。 （5）只能在中小容量的调速系统中取代晶闸管 直流调速系统。,2011-9-19,3. 晶体管脉宽调速系统组成方框图,欲使电动机正转，则UK为正；欲使电动机反转，则UK为负；,2011-9-19,1) 主电路(功率开关放大器),晶体管脉宽调速系统主电路的结构形式有多种； 按输出极性有单极性输出和双极性输出之分； 双极性输出的主电路又分H型和T型两类； H型脉宽放大器又可分为单极式和双极式两种；,2011-9-19,双极性双极式脉宽放大器,2011-9-19,2) 控制电路,(1) 速度调节器ASR和电流调节器ACR : ASR和ACR都采用比例积分（PI）调节器。,2011-9-19,(2) 三角波发生器: 由运算放大器组成，如图11.42。 可以获得一个对称的三角波电压.,2011-9-19,(3)电压-脉冲变换器BU: 产生正、负脉宽相等的矩形波电压。 由运算放大器构成电压比较器实现，如图11.44。,2011-9-19,