《电梯的电气控制》PPT课件

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1、第四章 电梯的拖动控制系统,第一节 概述 一、拖动控制系统的基本概念 (一)自动控制 所谓自动控制，就是没有人的直接参与，而是利用控制装置本身操纵对象，从而使被控量恒定或按某一规律变化。 （二）开环控制 图4-1所示开环转速控制系统，其特点是只有输入量ur对输出量n起单向控制作用，而输出量n对输入量ur却没有任何影响和联系，即系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路。开环系统的方框图可用图4-2表示。图中箭头表示元部件之间信号的传递方向。作用于电动机轴上的阻力矩用Mc表示，称之为干扰或扰动。,图4-1 开环转速控制系统原理图,图4-2 开环转速控制系统方框图,（三）闭环控制系统 在图4-1所示系

2、统中，加入一台测速发电机，并对电路稍作改变，就构成了转速闭环控制系统（如图4-3所示）。它克服了开环控制系统精度不高和适应性不强的缺点，由于引入反馈环节，使输出量对控制作用有直接影响。因此，提高了控制质量。相应的系统方框图如图4-4所示。由于采用了反馈回路，致使信号的传送路径形成闭合环路，使输出量反过来直接影响控制作用，以求减小或消除偏差。,图4-3 闭环转速控制系统原理图,图4-4 闭环转速控制系统方框图,闭环控制系统具有很强的抵抗扰动的能力。假设图4-3所示系统原已处在某个给定电压ur相对应的转速n状态下稳定运行，当受到某些干扰（如负载转矩Mc突然增大）而引起转速下降时，系统就自动地产生如

3、下的调整过程：Mc n u =（ur-uf ） ua n 由于闭环控制系统采用了反馈装置，导致设备增多，线路复杂，对于一些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制过程可能变差，甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。,（四）基本性能要求 1）稳定性 稳定性是指系统重新恢复平衡状态的能力。任何一个能够正常运行的控制系统，首先必须是稳定的。图4-5为某随动系统对阶跃输入的跟踪过程，其中图4-5a为衰减振荡过程，表示系统是稳定的；图4-5b是等幅振荡过程，表示系统处于稳定与不稳定的临界状态（一般认为是不稳定）；图4-5c是发散的振荡过程，表明系统是不稳定的。不稳定的系统是无法使用的，,图4-5 随动系统对

4、阶跃输入的跟踪过程 a）衰减振荡过程 b）等幅振荡过程 c）发散振荡过程,2）快速性 由于系统的对象和元件通常具有一定的惯性，并受到能源功率的限制，因此，当系统输入（给定输入或扰动输入）信号改变时，在控制作用下，系统必然由原来的平衡状态经历一段时间才过渡到另一个新的平衡状态，这个过程称为过渡过程。过渡过程越短，表明系统的快速性越好，它是衡量现代化交通设施质量高低的重要指标之一。 3）准确性 对一个稳定的系统而言，当过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好。 4）抗扰性 对任一系统，在其控制过程中，都会出现各种

5、各样的扰动信号，而系统对扰动的抵抗能力强弱会直接影响到输出信号或被调量的质量，扰动导致输出量的变化越小，表示系统的抗扰能力越强。,（五）比例积分控制 在自控系统中，采用比例调节器的闭环转速负反馈控制系统是有静差的调速系统。要想实现调速系统的无静差，就必须改变单纯的比例控制规律，从根本上找出消除静差的方法。 1积分调节器 由线性集成运算放大器构成的积分调节器（简称I调节器）的组成如图4-6所示。从该图可以看出积分调节器具有如下特点：,1）积累作用 只要输入信号不为零（其极性不变），积分调节器的输出就一直增长，只有当输入信号为零时，输出才停止增长。利用积分调节器的这个特性，就可以完全消除系统中的稳

6、态偏差（静差）。实际应用时调节器设有输出限幅装置。 2）记忆作用 在积分过程中，当输入信号衰减为零时，输出并不为零，而是始终保持在输入信号为零前的那个输出瞬时值上。这是积分控制明显区别于比例控制的地方。正因如此，积分控制可以使闭环系统在偏差输入（即给定与反馈的差值）为零时，保持恒速运行，从而得到无静差系统。 3）延缓作用 从以上分析可知，尽管积分调节器的输入信号为阶跃信号，但其输出却不能随之跳变，而是逐渐积分、线性增长。这就是积分调节器的延缓作用，这种延缓将影响系统控制的快速性。 2比例积分调节器 由于积分调节器具有延缓作用，因此在控制的快速性上不如比例调节器。如果一个控制系统既要达到无静差又

7、要响应快，可以把比例控制和积分控制两种规律结合起来，构成比例积分调节器如图4-7（简称PI调节器）。,图4-7比例积分调节器,阶跃输入时PI调节器的输出特性如图4-8。可见当突加输入电压Uin时，输出电压突跳到KpiUin，以保证一定的快速控制作用，即比例部分起作用，随着时间的增长，积分部分逐渐增大，调节器的输出Uex在KpiUin基础上线性增长，直至达到运算放大器的限幅值。,图4-9 一般信号输入时PI调节器的输出特性,某调速系统的组成如图4-10所示，由于系统采用了PI调节器，必然能做到无静差调速，所以下面只着重分析系统抗负载扰动的动态过渡过程（其过渡过程曲线见图4-11）。,图4-10采

8、用PI调节器的调速系统,图4-11 采用PI调节器的调速系统突加负载时的过渡过程 曲线1比例部分的输出 曲线2积分部分的输出 曲线3比例积分的输出,PID控制原理,在模拟系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。为了说明控制器的工作原理，先看一个例子。如图所示是一个小功率直流电机调速原理图。给定速度n0(t)与实际转速进行比较n(t)，其差值e(t)=n0(t)-n(t)，经过PID控制器调整后输出电压控制信号u(t)，u(t)经过功率放大后，驱动直流电机改变其转速。,常规的模拟PID控制系统原理图如图所示。该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图中，r(t)是给定值，y(t)是系统的实际

9、输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)，e(t)=r(t)-y(t)，e(t)作为PID控制的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。,模拟PID控制的控制规律为 其中：Kp 控制器的比例系数 Ki 控制器的积分时间，也称积分系数 Kd 控制器的微分时间，也称微分系数,简单来书，PID控制器各校正环节的作用如下： （1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 （2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。 （3）微分环节：反映偏差信

10、号的变化趋势（变化速率），并能再偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。,比例控制器的作用,作用：对当前时刻的偏差信号e(t)进行放大或衰减，控 制作用的强弱取决于比例系数； 特点：Kp越大系统动态特性越好，但Kp过大y(t)可能会 引起系统振荡使稳定性变差，也有可能出现比例 饱和现象。 缺点：不能消除静态误差。,积分控制器的作用,作用：通过对误差累积的作用影响控制量，并通过系统 的负反馈作用减小偏差； 特点：与e(t)存在全部时段有关，只要有足够的时间, 积分控制将能够消除稳态误差。 缺点：不能及时地克服扰动的影响。,积分控制器的作用,

11、作用：有助于减小 超调和调整时间，改善系统的动态 品质; 特点：反应e(t) 变化的速度，在偏差刚刚出现时产生很 大的控制作用，具有超前控制作用； 缺点：不能消除系统的稳态误差。,二、拖动控制系统的应用 图4-12是电梯拖动控制系统的原理图。主驱动曳引电动机经减速器与曳引轮连接，曳引轮两侧悬挂轿厢和对重，测速发电机与电动机同轴安装，其输出的电压uf 与转速n成正比，uf 作为系统的反馈电压与给定电压ug进行比较，得出偏差信号u，经电压放大器放大成uK，再经功率放大电路得到电动机的电枢电压ua（对于交流电动机还有频率f）。,图4-12 电梯拖动控制系统原理图,第二节 速度、位置检测装置,速度检测

12、装置 （一）测速发电机 测速发电机是把机械转速变换为与转速成正比的电压信号的微型电机。在自动控制系统和模拟计算装置中，作为检测元件、解算元件和角加速度信号元件等，测速发电机得到了广泛的应用。 在交流、直流调速系统中，利用测速发电机形成速度反馈通道以构成闭环控制系统，可以大大改善系统的动、静态性能，提高系统精度，并能明显减弱参数变化和非线性因素对系统性能的影响。而在解算装置中，测速发电机又可作为解算元件，作积分、微分运算。目前应用的测速发电机主要有直流测速发电机、交流测速发电机和霍尔效应测速发电机等。,图4-13 测速发电机的图形符号 a）直流测速发电机 b）他励式直流测速发电机 c）永磁式直流

13、测速发电机 d）交流测速发电机,直流测速发电机的原理和结构,一、直流测速发电机的结构,直流电机的定子,直流电机的转子,励磁方式：电磁式和永磁式,直流永磁电机,直流永磁电机,永磁直流测速发电机,永磁直流测速发电机,稀土直流伺服测速机组,用途：在随动系统中提供驱动力矩和速度反馈信号，本产品已用于某机光学瞄准具随动系统中 。,二、直流测速发电机的工作原理,导体ab,cd切割磁力线产生感应电势，N极下电势方向由b指向a，s极下导体cd中电势由c指向d,因此电刷A为正，B为负,当线圈转动180o ,导体cd处于N极下，电势由d到c ，S极下导体电势由a到b，仍然A刷为正，B刷为负。,电枢连续旋转，导体a

14、b.cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线,ab.cd中产生交变电势，但是换向器的作用，使电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，从而使电刷两端得到的电势极性不变，这就是直流发电机的最基本工作原理。,直流测速发电机的输出特性,根据已学过的直流发电机的工作原理知，电刷两端的感应电势 ：,由上可知：1.电刷两端的感应电势与电机的转速成正比。2.直流发电机能够把转速信号换成电势信号，从而用来测速。,一、基本概念,Ea = Cen=Ke n,二、自动控制系统对测速发电机的要求：,1.输出电压与转速的关系曲线（即输出特性）应为线性。,2.输出特性的斜率要大。,3.温度变化对输出特性的影响要小。,4

15、.输出电压的纹波要小，即要求在一定的转速下输出电压要稳定，波动要小。,5.正，反转两个方向的输出特性要一致。,三、输出特性,Ua=Ea-IaRa,Ia=Ua/RL,负载时测速发电机的输出电压为：,Ea=Cen=Ke n,由直流电机电势公式得：,在图示正方向下得：,输出特性曲线：,由上式知：若、 RL 、 Ra 都能保持常数，则,但随RL减小，特性斜率变小，实际特性与理论特性间存在误差。,Ua n,图中实线为直流测速发电机理想输出特性，虚线为实际输出特性，实际特性与要求的线性特性间存在误差，且该误差与负载电阻有关。,直流测速发电机的误差和减小方法,一 温度的影响,由于电机周围环 境温度的变化以及

16、电 机本身发热，使电机 绕组的电阻发生变化。 温度t 升高，励磁绕 组电阻R 增大，磁通 减小输出电压U 降 低。反之，U 升高。,为了减小温度变化对输出特性的影响，测速发电机的磁路应较为饱和。当磁路饱和时，励磁电流变化引起的磁通变化较小。但是，由于绕组电阻随温度变化的变化太大，要使输出稳定，还必须采取措施以减小温度对输出特性的影响。,减小误差的考虑：,(2)如果对于温度变化引起的误差要求比较严格时，可在励磁回路串联负温度系数的热敏电阻并联网络。,具体方法：,(1）在励磁回路中串联一个阻值比励磁绕组电阻大几倍的附加电阻来稳流。,附加电阻用温度系数较低的合金材料制成，如锰镍铜合金。虽然温度升高励磁电阻增大，但整个励磁回路的总电阻增加不多。,热敏网络参数选择方法： 1）作出励磁绕组电阻随温度变化的曲线1； 2）作并联网络电阻随温度变化的曲线2。,曲线1温度系数为正;,曲线2温度系数为负；,当两条曲线的斜率相等，励磁回路的总电阻就不随温度而变化,曲线3 。,不论转子转到哪个位置，电枢导体电流在空间分布情况