维修电工与实训第八章

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1、直流调速系统,第八章,直流调速系统,8.1 自动控制系统的基本概念 8.2 单闭环直流有静差调速系统 8.3 无静差直流调速系统 8.4 转速、电流双闭环调速系统,直流调速系统,按拖动电动机的类型来分，自动调速系统有直流调速系统和交流调速系统两大类。直流电动机具有良好的起、制动性能，可在广范围内平滑调整，所以，直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式，它广泛地应用于金属切削机床、大型起重机、矿井卷扬机等诸多领域。在直流调速系统中，有旋转变流机组供电的直流调速系统(F-D)系统、磁放大器调速系统和可控硅整流装置供电的直流凋速系统(KZ-D)系统。随着电子技术和晶闸管技术的发展，晶闸管直流调速系

2、统在经济和技术性能方面都比前两个系统更具优越性，因此得到越来越广泛的应用，并已逐渐取代了机组和磁放大器调速系统。,直流调速系统,绝大多数调速系统为闭环调速系统。按反馈量，可分为转速负反馈、电压负反馈、电流正反馈和电流负反馈等； 按反馈回路数量，可分为单闭环系统和多闭环系统。本章首先介绍有关自动控制系统的一些基本概念，接着着重讲述单闭环有静差调速系统、无静差调速系统及双闭环调速系统的系统组成原理、系统静特性的分析，同时也作一些动态的分析。,8.1 自动控制系统的基本概念,在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术得到了广泛的应用。所谓自动控制，是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵被控对象，

3、使被控量等于给定值或按给定信号变化规律去变化的过程。自动控制系统是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，其功能及组成是多种多样的，结构上也是有简有繁的。它可以是一个具体的工程系统，也可以是一个抽象的社会系统、生态系统和经济系统等。这里主要介绍工业机电自动控制系统的一些基本概念。,8.1 自动控制系统的基本概念,8.1.1 自动控制理论简介 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论按其发展过程，可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，到五十年代末期，自动控制理论已经形成比较完整的体系，通常把这个时期以前所应用的自动控制理

4、论，称为经典控制理论。经典控制理论，以传递函数为基础，主要研究单输入、单输出的反馈控制系统，采用的主要研究方法有时域分析法、根轨迹和频率法。进入六十年代以来，随着自动控制技术的发展，出现了新的控制理论-现代控制理论。现代控制理论，以状态空间法为基础，主要研究多变量、变参数，非线性、高精度及高效能等各种复杂控制系统。现代控制理论已成功地应用在航天、航空、航海及工业生产等许多方面。目前，现代控制理论正在大系统工程、人工智能控制等方面向纵深发展。经典控制理论和现代控制理论，两者相辅相成，各有其应用场合。,8.1 自动控制系统的基本概念,8.1.2 自动控制技术中常用的一些术语 1. 被控对象 被控对

5、象是一个设备，由一些机械或电器零件组成，其功能是完成某些特定的动作，这些动作通常是系统最终输出的目标。 2. 系统 系统是由一些部件所组成的，用以完成一定的任务。 3. 环节 环节是系统的一个组成部分，它由控制系统中的一个或多个部件组成，其任务是完成系统工作过程中的局部过程。,8.1 自动控制系统的基本概念,4. 扰动 扰动是一种对系统的输出量产生反作用的信号或因素。若扰动产生于系统内部，则称为内部扰动;若其来自于系统外部，则称为外部扰动。 5. 反馈控制 在有扰动的情况下，反馈控制有减小系统输出量与给定输人量之间偏差的作用，而这种控制作用正是基于这一偏差来实现的。反馈控制仅仅是针对无法预料的

6、扰动而设计的，可以预料的或者已知的扰动，可以用补偿的方法解决。,8.1 自动控制系统的基本概念,8.1.3 自动控制系统的类型 1. 按系统的结构特点分类（1）开环控制系统 这类系统的特点是系统的输出量对系统的控制作用没有直接影响。在开环控制系统中，由于不存在输出对输入的反馈，因此对系统的输出量没有任何闭合回路。（2）闭环控制系统 这类系统的特点是输出量对系统的控制作用有直接影响。在闭环控制系统中，由于系统的输出量，经测量后反馈到输人端，故对系统的输出量形成了闭合回路。（3）复合控制系统 复合控制是开环控制与闭环控制相结合的一种控制方式。复合控制系统是兼有开环结构和闭环结构的控制系统。,8.1

7、 自动控制系统的基本概念,2. 按输人量的特点分类（1）恒值控制系统 这类系统的输入量是恒值，要求系统的输出量也保持相应恒值。如电动机自动调速、恒温、恒压、恒流等自动控制系统均属此类系统。（2）随动系统 这类系统的输入量是随意变化着的，要求系统的输出量，能以一定的精确度跟随输入量的变化作相应的变化，因此也称之为自动跟踪系统。如机床的仿形控制、雷达的自动跟踪等自动控制系统均属随动系统。（3）程序控制系统 这类系统的特点是系统的控制作用按预先制定的规律 (程序)变化。如按预先制定的程序控制加热炉炉温的温度控制系统。,8.1 自动控制系统的基本概念,3. 按系统输出量与输入量间的关系分类（1）线性控

8、制系统 这类系统的输出量和输入量之间为线性关系。系统和各环节均可用线性微分方程来描述。线性系统的特点是可以运用叠加原理。（2）非线性控制系统 这类系统中具有非线性性质的环节，因此系统只能用非线性微分方程来描述。此外，还可按其它分类方式，将自动控制系统分成连续系统和离散系统、确定系统和不确定系统、单输入单输出系统和多输人多输出系统、有静差系统和无静差系统等。,8.1 自动控制系统的基本概念,8.1.4 开环控制、闭环控制与复合控制 1.开环控制 开环控制系统其控制装置与被控对象之间，只有顺向作用而没有反向联系，系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将它反馈到输入端与给定输入量进行比较，故系统的输

9、入量就是系统的给定值。开环控制系统可用如图8-1所示方块图表示。,图8-1开环控制系统典型方块图,8.1 自动控制系统的基本概念,开环控制系统中，每一个给定的输入量，就有一个相应的固定输出量(期望值)。但是，当系统中出现扰动(如温度箱的箱门开关次数变化及电源电压的波动等)时，这种输人与输出之间的一一对应关系将被破坏，系统的输出量 (如温度箱的实际温度)将不再是其期望值，两者之间就有一定的误差。开环系统自身不能减小此误差，一旦此误差超出了允许范围，系统将不能满足实际控制要求。因此，开环控制系统不能实现自动调节。,8.1 自动控制系统的基本概念,开环控制系统的特点:（1）系统中无反馈环节，不需要反

10、馈测量元件，故结构较简单、成本低。 （2）系统开环工作，稳定性好。（3）系统不能实现自动调节作用，对干扰引起的误差不能自行修正，故控制精度不够高。因此，开环控制系统，适用于输入量与输出量之间关系固定且内部和外部扰动较小的场合。为保证一定的控制精度，开环控制系统必须采用高精度元件。,8.1 自动控制系统的基本概念,2.闭环控制 闭环控制系统是反馈控制系统，其控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系，它将被控对象输出量送回到输入端，与给定输入量比较，而形成偏差信号，将偏差信号作用到控制器上，使系统的输出量趋向其期望值。闭环控制系统可用如图8-2所示方块图表示。,图8-2闭环控制系统典型方块

11、图,8.1 自动控制系统的基本概念,闭环控制系统与开环控制系统相比，具有如下优点：（1）系统中具有负反馈环节，可自动对输出量进行调节补偿，对系统中参数变化所引起的扰动和系统外部的扰动，均有一定的抗干扰能力。（2）系统采用负反馈，除了降低系统误差、提高控制精度外，还能加速系统的过渡过程，但系统的控制质量与反馈元件的精度有关。（3）系统闭环工作，有可能产生不稳定现象，因此存在稳定性问题。,8.1 自动控制系统的基本概念,闭环控制系统在受到干扰后，利用负反馈的自动调节作用，能够有效地抑制一切被包在负反馈环内、前向通道上的扰动对被控量的影响，而且能够紧紧跟随给定作用，使被控量按给定信号的变化而变化，从

12、而实现复杂而准确的控制。因此，闭环控制系统又常称为自动调节系统，系统中的控制器也常称为调节器。,8.1 自动控制系统的基本概念,1.复合控制 开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。 它是在闭环控制回路的基础上，附加一个信号或扰动作用的顺馈通路，以提高系统的控制精度。顺馈通路通常由对输入信号的补偿装置或对扰动作用的补偿装置组成，分别称为按输入信号补偿和按扰动作用补偿的复合控制系统。复合控制系统可用如图8-3所示方块图表示。,图8-3 复合控制典型方块图,8.1 自动控制系统的基本概念,8.1.5 自动控制系统的基本组成 一个自动控制系统是由若干个环节组成的，每个环节有其特定的功能。自动控制系统

13、的组成和信号的传递情况常用方框图来表示。在方框图中，系统的各环节用方框表示，而环节间作用信号的传递情况用箭头表示，这样依次将各方框联接起来，便构成控制系统的方框图。对于具体系统，方框图可以不尽相同。图8-4所示为一般闭环自动控制系统的方框图。,8.1 自动控制系统的基本概念,图8-4 闭环自动控制系统的方框图,8.1 自动控制系统的基本概念,一般说来，一个闭环控制系统均由以下基本元件(或装置)组成。（一）测量元件对系统输出量进行测量，也称为敏感元件。（二）比较元件对系统输出量和输入信号进行加减运算，给出偏差(误差)信号，起信号的综合作用。（三）放大元件对微弱的偏差信号进行放大和变换，输出足够功

14、率和要求的物理量。,8.1 自动控制系统的基本概念,（四）执行机构根据放大后的偏差信号，对被控对象执行控制任务，使被控制量与希望值趋于一致。（五）被控对象自动控制系统需要进行控制的机器、设备或生产过程。被控对象内要求实现自动控制的物理量称为被控制量或输出量。（六）校正装置参数或结构便于调整的元件，用于改善系统性能。,8.1 自动控制系统的基本概念,方框图中，信号由输入端，沿箭头方向，到达输出端的传输通路，称为前向通路；系统输出量通过测量装置反馈到输入端的传输通路，称为主反馈通路；前向通路与主反馈通路一起构成主回路(主环)。此外，某些自动控制系统，还有局部反馈通路以及它所组成的内回路 (内环)。

15、只有一个反馈通路的系统，称为单回路(单环)系统;而具有两个及以上反馈通路的系统，则称为多回路 (多环)系统。,8.2 单闭环直流有静差调速系统,根据以前所学的知识，可知直流电动机的转速表达式：(8-1)式中: n电机转速U电枢电压I电枢电流 R电枢回路总电阻励磁磁通Ce电势系数,8.2 单闭环直流有静差调速系统,由式(8-1)可知，如果使n改变，可以通过下列方法进行调速: 1. 改变电枢电压； 2. 改变电枢回路电阻； 3. 改变励磁磁通。对于要求广范围无级调速的系统来说，以调节电枢电压的方式为最好。有许多生产机械，常常不允许很大的静差率，有时开环系统是不能满足要求的，因此就必须要采取闭环系统

16、。本节主要讲述单闭环调速系统。,8.2 单闭环直流有静差调速系统,8.2.1 系统组成 如图8-5所示为采用转速负反馈的单闭环直流调速系统。,图8-5 采用转速负反馈的单闭直流环调速系统,8.2 单闭环直流有静差调速系统,现对组成系统的各环节的工作和特点作进一步的说明如下: 8.2.1.1 直流电动机,(8-2),式中: n0 :理想空载转速n:转速降落 由式(8-2)可知，Id愈大(亦即负载愈大),n则愈大。,8.2 单闭环直流有静差调速系统,8.2.1.2 晶闸管整流电路 晶闸管整流电路具有效率高、体积小、反应快、耗能低、控制性能好等显著优点，但使用不当也会出现故障，甚至损坏元件。,(8-3),8.2 单闭环直流有静差调速系统,8.2.1.3 放大电路式中： 其中：Ugn为给定电压Ufn为测速负反馈信号,（8-4）,8.2 单闭环直流有静差调速系统,8.2.1.4 转速检测环节 转速的测试方式很多，有测速发电机、电磁感应传感器、光电传感器等，一般采用测速发电机。(8-5)以上各式中，KP是放大器的电压放大倍数；Ks是可控硅装置的电压放大倍数，即整流输出的理想空载电压与触发器控制电压之比；是测速发电机的反馈系数。,