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1、第8章 自动控制系统的分析、调试与故障的排除,8.1自动控制系统的分析步骤 在工程技术上，经常会遇到陌生的控制系统。这时，首先是搞清自动控制系统的工作原理(定性分析)，建立系统的数学模型，然后对系统进行定量的估算和分析。关于分析系统的方法，在前面各章中都已作了说明，现再作一些补充的说明与分析。系统分析一般包括如下几个方面的内容：,1、了解工作对象对系统的要求,2、搞清系统各单元的工作原理,3、搞清整个系统的工作原理,8.1.1了解工作对象对系统的要求这些要求通常是： 1系统或工作对象所处的工况条件电源电压及波动范围例如三相交流380(110%)V；供电频率及波动范围例如(501)Hz；环境温度
2、(例如-20+40C)；相对湿度(例如85%)；海拔高度(例如1000m)等。 2系统或工作对象的输出及负载能力额定功率 (例如60kW)及过载能力(例如120%)；额定转矩 (例如80N.m)及最大转矩(例如150%额定转矩)；速度 对调速系统为额定转速(例如1000r/min)、最高转速(例如120%额定转速)及最低转速(例如1%额定转速)；对随动系统则为最大跟踪速度(线速度max及角速度max)(例如1m/s及100rad/s)、最低平稳跟踪速度(线速度max及角速度max)(例如1cm/s及0.01rad/s)；最大位移(线位移,及角位移,)等。,3系统或工作对象的技术性能指标稳态指标
3、对调速系统，主要是静差率(例如s0.1%)和调速范围(例如1001)；对随动系统，则主要是阶跃信号和等速信号输入时的稳态误差(例如0.1mm或1密位等)。动态指标对调速系统主要是因负载转矩扰动而产生的最大动态速降,(例如10r/min)和恢复时间,(是指从扰动量作用开始，到被调量进入并保持在离稳态值某一误差带内所需的时间。,4系统或设备可能具有的保护环节 过电流保护，过电压保护，过载保护，短路保护，停电(或欠电压)保护，超速保护，限位保护，欠电流失磁保护，失步保护，超温保护和联锁保护等。5系统或设备可能具备的控制功能 点动，自动循环，半自动循环，各分部自动循环，爬行微调，联锁，集中控制与分散控
4、制，平稳起动、迅速制动停车，紧急停车和联动控制等。,6系统或设备可能具有的显示和报警功能 电源通、断指示，开、停机指示，过载断路指示，缺相指示，风机运行指示，熔丝熔断指示和各种故障的报警指示及警铃等。7工作对象的工作过程或工艺过程 在了解上述指标和数据的同时，还应了解这些数据对系统工作质量产生的具体的影响。例如造纸机超调会造成纸张断裂；轧钢机的过大的动态速降会造成明显的堆钢和拉钢现象；仿形加工机床驱动系统的灵敏度直接影响到加工精度的等级；再如传动试验台的调速范围就关系到它能适应的工作范围等。在提出这些指标要求时，一般应该是工作对象对系统的最低要求，或必需的要求；因为过高的要求，会使系统变得复杂
5、，成本显著增加。而系统的经济性，始终是一个必须充分考虑的因素。而在调试系统时，则应留有适当的裕量；因为系统在实际运行时，往往会有许多无法预计的因素。同时还要估计到各种可能出现的意外故障，并采取相应的措施，以保证系统能安全可靠地运行。同样，系统的可靠性，也是一个始终必须充分考虑的因素,8.1.2搞清系统各单元的工作原理,对一个实际系统进行分析，应该先作定性分析，后作定量分析。即首先把基本的工作原理搞清楚，这可以把电路分成若干个单元，对每一个单元又可分成若干个环节。这样先化整为零，弄清每个环节中每个元件的作用；然后再化零为整，抓住每个环节的输入和输出两头，搞清各单元和各环节之间的联系，统观全局，搞
6、清系统的工作原理。现以表8-1-1所示的晶闸管直流调速系统的单元为例作一些说明。1主电路主要是对电动机电枢和励磁绕组进行正常供电，对它们的要求主要是安全可靠。因此在部件容量的选择上，在经济和体积上相差不是太多的情况下，尽可能选大一些。在保护环节上，对各种故障出现的可能性，都要有足够的估计，并采取相应的保护措施，配备必要的警报、显示、自动跳闸线路，以确保主电路安全可靠的要求。若主电路采用晶闸管整流，则还应考虑晶闸管整流时的谐波成分对电网的有害的影响；因此，通常要在交流进线处串接交流电抗器或通过整流变压器供电。,2触发电路主要考虑的是它的移相特性(即移相范围和线性度)，控制电压的极性与数值，以及它
7、与晶闸管输出电压间的关系。此外，还有同步电压的选择，同步变压器与主变压器相序间的关系(钟点数)，以及触发脉冲的幅值和功率能否满足晶闸管的要求，各触发器的统调是否方便等等，这些都涉及到触发电路与其他单元的联系，需要进行综合考虑。3控制电路它是自动控制系统的中枢部分，它的功能将直接影响控制系统的技术性能。对调速系统主要是电流和转速双闭环控制；对恒张力控制系统，除了电流、转速闭环外，还要再设置张力闭环控制；对随动系统，除位置闭环外，还可设置转速闭环。若对系统要求较高时，还可设置微分负反馈或其他的自适应反馈环节。对由运放器组成的调节器电路，则还要注意其输入和输出量的极性，输入、输出的限幅，零飘的抑制和
8、零速或零位的封锁等。4 检测电路主要是检测装置的选择，选择时应注意选择适当精度的检测元件；若精度过高，不仅成本增加，而且安装条件苛刻；若检测元件精度过低，又无法满足系统性能指标要求，因为系统的精度，正是依靠检测元件提供的反馈信号来保证的。选择时，还要注意输出的模拟量，还是数字量；对计算机控制，则应选数字量输出；对模拟控制，则应选择模拟量输出；否则还要增加A/D(或D/A)单元，既增加费用，又增加传递时间。此外检测装置要牢固耐用、工作可靠、安装方便，并且希望输出信号具有一定的功率和幅值。5辅助电路 则主要是继电(或电子)保护电路、显示电路和报警电路。继电保护电路没有电子线路那种易受干扰的缺点，是
9、一种有效而可靠的保护环节，应给予足够的重视和考虑。但其灵敏度、快速性以及自动控制、自动恢复等性能不及电子保护线路。,8.1.3搞清整个系统的工作原理在搞清各单元、各环节的作用和各个元件的大致取值的基础上，再集零为整，抓住各单元的输入、输出两头，将各个环节相互联系起来，画出系统的框图。然后在这基础上，搞清整个系统在正常运行时的工作原理和出现各种故障时系统的工作情况。,8.2 自动控制系统的调试方法,8.2.1系统调试前的准备工作 1了解工作对象的工作要求(或加工工艺要求)，仔细检查机械部件和检测装置的安装情况。是否会阻力过大或卡死。因为机械部件安装得不好,开车后会产生事故,检测装置安装得不好(如
10、偏心、有间隙、甚至卡死等)将会会严重影响系统的精度,形成振荡,甚至产生事故。 2. 系统调试是在各单元和部件全部合格的前题下进行的。因此，在系统调试前，要对各单元进行测试，检查它们的工作是否正常，并作记录，记录要存档，以便于追查事故原因。3系统调试是在按图样要求接线无误的前提下进行的。因此，在调试前，检查各接线是否正确、牢靠。特别是接地线和继电保护线路，更要仔细检查(对自制设备或经过长途运输后的设备，更应仔细检查、核对)。未经检查，贸然投入运行,常会造成严重事故。4写出调试大纲。明确调试顺序。系统调试是最容易产生遗漏、慌乱和出现事故的阶段，因此一定要明确调试步骤，写出调试大纲；并对参加调试的人
11、员进行分工，对各种可能出现的事故(或故障)事先进行分析，并订出产生事故后的应急措施。5准备好必要的仪器、仪表。例如双踪示波器、高内阻万用表、代用负载电阻箱、慢扫描示波器或数字示波器、兆欧表，和其他监控仪表(如电压表、电流表、转速表等)以及作为调试输入信号的直流稳压电源和印制电路接长板等。选用调试仪器时，要注意选用仪器的功能(型号)、精度、量程是否符合要求，要尽量选用高输入阻抗的仪器(如数字万用表、示波器等)，以减小测量时的负载效应。此外还要特别注意测量仪器的接地(以免高电压通过分布电容窜入控制电路)和测量时要把弱电的公共端线和强电的零线分开(例如测量电力电子电路用的双踪示波器的公共线不可接强电
12、地线)。6准备好记录用纸，并画好记录表格。7清理和隔离调试现场，使调试人员处于进行活动最方便的位置，各就各位。对机械转动部分和电力线应加罩防护，以保证人身安全。调试现场还应配有可切断电力总电源的“紧停”开关和有关保护装置，还应配备灭火消防设备，以防万一。,8.2.2制订调试大纲的原则,调试的顺序大致是：1.先单元，后系统。2. 先控制回路，后主电路。3. 先检验保护环节，后投入运行。4.通电调试时，先用电阻负载代替电动机，待电路正常后，再换接电动机负载。5.对调速系统和随动系统，调试的关键是电动机投入运转。投入运行时，一般先加低给定电压开环起动，然后逐渐加大反馈量(和给定量)。6. 对多环系统
13、，一般为先调内环，后调外环。7. 对加载试验，一般应先轻载后重载；先低速后高速，高、低速都不可超过限制值。 8. 系统调试时，应首先使系统正常稳定运行,通常先将PI调节器的积分电容短接(改为比例调节器)，待稳定后，再恢复PI调节器，继续进行调节(将积分电容短接，可降低系统的阶次，有利系统的稳定运行，但会增加稳态误差)。9.先调整稳态精度，后调整动态指标。对系统的动态性能，可采用慢扫描示波器或采用数字(记录性)示波器，记录有关参量的波形(现在也可采用虚拟示波器来记录有关波形)。10.分析系统的动、稳态性能的数据和波形记录。对系统的性能进行分析，找出系统参数配置中的问题，以作进一步的改进调试。,8
14、.2.3系统调试过程,今以双闭环直流调速系统为例来说明系统的调试过程。 1系统控制回路各单元和部件的检查和测试(并记录有关数据) (1) 拔出全部控制单元印制电路板，断开电动机电枢主回路(可将平波电抗器一端卸开)。 (2) 检查各类电源的输出电压的幅值(如运放器工作电压，给定信号电压，触发器电源电压，同步电压，电动机励磁电压等)，以及用来调试的给定信号电压。 (3) 核对主回路U、V、W三相电压的相序，触发电路同步电压的相序以及它和主回路电压间的关系是否符合触发电路的要求(相序可用双线示波器来观察)。 (4) 触发电路调试。先调整其中的一块触发器。主要是检查输出触发脉冲的幅值与脉宽(用双线示波
15、器观察，下同)。然后通过改变调试信号电压(代替控制电压 )来检查脉冲的移相范围(对三相全控桥，则要求移相120)。若移相范围过大或不够，对锯齿波触发器，则调节锯齿波斜率。 在调好一块触发器后，再以此为基准，调试其他各块触发器；若为双脉冲触发，则应使两个脉冲间隔互为60(若为锯齿波触发器，则主要调节得使各锯齿波平行)。 (5) 调整电流调节器(ACR)和速度调节器(ASR)的运放电路。 先检查零点飘移(整定运放器电路的调零电位器，使之达到零输入时为零输出)。若调整后，零点仍飘移，则应考虑增设一个高阻值( )的反馈电阻(如今许多运放模块，内部已有抑制零飘功能，毋需外部调整)。 然后，以调试信号电压
16、输人，整定其输出电压限幅值(一般为810V)。 (6) 对反馈信号电压(如 及 )，在投入运行前，先将调节电位器调至最上限(即使 及 为较大数值)；这样在投入运行时，不致造成电流和转速过大。同时还要检查反馈信号的极性与给定信号是否相反(若为负反馈的话)。,2系统主电路、继电保护电路的检查和电流开环的整定,（1）检查主电路时，先将控制回路断路(可拔去ASR和ACR运放插件)，而以调试信号去代替ACR的输出电压 ，去控制触发电路(调试信号通常通过印刷线路“接插件”接入)。改变调试信号，即可改变整流装置输出电压 。 (2)在主电路输出端以三相电阻负载(灯泡或电阻箱)来代替电动机。合上开关，接通主电路。 (3)测定主电路输出电压 与控制电压 间的关系，并调节触发电路的总偏置电压，使 时， 。 (4)改变 数值，观察在不同控制角( )时的 波形是否正常(具体波形，参见变流技术书籍)。 (5)主电路小电流通电后，可拔去一相快速熔丝，以检验缺相保护环节的动作和报警是否有效。 (6)检查电动机励磁回路断路时，失磁保护是否正常。 (7)调节调试信号，使主电路电流达到最大允许电流，即 ，这时整定电流反馈分压电位器，使电流反馈电压 (810V)(此即整定电流反馈系数 )。(8)若主电路设有过电流继电器，则可调节电流至规定动作值，然后整定过电流继电器动作，并检验继电保护电路，能否使主电路开关跳闸。,
