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1、（二）专业知识,1.电子电路知识 2.电机及拖动基础知识 3.自动控制技术知识 （1）自动控制的基本概念,一、自动控制的基本概念,自动控制: 指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（如设备生产过程等）的工作状态或简称被控量（如温度、压力、流量、速度、pH值等）按照预定的规律运行.,自动控制系统: 实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体.,反馈控制系统的中的常用术语： 给定值（参考输入值） 偏差值 控制量 被控量 扰动量(内扰,外扰) 自动控制装置 = 传感器 + 控制器 + 给定器 + 执行器 受控过程（受控对象） 控制系统 = 受控过程控制
2、装置,二、自动控制系统的组成,自动控制系统组成方框图 扰动,调节阀,控制器,执行器,受控对象,测量、变送元件,给定值,被控量,操作值,偏差值,反馈值,三、自动控制系统的分类,设定器,控制器,被控对象,扰动,被控量,设定器,被控过程,传感器,控制器,1 按系统环节连接形式分类,闭环控制系统 :,开环控制系统：,开环控制系统与闭环控制系统,开环控制系统特点： 1. 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 2. 控制精度不高,无法抑制扰动.,闭环控制系统特点: 1. 有反馈回路; 2. 控制精度高,自动纠偏,2 按控制依据信号性质分类,控制器,被控过程,控制器,被控过程,控制器,被控过程,反馈控制系统,
3、前馈控制系统,前馈-反馈 控制系统,前馈-反馈控制系统,前馈-反馈控制系统 即复合控制系统 复合控制:闭环控制和开环控制结合的一种方式。它是在闭环控制等基础上增加一个干扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干扰能力。 增加干扰信号的补偿控制作用，可以在干扰对被控量产生不利影响同时及时提供控制作用以抵消此不利影响。纯闭环控制则要等待该不利影响反映到被控信号之后才引起控制作用，对干扰的反应较慢。,恒值控制系统（或称自动调节系统） 特点：输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰 随动控制系统（或称伺服系统） 特点：输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随
4、给定量变化。 程序控制系统 特点：输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。,3 按给定值变化规律分类,4 按系统特性分类,线性控制系统 输入与输出成正比，可用叠加原理 用线性数学模型描述 非线性控制系统 输入与输出不成正比，不可用叠加原理 用非线性数学模型描述,5 按变量的时间特性分类,1、连续时间控制系统 系统各部分的信号是模拟的连续函数 例：工业中普遍采用的常规控制仪表PID调节器控制的系统 2、离散时间控制系统 系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式传递的控制系统 例 计算机控制系统,四、自动控制系统性能要求,典型试验信号 阶跃信
5、号 系统性能分析方法 动态特性分析 稳态特性分析,阶跃信号（Step Function）,阶跃信号是最常用系统性能测试信号,时间,r(t),R,-单位阶跃 函 数,动态特性分析,动态响应: 系统输出在典型测试信号下随时间变 化的特性 y (t ) -输出 x (t ) -输入 y（t）= f ( x（t）),x (t ),y( t ),t,t,稳态特性分析,稳态特性: 平衡状态下系统输出与输入的关系 y（t = ）= f ( x) y () -稳态输出 x -输入,自动控制系统被控量变化的动态特性,(a)单调过程 (b)衰减振荡过程 (c)等幅振荡过程 (d)渐扩振荡过程,(1)稳定性-自动控
6、制系统的最基本的要求 (2)快速性-在系统稳定的前提下，希望控制过程（过渡过程）进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差（偏差）过大。合理的设计应该兼顾这两方面的要求。 (3)准确性-即要求动态误差和稳态误差 都越小越好。,自动控制系统性能要求,（二）专业知识,1.电子电路知识 2.电机及拖动基础知识 3.自动控制技术知识 （1）自动控制的基本概念 （2）常见直流调速系统的控制原理及控制过程,单闭环直流调速系统,对于直流调速系统，从调速范围和平滑无级调节的要求角度说，调压调速方法最好。弱磁调速虽然也能达到平滑调速，但调速范围不大，一般只作为辅助方案，在电动机额定转速上进行小范
7、围调节。,为实现调压调速，在交流供电系统中，可采用晶闸管整流装置，获得可调节的直流电压；在具备恒定直流电源供电的场合，可采用斩波器，实现脉冲调压调速。,单闭环直流调速系统,晶闸管直流调速系统主电路及等效电路,单闭环直流调速系统,由等效电路列写电压方程：,其中： L - 主回路总电感； R=Rb+Rhx+Ra - 主回路等效总电阻； Rb - 整流变压器绕组折合到副边的等效电阻； Rhx - 变压器漏抗引起换向电压所对应电阻； Ra - 电动机电枢回路电阻。,单闭环直流调速系统,转速控制基本要求,1.调速 在一定的速度范围内分级或无级调速； 2.稳速 以一定的精度稳定在所需转速上运行，尽量不受负
8、载变化、电源电压变化等各种因素的干扰； 3.加、减速控制 频繁起、制动的生产机械要求尽量缩短起动和制动的时间，以提高生产率；另外，不宜经受剧烈速度变化的生产机械要求起、制动平稳。,单闭环直流调速系统,1.调速范围 生产机械要求电动机在额定负载时提供的最高转速与最低转速之比。,调速指标,2.静差率 电动机在某一个转速下运行时，负载由理想空载变到满载所产生的转速降ned与理想空载转速n0之比。,单闭环直流调速系统,一般在直流调压调速系统中，常以电动机的额定转速为最高转速。若拖动额定负载时的转速降为ned，则对静差率提出的要求，应该是最低转速时的静差率，故这时有：,且有：,故得：,单闭环直流调速系统
9、,速度单闭环有静差 直流调速系统原理图,单闭环直流调速系统,在假设忽略各种非线性因素等条件下，系统各环节的稳态关系为： 1.电压比较环节： 2.放大器： 3.触发器及晶闸管整流装置： 4.此系统的开环机械特性： 5.测速发电机： 其中：Kp 放大器电压放大倍数； Ks 晶闸管整流装置的电压放大倍数； 测速发电机的反馈系数（Vmin/r）,单闭环直流调速系统,将上述各关系式代入系统开环机械特性方程，消去中间变量：,单闭环直流调速系统,整理得到闭环系统稳态特性方程：,其中：, 闭环系统的开环放大倍数。,单闭环直流调速系统,根据上述各环节稳态关系，可画出闭环系统稳态结构图：,单闭环直流调速系统,由图
10、可得系统开环稳态特性：,比较系统开环、闭环稳态特性： 1.当Ugd不变时，闭环系统的理想空载转速为： 即闭环系统n0下降为开环时的1/(1+K)。,单闭环直流调速系统,2.系统前向通道的输入电压信号： 闭环时： 开环时： 即开环时U较大，闭环时U较小。为保证n0基本不变，系统闭环后的U应放大（1+K）倍。,3.负载扰动相同，即Id一定时，闭环系统转速降与开环转速降的关系为： 即当K较大时，nb比nk小许多，所以闭环系统特性比开环特性硬许多。,单闭环直流调速系统,4.对具有相同n0（即n0b=n0k）的闭环 与开环系统，静差率的关系为： 即闭环系统静差率比开环时小许多。,5.若电动机的最高转速为
11、ned，对最低转速静差率的要求相同，则由： 有： 及 即闭环系统调速范围提高，达到开环时的(1+K)倍。,单闭环直流调速系统,单闭环有静差直流调速 系统基本特征,1.闭环系统开环放大倍数K值越大，静特性越硬，稳态速降越小，在一定的静差率要求下，调速范围越大。 总之，K值越大，系统稳态性能越好。,2.稳态速降只能减小，不可能为零。 (1). 只有当K时，nb才能为零，这是不可能的。 (2). 若n=0，则U=0，放大器无输出，晶闸管无法控制，电动机也就无法运行了。,单闭环直流调速系统,3.对干扰的抑制,在系统前向通道上（即包含在反馈环内各环节上）的扰动，可被测速发电机反映出来，通过反馈控制可得到
12、抑制；而对给定电压及反馈通道中的干扰，系统则无能为力。,双闭环直流调速系统,V-M系统中，若无任何限制启动电流措施，突加给定输入时，因转速不能突变，Uf=0、U=Ugd，电动机相当于全压起动，会产生很大的起动电流。,为限制起动电流，可采用具有电流负反馈的控制方案。,双闭环直流调速系统,由图得系统静态特性：,其中转速降为：,该转速降要比没有电流负反馈时大很多，故在采用电流负反馈限制启动电流的系统中，为保证系统具有较硬的静特性，必须在启动过程完成时及时切除电流反馈回路，使电动机有如下图所示的机械特性。,双闭环直流调速系统,正常运行时只有转速负反馈起作用,起动时只有转速负反馈起作用,双闭环直流调速系
13、统,在上述系统控制方案中，将电流和转速负反馈信号引入同一个放大器中，双方互相牵制，这是造成电动机机械特性变软的原因。 为解决这个问题，可以设置两个调节器，分别调节转速和电流。以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装置的控制电压，使两个调节器互相配合，即可实现完整的控制过程。 由此得到如下的转速、电流双闭环直流调速系统。,双闭环直流调速系统,转速、电流双闭环直流调速系统,速度调节器ST、电流调节器LT均为PI调节器,双闭环直流调速系统,该系统中，电流负反馈使电动机机械特性变软，但由于有速度环在外，电流负反馈对于速度环而言相当于扰动，只要转速调节器ST的放大倍数
14、足够大，而且未饱和，则电流负反馈引起的扰动即可得到抑制，使系统实现无静差。,当ST达到饱和、输出达到限幅值时，转速环失去作用，呈开环状态，转速变化对系统不再产生影响，只剩下电流环起作用，双闭环系统变为无静差的单闭环系统。电流负反馈的作用使系统特性呈陡然下降趋势。,双闭环直流调速系统,Ugn加到系统上后，在惯性作用下，转速缓慢上升，这时Un=Ugn-Ufn很大，而ST积分时间相对很小，ST很快进入饱和，输出达到限幅值，电动机在电流环作用下起动。,在启动阶段，虽然Ufn随转速增加而提高，但仍为UfnUgn，ST输入变为负值，由于积分的作用，ST开始退饱和，速度环才开始发挥作用，使电流开始下降。,双
15、闭环直流调速系统,双闭环 调速系统 起动过程 波形,双闭环直流调速系统,在突加给定Ugn作用下，由于转速上升缓慢，速度调节器很快进入饱和，输出达到Ugim。 Ugim加到电流调节器输入端，使其输出控制电压Uk上升，使电动机电枢电流Id随之增加，达到Idm时，电流环反馈电压Ufi=Ugim。 由于电流调节器的积分作用，使Id继续增加，直至出现超调，使电流调节器的输入为负，导致电流调节器输出下降，又使Id下降，故起到限制起动电流的作用。,I-电流上升阶段,双闭环直流调速系统,II-恒流升速阶段,速度调节器ST处于饱和状态，速度环相当于开环，不起作用。而电流环未饱和，电流调节器LT起作用，以保证系统电流恒定，电机在此电流的作用下起动，转速直线上升，即系统表现为恒流调节系统。,双闭环直流调速系统,III-转速调节阶段,电机在恒定电流下升速到Ugn=Ufn时，ST输入n=0，在积分作用下Ugi仍为Ugim，电动机继续加速。 当转速超调时，UfnUgn，n0，ST退出饱和状态，其输出Ugi下降，通过LT的调节，电枢电流Id下降。但此时Id 仍大于负载电流Ifz，故电机继续加速，直到IdIfz，电枢电流小于负载电流，电机开始减速，LT和ST同时发挥作用。 此时，LT在内环，使Id跟随ST的输出Ugi变化，即电流内环是一个电流随动系
