自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)河南理工大學(xué)河南理工大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院課程網(wǎng)址：課程網(wǎng)址：3/jingpinEmail:鄭鄭 征征緒 論一 學(xué)科性質(zhì)是一門與生產(chǎn)緊密相關(guān)的專業(yè)課程，是電氣傳動(dòng)及其自動(dòng)化學(xué)科（研究方向）的基礎(chǔ)性課程。也叫電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。二 課程任務(wù)為電力拖動(dòng)機(jī)械設(shè)備選擇配套的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)及其自動(dòng)控制裝置。三 教材的選用 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社出版，余發(fā)山教授主編的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 特點(diǎn)：v精辟、簡(jiǎn)約；v偏重于直流部分；v交流部分以變頻調(diào)速為重點(diǎn)，符合調(diào)速的發(fā)展方向。四 學(xué)習(xí)重點(diǎn)v理論技能直流調(diào)速系統(tǒng)（第1、2、

2、3章）變頻調(diào)速系統(tǒng)（第6章）v實(shí)驗(yàn)技能雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試與機(jī)械特性的測(cè)試 *以基本概念、基本原理和實(shí)驗(yàn)的基本技能的學(xué)習(xí)為重點(diǎn)，側(cè)重于系統(tǒng)的組成和工作過程、特性分析的理解和掌握。五 自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況v直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)在19世紀(jì)中期限后誕生；v20世紀(jì)前、中期形成公認(rèn)的格局：80%的不變速系統(tǒng)都采用交流傳動(dòng)，20%調(diào)速系統(tǒng)一般采用直流調(diào)速；發(fā)展歷史發(fā)展歷史v20世紀(jì)70年代的能源危機(jī)促使世界各國(guó)開始重點(diǎn)研究交流調(diào)速系統(tǒng)；v隨著三大技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)在性價(jià)比上也逐漸優(yōu)于直流調(diào)速系統(tǒng)，目前，新的格局已經(jīng)形成：交流調(diào)速系統(tǒng)上升到主導(dǎo)地位，并將逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)

3、速系統(tǒng)的比較直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)的比較v直流電機(jī)的弱點(diǎn)：存在機(jī)械式換向器和電刷制造工藝復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)料，成本增加；換向器的換向能力限制了電機(jī)的容量和速度；電刷火化和環(huán)火限制了直流電機(jī)的安裝環(huán)境；轉(zhuǎn)子散熱條件差，電機(jī)效率低；換向器和電刷的磨損使電機(jī)可靠性低，維修量大。交流調(diào)速系統(tǒng)較直流調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于交流電機(jī)較直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：v交流電動(dòng)機(jī)在低成本、高速、大容量、惡劣環(huán)境可使用、維修量小等方面明顯優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī)；v隨著功率器件的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)的成本也會(huì)大幅度降低；v實(shí)際上，直流電動(dòng)機(jī)較交流電動(dòng)機(jī)僅存在調(diào)速性能好，控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。v交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型造成了轉(zhuǎn)矩控制的困難;交流電機(jī)是一個(gè)

4、MIMO、非線性、強(qiáng)耦合且時(shí)變的控制對(duì)象轉(zhuǎn)矩公式：TdCTmIrcosrv調(diào)速裝置中器件的發(fā)展階段的限制了交流調(diào)速的發(fā)展；v交流調(diào)速系統(tǒng)精度和成本的限制。很難在短期內(nèi)達(dá)到直流調(diào)速系統(tǒng)的精度高成本、高價(jià)格往往使新用戶望而卻步交流調(diào)速系統(tǒng)的難點(diǎn)和復(fù)雜性交流調(diào)速系統(tǒng)的難點(diǎn)和復(fù)雜性v以節(jié)能為目的的改恒速為調(diào)速v以少維護(hù)、安全為目的取代直流調(diào)速系統(tǒng)v直流調(diào)速難以實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域大電流高轉(zhuǎn)速惡劣環(huán)境要求長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)交流調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向交流調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向六 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成和分類v組成電力拖動(dòng)系統(tǒng)一般由電源、控制裝置、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)械和生產(chǎn)機(jī)械五部分組成。 電源控制裝置電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)械生產(chǎn)機(jī)械控制量v分

5、類按拖動(dòng)電機(jī)的類型：直流拖動(dòng)系統(tǒng)、交流拖動(dòng)系統(tǒng)按組成結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化程度開環(huán)電力拖動(dòng)系統(tǒng)閉環(huán)電力拖動(dòng)系統(tǒng)綜合自動(dòng)化電力拖動(dòng)系統(tǒng)電電 源源功率功率開關(guān)開關(guān)保護(hù)裝置保護(hù)裝置電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)傳遞傳遞機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)工作工作機(jī)械機(jī)械測(cè)測(cè) 量量 裝裝 置置顯示、報(bào)警、記錄裝置顯示、報(bào)警、記錄裝置控制控制裝置裝置1x2x1y2y控制量開環(huán)電力拖動(dòng)系統(tǒng)電電 源源功率功率開關(guān)開關(guān)保護(hù)裝置保護(hù)裝置電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)傳遞傳遞機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)工作工作機(jī)械機(jī)械測(cè)測(cè) 量量 裝裝 置置顯示、報(bào)警、記錄裝置顯示、報(bào)警、記錄裝置控制控制裝置裝置1x2xy閉環(huán)電力拖動(dòng)系統(tǒng)控控制制及及調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)裝裝置置去下一級(jí)裝置4x3x上一級(jí)給定或本級(jí)給定中中 央央 級(jí)級(jí)

6、控控 制制 裝裝 置置（計(jì)算機(jī)）（計(jì)算機(jī)）功能級(jí)自動(dòng)裝置功能級(jí)自動(dòng)裝置A功能級(jí)自動(dòng)裝置功能級(jí)自動(dòng)裝置BA1A2A3B1B2B3測(cè)量值綜合自動(dòng)化電力拖動(dòng)系統(tǒng)v調(diào)速按照一定的工藝要求，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。v穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；v加、減速頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起制動(dòng)盡量平穩(wěn)。七 調(diào)速的分類和指標(biāo)基本概念基本概念（一）分類（一）分類v有級(jí)和無(wú)級(jí)有級(jí)：電機(jī)的速度分檔位調(diào)節(jié)電機(jī)的速度分檔位調(diào)節(jié)變極調(diào)速交流繞線電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速直流電機(jī)電樞回路串電阻調(diào)速無(wú)級(jí)：電機(jī)的速度可以連續(xù)

7、、平滑的調(diào)速電機(jī)的速度可以連續(xù)、平滑的調(diào)速晶閘管變流器供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速弱磁升速v基速以上和基速以下基速：95額定轉(zhuǎn)速或額定轉(zhuǎn)速基速以下：低于基速的速度下進(jìn)行調(diào)速基速以上：高于基速的速度下進(jìn)行調(diào)速直流電機(jī)的弱磁升速變頻調(diào)速的基頻以上的恒壓運(yùn)行雙饋調(diào)速的發(fā)電回饋制動(dòng)運(yùn)行 *一般情況下，工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備均要求在基速以下進(jìn)行調(diào)速，只有少數(shù)機(jī)械由于工況的需要，才在基速以上進(jìn)行調(diào)速。v恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：調(diào)速過程中，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩恒定。直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速電樞串電阻調(diào)速恒功率調(diào)速：調(diào)速過程中，電機(jī)輸出的功率恒定。直流電機(jī)弱磁升速v調(diào)速方法要和負(fù)載性質(zhì)相互配合，調(diào)速系統(tǒng)要適應(yīng)負(fù)

8、載，這樣才能使電機(jī)的容量得到充分的利用。恒功率負(fù)載采煤機(jī)、輸送機(jī)、提升機(jī)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒張力卷取機(jī)、開卷機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸（二）指標(biāo)跟隨性指標(biāo) 動(dòng)態(tài)指標(biāo)抗干擾性指標(biāo)調(diào)速指標(biāo)調(diào)速范圍靜態(tài)指標(biāo)靜差率 1.動(dòng)態(tài)指標(biāo)10.跟隨性能指標(biāo)：對(duì)給定輸入應(yīng)該能不失真地準(zhǔn)確跟蹤上升時(shí)間tr峰值時(shí)間tp調(diào)節(jié)時(shí)間ts超調(diào)量v20 抗擾性能指標(biāo)：標(biāo)志系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力1）最大動(dòng)態(tài)降落：系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)擾動(dòng)量，在過渡過程中所引起的輸出量最大降落值叫做動(dòng)態(tài)降落 。2）調(diào)節(jié)時(shí)間：從階躍擾動(dòng)作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值之差進(jìn)人某基準(zhǔn)量的5（或）2范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間。v調(diào)速范

9、圍調(diào)速范圍 電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下調(diào)速時(shí)，它的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比，用字母 D 表示，即minmaxnnD nmin 和nmax 對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。20 靜態(tài)指標(biāo)v靜差率靜差率 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 nnom ，與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱作靜差率 s ，即nom0nsn或用百分?jǐn)?shù)表示 nom0100%nsn式中 nnom = n0 - nnom 說明說明v靜差率靜差率s表示調(diào)速系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，表示調(diào)速系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，s越小，越小，相對(duì)穩(wěn)定性越好。相對(duì)穩(wěn)定性越好。0TeNTen0A nNa B n

10、Nb n直流電動(dòng)機(jī)電樞串電阻調(diào)速機(jī)械特性n0相同，n不同：電機(jī)機(jī)械特性硬，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好（s?。?；電機(jī)機(jī)械特性軟，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性差（s大）。0TeNTen0an0bab nNa nNb nn0不同， n相同：高轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好（s?。?；低轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性差（s大）。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速機(jī)械特性ABv工程設(shè)計(jì)時(shí)以最低速特性所對(duì)應(yīng)的靜差率為工程設(shè)計(jì)時(shí)以最低速特性所對(duì)應(yīng)的靜差率為依據(jù)。依據(jù)。此時(shí)為電動(dòng)機(jī)最困難的工作條件；在低速時(shí)的靜差率能滿足要求，在高速時(shí)的靜差率也能滿足要求。v調(diào)速范圍和靜差率兩項(xiàng)指標(biāo)并不是孤立的，調(diào)速范圍和靜差率兩項(xiàng)指標(biāo)并不是孤立的，必須同時(shí)考慮才有意義。必須同時(shí)考慮才有意義。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍是指在最低轉(zhuǎn)速時(shí)（額定負(fù)載下）還能滿足靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍；沒有靜差率的要求，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以很大（最低轉(zhuǎn)速可以很?。x開s談D無(wú)意義；沒有調(diào)速范圍的限制，靜差率的值可以很?。ǜ咚贂r(shí)靜差率很?。?，離開D談s無(wú)意義。調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nnom為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nnom，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即nomnom0minminnomnn