自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)（第四版）課件 第十章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析、調(diào)試與故障的排除

第十章自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析、調(diào)試及維護(hù)維修第一節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析步驟第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試步驟和方法第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的維護(hù)與維修主要內(nèi)容本章主要以雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和通用變頻器為例，介紹對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析的一般步驟與方法、對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試的步驟與方法、自動(dòng)控制系統(tǒng)的維護(hù)方法及需要注意的問題。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，遇到較多的往往是實(shí)際系統(tǒng)的驗(yàn)收、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)和故障的排除。這就需要我們根據(jù)產(chǎn)品使用說明書和有關(guān)的技術(shù)知識(shí)，遵循科學(xué)的方法，并結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行了解、分析與調(diào)試，并排除可能出現(xiàn)的故障，使系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。第一節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析步驟在工程技術(shù)上，經(jīng)常會(huì)遇到陌生的控制系統(tǒng)。這時(shí)，首先是搞清自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理(定性分析)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定量的估算和分析。關(guān)于分析系統(tǒng)的方法，在前面各章中都已作了說明，現(xiàn)再作一些補(bǔ)充的說明與分析。

自動(dòng)控制系統(tǒng)分析一般包括如下幾個(gè)方面的內(nèi)容：一、了解工作對(duì)象對(duì)系統(tǒng)的要求這些要求通常是：

1．系統(tǒng)或工作對(duì)象所處的工況條件①電源電壓及波動(dòng)范圍［例如三相交流380(1±10%)V］②供電頻率及波動(dòng)范圍［例如(50±1)Hz］；③環(huán)境溫度(例如-20～+40°C)；④相對(duì)濕度(例如≤85%)；⑤海拔高度(例如≤1000m)等。

2．系統(tǒng)或工作對(duì)象的輸出及負(fù)載能力①額定功率(例如60kW)及過載能力(例如120%②額定轉(zhuǎn)矩（例如100N·m)及最大轉(zhuǎn)矩(例如150%額定轉(zhuǎn)矩)；

4．系統(tǒng)或設(shè)備可能具備的控制功能

點(diǎn)動(dòng)，自動(dòng)循環(huán)，半自動(dòng)循環(huán)，各分部自動(dòng)循環(huán)，爬行微調(diào)，聯(lián)鎖，集中控制與分散控制，平穩(wěn)起動(dòng)、迅速制動(dòng)停車，緊急停車和聯(lián)動(dòng)控制等。

5．系統(tǒng)或設(shè)備可能具有的保護(hù)環(huán)節(jié)

過電流保護(hù)，過電壓保護(hù)，過載保護(hù)，短路保護(hù)，停電(或欠電壓)保護(hù)，超速保護(hù)，限位保護(hù)，欠電流失磁保護(hù)，失步保護(hù)，超溫保護(hù)和聯(lián)鎖保護(hù)等。

6．系統(tǒng)或設(shè)備可能具有的顯示和報(bào)警功能

電源通、斷指示，開、停機(jī)指示，過載斷路指示，缺相指示，風(fēng)機(jī)運(yùn)行指示，熔絲熔斷指示和各種故障的報(bào)警指示及警鈴等。

7．工作對(duì)象的工作過程或工藝過程

在了解上述指標(biāo)和數(shù)據(jù)的同時(shí)，還應(yīng)了解這些數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)工作質(zhì)量產(chǎn)生的具體的影響。例如造紙機(jī)超調(diào)會(huì)造成紙張斷裂；軋鋼機(jī)的過大的動(dòng)態(tài)速降會(huì)造成明顯的堆鋼和拉鋼現(xiàn)象；仿形加工機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的靈敏度直接影響到加工精度的等級(jí)；再如傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的調(diào)速范圍就關(guān)系到它能適應(yīng)的工作范圍等。在提出這些指標(biāo)要求時(shí)，一般應(yīng)該是工作對(duì)象對(duì)系統(tǒng)的最低要求，或必需的要求；因?yàn)檫^高的要求，會(huì)使系統(tǒng)變得復(fù)雜，成本顯著增加。而系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，始終是一個(gè)必須充分考慮的因素。而在調(diào)試系統(tǒng)時(shí)，則應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑Ａ浚灰驗(yàn)橄到y(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，往往會(huì)有許多無法預(yù)計(jì)的因素。同時(shí)還要估計(jì)到各種可能出現(xiàn)的意外故障，并采取相應(yīng)的措施，以保證系統(tǒng)能安全可靠地運(yùn)行。同樣，系統(tǒng)的可靠性，也是一個(gè)始終必須充分考慮的因素。二、搞清系統(tǒng)各單元的工作原理對(duì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行分析，應(yīng)該先作定性分析，后作定量分析。即首先把基本的工作原理搞清楚，這可以把電路分成若干個(gè)單元，對(duì)每一個(gè)單元又可分成若干個(gè)環(huán)節(jié)。這樣先化整為零，弄清每個(gè)環(huán)節(jié)中每個(gè)元件的作用；然后再集零為整，抓住每個(gè)環(huán)節(jié)的輸入和輸出兩頭，搞清各單元和各環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，統(tǒng)觀全局，搞清系統(tǒng)的工作原理。

1)主電路

主電路的主要作用是為直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組和勵(lì)磁繞組提供可調(diào)的穩(wěn)定的直流電壓。首先根據(jù)晶閘管的相控整流的基本知識(shí)分析系統(tǒng)中采用的是那種相控整流，再根據(jù)電力電子技術(shù)的基本知識(shí)判斷主電路需要具有哪些保護(hù)環(huán)節(jié)，并根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)該具有的保護(hù)措施及需要配備的報(bào)警、顯示、自動(dòng)跳閘等功能逐級(jí)展開分析。

因?yàn)橹麟娐凡捎镁чl管整流，則還應(yīng)考慮晶閘管整流時(shí)的諧波成分對(duì)電網(wǎng)的有害的影響；因此，通常要在交流進(jìn)線處串接交流電抗器或通過整流變壓器供電。

2)檢測(cè)電路這部分主要包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)變化電路。首先根據(jù)前面所述的工作對(duì)象對(duì)系統(tǒng)的要求分析系統(tǒng)需要檢測(cè)哪些物理量（如轉(zhuǎn)速、電流）。然后分析檢測(cè)這些物理量使用的傳感器類型，在根據(jù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)的基本理論分析和相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)變換電路。

3)觸發(fā)電路主要圍繞主電路的晶閘管相控整流的類型和電力電子技術(shù)中整流電路對(duì)晶閘管觸發(fā)電路的要求，分析觸發(fā)電路的移相特性（即移相范圍和線性度）、控制電壓的極性與數(shù)值以及它與晶閘管輸出電壓的關(guān)系。此外、還應(yīng)考慮同步電壓的選擇，同步變壓器與主變壓器相序間的關(guān)系（鐘點(diǎn)數(shù)），以及觸發(fā)脈沖的幅值和功率如何滿足晶閘管的要求。

4)

控制電路它是自動(dòng)控制系統(tǒng)的中樞部分，它的功能將直接影響控制系統(tǒng)的技術(shù)性能。對(duì)調(diào)速系統(tǒng)主要采用電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制；對(duì)恒張力控制系統(tǒng)，除了電流、轉(zhuǎn)速閉環(huán)外，還要再設(shè)置張力閉環(huán)控制；對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，除位置閉環(huán)外，還可設(shè)置轉(zhuǎn)速閉環(huán)。若對(duì)系統(tǒng)要求較高時(shí)，還可設(shè)置微分負(fù)反饋或其他的自適應(yīng)反饋環(huán)節(jié)。這些內(nèi)容可以根據(jù)本節(jié)的基本理論進(jìn)行分析。

5)輔助電路

輔助電路主要是繼電(或電子)保護(hù)電路、顯示電路和報(bào)警電路。這部分電路原理比較簡(jiǎn)單。分析時(shí)主要根據(jù)前面所述的系統(tǒng)或設(shè)備具有的顯示和報(bào)警功能，找到相應(yīng)的輔助電路，分析其如何實(shí)現(xiàn)需要的功能。三、搞清整個(gè)系統(tǒng)的工作原理在搞清各單元、各環(huán)節(jié)的作用和各個(gè)元件的大致取值的基礎(chǔ)上，再集零為整，抓住各單元的輸入、輸出兩頭，將各個(gè)環(huán)節(jié)相互聯(lián)系起來，畫出系統(tǒng)的框圖。然后在這基礎(chǔ)上，搞清整個(gè)系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)的工作原理和出現(xiàn)各種故障時(shí)系統(tǒng)的工作情況。第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試步驟和方法一、系統(tǒng)調(diào)試前的準(zhǔn)備工作

1)熟悉設(shè)計(jì)過程。

2)熟悉現(xiàn)場(chǎng)空置系統(tǒng)元部件的情況。

3)系統(tǒng)調(diào)試是在按設(shè)計(jì)圖樣要求接線無誤的前提下進(jìn)行的。

4)寫出調(diào)試大綱，明確調(diào)試順序。

5)準(zhǔn)備好必要的調(diào)試設(shè)備和工具等。

6)準(zhǔn)備好記錄的相關(guān)準(zhǔn)備工作。

7)清理和隔離調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)，使調(diào)試人員處于進(jìn)行活動(dòng)最方便的位置，各就各位。二、制訂調(diào)試大綱的原則調(diào)試的順序大致是：

1)先單元，后系統(tǒng)。

2)先控制電路，后主電路。

3)先檢驗(yàn)保護(hù)環(huán)節(jié)，后投入運(yùn)行。

4)通電調(diào)試時(shí)，先用電阻負(fù)載代替電動(dòng)機(jī)，待電路正常后，再換接電動(dòng)機(jī)負(fù)載。

5)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試的關(guān)鍵是電動(dòng)機(jī)投入運(yùn)轉(zhuǎn)投入運(yùn)行時(shí)，一般先加低給定電壓開環(huán)起動(dòng)，然后逐漸加大反饋量(和給定量)。

6)對(duì)多環(huán)系統(tǒng)，一般為先調(diào)內(nèi)環(huán)，后調(diào)外環(huán)。

7)對(duì)加載試驗(yàn)，一般應(yīng)先輕載后重載；先低速后高速，高、低速都不可超過限制值。

8)系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，應(yīng)首先使系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，通常先將PI調(diào)節(jié)器的積分電容短接，待穩(wěn)定后再恢復(fù)PI調(diào)節(jié)器，繼續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

9)先調(diào)整穩(wěn)態(tài)精度，后調(diào)整動(dòng)態(tài)指標(biāo)。

10)分析系統(tǒng)的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能的數(shù)據(jù)和波形記錄，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。找出系統(tǒng)參數(shù)配置中的問題。在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，作進(jìn)一步的改進(jìn)調(diào)試，最終達(dá)到系統(tǒng)需要的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的所用功能。三、系統(tǒng)調(diào)試步驟（1）電氣系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試。

（2）執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試。（3）單元系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試。（4）控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行測(cè)試（聯(lián)調(diào)）。四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試過程案例

現(xiàn)以采用分立元器件模擬控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為例來重點(diǎn)闡述單元系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的具體調(diào)試過程，以期達(dá)到對(duì)系統(tǒng)調(diào)試的進(jìn)一步理解。1.系統(tǒng)控制電路各單元和部件的檢查和測(cè)試。2.系統(tǒng)主電路和繼電保護(hù)電路的檢查及電流開環(huán)的整定。3.系統(tǒng)開環(huán)調(diào)試及速度環(huán)整定。4.系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試。第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的維護(hù)與維修掌握要領(lǐng)、正確使用、維護(hù)檢查、及時(shí)修理，是充分發(fā)揮自動(dòng)控制裝置性能、提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量的根本保證。一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的維護(hù)

自動(dòng)控制系統(tǒng)的維護(hù)可分為日常維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)。1.維護(hù)前的準(zhǔn)備工作1）首先根據(jù)設(shè)計(jì)方案提供的文檔資料，理解系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路。2）熟悉系統(tǒng)外部接線，了解各功能模塊的控制原理，形成各模塊的信息流與控制流概念。3）了解系統(tǒng)儀表和控制部件信息4）完成系統(tǒng)的備份，包括軟件備份和硬件備份。5）制作和完善服務(wù)資料。2.自動(dòng)控制系統(tǒng)的日常維護(hù)1）完善自動(dòng)控制管理制度。2）保證空調(diào)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，保證室溫和濕度在系統(tǒng)的要求范圍內(nèi)。3）盡量避免電磁場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的干擾，避免移動(dòng)運(yùn)行中的操作站、顯示器等。4）注意防塵，現(xiàn)場(chǎng)與控制室合理隔離，并定時(shí)清掃，保持清潔。5）做好控制子目錄文件的備份工作。6）定期檢查控制主機(jī)、顯示器、鼠標(biāo)等。7）查看系統(tǒng)故障自診斷信息。3.自動(dòng)控制系統(tǒng)的預(yù)防性維護(hù)定期維護(hù)主要工作包括以下內(nèi)容：1）外表檢查。2）查對(duì)接線。3）接地檢查。4）元器件完整性檢查。5）絕緣性能檢查。6）電氣性能檢查。大修期間應(yīng)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行徹底的維護(hù)：1）對(duì)冗余電源、服務(wù)器、控制器進(jìn)行冗余測(cè)試。2）對(duì)操作站、控制站停電檢修。3）對(duì)系統(tǒng)供電線路檢修。4）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備檢修。5）主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)前對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)檢查。6）主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行檢查。大修后系統(tǒng)維護(hù)負(fù)責(zé)人應(yīng)確認(rèn)條件具備方可上電，并應(yīng)嚴(yán)格遵照上電步驟。二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的維修1.自動(dòng)控制系統(tǒng)故障的分級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的故障一般分為4個(gè)等級(jí)1）第一級(jí)故障。這是最嚴(yán)重的一種故障情況，容易發(fā)生不堪設(shè)想的后果。2）第二級(jí)故障。這類故障對(duì)系統(tǒng)的控制過程產(chǎn)生一定的影響，這種影響軟件無法做到自行糾正和處理。3）第三級(jí)故障。這類故障一般不對(duì)系統(tǒng)的控制過程產(chǎn)生即時(shí)的影響，且系統(tǒng)本身的故障處理程序可以在后臺(tái)自行糾正處理相關(guān)問題4)第四級(jí)故障。這類故障通常為一般的小錯(cuò)誤或者異常情況，不會(huì)產(chǎn)生是影響。2.系統(tǒng)的故障診斷與排除控制系統(tǒng)故障診斷技術(shù)目前已是自動(dòng)控制領(lǐng)域重要的研究方向，已提出了很多故障診斷方法。借助計(jì)算機(jī)和先進(jìn)的理論技術(shù)，很多自動(dòng)控制系統(tǒng)具有故障自診斷功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生故障前的狀態(tài)信息給出故障代碼或者故障的原因。很多廠家的說明書中也會(huì)給出其產(chǎn)品的常見故障現(xiàn)象、可能原因、檢查要點(diǎn)和處理建議，這些都為故障快速排除提供了極大幫助。表10-2給出了晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的常見故障，可能原因，檢查的方法和處理建議。表10-2晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的常見故障、可能原因、

檢查方法和處理建議表10-3FRN-G95/P9S系列變頻器的保護(hù)功能、故障情況、

檢查要點(diǎn)和處理方法小結(jié)

(1)對(duì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行分析，應(yīng)該先作定性分析，后作定量分析。即首先把基本的工作原理搞清楚?？梢园央娐贩殖扇舾蓚€(gè)單元，對(duì)每一個(gè)單元又可分成若干個(gè)環(huán)節(jié)。這樣先化整為零，弄清每個(gè)環(huán)節(jié)中每個(gè)元件的作用；然后再集零為整，抓住每個(gè)環(huán)節(jié)的輸入和輸出兩頭，搞清各單元和各環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，統(tǒng)觀全局，搞清系統(tǒng)的工作原理。在此基礎(chǔ)上，可建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，畫出系統(tǒng)的框圖。在系統(tǒng)框圖的基礎(chǔ)上，就可以分析那些關(guān)系到系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)、穩(wěn)態(tài)技術(shù)性能的參量的選擇，和這些參量對(duì)系統(tǒng)性能的影響。以便在調(diào)試實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，做到心中有數(shù)，有的放矢。

(2)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，首先要做好必要的準(zhǔn)備工作，主要是檢查接線是否正確和各單元是否正常，并且準(zhǔn)備好必要的儀器，制訂調(diào)試大綱，明確并列出調(diào)試順序和步驟。然后再逐步地進(jìn)行調(diào)試，并作好調(diào)試記錄。當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定或性能達(dá)不到要求時(shí)，則可從各級(jí)輸出(如主回路的電壓、電流，調(diào)節(jié)器的輸出電壓，反饋電壓等)的波形中找出影響系統(tǒng)性能的主要原因。從而制訂出改進(jìn)系統(tǒng)性能的方案。（3）自動(dòng)控制系統(tǒng)的維護(hù)