自動控制技術(shù)（第二版）技工全套教學(xué)課件

自動控制技術(shù)（第二版）1全套可編輯PPT課件目錄/content第一章｜自動控制的基本概念緒論第三章｜直流調(diào)速系統(tǒng)第二章｜自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例第五章｜異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)第四章｜直流可逆調(diào)速系統(tǒng)2全套可編輯PPT課件自動控制技術(shù)（第二版）3緒論4全套可編輯PPT課件緒論古代人類在長期的生產(chǎn)和生活中，為了減輕自己的勞動強度，逐漸學(xué)習(xí)利用自然界的動力（如風(fēng)力、水力等）代替人力、畜力，以及用自動裝置代替人的部分腦力勞動和對自然界動力的控制。公元前１４世紀(jì)至公元前１１世紀(jì)，中國和巴比倫出現(xiàn)了自動計時裝置———刻漏，為人類研制和使用自動裝置之始。公元１７８８年英國機械師瓦特發(fā)明離心式調(diào)速器，并把它與蒸汽機的閥門連接起來，構(gòu)成蒸汽機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)。這項發(fā)明對第一次工業(yè)革命和控制理論的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。5全套可編輯PPT課件緒論近些年來，自動控制技術(shù)迅猛發(fā)展，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防建設(shè)以及航空、航天事業(yè)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，成為促進當(dāng)代生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)進步的重要因素。自動控制是指在無人直接參與的情況下，利用自動控制裝置（簡稱控制器）使整個生產(chǎn)或工作機械（稱為被控對象）自動按預(yù)先設(shè)定的規(guī)律運行，或使它的某些物理量（稱為被控量）按預(yù)定的要求變化。6緒論事實上，任何技術(shù)設(shè)備、工作機械或生產(chǎn)過程都必須按某種要求運行。例如，要想發(fā)電機正常供電，其輸出的電壓和頻率就必須保持基本恒定，盡量不受用電負(fù)荷變化的影響；要使電動機轉(zhuǎn)速恒定，就得根據(jù)電源電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化及時控制電動機，使其轉(zhuǎn)速盡量不受干擾；要使烘烤爐烤出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，就必須嚴(yán)格控制爐溫，使溫度保持恒定或按某種規(guī)律變化；要使火炮能自動跟蹤并命中目標(biāo)，炮身就必須按照指揮儀的命令做相應(yīng)的方位角和俯仰角變動；要把數(shù)噸重的人造衛(wèi)星送入數(shù)百公里外的高空軌道，使其攜帶的各種儀器能長期、準(zhǔn)確地工作，就必須保持衛(wèi)星的正確姿態(tài)，使它的太陽能電池一直朝向太陽，無線電發(fā)射天線一直指向地球。所有的這一切都是以高水平的自動控制技術(shù)為前提的。7緒論近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)和理論除了廣泛應(yīng)用于機械、冶金、石油、化工、電子、電力、航海、航空、航天、核反應(yīng)堆等領(lǐng)域外，其在人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其他社會生活領(lǐng)域也得到了擴展，為各專業(yè)之間的相互滲透起了促進作用?？梢哉f，自動控制技術(shù)的應(yīng)用，使生產(chǎn)過程實現(xiàn)了自動化，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本、提高了經(jīng)濟效益、改善了勞動條件，而且在人類征服大自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和創(chuàng)造人類文明等方面都具有十分重要的意義，是實現(xiàn)數(shù)字化、智能化的重要支撐。作為現(xiàn)代工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者，必須具備一定的自動控制理論知識。8自動控制的基本概念第一章9全套可編輯PPT課件１－１

人工控制與自動控制１－２

開環(huán)控制１－３

閉環(huán)控制１－４

自動控制系統(tǒng)的組成１－５

自動控制系統(tǒng)的分類第一章10全套可編輯PPT課件１－１

人工控制與自動控制第一章11全套可編輯PPT課件學(xué)習(xí)目標(biāo)１.了解人工控制與自動控制的基本概念。２.熟悉開環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及特點。３.熟悉閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及特點。４.掌握自動控制系統(tǒng)的組成。５.了解自動控制系統(tǒng)的分類。12１－１

人工控制與自動控制在工業(yè)生產(chǎn)過程和設(shè)備運行中，為了維持正常的工作條件，往往需要對某些物理量（如溫度、壓力、流量、液位、電壓、位移、轉(zhuǎn)速等）進行控制，使其盡量維持在某個數(shù)值附近或按一定規(guī)律變化。要滿足這種需要，就得對生產(chǎn)機械或設(shè)備進行及時的操作和控制，以抵消外界的擾動和影響。這種操作和控制，既可由人工操作來完成，也可由自動裝置的操作來實現(xiàn)，前者稱為人工控制或手動控制，后者稱為自動控制。13圖１－１

人工控制的水位恒定供水系統(tǒng)１－１

人工控制與自動控制圖１－１所示為人工控制的水位恒定供水系統(tǒng)。其中，水池中的水不斷經(jīng)出水管道流出，以供用戶使用。隨著用水量的增多，水池中的水位下降，這時若要保持水位高度不變，就得控制進水閥門，增加進水量以作補充。一、人工控制在本例中，進水閥門的開啟程度（簡稱開度）并非是一成不變的，而是要根據(jù)實際水位進行操控。14一、人工控制上述過程可用人工控制加以實現(xiàn)，正確的操作步驟如下：（１）記住期望水位要求。（２）目測或通過測量工具測量出水池的實際水位。（３）將期望水位與實際水位進行比較、計算，從而得出誤差值。（４）按照誤差的大小和正負(fù)性質(zhì)人工調(diào)節(jié)進水閥門。由于圖１－１中由人直接參與控制，故稱為人工控制。在本例中，水池的水位是被控制的物理量，簡稱被控量。水池這個設(shè)備是控制的對象，簡稱對象。人工控制的過程是測量、求誤差、控制、再測量、再求誤差、再控制這樣一種不斷循環(huán)的過程。其控制目的是要盡量減小誤差，使被控量盡可能地保持在期望值附近。１－１

人工控制與自動控制15１－１

人工控制與自動控制圖１－２簡單的水位自動控制系統(tǒng)利用某些裝置替代人工操作的控制方案就稱為自動控制。圖１－２所示為簡單的水位自動控制系統(tǒng)。圖中浮子用來測量水位高低；杠桿用來計算誤差和執(zhí)行控制操作。一、人工控制杠桿的一端由浮子通過連桿帶動，另一端則連向進水閥門。當(dāng)用水量增大時，水位開始下降，浮子也隨之降低，杠桿的作用使進水閥門往上提，開度增大，進水量增加，使水位回至期望值附近。反之，若用水量變小，水位及浮子上升，進水閥門關(guān)小，減少進水量，水位自動下降至期望值附近。16１－１

人工控制與自動控制上述整個過程沒有人的直接參與，故為自動控制過程。其自動控制的工作步驟可歸納如下：（１）利用連桿的長度標(biāo)定水位的期望值。（２）當(dāng)水位超過或低于期望值時，水位誤差被浮子檢測出來，并通過杠桿作用控制進水閥門，從而產(chǎn)生自動控制作用。（３）按減小誤差的方向控制進水閥門的開度。圖１－２所示的水位恒定系統(tǒng)雖然可實現(xiàn)自動控制，但由于結(jié)構(gòu)簡單而存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)在被控制的水位高度將隨出水量的變化而變化。出水量越多，水位就越低，偏離期望值就越遠(yuǎn)，即誤差越大。也就是說，控制的結(jié)果總存在著一定范圍的誤差。一、人工控制17１－１

人工控制與自動控制產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)出水量增加時，為了使水位基本保持恒定，就得開大進水閥門，使水流進入水池以作補充。要開大進水閥門，唯一的途徑是浮子要下降更多，這就意味著控制的結(jié)果是水位要偏離期望值而降低，于是整個系統(tǒng)將在較低的水位建立起新的平衡狀態(tài)。一、人工控制為克服上述缺陷，可在原系統(tǒng)中增加一些設(shè)備組成較完善的水位自動控制系統(tǒng)，如圖１－３所示。這里浮子仍是測量元件，連桿起著比較作用，它將期望水位與實際水位進行比較，得出誤差，并以運動的形式推動電位器的滑動觸點做上下移動。圖１－３較完善的水位自動控制系統(tǒng)18１－１

人工控制與自動控制電位器輸出電壓的高低和極性充分反映出誤差的性質(zhì)（大小和方向）。電位器輸出的微弱電壓經(jīng)放大器放大后，用以控制直流伺服電動機，其轉(zhuǎn)軸經(jīng)減速器降速后拖動進水閥門，作為施加于系統(tǒng)的控制作用。在正常情況下，實際水位等于期望值，此時，電位器的滑動觸點居中，ｕｅ＝０。當(dāng)出水量增大，浮子下降時，它帶動電位器滑動觸點向上移動，輸出電壓ｕｅ（＞０）經(jīng)放大器放大成ｕａ后控制電動機做正向旋轉(zhuǎn)，以增大進水閥門的開度，促使水位回升。只有當(dāng)實際水位恢復(fù)到期望值時，才能使ｕｅ＝０，控制作用結(jié)束。一、人工控制19１－１

人工控制與自動控制本控制系統(tǒng)的優(yōu)點是無論出水量多少，自動控制的結(jié)果總是使實際水位的高度接近于期望值，不致出現(xiàn)大誤差，從而大大提高了控制的精度。上述自動控制和人工控制極為相似。自動控制系統(tǒng)只不過是把某些裝置組合在一起，以代替人的控制。圖１－３中的浮子相當(dāng)于人的眼睛，連桿和電位器相當(dāng)于人的大腦，電動機相當(dāng)于人的手，等等。由于這些裝置擔(dān)負(fù)著控制的職能，通常稱為控制器。任何一個控制系統(tǒng)，都是由被控制對象和控制器兩大部分組成的。一、人工控制20１－2開環(huán)控制第一章21１－2開環(huán)控制圖１－４他勵直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類。本書將以直流電動機的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為例，分別介紹開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及運行特點。圖１－４所示的他勵直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)就是一種開環(huán)控制系統(tǒng)。它的任務(wù)是控制電動機使其以恒定的轉(zhuǎn)速帶動負(fù)載工作。22１－2開環(huán)控制該系統(tǒng)的工作原理是：調(diào)節(jié)電位器ＲＰ的滑臂，使其給出某個給定電壓ｕｇｄ。該電壓經(jīng)電壓放大和功率放大后成為ｕａ，再送往電動機的電樞，用于控制電動機轉(zhuǎn)速。由于他勵直流電動機的轉(zhuǎn)速ｎ與電樞電壓ｕａ成正比（對同一負(fù)載而言），因此，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩ｍｆｚ不變時，只要改變給定電壓ｕｇｄ，便可得到不同的電動機轉(zhuǎn)速ｎ。換言之，ｕｇｄ與ｎ具有一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。在本系統(tǒng)中，直流電動機是被控對象，電動機的轉(zhuǎn)速ｎ是被控量。若把全系統(tǒng)作為一個整體來看，電動機轉(zhuǎn)速ｎ是被控對象中需要嚴(yán)加控制的物理量，稱為系統(tǒng)的輸出量或輸出信號。ｎ的大小由給定電壓ｕｇｄ所決定，ｕｇｄ是原因，ｎ是結(jié)果，通常把給定電壓ｕｇｄ稱為系統(tǒng)的輸入量或輸入信號。23１－2開環(huán)控制就圖１－４而言，只有輸入量ｕｇｄ對輸出量ｎ的單向控制作用，而輸出量ｎ對輸入量ｕｇｄ沒有任何影響，即系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，故稱這種系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)。直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)可用圖１－５所示的框圖來表示。圖中用方框代表系統(tǒng)中具有相應(yīng)職能的元件，用箭頭表示元件之間信號的傳遞方向。電動機負(fù)載轉(zhuǎn)矩ｍｆｚ的任何變動，均會構(gòu)成對輸出量ｎ的影響。24１－2開環(huán)控制換言之對恒速控制系統(tǒng)來說，作用于電動機軸上的阻力距ｍｆｚ將對系統(tǒng)的輸出起破壞作用，這種作用稱為干擾或擾動，在圖１－５中用一個作用在電動機上的箭頭表示。25圖１－５直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)框圖開環(huán)控制系統(tǒng)的精度，主要取決于ｕｇｄ的標(biāo)定精度以及控制裝置參數(shù)的穩(wěn)定程度，系統(tǒng)沒有抵抗外部干擾的能力，故控制精度較低。但由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、造價較低，故在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定、沒有干擾作用或所受干擾較小的場合下，仍會大量使用。１－3閉環(huán)控制第一章26１－3閉環(huán)控制27開環(huán)控制系統(tǒng)的缺點是精度不高和適應(yīng)性較差，造成這種缺點的主要原因是缺乏從系統(tǒng)輸出端至輸入端的反饋回路。要克服這些缺點，就必須引入反饋環(huán)節(jié)，測出輸出量，并經(jīng)物理轉(zhuǎn)換后反饋到輸入端，使輸出量對控制作用有直接影響。引入反饋回路的目的是要實現(xiàn)自動控制，提高控制質(zhì)量。在圖１－４所示的直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)中，加入一臺測速發(fā)電機，并對電路稍作改變，便構(gòu)成圖１－６所示的直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。１－3閉環(huán)控制28在圖１－６中，測速發(fā)電機由電動機同軸帶動，用于測量系統(tǒng)的輸出量，即電動機的實際轉(zhuǎn)速ｎ，然后轉(zhuǎn)換成電壓ｕｆ，再反送到系統(tǒng)的輸入端，與給定值（系統(tǒng)的輸入量）進行比較，從而得出電壓ｕｅ＝ｕｇｄ－ｕｆ。。圖１－６直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)由于該電壓能間接反映誤差性質(zhì)（大小和正負(fù)方向），通常稱之為偏差信號，簡稱偏差。偏差ｕｅ經(jīng)放大器放大成ｕａ后，作為電樞電壓控制電動機轉(zhuǎn)速ｎ。１－3閉環(huán)控制29直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)可用圖１－７所示的框圖來表示。通常將從系統(tǒng)輸入量至輸出量之間的信號傳輸通道稱為前向通道，從輸出量至反饋信號之間的信號傳輸通道稱為反饋通道?？驁D中用符號“”表示比較環(huán)節(jié)，其輸出量等于各個輸入量的代數(shù)和。因此，各個輸入量均須用正負(fù)號表明其極性。圖１－７

直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖由于采用了反饋回路，因此信號的傳送路徑形成閉合環(huán)路，使輸出量反過來直接影響控制作用。這種通過反饋回路使系統(tǒng)形成閉合環(huán)路，并按偏差ｕｅ的性質(zhì)產(chǎn)生控制作用，以減小或消除偏差的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng)。１－3閉環(huán)控制30閉環(huán)控制系統(tǒng)具有很強的糾偏能力，對干擾作用具有良好的適應(yīng)性。如圖１－６所示，設(shè)系統(tǒng)在給定電壓ｕｇｄ對應(yīng)的狀態(tài)下運行，此時電動機轉(zhuǎn)速為ｎ，一旦受到某些干擾（如負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大）而引起轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)就自動地產(chǎn)生以下調(diào)整過程：自動控制的結(jié)果，就是電動機的轉(zhuǎn)速得到自動補償，被控量ｎ基本保持恒定。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)采用了負(fù)反饋回路，故系統(tǒng)對來自外部的干擾（如電源電壓波動或變化）有自動補償作用，而對來自內(nèi)部的干擾（如元件本身的參數(shù)變動）不甚敏感。這樣就可以選用不太精密的元件去構(gòu)成較為精密的控制系統(tǒng)。１－3閉環(huán)控制31但是，閉環(huán)控制系統(tǒng)也有它的缺點，主要是反饋裝置設(shè)備增多，導(dǎo)致線路復(fù)雜。此外，對于一些慣性較大的系統(tǒng)，若參數(shù)配合不當(dāng)，控制過程可能變得很差，甚至出現(xiàn)發(fā)散或等幅振蕩等不穩(wěn)定的情況。必須指出，對主反饋而言，只有按負(fù)反饋原理組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，才能實現(xiàn)自動控制的功能。若采用正反饋（ｕｅ＝ｕｇｄ＋ｕｆ），不但無法糾正偏差，反而會使偏差越來越大，最終導(dǎo)致系統(tǒng)無法工作。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)具有很強的自動糾偏能力，且控制精度較高，因而在工程中獲得廣泛應(yīng)用。通常所說的自動調(diào)節(jié)（控制）系統(tǒng)，就是指帶有反饋裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種按偏差控制的閉環(huán)系統(tǒng)種類繁多，盡管它們所要完成的任務(wù)不同（如液位控制、轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、壓力控制等），具體結(jié)構(gòu)千差萬別，但是，從檢測出偏差到利用偏差進行控制，再到減小或消除偏差的控制過程都是相同的。１－3閉環(huán)控制32歸納起來，自動控制系統(tǒng)的特征主要有：（１）在結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)必須具有反饋裝置，并按負(fù)反饋的原則組成系統(tǒng)。采用負(fù)反饋，可以不斷檢測被控量，并將其變換成與輸入量相同的物理量，再反饋到輸入端，以便與輸入量進行比較。（２）由偏差產(chǎn)生控制作用。系統(tǒng)必須按照偏差的性質(zhì)（大小、方向）進行正確的控制，故系統(tǒng)中必須具有執(zhí)行糾偏任務(wù)的執(zhí)行機構(gòu)。控制系統(tǒng)正是靠放大了的偏差信號來推動執(zhí)行機構(gòu)，以便對被控對象進行控制。無論什么原因引起被控量偏離期望值而出現(xiàn)誤差，相應(yīng)的偏差信號都會隨之出現(xiàn)，系統(tǒng)必然產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，以便糾正偏差。（３）控制的目的是力圖減小或消除偏差，使被控量盡量接近期望值。１－4自動控制系統(tǒng)的組成第一章33１－4自動控制系統(tǒng)的組成34圖１－８典型自動控制系統(tǒng)的功能框圖一、自動控制系統(tǒng)的基本組成自動控制系統(tǒng)按其被控對象和具體用途的不同，可以有各式各樣的結(jié)構(gòu)形式。但是，從工作原理來看，自動控制系統(tǒng)通常都是由一些具有不同職能的基本元件組成的。圖１－８所示為一個典型自動控制系統(tǒng)的功能框圖。圖中每一個方框，代表一個具有特定功能的元件。由圖可見，一個完善的自動控制系統(tǒng)通常都是由測量反饋元件、比較元件、放大元件、校正元件、執(zhí)行元件以及控制對象等基本環(huán)節(jié)組成的。通常把圖中除控制對象以外的所有元件合并在一起，稱為控制器。１－4自動控制系統(tǒng)的組成35圖１－８所示框圖中主要元件的功能如下：校正元件———按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號，改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。圖中串聯(lián)校正元件和并聯(lián)校正元件是為了改善系統(tǒng)的控制性能而引入的校正環(huán)節(jié)。執(zhí)行元件———根據(jù)偏差信號的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用，使被控量按期望值變化?？刂茖ο蟆址Q被控對象或受控對象，通常是指生產(chǎn)過程中需要進行控制的工作機械或生產(chǎn)過程。被控對象需要控制的物理量稱為被控量。測量反饋元件———用以測量被控量，并將其轉(zhuǎn)換成與輸入量同類的物理量，再反饋至輸入端以作比較。比較元件———用來比較輸入信號與反饋信號，并產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。放大元件———將微弱的偏差信號放大。１－4自動控制系統(tǒng)的組成36二、自動控制系統(tǒng)的常用名詞自動控制系統(tǒng)：由被控對象和自動控制裝置按一定方式組合，以完成某種自動控制任務(wù)的整體。輸入信號：又稱參考輸入，通常是指給定值，它是控制輸出量變化規(guī)律的指令信號。輸出信號：指被控對象中要求按某種規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號：取自系統(tǒng)（或元件）輸出端并反向送回系統(tǒng)（或元件）輸入端的信號。反饋有主反饋和局部反饋之分。１－4自動控制系統(tǒng)的組成37二、自動控制系統(tǒng)的常用名詞偏差信號：指參考輸入信號與主反饋信號之差。偏差信號簡稱偏差，其實質(zhì)是從輸入端定義的誤差信號。誤差信號：指系統(tǒng)輸出量的實際值與期望值之差，簡稱誤差，其實質(zhì)是從輸出端定義的誤差信號。顯然，在單位反饋（反饋信號不經(jīng)放大直接送入比較元件）的情況下，誤差值也就是偏差值，二者是相等的。擾動信號：簡稱擾動或干擾，它與控制作用相反，是一種不希望存在的、能破壞系統(tǒng)輸出規(guī)律的不利因素。擾動信號既可能來自系統(tǒng)內(nèi)部，也可能來自系統(tǒng)外部，前者稱內(nèi)部擾動，后者稱外部擾動。１－5自動控制系統(tǒng)的分類第一章38１－5自動控制系統(tǒng)的分類39自動控制系統(tǒng)的種類繁多，應(yīng)用范圍廣泛，它們的結(jié)構(gòu)、性能乃至控制任務(wù)也各不相同，因而分類方法很多，不同的分類原則會產(chǎn)生不同的分類結(jié)果。根據(jù)有無反饋裝置系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；根據(jù)組成系統(tǒng)的元件是線性還是非線性，系統(tǒng)可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；根據(jù)系統(tǒng)中傳遞的信號是時間連續(xù)信號還是時間離散信號，系統(tǒng)可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散時間控制系統(tǒng)等。最常見的分類原則是根據(jù)輸入信號的特征分類。按照輸入信號變化的規(guī)律，可將控制系統(tǒng)分為三類，即恒值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng)。40一、恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)又稱為自動調(diào)整系統(tǒng)，其特點是輸入信號為某個常數(shù)，故稱為恒值。由于擾動的出現(xiàn)，會使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差，所以恒值控制系統(tǒng)的特點是能夠根據(jù)偏差的性質(zhì)產(chǎn)生控制作用，使被控量以一定的精度恢復(fù)到期望值附近。前面介紹過的水位控制系統(tǒng)及轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)均屬恒值控制系統(tǒng)。此外，生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用的溫度、壓力、流量等參數(shù)控制，大多采用的也都是恒值控制系統(tǒng)。１－5自動控制系統(tǒng)的分類41二、程序控制系統(tǒng)此類系統(tǒng)的輸入信號不是常數(shù)，而是會按預(yù)先設(shè)定的時間函數(shù)進行變化。如熱處理爐溫控制系統(tǒng)中的升溫、保溫、降溫等過程，都是按照某種預(yù)先設(shè)定的規(guī)律或程序進行控制的。又如機械加工中的程序控制機床，如仿形車床、仿形銑床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等，都是按照某種預(yù)先設(shè)定的程序進行工作的。１－5自動控制系統(tǒng)的分類42三、隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)又稱自動跟蹤系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的輸入信號是隨預(yù)先未知的時間任意變化的函數(shù)。隨動控制系統(tǒng)能使被控量以盡可能高的精度跟蹤給定值的變化，也能克服擾動的影響，但一般來說，擾動的影響是次要的。許多自動化武器是由隨動控制系統(tǒng)裝備起來的，如炮瞄雷達的自動跟蹤、火炮的自動瞄準(zhǔn)、導(dǎo)彈的制導(dǎo)、衛(wèi)星的發(fā)射和回收等。民用工業(yè)中的船舶隨動舵、數(shù)控切割機、軋鋼車間的飛剪機以及儀表工業(yè)中的多種自動記錄儀表等，均屬隨動控制系統(tǒng)。１－5自動控制系統(tǒng)的分類感謝傾聽43自動控制技術(shù)（第二版）44自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例第二章452－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例2－２

隨動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例2－３

程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例2－４

自動控制系統(tǒng)的性能要求第二章462－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例第二章47學(xué)習(xí)目標(biāo)１.了解恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例。２.了解隨動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例。３.了解程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例。４.掌握自動控制系統(tǒng)的性能要求。48２－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例49一、蒸汽機轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)采用瓦特發(fā)明的離心調(diào)速器設(shè)計的蒸汽機轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)，如圖２－１所示。離心調(diào)速器主要由傘形齒輪、套筒、彈簧、飛錘等構(gòu)成。圖２－１蒸汽機轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)工作原理：蒸汽機在帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動的同時，通過傘形齒輪帶動一對飛錘做水平旋轉(zhuǎn)。飛錘通過鉸鏈可以帶動套筒上下滑動，套筒內(nèi)裝有平衡彈簧，套筒上下滑動時可撥動杠桿，杠桿另一端通過連桿調(diào)節(jié)供氣閥門的開度。50２－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例一、蒸汽機轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)蒸汽機正常運行時，飛錘旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力與平衡彈簧的反彈力相平衡，套筒保持某個高度，使閥門處于一個平衡位置（開度）。如果負(fù)載增大而導(dǎo)致蒸汽機轉(zhuǎn)速ｎ下降，則飛錘因離心力減小而使套筒向下滑動，并通過杠桿增大供氣閥門的開度，使更多蒸汽進入蒸汽機，促使其轉(zhuǎn)速ｎ回升。同理，若蒸汽機因負(fù)載減小而引起轉(zhuǎn)速ｎ增大，則飛錘因離心力增大而使套筒上滑，并通過杠桿減小供氣閥門的開度，蒸汽流量減少，迫使蒸汽機轉(zhuǎn)速自動回落。這樣離心調(diào)速器就能自動消除負(fù)載變化對轉(zhuǎn)速的影響，使蒸汽機的轉(zhuǎn)速ｎ基本保持在某個期望值附近。51２－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例一、蒸汽機轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)本系統(tǒng)中，蒸汽機是控制對象，蒸汽機的轉(zhuǎn)速ｎ是被控量。轉(zhuǎn)速ｎ經(jīng)離心調(diào)速器測出并轉(zhuǎn)換成套筒的位移量后，經(jīng)杠桿傳送至供氣閥門，以控制蒸汽機的轉(zhuǎn)速，從而構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。離心調(diào)速器除了應(yīng)用在蒸汽機上發(fā)揮調(diào)速作用外，也常用于水力發(fā)電站中控制水力透平機的轉(zhuǎn)速。52２－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例圖２－２爐溫自動控制系統(tǒng)原理圖二、爐溫自動控制系統(tǒng)圖２－２所示為爐溫自動控制系統(tǒng)原理圖。圖中電爐采用電加熱的方式運行，加熱器產(chǎn)生的熱量與施加的電壓ｕｃ的平方成正比，ｕｃ增高，爐溫上升。本系統(tǒng)中，ｕｃ的高低由調(diào)壓器滑動觸點的位置控制，該觸點由可逆直流電動機驅(qū)動。53２－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例二、爐溫自動控制系統(tǒng)電爐的實際溫度采用熱電偶測出，并轉(zhuǎn)換成毫伏級的電壓信號，記為ｕｆ。ｕｆ作為系統(tǒng)的反饋電壓送往輸入端與給定電壓ｕｇｄ進行比較，得出偏差電壓ｕｅ＝ｕｇｄ－ｕｆ。ｕｅ經(jīng)電壓放大器放大成ｕ１，再經(jīng)功率放大器放大成ｕａ后，作為控制可逆直流電動機的電樞電壓。當(dāng)ｕａ＞０時，可逆直流電動機正轉(zhuǎn)，帶動調(diào)壓器滑動觸點位置移動，ｕｃ增高，爐溫上升；反之，當(dāng)ｕａ＜０時，可逆直流電動機反轉(zhuǎn)，帶動調(diào)壓器滑動觸點位置移動，ｕｃ降低，爐溫下降。54２－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例二、爐溫自動控制系統(tǒng)正常情況下，爐溫等于某個期望值ｔ，熱電偶的輸出電壓ｕｆ正好等于給定電壓ｕｇｄ。此時，ｕｅ＝ｕｇｄ－ｕｆ＝０，故ｕ１＝ｕａ＝０，可逆直流電動機不轉(zhuǎn)動，調(diào)壓器的滑動觸點停留在某個合適的位置上，使ｕｃ保持一定的數(shù)值。這時電爐散失的熱量正好等于從加熱器吸取的熱量，形成一個穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。55２－１

恒值控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例若爐膛溫度ｔ由于某種原因（干擾）而下降（如電爐門打開造成熱量流失），則系統(tǒng)將出現(xiàn)以下控制過程：控制結(jié)果是爐膛溫度自動回升，直至爐膛溫度重新等于期望值為止。顯然，爐溫自動控制系統(tǒng)也是一個帶反饋裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)。上述兩個實例是典型的恒值控制系統(tǒng)，控制結(jié)果是，當(dāng)實際值偏離期望值時，系統(tǒng)將自動調(diào)整使得實際值盡量等于期望值。2－2隨動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例第二章5657２－2隨動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例一、導(dǎo)彈發(fā)射架的方位控制系統(tǒng)圖２－３所示是一個控制導(dǎo)彈發(fā)射架方位的隨動控制系統(tǒng)。圖中電位器ＲＰ１和ＲＰ２并聯(lián)后跨接到同一電源Ｅ０的兩端，其滑臂分別與輸入軸和輸出軸相連接，以組成方位角的給定裝置和反饋裝置。輸入軸由手輪操縱，輸出軸則由直流電動機經(jīng)減速器減速后帶動，直流電動機采用電樞電壓控制的方式工作。圖２－３導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)58２－2隨動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例當(dāng)搖動手輪使電位器ＲＰ１的滑臂轉(zhuǎn)過一個輸入角θｉ的瞬間，由于輸出軸的轉(zhuǎn)角θｏ≠θｉ，于是出現(xiàn)一個角差θｅ，即θｅ＝θｉ－θｏ

（２－１）該角差通過電位器ＲＰ１和ＲＰ２轉(zhuǎn)換成電壓，并以偏差電壓ｕｅ的形式體現(xiàn)出來，即ｕｅ＝ｕｉ－ｕｏ

（２－２）顯然，若θｉ＞θｏ，則ｕｉ＞ｕｏ，ｕｅ＝ｕｉ－ｕｏ＞０。該偏差電壓經(jīng)放大器放大后驅(qū)動直流電動機做正向轉(zhuǎn)動，帶動導(dǎo)彈發(fā)射架轉(zhuǎn)動，并通過輸出軸帶動電位器ＲＰ２的滑臂轉(zhuǎn)過一定的角度，直至θｏ＝θｉ，θｅ＝０，偏差電壓ｕｅ＝０，ｕａ＝０，直流電動機才停止轉(zhuǎn)動。這時，導(dǎo)彈發(fā)射架就停留在相應(yīng)的方位角上。也就是說，隨動控制系統(tǒng)輸出軸的運動已經(jīng)完全復(fù)現(xiàn)（重演）了輸入軸的運動?？梢?，隨動控制系統(tǒng)是角度的控制系統(tǒng)，其中的輸出角總是跟隨輸入角的變化而變化。59２－2隨動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例該系統(tǒng)的框圖如圖２－４所示。其中，作為系統(tǒng)輸出量的方位角θｏ是全部（不是一部分）直接反饋到輸入端與輸入量θｉ進行比較的，故稱為全反饋系統(tǒng)或單位反饋系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，只要θｏ≠θｉ，系統(tǒng)就會出現(xiàn)偏差，從而產(chǎn)生控制作用，控制的結(jié)果是消除偏差角θｅ，使輸出量θｏ嚴(yán)格地跟隨輸入量θｉ變化而變化，因而隨動控制系統(tǒng)又稱同步跟蹤系統(tǒng)。此外，由于轉(zhuǎn)動手輪所需能量甚小，而導(dǎo)彈連同發(fā)射架的質(zhì)量卻很大，因此轉(zhuǎn)動所需能量很大，這就意味著隨動控制系統(tǒng)也是一個功率放大裝置，故也稱為伺服系統(tǒng)。圖２－４導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)框圖60２－2隨動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例二、船舶隨動舵的控制系統(tǒng)船舶的航行方向是操舵控制的。對于大型船舶，由于舵葉較大，操舵的阻力很大。為了減輕操舵人員的勞動強度，常采用自動化程度較高的隨動舵對舵葉進行操縱。隨動舵的操縱特點是：操舵人員只要通過駕駛盤（又稱舵輪）給定一個舵角信號，舵機就能把笨重的舵葉轉(zhuǎn)到給定的舵角位置，隨即自動停下來?？梢姡S動舵本質(zhì)上屬于角度跟蹤隨動控制系統(tǒng)，亦具有功率放大功能。61２－2隨動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例圖２－５所示為船舶隨動舵控制系統(tǒng)原理圖。其中，駕駛盤與電位器ＲＰ１做機械連接，作為系統(tǒng)的給定（輸入）裝置。直流電動機的轉(zhuǎn)軸經(jīng)減速器減速后帶動舵葉旋轉(zhuǎn)。與此同時，通過機械連接帶動電位器ＲＰ２的滑臂做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動。圖２－５船舶隨動舵控制系統(tǒng)原理圖ＲＰ２產(chǎn)生的電壓ｕｏ反饋到輸入端，與ＲＰ１的電壓ｕｉ進行比較后得出偏差信號ｕｅ（ｕｅ＝ｕｉ－ｕｏ）。62２－2隨動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例系統(tǒng)按照ｕｅ的性質(zhì)（大小和正負(fù)極性）進行控制，其控制結(jié)果是舵葉的偏轉(zhuǎn)角θｏ嚴(yán)格等于駕駛盤所轉(zhuǎn)過的角度θｉ。圖２－５中的放大器包含電壓放大和功率放大兩部分。比較環(huán)節(jié)的作用是將ｕｉ和ｕｏ兩個微弱信號做相減運算，可用差動放大器或運算放大器實現(xiàn)。整個系統(tǒng)的工作原理與圖２－４所示的原理相同。63２－2隨動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例三、火炮、雷達天線的方位控制系統(tǒng)圖２－３和圖２－５所示的隨動控制系統(tǒng)雖然能做角度跟蹤，但由于它們采用了電位器作為輸入裝置和反饋裝置，因而θｉ和θｏ的變化范圍一般被限制在３６０°以內(nèi)。若ＲＰ１和ＲＰ２電位器選用多圈式電位器，θｉ和θｏ也只能在３６０°的范圍內(nèi)變化。這對于要求在超過３６０°做大范圍跟蹤的火炮、雷達天線等系統(tǒng)而言，顯然不能滿足要求。為克服上述缺點，通常采用一對自整角機作為角度檢測裝置，以取代圖２－３和圖２－５中的電位器，從而組成自整角機式的隨動控制系統(tǒng)。圖２－６火炮方位角隨動控制系統(tǒng)64２－2隨動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例圖２－６所示是采用自整角機作為角度檢測的火炮方位角隨動控制系統(tǒng)。圖中的自整角機運行于變壓器狀態(tài)，自整角發(fā)送機ＢＤ的轉(zhuǎn)子與輸入軸連接，轉(zhuǎn)子繞組通入單相交流電；自整角接收機ＢＳ的轉(zhuǎn)子則與輸出軸（炮架的方位角軸）相連接。當(dāng)搖動手輪輸入一個角度θｉ的瞬間，由于θｏ≠θｉ，于是出現(xiàn)角差θｅ（θｅ＝θｉ－θｏ）。65２－2隨動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例這時，自整角接收機ＢＳ的轉(zhuǎn)子輸出一個相應(yīng)的交流調(diào)制信號電壓ｕｅ，其幅值與角差θｅ的大小成正比，相位則取決于角差θｅ的極性。即角差θｅ＞０，則交流調(diào)制信號呈正相位；角差θｅ＜０，則交流調(diào)制信號呈反相位。該調(diào)制信號經(jīng)相敏整流器解調(diào)后，變成一個與角差θｅ的大小和極性有關(guān)的直流電壓，并送往校正和功率放大裝置，處理成為控制直流電動機的電樞電壓ｕａ，該電壓使電動機轉(zhuǎn)動以帶動炮架回轉(zhuǎn)，并同時帶動自整角接收機的轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)，將輸出信號反饋到輸入端。66２－2隨動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例顯然，電動機必須朝著減小或消除角差θｅ的方向轉(zhuǎn)動，直到θｏ＝θｉ為止。此時，ｕｅ＝０，ｕａ＝０，電動機停止轉(zhuǎn)動，作為控制對象的炮身指向并停留在相應(yīng)的方位角上，或者說炮身重演了手輪的運動。自整角變壓器可用圖２－７所示的框圖來表示。圖２－６中的校正裝置是為了進一步提高系統(tǒng)的跟蹤性能而設(shè)置的。圖２－７自整角變壓器框圖2－3程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例第二章6768２－3程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例當(dāng)自動控制系統(tǒng)的給定信號是已知的時間函數(shù)時，這類系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)（ｐｒｏ-ｇｒａｍｍｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ）。圖２－８所示為仿形銑床的原理示意圖。該系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，其工作原理是：刀架電動機拖動刀架前行的同時帶動靠模觸指運動，觸指的上下運動使電位器滑臂移動，得到不同的電壓與基準(zhǔn)電壓進行比較，產(chǎn)生誤差，再經(jīng)過電壓和功率放大，驅(qū)動刀架電動機帶動刀架做上下運動，最終使得加工工件與模型一樣。圖２－８仿形銑床的原理示意圖69２－3程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例但是，制作精確的立體木模是一個精細(xì)、費時的工作，所以后來又將木模以紙帶（或磁帶）上的脈沖系列來代替，這時的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖２－９所示。加工時由光電閱讀機把記錄在穿孔紙帶（或磁帶）上的程序指令，變成電脈沖（指令脈沖），送入運算控制器。圖２－９程序控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)運算控制器完成對指令脈沖的寄存、交換和計算，并輸出控制脈沖給執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)運算控制器送來的控制脈沖信號，控制機床的運動，完成切削成形的要求。70２－3程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例程序控制系統(tǒng)的功能，就是按照預(yù)定的程序來控制被控制量，即控制系統(tǒng)控制器給出的控制指令為一個預(yù)定的程序。原則上程序控制可以是開環(huán)的，但也可以用反饋來消除系統(tǒng)誤差，提高精度。圖２－８和圖２－９都是閉環(huán)的程序控制系統(tǒng)。2－4自動控制系統(tǒng)的性能要求第二章7172２－4自動控制系統(tǒng)的性能要求前面講述的三種典型控制系統(tǒng)，即恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)，是工程中常用的控制系統(tǒng)。工程上對任何一套自動控制系統(tǒng)的性能都有一定的要求。但由于控制對象不同，工作方式不同，系統(tǒng)要完成的任務(wù)也不同，因此對各個具體系統(tǒng)的要求自然也有較大的差異。不過，就其共性而言，所有的自動控制系統(tǒng)都希望：ｃ（ｔ）＝ｋｒ（ｔ）

（２－３）式中ｃ（ｔ）———系統(tǒng)的輸出量；ｒ（ｔ）———系統(tǒng)的輸入量；ｋ———比例系數(shù)。如圖２－３所示的導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)，在理想情況下，總希望系統(tǒng)的輸出量（被控量）θｏ與輸入量（給定值）θｉ在任何時刻都保持一個固定的比例關(guān)系，完全沒有偏差，而且不受任何干擾影響。73２－4自動控制系統(tǒng)的性能要求這樣系統(tǒng)在階躍函數(shù)輸入作用下，其被控量的變化應(yīng)如圖２－１０所示。圖２－１０控制系統(tǒng)的理想階躍響應(yīng)ａ）階躍輸入ｂ）系統(tǒng)輸出然而，在實際自動控制系統(tǒng)中，由于機械部分存在質(zhì)量和慣性，電路中存在電感和電容，加之電源功率的限制，因此系統(tǒng)中運動部件的加速度不會很大，運動速度和位移不可能瞬間發(fā)生變化，需要經(jīng)歷一段時間，或者說需要一段過程。74２－4自動控制系統(tǒng)的性能要求通常把系統(tǒng)受到擾動或給定值變化作用后，被控量由原來的平衡狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)）過渡到新的平衡狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)）的過程稱為過渡過程或動態(tài)過程。圖２－１１

系統(tǒng)的階躍響應(yīng)對于給定值做階躍變化的線性系統(tǒng)，在這段動態(tài)過程中，被控量的變化可能存在如圖２－１１所示的幾種情況。75其中，圖２－１１ａ和圖２－１１ｂ表明，系統(tǒng)經(jīng)歷一段過渡過程后，被控量都能達到新的平衡狀態(tài)，這是實際工程中最常見的情況。而在圖２－１１ｃ和圖２－１１ｄ中，被控量圍繞期望值做等幅振蕩或增幅振蕩，即被控量的變化不收斂，這種系統(tǒng)根本無法工作，這是工程實際中不允許出現(xiàn)的情況。另外，自動控制系統(tǒng)在外加信號作用下，經(jīng)歷過渡過程達到新的平衡狀態(tài)之后，被控量與期望值之間的誤差也是衡量自動控制系統(tǒng)質(zhì)量優(yōu)劣的重要尺度。一個高質(zhì)量的自動控制系統(tǒng)，在整個運動過程中，被控量與期望值之間的誤差應(yīng)該越小越好。綜上所述，自動控制系統(tǒng)技術(shù)性能的優(yōu)劣，可以從動態(tài)過程及靜態(tài)精度去衡量。工程上常把對自動控制系統(tǒng)的基本要求歸納為穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三個方面，即穩(wěn)、快、準(zhǔn)。２－4自動控制系統(tǒng)的性能要求76２－4自動控制系統(tǒng)的性能要求１.穩(wěn)定性（穩(wěn)）穩(wěn)定性是評價自動控制系統(tǒng)能否正常工作的首要指標(biāo)，它是評價系統(tǒng)在過渡過程中的振蕩傾向和重新建立平衡狀態(tài)的能力。當(dāng)自動控制系統(tǒng)受到外加信號作用時，如果系統(tǒng)被控量的過渡過程隨時間推移而衰減，直到最后與期望值一致（通常允許有一定的誤差），從而建立一個新的平衡狀態(tài)，如圖２－１１ａ和圖２－１１ｂ所示，這樣的系統(tǒng)稱為穩(wěn)定系統(tǒng)。反之，當(dāng)自動控制系統(tǒng)受到外加信號作用時，如果被控量不能達到所期望的新的平衡狀態(tài)，而是圍繞期望值做等幅振蕩（圖２－１１ｃ）或增幅振蕩（圖２－１１ｄ），使被控量越來越遠(yuǎn)離期望值，這樣的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。不穩(wěn)定的系統(tǒng)無法完成正常的控制功能，甚至?xí)p壞設(shè)備，造成事故。77２－4自動控制系統(tǒng)的性能要求２.快速性（快）自動控制系統(tǒng)不但要求穩(wěn)定，而且要求被控量能迅速地按照輸入信號所規(guī)定的規(guī)律變化，即要求系統(tǒng)具有一定的響應(yīng)速度。如前所述，控制系統(tǒng)總包含一些慣性元件，所以在輸入信號作用下，其響應(yīng)總要經(jīng)歷一個過渡過程才能達到穩(wěn)態(tài)。過渡過程時間長，說明系統(tǒng)的控制動作反應(yīng)遲鈍，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的指令信號。因此，對實用系統(tǒng)來說，總是希望過渡過程時間越短越好。78２－4自動控制系統(tǒng)的性能要求３.準(zhǔn)確性（準(zhǔn)）準(zhǔn)確性是指自動控制系統(tǒng)建立平衡狀態(tài)后，被控量偏離期望值的誤差大小。準(zhǔn)確性描述了自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。一般來說，人們總是希望誤差越小越好。如果最終的誤差為零，則這種系統(tǒng)稱為無差系統(tǒng)；反之，稱為有差系統(tǒng)。必須指出：上述三方面的性能要求，對同一系統(tǒng)來說常常是相互制約的。提高了快速性，可能增大振蕩幅值，加劇系統(tǒng)的振蕩。改善了穩(wěn)定性，則可能使過渡過程變得緩慢，延長過渡時間，甚至導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差增大，降低系統(tǒng)精度。對某個具體系統(tǒng)而言，三方面的要求也不一樣，一般應(yīng)根據(jù)工作任務(wù)的要求，按照具體情況綜合考慮系統(tǒng)指標(biāo)。感謝傾聽79自動控制技術(shù)（第二版）80直流調(diào)速系統(tǒng)第三章8182第三章3－１

直流電動機的調(diào)速原理3－２

直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源3－３

晶閘管－直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的特征3－４

反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析3－5電壓反饋電流補償控制的調(diào)速系統(tǒng)分析3－１

直流電動機的調(diào)速原理第三章83學(xué)習(xí)目標(biāo)１.了解直流電動機的調(diào)速原理。２.熟悉直流調(diào)速系統(tǒng)三種可控直流電源的原理和特點。３.掌握晶閘管—直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的特征。４.掌握反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析。５.熟悉電壓反饋電流補償控制的調(diào)速系統(tǒng)分析。843－１

直流電動機的調(diào)速原理85直流電動機具有良好的啟、制動性能，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用。由直流電動機的速度公式ｎ＝（Ｕ－ＩａＲａ）／（ＫｅΦ）可以看出，直流電動機的調(diào)速方法有以下三種：改變電源電壓Ｕ調(diào)速（簡稱調(diào)壓調(diào)速）；改變電樞回路電阻Ｒａ調(diào)速（簡稱串電阻調(diào)速）；改變勵磁電流以改變主磁通Φ調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速）。下面分別予以介紹。3－１

直流電動機的調(diào)速原理86直流電動機改變電源電壓調(diào)速的機械特性，如圖３－１所示。這種調(diào)速方法的主要特點是：一、改變電源電壓調(diào)速（１）調(diào)速范圍廣，可以從低速一直調(diào)到額定轉(zhuǎn)速，速度變化平滑，通常稱為無級調(diào)速。（２）調(diào)速過程中沒有附加能量損耗。電壓降低后，機械特性硬度不變，故穩(wěn)定性好。（３）因端電壓不能超過額定電壓，故轉(zhuǎn)速只能在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)。（４）所需設(shè)備較復(fù)雜，耗電大，聲音及干擾也較大，成本較高。圖３－１直流電動機改變電源電壓調(diào)速的機械特性3－１

直流電動機的調(diào)速原理87一、改變電源電壓調(diào)速在晶閘管變流技術(shù)被廣泛應(yīng)用之前，直流電動機的調(diào)壓調(diào)速一般采用直流他勵發(fā)電機－直流電動機組來實現(xiàn)。目前，在許多大型的龍門刨床、重型機床、軋鋼機中，該系統(tǒng)仍有采用。他勵發(fā)電機－直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的工作原理如圖３－２所示，三相異步電動機拖動直流他勵發(fā)電機，產(chǎn)生直流電壓供給直流電動機，改變發(fā)電機的勵磁電流，發(fā)電機產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢Ｅ隨之改變，即達到了調(diào)壓調(diào)速的目的。圖３－２他勵發(fā)電機－直流電動機調(diào)速系統(tǒng)工作原理圖３－３并勵直流電動機電路圖圖３－４串勵直流電動機電路圖3－１

直流電動機的調(diào)速原理88二、改變電樞回路電阻調(diào)速該方法通過在電樞回路中串入調(diào)速電阻來實現(xiàn)調(diào)速目的，其接線如圖３－３和圖３－４所示。3－１

直流電動機的調(diào)速原理89圖３－５并勵直流電動機機械特性曲線圖３－６串勵直流電動機機械特性曲線二、改變電樞回路電阻調(diào)速系統(tǒng)的機械特性如圖３－５和圖３－６所示，該調(diào)速方法的特點是：3－１

直流電動機的調(diào)速原理90二、改變電樞回路電阻調(diào)速（１）所需設(shè)備較簡單、成本低，因此在小功率直流電動機中用得較多。在２０世紀(jì)７０年代以前，由于晶閘管調(diào)壓技術(shù)尚未大量采用，因而在某些功率稍大的直流電動機中也采用電樞回路串電阻調(diào)速，如城市電車、礦用電力機車、蓄電池運輸車等。（２）電動機轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，而且為有級調(diào)速。特性曲線較軟，即負(fù)載變動時，電動機轉(zhuǎn)速變化較大。（３）在調(diào)速電阻上有較大的能量損耗，經(jīng)濟性能較差。3－１

直流電動機的調(diào)速原理91三、改變主磁通調(diào)速當(dāng)直流電動機的電源電壓及負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時，如使主磁通減小，則電動機的轉(zhuǎn)速就相應(yīng)增高，故這種調(diào)速方法也稱為弱磁調(diào)速。對并勵直流電動機而言，可在勵磁回路中串聯(lián)附加電阻ＲＰ１，如圖３－７ａ所示。對串勵直流電動機而言，則可在勵磁回路中并聯(lián)磁場分路電阻ＲＰ１，如圖３－７ｂ所示。圖３－７直流電動機弱磁調(diào)速電路ａ）并勵直流電動機中串電阻ｂ）串勵直流電動機中并電阻3－１

直流電動機的調(diào)速原理92三、改變主磁通調(diào)速這種調(diào)速方法的特點是：（１）由于調(diào)速是在勵磁回路中進行，功率較小，故能量損耗小、控制方便。（２）可以得到平滑的無級調(diào)速，但轉(zhuǎn)速只能從額定轉(zhuǎn)速往上調(diào)，不能在額定轉(zhuǎn)速以下進行調(diào)速，故往往只作為輔助調(diào)速，與前面兩種調(diào)速方法組合使用。（３）一般來講，弱磁調(diào)速的調(diào)速范圍較窄，而且當(dāng)磁通減小太多時，由于電樞磁場對主磁場的影響加大而使電動機換向困難，容易產(chǎn)生較大火花，從而造成危害。另外，還必須考慮到電樞機械強度的影響。因此，對一般的直流電動機而言，最高轉(zhuǎn)速通常控制在兩倍額定轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源第三章93圖３－８旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（Ｇ－Ｍ系統(tǒng)）原理圖3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源94調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)中使用的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電源包括旋轉(zhuǎn)變流機組、靜止可控整流器、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。下面分別介紹各種可控直流電源以及由其供電的直流調(diào)速系統(tǒng)。一、旋轉(zhuǎn)變流機組旋轉(zhuǎn)變流機組是用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。圖３－８所示為旋轉(zhuǎn)變流機組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源95一、旋轉(zhuǎn)變流機組交流電動機Ｍ１（異步電動機或同步電動機）拖動直流發(fā)電機Ｇ，由發(fā)電機給需要調(diào)速的直流電動機Ｍ２供電，調(diào)節(jié)直流發(fā)電機的勵磁電流ｉｆ即可改變其輸出電壓Ｕｄ，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速ｎ。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱Ｇ－Ｍ系統(tǒng)。為了供電給直流電動機勵磁繞組，通常專門設(shè)置一臺直流勵磁發(fā)電機ＧＥ，可裝在變流機組同軸上，也可另外單用一臺交流電動機拖動。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)速性能要求不高時，ｉｆ可由勵磁電源供電，要求較高的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一般都應(yīng)通過放大裝置進行控制。Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的放大裝置多采用電機型放大器（如交磁放大機）和磁放大器。需要進一步提高放大系數(shù)時還可增設(shè)電子放大器作為前級放大。如果改變ｉｆ的方向，則Ｕ的極性和ｎ的轉(zhuǎn)向都跟著改變，所以Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的可逆運動是很容易實現(xiàn)的。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源96一、旋轉(zhuǎn)變流機組圖３－９所示為采用旋轉(zhuǎn)變流機組供電時電動機可逆運行的機械特性。由圖可見，無論正轉(zhuǎn)減速還是反轉(zhuǎn)減速時，系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)回饋制動，因此Ｇ－Ｍ系統(tǒng)是可以在允許轉(zhuǎn)矩范圍之內(nèi)四象限運行的系統(tǒng)。圖３－９Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的機械特性旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在２０世紀(jì)５０年代曾被廣泛使用。由于該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組至少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電動機，還要一臺勵磁發(fā)電機，設(shè)備多、體積大、費用高、效率低，且安裝時需打地基，運行有噪聲，維護不方便，到了２０世紀(jì)６０年代逐漸被更為經(jīng)濟可靠的晶閘管整流器所代替。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源97二、靜止可控整流器靜止可控整流器是用靜止的可控整流器，例如晶閘管可控整流器，來獲得可調(diào)的直流電壓。在靜止可控整流方面，離子拖動系統(tǒng)是最早應(yīng)用靜止變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)。它雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機組的許多缺點，而且還縮短了響應(yīng)時間，但汞弧整流器造價較高，維護麻煩，特別是水銀如果泄漏，會污染環(huán)境，危害人體健康。１９５７年晶閘管的問世，２０世紀(jì)６０年代成套晶閘管整流裝置的出現(xiàn)，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性變革，自此變流技術(shù)進入晶閘管時代。目前，晶閘管－直流電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱Ｖ－Ｍ系統(tǒng)）已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源98二、靜止可控整流器圖３－１０所示為Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的簡單原理圖，圖中Ｖ代表晶閘管可控整流器，它可以是單相、三相，也可以是半波、全波、半控、全控等類型。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置ＧＴ的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ｕｄ，實現(xiàn)平滑調(diào)速。圖３－１０晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（Ｖ－Ｍ系統(tǒng)）簡單原理圖3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源99二、靜止可控整流器與旋轉(zhuǎn)變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。由圖３－１１可見，晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在１×１０４以上，其門極電流可以直接用晶體三極管來控制，不再像直流電動機那樣需要較大功率放大裝置。在控制作用的快速性方面，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。圖３－１１各種變流裝置技術(shù)性能的比較3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源100二、靜止可控整流器晶閘管整流器也有它的缺點。首先，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向流通，所以造成系統(tǒng)可逆運行困難。由半控整流電路構(gòu)成的Ｖ－Ｍ系統(tǒng)只允許單象限運行（圖３－１２ａ）；全控整流電路可以實現(xiàn)有源逆變，允許電動機工作在反轉(zhuǎn)制動狀態(tài)，因而能夠獲得二象限運行（圖３－１２ｂ）；需要實現(xiàn)四象限運行時（圖３－１２ｃ），只能用正、反兩組全控整流電路，所用變流設(shè)備將增加一倍。圖３－１１各種變流裝置技術(shù)性能的比較3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源101二、靜止可控整流器其次，晶閘管的過電壓、過電流能力很小，任何一項指標(biāo)超過允許值都可能在很短時間內(nèi)損壞元件，因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應(yīng)留有足夠的余量。只有元件質(zhì)量過關(guān)，裝置設(shè)計合理，保護設(shè)施齊備，晶閘管裝置的運行才能十分可靠。最后，當(dāng)系統(tǒng)處在深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速運行時，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流，會引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管調(diào)速的設(shè)備在電網(wǎng)中容量占比較大，就會造成上述“電力公害”現(xiàn)象。在這種情況下，必須增設(shè)無功補償和諧波濾波裝置。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源102三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器是用恒定直流電源或可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。在干線鐵道、電力機車、工礦電力機車、城市電車和地鐵電力機車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或復(fù)勵電動機，由恒壓直流電源供電。直流斬波器是將電壓值固定的直流電，轉(zhuǎn)換為電壓值可變的直流電的裝置。過去多用切換電阻來控制電車的啟動、制動和調(diào)速，電能在電阻中損耗很大?，F(xiàn)在多采用晶閘管來控制直流電壓，大大降低了電能損耗。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源103三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器采用晶閘管的直流斬波器其基本原理如圖３－１３ａ所示。在這里，晶閘管ＶＴ不受相位控制，工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)ＶＴ被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓Ｕｓ加到電動機上；當(dāng)ＶＴ關(guān)斷時，直流電源與電動機斷開，電動機經(jīng)二極管ＶＤ續(xù)流，如此反復(fù)。圖３－１３采用晶閘管的直流斬波器原理圖和電樞端電壓波形ａ）原理圖ｂ）電壓波形3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源104三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器電樞端電壓波形ｕ＝ｆ（ｔ）如圖３－１３ｂ所示，如同是電源電壓Ｕｓ在一段時間（Ｔ－ｔｏｎ）內(nèi)被斬斷后形成的。這樣，電動機得到的平均電壓為Ｕｄ０＝ｔｏｎＵｓ／Ｔ＝ρＵｓ

（３－１）Ｔ———晶閘管的開關(guān)周期；ｔｏｎ———晶閘管的導(dǎo)通時間；ρ———占空比。式中晶閘管一旦導(dǎo)通，就不能再用門極觸發(fā)信號來使它關(guān)斷。若要關(guān)斷，必須在陽、陰極間施加反向電壓，這就需要一種附加的強迫關(guān)斷電路。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源105三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器受晶閘管關(guān)斷時間的限制，由普通晶閘管構(gòu)成的斬波器的開關(guān)頻率只能是１００～２００Ｈｚ。為了縮小裝置的體積，可用逆導(dǎo)晶閘管代替普通晶閘管，開關(guān)頻率也可適當(dāng)提高，達到３００Ｈｚ。直流斬波器的平均輸出電壓Ｕｄ０可以通過改變主晶閘管的導(dǎo)通和（或）關(guān)斷時間來調(diào)節(jié)。圖３－１４所示為幾種常用控制方式的電壓、電流波形。圖３－１４直流斬波器的控制方式ａ）脈沖寬度調(diào)制ｂ）脈沖頻率調(diào)制ｃ）兩點式控制3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源106三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器脈沖寬度調(diào)制（ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，簡稱ＰＷＭ）的脈沖周期Ｔ不變，只改變主晶閘管的導(dǎo)通時間ｔｏｎ，即可改變脈沖的寬度，如圖３－１４ａ所示。脈沖頻率調(diào)制（ｐｕｌｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，簡稱ＰＦＭ）的導(dǎo)通時間不變，只改變開關(guān)頻率ｆ或開關(guān)周期Ｔ，也就是只改變晶閘管關(guān)斷的時間，如圖３－１４ｂ所示。兩點式控制是當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時，使ＶＴ觸發(fā)導(dǎo)通；當(dāng)電流或電壓達到某一最大值時，使ＶＴ關(guān)斷。導(dǎo)通和關(guān)斷的時間都是不確定的，如圖３－１４ｃ所示。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源107三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器由普通晶閘管或逆導(dǎo)晶閘管構(gòu)成的斬波開關(guān)頻率不高，因而輸出電流脈動較大，調(diào)速范圍有限。此外，附加的強迫關(guān)斷電路也增加了裝置的體積和復(fù)雜性。為了適應(yīng)大功率開關(guān)電路的要求，２０世紀(jì)７０年代以來，研究者們研制出了多種既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的“全控式”電力電子器件，如門極可關(guān)斷晶閘管（ＧＴＯ）、電力晶體管（ＧＴＲ）、電力場效應(yīng)管（Ｐ—ＭＯＳＦＥＴ）等。全控式器件的關(guān)斷時間短，因而由它們構(gòu)成的斬波器的工作頻率可以提高到１～４ｋＨｚ，甚至達到２０ｋＨｚ。用全控式器件實行開關(guān)控制時，多用脈沖寬度調(diào)制的控制方式，形成近年來應(yīng)用日益廣泛的直流電機脈沖寬度調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)，即ＰＷＭ調(diào)速系統(tǒng)。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源108三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器與Ｖ－Ｍ系統(tǒng)相比，ＰＷＭ調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點：（１）ＰＷＭ調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就足以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容量連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達１∶１００００左右。電流波形比Ｖ－Ｍ系統(tǒng)好，在相同的平均電流即相同的輸出轉(zhuǎn)矩下，電動機的損耗和發(fā)熱都較小。（２）開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電動機相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，快速響應(yīng)性能好。動態(tài)抗干擾能力強。（３）電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。因受到器件容量的限制，故直流ＰＷＭ調(diào)速系統(tǒng)目前只用于中、小功率的系統(tǒng)。3－3晶閘管－直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的特征第三章1093－3晶閘管－直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的特征110一、觸發(fā)脈沖相位控制如圖３－１０所示在Ｖ－Ｍ系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)給定電壓，即移動觸發(fā)裝置ＧＴ輸出脈沖的相位，能夠很方便地改變整流器的輸出電壓Ｕｄ，如果把整流裝置內(nèi)部的電阻壓降、器件正向壓降和變壓器漏抗引起的換相壓降都移到整流裝置外面，當(dāng)作負(fù)載電路壓降的一部分，那么整流電壓便可用其理想空載瞬時值ｕｄ０或平均值Ｕｄ０來代替，相當(dāng)于用圖３－１５所示的等效電路代替圖３－１０所示的實際主電路。圖３－１５Ｖ－Ｍ系統(tǒng)主電路的等效電路3－3晶閘管－直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的特征111一、觸發(fā)脈沖相位控制此時瞬時電壓平衡方程式可寫作Ｌ———主電路總電感；Ｒ———主電路總的等效電阻，包括整流裝置內(nèi)阻、電動機電樞電阻和平波電抗器電阻；Ｅ———電動機反電動勢；ｉｄ———整流電流瞬時值。式中ｕｄ０進行積分即得理想空載整流電壓的平均值Ｕｄ０。用觸發(fā)脈沖的相位控制整流電壓平均值是晶閘管整流器的主要特點。Ｕｄ０與觸發(fā)脈沖相位α的關(guān)系因整流電路的形式而異。3－3晶閘管－直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的特征112對于一般全控式整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時，α———從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角；Ｕｍ———α＝０時的整流電壓波形的峰值；ｍ———交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。式中對于不同的整流電路，它們的數(shù)值見表３－１。3－3晶閘管－直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的特征113在１０００ｋＷ以上的大功率調(diào)速系統(tǒng)中，常采用雙三相橋構(gòu)成十二相整流電路，兩組橋交流電源分別由整流變壓器的兩套二次繞組提供，一套接成△形，另一套接成Ｙ形，使輸出相電壓相位錯開３０°，共同構(gòu)成ｍ＝１２的整流電路，如圖３－１６所示，以進一步減小輸出電流的脈動分量。圖３－１６雙三相橋組成的十二相整流電路ａ）雙橋并聯(lián)帶平衡電抗器Ｌｄｂ）雙橋串聯(lián)由于這種十二相整流電壓結(jié)構(gòu)的特殊性，式（３－３）不再適用。對于圖３－１６ａ所示的雙橋并聯(lián)帶平衡電抗器電路，對于圖３－１６ｂ所示的雙橋串聯(lián)電路，3－3晶閘管－直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的特征114二、電流脈動的影響及其抑制措施整流電路的脈波數(shù)ｍ＝２，３，６，１２，…，其數(shù)目總是有限的，比直流電動機每對極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。因此，除非主電路電感Ｌ＝∞，否則Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的電流脈動總比Ｇ－Ｍ系統(tǒng)嚴(yán)重。這樣一來，會產(chǎn)生兩個方面的問題：一是脈動電流產(chǎn)生脈動的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利；二是脈動電流造成較大的諧波分量，流入電源后對電網(wǎng)不利，同時也增加電動機發(fā)熱量。3－3晶閘管－直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的特征115二、電流脈動的影響及其抑制措施因此，在應(yīng)用Ｖ－Ｍ系統(tǒng)時，首先要考慮抑制電流脈動的問題，其主要措施有兩個：一是增加整流電壓的相數(shù)；二是設(shè)置平波電抗器。平波電抗器的電感量一般按低速輕載時保證電流連續(xù)的條件來選擇，通常給定最小電流Ｉｄｍｉｎ（以Ａ為單位），再利用它計算所需的總電感量（以ｍＨ為單位）。對于單相橋式全控整流電路有對于三相半波整流電路有對于三相橋式整流電路有式中，Ｉｄｍｉｎ一般可取電動機額定電流的５％～１０％。3－3晶閘管－直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的特征116二、電流脈動的影響及其抑制措施由于電流波形的脈動，可能存在電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這也是Ｖ－Ｍ系統(tǒng)不同于Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的一個特點。當(dāng)Ｖ－Ｍ系統(tǒng)主電路串接的電抗器有足夠大的電感量，而且電動機的負(fù)載電流也足夠大時，整流電流的波形便可能是連續(xù)的，如圖３－１７ａ所示。當(dāng)電感較小而且負(fù)載較輕時，一相導(dǎo)通電流上升時電感中的儲能較少，在電流下降而下一相尚未被觸發(fā)之前，電流已衰減到零，便產(chǎn)生波形斷續(xù)的現(xiàn)象，如圖３－１７ｂ所示。電流波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)方程帶來一種非線性的因素，造成機械特性的非線性，一般應(yīng)盡量避免。圖３－１７Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的電流波形ａ）電流連續(xù)ｂ）電流斷續(xù)3－3晶閘管－直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的特征117三、Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機械特性當(dāng)電流連續(xù)時，Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機械特性方程式為式中Ｃｅ———電動機在額定磁通下的電動勢轉(zhuǎn)速比，Ｃｅ＝ＫｅΦ。式（３－９）中，改變控制角α可得一簇平行直線，如圖３－１８所示。機械特性上平均電流較小時電流波形可能斷續(xù)，式（３－９）不再適用。上述結(jié)論表明，只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成線性可控電壓源。當(dāng)電流斷續(xù)時，機械特性方程要復(fù)雜得多。圖３－１８Ｖ－Ｍ系統(tǒng)電流連續(xù)時的機械特性3－3晶閘管－直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的特征118三、Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機械特性圖３－１９所示為Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的完整機械特性，其中包含了整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)、連續(xù)區(qū)和斷續(xù)區(qū)。由圖可見，當(dāng)電流連續(xù)時，Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機械特性比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈非線性，理想空載轉(zhuǎn)速較高。一般分析調(diào)速系統(tǒng)時，只要主電路電感足夠大，就可以近似地只考慮連續(xù)段，即用連續(xù)段特性及其延伸的虛線作為系統(tǒng)的特性。圖３－１９Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的完整機械特性3－3晶閘管－直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的特征119三、Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機械特性對于斷續(xù)特性比較顯著的情況，這樣近似偏離實際較遠(yuǎn)，可以改為另一段較陡的直線來逼近斷續(xù)段特性，如圖３－２０所示，這相當(dāng)于把總電阻Ｒ換成一個更大的等效電阻Ｒ′，其數(shù)值可以從實測的斷續(xù)段特性上計算出來。嚴(yán)重時Ｒ′可達實際電阻Ｒ的幾十倍。圖３－２０斷續(xù)段特性的近似計算3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析第三章1203－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析121一、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)任何一臺需要轉(zhuǎn)速控制的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對控制性能都有一定的要求。例如，精密機床要求加工精度達到百分之幾毫米甚至幾微米；重型銑床的進給部分需要在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速，快速移動時最高速達到６００ｍｍ／ｍｉｎ，而精加工時最低速只有２ｍｍ／ｍｉｎ，最高速和最低速相差３００倍；點位式數(shù)控機床要求定位精度達到幾微米，速度跟蹤誤差約低于定位精度的１／２。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析122一、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)又如，在軋鋼工業(yè)中，年產(chǎn)數(shù)百萬噸鋼錠的大型現(xiàn)代化初軋機，其軋輥電動機容量達到幾千千瓦，在不到１ｓ的時間內(nèi)需要完成從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的全部過程；軋制薄鋼帶的高速冷軋機最高軋速達到３７ｍ／ｓ以上，而成品厚度誤差不大于１％；在造紙工業(yè)中，日產(chǎn)新聞紙４００ｔ以上的高速造紙機，卷紙速度達到１０００ｍ／ｍｉｎ，要求穩(wěn)速誤差小于±００１％；等等。所有這些要求，都是生產(chǎn)設(shè)備量化的技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)過一定折算，可以轉(zhuǎn)化成電力拖動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)或動態(tài)性能指標(biāo)，作為設(shè)計系統(tǒng)的依據(jù)。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析123對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求，歸納起來，有以下三個方面：調(diào)速———在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。穩(wěn)速———以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種可能的干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。加、減速———頻繁啟、制動的設(shè)備要求盡量快地加、減速以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求啟、制動盡量平穩(wěn)。以上三個方面有時都需要具備，有時只要求具備其中一項或兩項。特別是調(diào)速和穩(wěn)速兩項，常常在各種場合下都會遇到。為了進行定量分析，針對這兩項要求定義兩個調(diào)速指標(biāo)，即調(diào)速范圍和靜差率。這兩項指標(biāo)合在一起稱為調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析124生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速ｎｍａｘ和最低轉(zhuǎn)速ｎｍｉｎ之比稱為調(diào)速范圍，用字母Ｄ表示，即：１.調(diào)速范圍其中，ｎｍａｘ和ｎｍｉｎ一般是指電動機在額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速要求，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機械，例如，精密磨床，也可用實際負(fù)載時的轉(zhuǎn)速。２.靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Δｎｎｏｍ，與理想空載轉(zhuǎn)速ｎ０之比，稱為靜差率Ｓ，即：或用百分?jǐn)?shù)表示為：3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析125顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，它和機械特性的硬度有關(guān)。特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)不同轉(zhuǎn)速下的機械特性是互相平行的，如圖３－２１中的特性ａ和ｂ，兩者的硬度相同，額定速降相等；但它們的靜差率卻不同，因為理想空載轉(zhuǎn)速不一樣。圖３－２１不同轉(zhuǎn)速下的靜差率3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析126根據(jù)公式（３－１１），由于ｎ０ａ＞ｎ０ｂ，所以Ｓａ＜Ｓｂ。這就是說，對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。若理想空載轉(zhuǎn)速ｎ０為１０００ｒ／ｍｉｎ時降落１０ｒ／ｍｉｎ，只占１％；在ｎ０為１００ｒ／ｍｉｎ時降落１０ｒ／ｍｉｎ，卻占１０％；如果ｎ０只有１０ｒ／ｍｉｎ，降落１０ｒ／ｍｉｎ時，電動機就會停止轉(zhuǎn)動。由此可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時考慮才有意義。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析127３.調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系在直流電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，常以電動機的額定轉(zhuǎn)速ｎｎｏｍ為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降落為Δｎｎｏｍ，則按照以上的分析結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即：Ｓ＝Δｎｎｏｍ／ｎｎｏｍｉｎ由于ｎｍｉｎ＝ｎｎｏｍｉｎ－Δｎｎｏｍ＝Δｎｎｏｍ／Ｓ－Δｎｎｏｍ＝（１－Ｓ）Δｎｎｏｍ／Ｓ，而調(diào)速范圍為：Ｄ＝ｎｍａｘ／ｎｍｉｎ＝ｎｎｏｍ／ｎｍｉｎ將上面的ｎｍｉｎ計算式代入，得：Ｄ＝Ｓｎｎｏｍ／［Δｎｎｏｍ（１－Ｓ）］

（３－１３）3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析128３.調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系公式（３－１３）表示調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或Δｎｎｏｍ值是一定的。因此，由式（３－１３）可見，如果對靜差率的要求越嚴(yán)，也就是說，要求Ｓ越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。例如，某調(diào)速系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速ｎｎｏｍ＝１４３０ｒ／ｍｉｎ，額定速降Δｎｎｏｍ＝１１５ｒ／ｍｉｎ，當(dāng)要求靜差率Ｓ≤３０％時，允許的調(diào)速范圍是：Ｄ≤１４３０×０.３／［１１５×（１－０.３）］≈５.３如果要求Ｓ≤２０％，則調(diào)速范圍只有：Ｄ≤１４３０×０.２／［１１５×（１－０.２）］≈３.１3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析129二、開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在的問題在如圖３－１０所示的Ｖ－Ｍ系統(tǒng)中，僅用觸發(fā)裝置ＧＴ的控制電壓來調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，是開環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，如果對靜差率要求不高的話，它也能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速。但是，許多無級調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率提出一定的要求。例如，龍門刨床，由于毛坯表面不平，加工時負(fù)載常有波動，但為了保證加工精度，速度卻不容許有較大的變化，一般要求調(diào)速范圍Ｄ為２０～４０，靜差率Ｓ＜５％。又如熱連軋機，各機架軋輥分別由單獨的電動機拖動，鋼材在幾個機架內(nèi)同時軋制，要求各機架出口線速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，以保證被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷。根據(jù)工藝要求，須使調(diào)速范圍Ｄ＝１０，保證靜差率Ｓ＜０.５％。130例如，某龍門刨床工作臺拖動采用Ｚ２—９３型直流電動機（額定功率６０ｋＷ、額定電壓２２０Ｖ、額定電流３０５Ａ、額定轉(zhuǎn)速１０００ｒ／ｍｉｎ），要求Ｄ＝２０，Ｓ≤５％。如果使用Ｖ－Ｍ系統(tǒng)，已知主回路總電阻Ｒ＝０.１８Ω，電動機Ｃｅ＝０.２Ｖ·ｍｉｎ／ｒ，則當(dāng)電流連續(xù)時，其在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為：開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為：這已大大超過了５％的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速時的情況了。如果要滿足Ｄ＝２０，Ｓ≤５％的要求，由公式（３－１３）可知：將額定速降從２７５ｒ／ｍｉｎ降低到２.６３ｒ／ｍｉｎ以下，開環(huán)系統(tǒng)本身是無能為力的，但可通過采用閉環(huán)反饋控制來實現(xiàn)。131三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性在電動機軸上安裝一臺測速發(fā)電機ＴＧ，從而引出被調(diào)量（與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Ｕｎ）與對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的給定電壓Ｕ*ｎ相比較后，得到偏差電壓ΔＵｎ，經(jīng)過放大器Ｋｐ，產(chǎn)生觸發(fā)裝置ＧＴ的控制電壓Ｕｃｔ，用以控制電動機轉(zhuǎn)速。這就組成了反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理框圖如圖３－２２所示。根據(jù)自動控制原理，反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)。只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。圖３－２２采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析132三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性下面分析該閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。為了突出主要矛盾，先作如下假定：（１）忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的。（２）假定只工作在Ｖ－Ｍ系統(tǒng)機械特性的連續(xù)段。（３）忽略直流電源和電位器的內(nèi)阻。這樣，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下。電壓比較環(huán)節(jié)：ΔＵｎ＝Ｕ*ｎ－Ｕｎ放大器：Ｕｃｔ＝ＫｐΔＵｎ晶閘管整流器與觸發(fā)裝置：Ｕｄ０＝ＫｓＵｃｔＶ－Ｍ系統(tǒng)開環(huán)機械特性：ｎ＝（Ｕｄ０－ＩｄＲ）／Ｃｅ測速發(fā)電機：Ｕｎ＝αｎ3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析133三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性從上述五個關(guān)系式中消去中間變量。整理后，即得轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式：式中，Ｋ＝ＫｐＫｓα／Ｃｅ為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，它相當(dāng)于在測速發(fā)電機輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速發(fā)電機輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各個環(huán)節(jié)單獨的放大系數(shù)的乘積。須注意，這里是以１／Ｃｅ＝ｎ／Ｕｄ０作為電動機環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同。故定名為“靜特性”。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析134四、開環(huán)系統(tǒng)機械特性和