《自动控制系统》复习资料

第一章 绪论自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控变量）自动地按照预定的规律运行。

自动控制系统的基本体系：物理量和系统结构。

恒值控制系统：系统输入量为恒定值，输出量也为恒定值且输出量在任何扰动作用下经过暂短的过渡过程后均能稳定在原来的恒值或其附近。

位置随动控制系统：又称伺服系统。

系统输入量为事先未知随时间变化的函数，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化（追踪系统）。

程序控制系统：输入量的变化规律预先确知，其控制要求是被控量快速、准确地加以复现。

第三章电力拖动控制系统按被控制量的不同分为两大类：1、调速系统：以电动机的转速为被控制量的系统。

它是最基本的电力拖动控制系统。

2、位置伺服系统：以生产机械的角位移或直线位移为被控制量的系统，又称为位置随动系统。

他励直流电动机的机械特性 转矩方程： 转速方程： 机械特性方程：R--电枢回路总电阻，包含电枢电阻R a 和附加电阻R ad 。

C e =K e Φ—电动势转速比 ；K e —电动势系数；C m =K m Φ –转矩电流比K e C m =9.55C eK m —转矩系数K m =9.55；n 0—电动机的空载转速，在Φ不变即励磁电流I f 不变时，只与电枢电压有关。

Δn--转速降，ρ是特性斜率，表明随负载增大转速降落的速率。

ρ 值大，相同负载转矩下的转速降落大，特性“软”；反之，则特性“硬”。

在电动机结构不变时，可以改变 电枢回路端电压，改变电枢回路串联电阻（附加电阻），改变励磁磁通 来改变电动机的机械特性。

直流电动机调速方法：①调压调速：调节电枢供电电压U 。

②调磁调速：减弱励磁磁通Φ。

③调阻调速：改变电枢回路电阻R 。

直流调速系统以调压调速为主原因：改变电阻只能有级调速（有级调速：在调速过程中，电动机的转速不能连续调节，只有有限的几级，称有级调速）；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。

常用的可控直流电源有以下三种：1）旋转变流机组G-M ， 2）静止式可控整流器V-M ，3）直流斩波器或脉宽调制变换器PWM斩波电路输出电压的三种调制方式：（1）T 不变，变 t on —脉冲宽度调制（PWM ），（2）t on 不变，变 T —脉冲频率调制（PFM ），（3）t on 和 T 都可调，改变占空比—混合型。

试述V-M 调速系统和PWM 调速系统的组成及各自的工作原理和优缺点。

V-M 调速系统工作原理：通过调节触发装置的控制电压U c 来移动触发脉冲的相位，从而改变平均整流电压U d ，实现平滑调速。

优点：1、晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。

2、在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒a m a m I I K T C =Φ=ea e a C RI U K RI U n -=Φ-=Δn n T n T C C R C U n m e e -=-=-=00ρΦ==e e K U C U n 0级，这将大大提高系统的动态性能。

缺点：1、由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。

2、晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt 与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。

3、由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。

PWM 系统特点：----不需要单独配置电抗器，可减少能源损耗；----任何形式的直流电源均可作为系统的工作电源，只要电压和容量满足要求即可；----开关频率高，电流易连续，低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右； ----系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；----直流电源采用不控整流时，波形脉动小，电网功率因数高。

----在中小功率直流传动控制系统中得到广泛应用。

调速范围 （n max 和n min 一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速）静差率 （静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的，静差率越小，稳定度就越高。

）例：某直流调速系统电动机额定转速为n e =1430r/min ，额定速降Δn e =115r/min ，当要求静差率s≤30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率s≤20% ，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？ 解：要求s≤30%时，调速范围为 要求s≤20%时，调速范围为 调速范围达到10，静差率只能是例：某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW 、220V 、305A 、1000r/min ，采用V-M 系统，主电路总电阻R=0.18Ω，电动机电动势转速比C e =0.2V.min/r 。

如果要求调速范围 D = 20，静差率≤5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？ 解：当电流连续时，V-M 系统的额定速降为 开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为： 这已大大超过了5%的要求，更不必谈调到最低速了。

如果要求D = 20，s ≤ 5%，则如果电动机的最高转速都是n e ；而对最低速静差率的要求相同，那么：开环时 闭环时 得用表达式回答闭环调速较开环调速的优越：0en n s ∆=min e min max n n n n D ==)1(e e s n s n D -∆=e e e n D n n D s ∆+∆=3.5)3.01(1153.01430)1(e e =-⨯⨯=-∆=s n s n D .13)2.01(1152.01430)1(e =-⨯⨯=-∆=s n s n D min /275min /2.018.0305e de e r r C R I n =⨯==∆%6.21216.027********e e e e ==+=∆+∆=n n n s min /63.2min /)05.01(2005.01000)1(e e r r s D s n n =-⨯⨯≤-=∆)e op s n D =)1(c e c s n s n D l l -∆=1）闭环系统静特性比开环系统机械特性硬得多。

2）闭环系统的静差率要小得多。

3）闭环系统可以大大提高调速范围。

闭环直流调速系统稳态参数的计算步骤：（例题）例：V-M 调速系统。

已知数据如下：电动机：额定数据为10kW ，220V ，55A ，1000r/min ，电枢电阻 ：R a = 0.5Ω； 晶闸管整流装置的电压放大系数：K s = 44；V-M 系统电枢回路总电阻：R = 1.0Ω；直流稳压电源：±15V ；生产机械要求：调速范围D=10，静差率s≤5%。

试计算调速系统各环节的稳态参数。

解：1、为满足系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为：2、求闭环系统应有的开环放大系数K ： 电动机的电动势系数： 开环速降为： 闭环系统的开环放大系数：3、计算额定条件下U n =15V 时的转速反馈系数α：4、计算运算放大器的放大系数K p ： 请绘制转速单闭环系统稳态结构图：请绘直流电动机的动态结构图：T1：电枢回路电磁时间常数 Tm ：电力拖动系统机电时间常数min /26.5)05.01(105.001000)1(e c r s D s n n l =-⨯⨯≤-=∆r V r V n R I U C e a e ee min/.2.0min/.925.101000.5055-220≈=⨯=-=.7r/min 285925.10155=⨯==∆e e op C R I n 3.5313.54126.57.2851c op =-=-≥-∆∆=l n n K r V n U e n min/.15.00100015===α1.1644015.03.03.53=⨯⨯≥=⇒=s e p e p s αK KC K C αK K K例： PWM 闭环直流调速系统，已知参数如下：电动机额定数据为：10kW ，220V ，55A ，1000r/min ，C e =0.2V.min/r ，飞轮力矩GD 2=10N.m 2； 电枢回路参数R=0.6Ω ，L=5mH ；电力电子变换器：K s =44，T s =0.1ms （开关频率10kHz ）。

要求稳态性能指标：D=10，s≤5%。

问：1）该系统能否稳定？2）该系统临界稳定的条件下，最多能达到多大的调速范围（静差率指标不变）？ 解：1）为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为：开环速降为： 闭环系统应有的开环放大系数K 为： 各环节的时间常数为：稳定的条件：显然闭环系统稳定。

2）临界稳定条件下，即：K cr =405， 此时闭环的稳态速降为： 闭环系统的调速范围最大能达到： 动态校正的方法：●串联校正 ●反馈校正 ●复合校正第四章 转速和电流双闭环直流调速系统请绘制双闭环直流调速系统的稳态结构图：min /26.5)05.01(1005.010001e r s D s n n cl =-⨯⨯≤-=∆）（min /1652.06.055e r C R I n e op =⨯==∆4.30126.51651-K =-≥∆∆=cl op n n s R L l 0.008330.60.005T ===0001s .0s =T s C C R GD m e m 04.02.055.92.03756.010375T 2=⨯⨯⨯⨯==405)(s 2s s m =++<T T TT T T K l l min /41.040511651r K n n cr op cl =+=+∆=∆128)05.01(41.005.010001e =-⨯⨯=-∆=）（s n s n D clclW ASR (s)和W ACR (s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

第I 阶段：电流上升阶段（0 ~ t 1）：1）突加给定电压 U *n 后，I d 上升，当 I d 小于负载电流 I dL 时，电动机还不能转动。

2）当 I d ≥I dL 后，电动机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR 的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 U *im ，强迫电流 I d 迅速上升。

3）直到，I d = I dm ， U i = U *im 电流调节器很快就压制了I d 的增长，标志着这一阶段的结束。

ASR 很快进入并保持饱和状态，而ACR 一般不饱和。