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1、自动控制系统自动控制系统河南理工大学河南理工大学电气工程及自动化学院电气工程及自动化学院课程网址：课程网址：http:/218.196.240.43/jingpinEmail:郑郑 征征绪 论一 学科性质是一门与生产紧密相关的专业课程，是电气传动及其自动化学科（研究方向）的基础性课程。也叫电力拖动自动控制系统、运动控制系统。二 课程任务为电力拖动机械设备选择配套的电气传动系统及其自动控制装置。三 教材的选用 中国矿业大学出版社出版，余发山教授主编的自动控制系统。特点：v精辟、简约；v偏重于直流部分；v交流部分以变频调速为重点，符合调速的发展方向。四 学习重点v理论技能直流调速系统（第1、2、3
2、章）变频调速系统（第6章）v实验技能双闭环直流调速系统的调试与机械特性的测试 *以基本概念、基本原理和实验的基本技能的学习为重点，侧重于系统的组成和工作过程、特性分析的理解和掌握。五 自动控制系统的发展概况v直流传动和交流传动在19世纪中期限后诞生；v20世纪前、中期形成公认的格局：80%的不变速系统都采用交流传动，20%调速系统一般采用直流调速；发展历史发展历史v20世纪70年代的能源危机促使世界各国开始重点研究交流调速系统；v随着三大技术的发展，交流调速系统在性价比上也逐渐优于直流调速系统，目前，新的格局已经形成：交流调速系统上升到主导地位，并将逐步取代直流调速系统。直流调速系统和交流调速
3、系统的比较直流调速系统和交流调速系统的比较v直流电机的弱点：存在机械式换向器和电刷制造工艺复杂，费时费料，成本增加；换向器的换向能力限制了电机的容量和速度；电刷火化和环火限制了直流电机的安装环境；转子散热条件差，电机效率低；换向器和电刷的磨损使电机可靠性低，维修量大。交流调速系统较直流调速系统的主要优点在于交流电机较直流电机的优点：v交流电动机在低成本、高速、大容量、恶劣环境可使用、维修量小等方面明显优于直流电动机；v随着功率器件的发展，交流调速系统的成本也会大幅度降低；v实际上，直流电动机较交流电动机仅存在调速性能好，控制简单等优点。v交流电机的数学模型造成了转矩控制的困难;交流电机是一个M
4、IMO、非线性、强耦合且时变的控制对象转矩公式：TdCTmIrcosrv调速装置中器件的发展阶段的限制了交流调速的发展；v交流调速系统精度和成本的限制。很难在短期内达到直流调速系统的精度高成本、高价格往往使新用户望而却步交流调速系统的难点和复杂性交流调速系统的难点和复杂性v以节能为目的的改恒速为调速v以少维护、安全为目的取代直流调速系统v直流调速难以实现的领域大电流高转速恶劣环境要求长期运转交流调速系统的主要应用方向交流调速系统的主要应用方向六 电力拖动系统的构成和分类v组成电力拖动系统一般由电源、控制装置、电动机、传动机械和生产机械五部分组成。电源控制装置电动机传动机械生产机械控制量v分类按
5、拖动电机的类型：直流拖动系统、交流拖动系统按组成结构和自动化程度开环电力拖动系统闭环电力拖动系统综合自动化电力拖动系统电电 源源功率功率开关开关保护装置保护装置电动机电动机传递传递机构机构工作工作机械机械测测 量量 装装 置置显示、报警、记录装置显示、报警、记录装置控制控制装置装置控制量开环电力拖动系统电电 源源功率功率开关开关保护装置保护装置电动机电动机传递传递机构机构工作工作机械机械测测 量量 装装 置置显示、报警、记录装置显示、报警、记录装置控制控制装置装置闭环电力拖动系统控控制制及及调调节节装装置置去下一级装置上一级给定或本级给定中中 央央 级级 控控 制制 装装 置置（计算机）（计算
6、机）功能级自动装置功能级自动装置A功能级自动装置功能级自动装置BA1A2A3B1B2B3测量值综合自动化电力拖动系统v调速按照一定的工艺要求，调节电动机的转速。v稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；v加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起制动尽量平稳。七 调速的分类和指标基本概念基本概念（一）分类（一）分类v有级和无级有级：电机的速度分档位调节电机的速度分档位调节变极调速交流绕线电动机转子串电阻调速直流电机电枢回路串电阻调速无级：电机的速度可以连续、平滑的调速电机的速度可以连续、平滑的
7、调速晶闸管变流器供电的直流电动机调压调速感应电机变频调速弱磁升速v基速以上和基速以下基速：95额定转速或额定转速基速以下：低于基速的速度下进行调速基速以上：高于基速的速度下进行调速直流电机的弱磁升速变频调速的基频以上的恒压运行双馈调速的发电回馈制动运行 *一般情况下，工业生产设备均要求在基速以下进行调速，只有少数机械由于工况的需要，才在基速以上进行调速。v恒转矩调速和恒功率调速恒转矩调速：调速过程中，电机输出的转矩恒定。直流电机调压调速电枢串电阻调速恒功率调速：调速过程中，电机输出的功率恒定。直流电机弱磁升速v调速方法要和负载性质相互配合，调速系统要适应负载，这样才能使电机的容量得到充分的利用
8、。恒功率负载采煤机、输送机、提升机恒转矩负载恒张力卷取机、开卷机、卷扬机、机床主轴（二）指标1.动态指标10.跟随性能指标：对给定输入应该能不失真地准确跟踪上升时间tr峰值时间tp调节时间ts超调量v20 抗扰性能指标：标志系统抵抗扰动的能力1）最大动态降落：系统稳定运行时，突加一个约定的标准的负扰动量，在过渡过程中所引起的输出量最大降落值叫做动态降落。2）调节时间：从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值之差进人某基准量的5（或）2范围之内所需的时间，定义为恢复时间。v调速范围调速范围 电动机在额定负载下调速时，它的最高转速和最低转速之比，用字母 D 表示，即 nmin 和nm
9、ax 对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。20 静态指标v静差率静差率 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 nnom，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s，即或用百分数表示 式中 nnom=n0-nnom 说明说明v静差率静差率s表示调速系统的相对稳定性，表示调速系统的相对稳定性，s越小，越小，相对稳定性越好。相对稳定性越好。0TeNTen0A nNa B nNb n直流电动机电枢串电阻调速机械特性n0相同，n不同：电机机械特性硬，转速稳定性好（s小）；电机机械特性软，转速的稳定性差（s大）。0TeNTen0an0bab nN
10、a nNb nn0不同，n相同：高转速时，转速稳定性好（s小）；低转速时，转速的稳定性差（s大）。直流电动机调压调速机械特性ABv工程设计时以最低速特性所对应的静差率为工程设计时以最低速特性所对应的静差率为依据。依据。此时为电动机最困难的工作条件；在低速时的静差率能满足要求，在高速时的静差率也能满足要求。v调速范围和静差率两项指标并不是孤立的，调速范围和静差率两项指标并不是孤立的，必须同时考虑才有意义。必须同时考虑才有意义。一个调速系统的调速范围是指在最低转速时（额定负载下）还能满足静差率要求的转速可调范围；没有静差率的要求，系统的调速范围可以很大（最低转速可以很小），离开s谈D无意义；没有调速范围的限制，静差率的值可以很小（高速时静差率很小），离开D谈s无意义。调速范围、静差率和额定速降之间的关系调速范围、静差率和额定速降之间的关系 设：电机额定转速nnom为最高转速，转速降落为nnom，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即于是，最低转速为 而调速范围为 将上面的式代入 nmin，得 从公式角度充分体现了D和s不是孤立的，而是相互依存的；调速范围和静差率都是在额定负载工况下来谈的；S越小，系统能够允许的调速范围D越小。