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自动控制 系统

自动控制 系统. 电气工程系 张和生. 绪论. 自动控制系统的几个概念 自动控制系统的分类 自动控制系统的组成 自动控制系统的性能指标 研究自动控制系统的方法 本课程与其它课程的连接本课程的主要内容 计算机控制系统的概念. 一.自动控制系统的几个概念. 1.自动控制 在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象的某一物理量自动地按预定的规律进行。 2.系统 研究自动控制共同规律的技术科学。. 一.自动控制系统的几个概念. 3. 自动控制系统 能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。 4. 自动控制理论 研究自动控制共同规律的技术科学。.

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Presentation Transcript

  1. 自动控制系统 电气工程系 张和生

  2. 绪论 • 自动控制系统的几个概念 • 自动控制系统的分类 • 自动控制系统的组成 • 自动控制系统的性能指标 • 研究自动控制系统的方法 • 本课程与其它课程的连接本课程的主要内容 • 计算机控制系统的概念

  3. 一.自动控制系统的几个概念 • 1.自动控制 • 在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象的某一物理量自动地按预定的规律进行。 • 2.系统 • 研究自动控制共同规律的技术科学。

  4. 一.自动控制系统的几个概念 • 3.自动控制系统 • 能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。 • 4.自动控制理论 • 研究自动控制共同规律的技术科学。

  5. 一.自动控制系统的几个概念 • 5.拖动 • 应用各种原动机使生产机械产生运动，以完成一定的生产。 • 6.电力拖动 • 用各种电机作为原动机的拖动方式。

  6. 二.自动控制系统的分类 • 1.按输入量变化的规律 • ①恒值控制系统 • 特点：系统的输入量是恒值，并要求系统的输出量相应保持恒值。 • 例子：自动调速系统、恒温控制系统、恒压、恒流系统

  7. 二.自动控制系统的分类 • ②随动系统 • 特点：系统的输入量是变化的，并要求系统的输出量跟随输入量的变化。 • 例子：刀架跟随系统、火炮控制系统、雷达导引系统、机器人控制系统。

  8. 二.自动控制系统的分类 • ③过程控制系统 • 特点：对生产过程自动提供一定的外界条件，例如：温度、压力、流量、粘度、浓度等参量保持恒定或按一定的程序变化。对其中的每一局部，可以是随动系统，也可以是恒值系统。 • 例子：化工厂控制系统。

  9. 二.自动控制系统的分类 • 2.按数学模型分类 • 数学模型 • 描述系统内部各物理量之间关系的数学表达式。 • 静态模型 • 变量各阶导数为零的条件下。

  10. 二.自动控制系统的分类 • ①线性系统 • 定义：数学模型为线性微分方程式的控制系统。 • 特点： • a.系统的输入量与输出量之间关系是线性 • b.各环节和系统均可用线性微分。 • c.可用叠加原理和拉氏变换。

  11. 二.自动控制系统的分类 • ②非线性系统 • 定义：数学模型为非线性微分方程式的控制系统。 • 特点： • 系统中有非线性环节。

  12. 二.自动控制系统的分类 • 3.按系统传输信号对时间的关系分类 • ①连续控制系统 • 特点：控制作用的信号是连续量或模拟量。 • 例子：调速系统、随动系统。 • 数学模型用微分方程描述

  13. 二.自动控制系统的分类 • ②离散控制系统 • 特点：控制作用的信号是断续量或数字量或采样数据量。 • 例子：计算机控制系统。 • 数学模型用差分方程描述

  14. 二.自动控制系统的分类 • 4.按系统有无反馈环节分类 • ①开环控制系统 • ②闭环控制系统

  15. 输出量 给定 元件 参数 串联 校正 装置 放大 元件 执行 机构 被控 对象 反馈校正装置 测量装置 三.自动控制系统的组成 自动控制系统的基本功能 信号的传递、加工和比较。

  16. 四.自动控制系统的性能指标 • 控制系统的性能指标包含： • 稳定性、稳态特性、动态特性 • 稳定性：系统的首要条件 • 稳态特性：稳态误差 • 动态特性：动态跟随特性， 动态抗扰特性

  17. 定性分析 建立数学模型 定性分析 对系统校正 N 满意？ Y 工程实践 五.研究自动控制系统的方法 • 定性分析 • 建立数学模型 • 定量分析 • 对系统校正 • 工程实践

  18. 六.本课程与其它课程的关系 • 先修课程 • 电机学、自控原理、电子技术 • 后续课程 • 计算机控制系统

  19. 六.本课程与其它课程的关系 • 主要内容 • 直流电机自动控制系统 • 交流电机自动控制系统

  20. 六.本课程与其它课程的关系 • 要求 • 1.掌握基本的理论、分析方法、和典型的应用 • 2.学习本课程的思想，通过本课程的学习，不仅掌握知识，而且在学习能力、分析能力、综合能力上有提高。

  21. 六.本课程与其它课程的关系 • 如何学好本课程 • 1.复习+综合 • 2.学习做读书报告

  22. 七.计算机控制系统的概念 • 从本质上讲，计算机控制系统包括： • 1.实时数据采集 • 2.实时决策 • 3.实时控制

  23. 七.计算机控制系统的概念 • 计算机控制系统分类： • 1.联机在线方式 • 2.脱机离线方式

  24. 七.计算机控制系统的概念 • 实时的概念： • 信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成。 • 计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内做出相应。

  25. 交流调速系统简介

  26. 第六章 交流调速引导

  27. 第六章 交流调速引导 • 异步电机的特点： • 高阶、非线性、多变量 • 异步电机的调速： • n＝ n1(1-s)＝60f1 (1-s)/p • n---转子转速 n1---旋转主磁通的转速 • s---转差频率 p---定子绕组的极对数 • s=f(U1 、r1、x1σ、r2’、 x2 σ’ )

  28. §6.1交流调速系统的基本类型 • 一.常见分类 • 降电压调整 • 电磁转差离合器调速 • 绕线转子异步电机转子串电阻调速 • 绕线转子异步电动机串级调速 • 变极对数调速 • 变频调速

  29. §6.1交流调速系统的基本类型 • 二.从定子传入转子的电磁功率 • P2=(1-S) Pm-----拖动负载的有效功率 • Ps =S Pm--------转差功率（转子铜耗） • 1.转差功率消耗型 • Ps转成热能形式 • 降电压调整 • 电磁转差离合交调速 • 绕线转子异步电机转子串电阻调速

  30. §6.1交流调速系统的基本类型 • 2.转差功率回馈型 • Ps一部分被消耗掉，大部分通过变流装置回 馈电网或转化为机械能予以利用。 • 绕线转子异步电动机串级调速

  31. §6.1交流调速系统的基本类型 • 3.转差功率不变型 • 转子铜耗不可避免，无论转速高低， 转差功率的消耗基本不变。 • 效率最高。 • 变极对数只能有极调速，应用场合有限。 • 变频调速最有发展前途

  32. x1σ r2’ x2 σ’ r1 Im=-I2’ I1 rm (1-s)r2’ s U1 Im xm §6.2 闭环控制的交流变压调速系统 • 异步电机模型

  33. σ1x1σ σ12r2’ σ12x2 σ’ σ1r1 I1 -I2’’ =I2’ / σ1 r1 σ12(1-s)r2’ s x1σ U1 Im rm σ1=1+ x1σ /x2σ xm 异步电机模型

  34. 异步电机机械特性 当电机电路参数不变时,在一定转速下，转矩正比于电压的平方

  35. 异步电机机械特性

  36. 一:异步电动机改变电压时的机械特性 • 根据电机学原理，并假设： • (1)忽略空间和时间的谐波。 • (2)忽略磁饱和。 • (3)忽略铁损。 • σ1=1+ x1σ /x2σ = 1

  37. 一:异步电动机改变电压时的机械特性 • 异步电机在不同的电压下的机械特性。 • 高转子电阻电机在不同电压下的机械特性。

  38. M Un* Uct ASR TG 二 闭环控制的变压调速系统及其静特性 • 变压调速 • D 小。 • 高转子电阻电机的机械特性软。 • D=2以上时用带转速反馈的闭环控制系统

  39. 第七章异步电机变压变频调速系统(VVVF) -------转差功率不变型调速系统

  40. §7-1变频调速的基本控制方式 • 电机调速时希望磁通量Φm为额定值不变 • 三相异步机每相电势 • Eg=4.44f1N1KN1Φm • f1------定子频率 • KN1---基波绕组系数 • N1-----定子每相绕组串联匝数 • Φm ----每极气隙磁通量(Wb)

  41. 一.基频以下调速 • f1从额定f1n向下调。 • 要求： Eg /f1 =常数。 • 因为E不易控制，当E较大时，忽略定子绕组的漏感压降 U1 =Eg • U1 /f1 =常数 • 低频时，x1σ大，不能忽略 • 所以U1 需提高。

  42. 二.基频以上调速 • 频率从f1n上升， U1只能升到U1n (额定电压)。 • 迫使Φm下降。 • 相当与直流电机弱磁升速 • 变频调速控制特性（P198）

  43. § 7-2 静止式变频装置 • 间接变频 AC-DC-AC • 直接变频 AC—AC

  44. 一:间接变频装置(AC-DC-AC) • 可控整流器变压 • 调压调频在两个环节上进行 • U1/F1较低时,电网端功率因数低 • 输出谐波大 • 2. 不控整流、斩波调压。逆变器变压 • 电网输入功率高 输出仍有谐波 • 3. 不控整流、PWM变压变频 • 电网功率因数高 谐波减少

  45. 二:直接变频装置(AC-AC) • 交交变频 • 周波变换

  46. 三:电压源和电流源变频器 • 1.电压源 输出电压阶梯波、矩形波。 • 2 电流源 输出电流矩形波、阶梯波。 • 根本区别:用什么储能元件缓冲无功能量

  47. 三:电压源和电流源变频器 • 电压源变频器: • AC—DC — AC变频器中中间直流环节主要采用大电容滤波时，直流电压波形平直。理想情况下是一内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波 • 电流源变频器 • AC—DC—AC变频器中中间直流环节采用大电感滤波时，直流回路中的电流波形比较平直。对负载来说是一个恒流源。 • 因为电机是感性负载，功率因数不会等于1.0， 所以中间直流环节与电动机之间总存在无功功率的交换。

  48. § 7-3 SPWM逆变器 • 电压频率协调控制 • 若整流器可控，则 • （1）两个可控功率环节---复杂。 • （2）中间环节大电感、大电容、系统动态响应缓慢。 • （3）整流器可控，功率因数（供电）随频率下降而变差，并产生高次谐波电流。 • （4） 输出为六阶梯波 • 1964年 德 A.schonung 提出PWM。

  49. § 7-3 SPWM逆变器 • PWM方法 • 控制逆变器功率开关器件导通或断开，其输出端即获一系列宽度不等的矩形脉冲波形，从而决定开关动作的顺序和时间分配规律的控制方法。 • 改变矩形脉冲宽度----逆变器输出交流基波电压幅值。 • 改变调制周期---逆变器输出交流基波电压频率。

  50. § 7-3 SPWM逆变器 • 特点： • （1）只有一个可控功率环节。 • （2）用不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压大小无关而接近1。 • （3）调频同时调压，与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应。 • （4）输出电压波形好，能抑制或消除低次谐波。

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