第7章 自动控制系统的分析与调试

第7章自动控制系统的分析与调试第7章自动控制系统的分析与调试7.1自动控制系统的分析步骤7.2自动控制系统的调试方法7.3自动控制系统的维护使用习题第7章自动控制系统的分析与调试7.1自动控制系统的分析步骤在工程技术上，经常会遇到陌生的控制系统。这时，首先是搞清自动控制系统的工作原理（定性分析），建立系统的数学模型，然后对系统进行定量的估算和分析。关于分析系统的方法在前面各章中都已作了说明，现再作一些补充的说明与分析。第7章自动控制系统的分析与调试1.了解工作对象对系统的要求1)系统或工作对象所处的工作环境条件系统或工作对象所处的工作环境条件主要包括：(1)电源电压及波动范围(例如三相交流电380V±10％)。(2)供电频率及波动范围(例如50Hz±1Hz)；(3)环境温度（例如-20～+40℃）；(4)相对湿度（例如≤85%）；(5)海拔高度(例如≤1000m)等。第7章自动控制系统的分析与调试2)系统或工作对象的输出及负载能力系统或工作对象的输出及负载能力主要包括：(1)额定功率(例如60kW)及过载能力（例如+20%）；(2)额定转矩(例如100N·m)及最大转矩（例如150%额定转矩）；第7章自动控制系统的分析与调试(3)速度：对调速系统为额定转速（例如1000r/min）、最高转速（例如120%额定转速）及最低转速（例如1％额定转速），对随动系统则为最大跟踪速度（线速度vmax及角速度ωmax，例如1m/s及100rad/s）,最低平稳跟踪速度(线速度vmin及角速度ωmin，例如1cm/s及0.01rad/s）；(4)最大位移(线位移lmax及角位移θmax)等。第7章自动控制系统的分析与调试3)系统或工作对象的技术性能指标系统或工作对象的技术性能指标主要有：(1)稳态指标：对调速系统，主要是静差率（例如s≤0.1%）和调速范围(例如100∶1);对随动系统，则主要是阶跃信号和斜坡信号输入时的稳态误差（例如0.1mm或1μm等）。(2)动态指标：对调速系统主要是因负载转矩扰动而产生的最大动态速降Δnmax(例如10r/min)和恢复时间tf(例如0.3ms)；对跟随系统主要是最大超调量σ%（例如5％）、调节时间ts(例如1ms)以及振荡次数N（例如3次）。第7章自动控制系统的分析与调试4)系统或设备可能具有的保护环节系统或设备可能具有的保护环节主要有：过流保护、过压保护、过载保护、短路保护、停电（或欠压）保护、超速保护、限位保护、欠流失磁保护、失步保护、超温保护和联锁保护等。5)系统或设备可能具备的控制功能系统或设备可能具备的控制功能主要有点动,自动循环,半自动循环,各分部自动循环，爬行微调，联锁，集中控制与分散控制，平稳启动、迅速制动停车，紧急停车和联动控制等。第7章自动控制系统的分析与调试6)系统或设备可能具有的显示和报警功能系统或设备可能具有的显示和报警功能主要有电源通、断指示，开、停机指示，过载断路指示，缺相指示，风机运行指示，熔丝熔断指示和各种故障的报警指示及警铃等。7)工作对象的工作过程或工艺过程在了解上述指标和数据的同时，还应了解这些数据对系统工作质量产生的具体的影响。第7章自动控制系统的分析与调试2.搞清系统各单元的工作原理对一个实际系统进行分析，应该先作定性分析，后作定量分析。即首先把基本的工作原理搞清楚，这可以把电路分成若干个单元，每一个单元又可分成若干个环节，这样先化整为零，弄清每个环节中每个元件的作用；然后再集零为整，抓住每个环节的输入和输出两头，搞清各单元和各环节之间的联系，统观全局，搞清系统的工作原理。第7章自动控制系统的分析与调试下面以双闭环直流调速系统的单元为例作一些说明。(1)主电路：主要是对电动机电枢和励磁绕组进行正常供电，对它们的要求主要是安全可靠。(2)触发电路:主要考虑的是它的移相特性（即移相范围和线性度）、控制电压的性与数值，以及它与晶闸管输出电压间的关系。(3)控制电路:它是自动控制系统的中枢部分，其功能将直接影响控制系统的技术性能。第7章自动控制系统的分析与调试(4)检测电路:主要是检测装置的选择，选择时应注意选择适当精度的检测元件，若精度过高，不仅成本增加，而且安装条件苛刻；若精度过低，又无法满足系统要求，因为系统的精度正是依靠检测元件提供的反馈信号来保证的。(5)辅助电路:主要是继电（或电子）保护电路、显示电路和报警电路。第7章自动控制系统的分析与调试3.搞清整个系统的工作原理在搞清各单元、各环节的作用和各个元件的大致取值的基础上，再集零为整，抓住各单元的输入、输出两头，将各个环节相互联系起来，画出系统的原理方框图。然后在这基础上，搞清整个系统在正常运行时的工作原理和出现各种故障时系统的工作情况。第7章自动控制系统的分析与调试7.2自动控制系统的调试方法1.系统调试前的准备工作系统调试前的准备工作包括：(1)了解工作对象的工作要求（或加工工艺要求），仔细检查机械部件和检测装置的安装情况，是否会阻力过大或卡死。第7章自动控制系统的分析与调试(2)检查各单元和部件是否合格。(3)检查是否按图纸要求接线。(4)写出调试大纲，明确调试顺序。(5)准备好必要的仪器、仪表，例如双踪示波器、高内阻万用表、代用负载电阻箱、慢扫描示波器或存储示波器、兆欧表和其他监控仪表（如电压表、电流表、转速表）等，以及作为调试输入信号的直流稳压电源和印刷线路板等。(6)准备好记录用纸，并画好记录表格。(7)清理和隔离调试现场，使调试人员处于进行活动最方便的位置。第7章自动控制系统的分析与调试2.制订调试大纲的原则调试的顺序大致如下：(1)先单元，后系统。(2)先控制回路，后主电路。(3)先检验保护环节，后投入运行。(4)通电调试时，先用电阻负载代替电动机，待电路正常后，再换接电动机负载。第7章自动控制系统的分析与调试(5)对调速系统和随动系统，调试的关键是使电动机投入运转。(6)对多环系统，一般为先调内环，后调外环。(7)对加载试验，一般应先轻载后重载，先低速后高速。(8)系统调试时，应首先使系统正常稳定运行，通常先将PI调节器的积分电容短接（改为比例调节器），待稳定后，再恢复PI调节器，继续进行调试（将积分电容短接，可降低系统的阶次，这有利于系统的稳定运行，但会增加稳态误差）。第7章自动控制系统的分析与调试(9)先调整稳态精度，后调整动态指标。(10)分析系统的动、稳态性能的数据和波形记录，找出系统参数配置中的问题，以作进一步的改进调试。第7章自动控制系统的分析与调试3.系统调试过程现以双闭环直流调速系统为例来说明系统的调试过程，大致如下：(1)系统控制回路各单元和部件的检查和测试（并记录有关数据）。(2)系统主电路、继电保护电路的检查和电流环的整定。(3)系统开环调试及速度环的整定。(4)系统闭环调试。第7章自动控制系统的分析与调试7.3自动控制系统的维护使用1.一般维护——保持清洁，定期清理定期清扫尘埃时，要断开电源，采用吸尘或吹拭方法。要注意压缩空气的压力不能太大，以防止吹坏零件和断线。吹不掉的尘埃可用布擦，清扫工作一般自柜体上部向下进行，接插件部分可用酒精或香蕉水揩擦。第7章自动控制系统的分析与调试2.长期停机再使用时要先进行检查检查项目如下：（1）外表检查:要求外表整洁，无明显损伤和凹凸不平。（2）接线检查:是否有接头松动脱落，尤其是现场临时增加的连线。（3）接地检查:必须保证装置接地可靠。（4）器件完整性检查:装置中不得有缺件，对于易损的元件应该逐一核对，已经损坏或老化失效的元件应及时更换。第7章自动控制系统的分析与调试（5）绝缘性能检查:由于装置长期停机，可能带有灰尘和其它带电的尘埃，而影响绝缘性能。（6）电气性能检查:根据电气原理，进行模拟工作检查，并且模拟制造动作事故，查看保护系统是否行之有效。（7）主机运转前电动机空载试验检查:可以参照系统调试中的电动机空负荷试验方法进行。第7章自动控制系统的分析与调试（8）主机运转时系统的稳态和动态性能指标的检查:用慢扫描示波器查看主机启动、升速及降速瞬间的电流和速度波形，用双踪或同步示波器查看装置直流侧的电压波形。检查系统性能精度和主要参量的波形是否正常，是否符合要求。第7章自动控制系统的分析与调试3.日常维护经常查看各类熔丝，特别是快速熔断器。快速熔断一般都有信号指示，但信号部分也有可能失效，因此可以在停电情况下用万用表R×1挡测量熔丝电阻是否为0Ω。有些连续生产的设备，可以带电检查，只要用万用表交流电压挡测量，若熔丝两端有高电压，则说明熔丝已经熔断。对大电流部分也要经常注意是否有过热部件，是否有焦味、变色等现象。第7章自动控制系统的分析与调试4.定期检修对于紧固件（电力电子开关元件本身除外），在运行约6个月需检查一次，其后2～3年再进行一次紧固。对保护系统，1～2年需进行测试，检查其工作情况是否正常。这可在停机情况下，由控制部分通电进行检查，并根据其原理，制造模拟事故，看其是否能进行有效保护。第7章自动控制系统的分析与调试导线部分要查看是否有过热、损伤及变形等，有些地方需用500V或1000V兆欧表检查其绝缘电阻。有条件的地方，需经常用示波器查看直流侧的输出波形，如发现波形缺相不齐，要及时处理，排除故障。对于大型自动控制系统，在生产商出厂时，都备有使用说明和运行维护手册，用户可对照故障现象，检查故障原因。第7章自动控制系统的分析与调试习题7.1分析一个实际系统的一般步骤有哪些？7.2一般自动控制系统包括哪些主要部分？它们的作用各是什么？7.3系统调试时要先做哪些准备工作？7.4系统调试的一般顺序是怎样的？7.5对系统或设备定期进行检查和维护有哪些好处？