控制系统复习要点

运动控制系统复习要点一期末考试的题型与交流拖动控制系统比较，直流拖动控制系统是重点；考试内容各占50%左右。而直流电机控制的要求则是掌握，是以计算，分析，证明题方式出现；交流的要求是了解和一般掌握，交流电机则以选择、判断、填空、简述的方式出现。10级考试题型及分数分配1判断题（15-20分，10~20小题）范围广，2选择题（15-20分，10~20小题）范围广3填空题（10分，10~20小题）内容深，细节区分3设计题（10分，1小题）4简述题（10-15分，3小题）5设计题（10-15分，2小题）6分析与计算题（15-20分，4小题）7证明题(10-15分，2小题)二考试内容主要依据教材中的作业和例题和复习题。三课程内容复习纲要直流拖动系统（掌握）控制系统课程贯穿着一个基本方法：理论联系实际来分析问题解决问题。具体来说就是系统思想和模型化、工程化方法。本书的基本结构是以学科历史发展过程或者说实际问题为逻辑起点，而一般的理论课程如物理、数学实际上是与科研实际过程相反的，以学习者的知识结构为逻辑起点，从定义、概念、定律再到定理。这是因为理论的发展意味着概念的创新。控制系统是一门技术理论课程，它是从技术角度来总结的。正因为是技术角度出发的，具有综合性和实践性的特点。所以对学习者来说，必须具备一定的实践基础和专业理论基础。对初学者来说，表现出有一定的难度是不奇怪的，而且，每一部分内容都仅是打下基础，深入的细节方面的知识，需要更进一步地查阅其它书籍和资料，从另一方面来看，这也给大家留下了自学和实践的空间。从电压平衡方程式，导出调速方法，从反馈控制原理和静态参数的要求导出闭环控制系统；从静态与动态性能的矛盾分析了P调节器和I调节器，发展到PI调节器；从单闭环的调速系统无法控制起、制动动态电流，导出了带饱和非线性的PI调节器构成双闭环的系统结构，而双闭环的结构可以说交直流电动机控制的基本结构；从单向开关的晶闸管不能实现反转和回馈制动导出了可逆系统结构，又从可逆系统引起的环流问题导出有环流和无环流控制策略；再从调压调速的限制和宽调速范围的要求引出带弱磁控制的非独立弱磁控制系统。问题一步一步深化。但思考问题的出发点是电压平衡方程式，磁链平衡方程式，转矩平衡方程式，再加半导体开关的特性导致的电力电子电路中的特殊问题（也就是电力电子技术），同时分析时用到了电路和电机中的基本概念如输入功率、输出功率、转差功率、功率因数、效率、损耗等等。1闭环控制静差率与调速范围重点掌握可控直流电源VM系统的主要问题直流脉宽调速系统的主要问题单闭环稳态分析PI调节器2双闭环稳态数学模型及动态性能分析非典型系统的典型化弱磁控制实验电路模拟式PI调节器，过电流保护电路3数字控制（了解）（因为专门开设了微机控制技术课程）数字测速数字PI调节器及其设计方法4可逆系统（掌握）5变压调速及其软起动器（了解）6.1VVVF控制方式（掌握）机械特性比较三段式控制：基频以下小于5HZ时，抬高电压补偿定子压降；基频以下大于5HZ时，恒压频比；基频以上，则恒定电压，弱磁升速；（以额定频率为50HZ为例）6.2PWM模式spwmchbpwmsvpwm（了解）（实际上这是现代电机控制的核心技术）6.3变频器的主要类型（了解）6.4标量控制系统转速开环转速闭环转差频率控制（一般掌握）6.5矢量控制原理坐标变换转子磁链定向（一般掌握）6.6矢量控制系统直接矢量控制间接矢量控制转子磁链估计和观测（理解）6.7直接转矩控制定子磁链的估计和观测（理解）7串级调速系统（高效率低功率因数）（掌握）双馈调速的5种工况串级调速的工作原理起动停车顺序转子整流电路的特点及对机械特性的影响串级调速系统的功率因数及其改进方案双馈调速系统（了解）8同步电动机变频调速（了解）特点及其类型他控变频（转速开环，交交变频，气隙磁场定向）自控变频（无刷直流，永磁同步电动机）四复习要点1直流电动机调压可获得恒转矩调速。调励磁可获得恒功率调速。用不同调速方法的直流调速系统有不同的调速特性。生产机机械有不同的负载转矩特性，采用可调速传动装置时需考虑使装置的调速特性与负载的要求相匹配，以获得良好的技术经济效果。负载特性与电机电磁转矩特性的配合（负载特性：1恒定阻转矩负载2位能性负载3转矩随转速变化的负载（通风机型，恒功率，转矩与转速成比例）4转矩随位置变化的负载）调速特性与负载调速要求的不匹配问题采用保种调速方式要考虑负载调速要求。当两者不匹配时，电动机的容量就得放大。电磁转矩在弱磁时具有恒功率性质，但仍能带动恒转矩负载。2供变压调速使用的可控直流电源有：旋转变流机组、静止可控整流器与直流斩波器。直流斩波器不同于相位控制调压的可控整流器，它是通过改变主开关元件的通断时间比例即占空比来调压的，有一系列优点。3V-M系统的几个特殊问题可归结为：整流电压的相位控制、整流电流的平波与波形的连续、调速机械特性及其分区。V-M系统的完整调速机械特性包含整流状态下与逆变状态、连续区与断续区。4调速范围与静差率是调速系统的两个相互关联的稳态性能指标。闭环控制相对于开环控制来讲，可使系统稳态性能指标得到改善。正确理解调速范围的静差率中的理想空载转速指的是稳定运转的最低转速对应的理想空载转速，这就将调速范围和静差率联系起来了。闭环后，由于反馈作用降低了静差率，提高了调速范围。这部分内容要求会计算，会分析，会证明。加转速负反馈和比例调节器的系统，可使稳态速降减小，但总是有静差，不可能使速降为零。该系统中，被反馈环所包围的加于控制系统前向通道上的各种扰动对转速的影响，都受到反馈控制的抑制。但反馈控制无力克服给定电源和检测反馈元件的误差。按照反馈控制的原理，即要控制什么物理量，就必须检测或间接检测这个物理量并变成电信号，组成闭环控制系统。5单闭环系统的静态结构图和动态结构图应会推导。在作闭环调速系统的稳态参数计算时，可根据稳态性能指标、电动机及其它控制部件的已知参数来计算反馈检测元件与放大器的参数，这首先需找出系统的输入输出关系。然后根据各环节输入输出关系的算式来推导。也可根据结构图通过运算求出。6在有静差单转速闭环系统中，可以用电流截止负反馈来抑制突加给定电压的电流冲击，以保证系统有较大的比例系数来满足稳态性能指标。7P调节器动态响应快但静态有误差，且为保证较小的静差需要较大的放大系数，这就可能使得系统出现动态不稳定。I调节器静态无差但动态响应慢也会使系统不稳定。PI调节器综合了P和I调节器的优点，可使得系统响应较快且无静差。8根据直流电动机的电压平衡方程式，转矩平衡方程式，可以得到电机的动态模型。根据整流器的输出与输入关系，可将其视为一个惯性环节。8在带电流正反馈的电压负反馈调速系统中，省去了测速装置。但必须采用电流正反馈补偿电枢电阻引起的稳态速降。全补偿可做到无静差，但系统已处于稳定边缘，故不能指望用这类系统实现无静差调速。第2章双闭环直流调速系统（重点）1转速电流双闭环调速系统克服了单闭环调速动态电流无法控制的缺点。可以根据原理图画出稳态结构图，进而得出静特性方程式。对于PI调节器组成的双闭环系统，其稳态参数计算比较简单。转速反馈系数和电流反馈系数可按照最高电压和最大电流及调节器的线性工作电压（或在数字系统中按位长）来选择。带饱和非线性的PI调节器组成的双闭环调速系统是本次课程的重点内容。利用饱和来实现准最优时间控制。要调节起动、制动电流的大小，只能是在正确调节电流反馈系数的基础上，调节ASR的限幅值。也就是调节ASR中的限幅电路中的电位器。注意起动、制动电流需调节不同的电位器。对于正向电压给定，起动时，由于ASR反向，输出负的电压，所以应调节负电压限幅值。而对于制动，调节正电压限幅值。对于双闭环系统的稳态计算，见P55式（2-3）、（2-4）、（2-5）。是重点掌握的。PI调节器的输出与输入无关，是由后面环节的需要决定的。这一原理，在控制系统中经常用到。2根据双闭环系统原理图，可得到动态结构图。双闭环系统的特点是利用饱和非线性实现了“准时间最优”控制，但带来了转速超调。可以用附加微分控制器或采用智能控制器和内模控制器来改善动态性能。双闭环系统的另一特点就是稳中求快。先设计和调试内环，使其稳定并满足动态性能后，再设计和调试外环。这个前提是内环控制量比外环控制量变化慢得多（10倍以上）。3系统动态性能或调节器的工程设计基本思想是非典型系统的典型化，具体来讲就是零极点抵消方法再加上工程近似法。注意一般都是抵消大的惯性环节。一般电流环设计为典型I型系统，因为电流环强调跟随性能；而转速环设计为典型II型系统，因为转速环强调抗干扰性能。在微机控制系统中，将闭环控制视为运算，采用定时运算的方法实现实时控制。也就是说闭环控制可视为定时中断服务程序中间的运算，也就是说包括采样实际反馈值并加以滤波、计算给定与反馈的误差，对误差进行PI运算，输出PI运算结果。由于电流比转速变化快得多，电流定时器设置要比速度环定时器短得多。定时器设置的时间就是采样周期。采样周期一般按控制对象的惯性时间常数来设定，最低要满足香农采样定理，以减小采样失真。实际的采样周期远小于香农采样定理计算值，并在实际调试中予以调整。采样周期越短，调节器的设计就可按连续系统设计再离散化。也可采用直接离散化的方法来设计调节器。在计算机系统中，PI调节器必须离散化。而PI调节器的离散化形式有很多种，如积分分离算法，增量式算法等。4在需要宽调速范围的直流调速系统中，常采用电枢电压与弱磁的配合控制。即基速以下调压调速，电磁转矩的性质属于恒转矩。而基速以上，由于电机电压的限制，只能弱磁调速，这时，其电磁转矩的性质属于恒功率。这就是说，控制规律要按照控制对象的物理约束来合理进行。第3章可逆调速系统1从电动机转矩公式可得出改变转矩方向的两种基本方法：改变电枢电流或改变励磁磁通的方向。采用接触器切换、晶闸管开关切换、反并联线路都能实现。前两者都只适用于动态性能要求不高的情况。由于励磁绕组电感量大，改变励磁磁通方向的方法只适用于对快速性要求不高、正反转不频繁的可逆系统。2即使不需要正、反转，但只要它需要快速回馈制动，就必须采用正反两组晶闸管装置供电。因为回馈制动需使反组晶闸管工作在有源逆变状态才能实现。有源逆变需要一定的条件。而且有源逆变须防止逆变颠覆造成过电流的故障发生。但是，在位能式负载的情况下可以在只有一组晶闸管的情况下实现回馈制动（它可在二象限即I，IV象限运行）。3环流是采用正、反两组晶闸管供电后带来的新问题。可分为有环流系统和无环流系统。有环流系统中必须加环流电抗器，而无环流可省去环流电抗器，在控制策略上必须加上无环流逻辑来控制选触开关。4仔细分析配合控制有环流可逆调速系统的正向制动过程，可以看到，过渡过程包含本组逆变、它组制动两个阶段，而它组制动又可分解为建流，逆变和减流三个子阶段。但最主要的是它组逆变电动机回馈制动阶段。该系统的突出优点是正反转时起动与制动过程完全衔接而适合快速正反转，但需要增设环流电抗器而增加负担，因此只适用于中、小容量系统。而采用逻辑无环流控制实现选触，可节省一套电流调节器与触发装置。5除了晶闸管直流电动机外，采用直流PWM调速系统，具有线路简单、功耗低、效率高和功率因数高、动态性能好等一系列优点。闭环PWM调速系统的静、动态分析与晶闸管调速系统基本上一样，所以重点在对主回路、PWM控制电路及其它特殊问题进行讨论。主回路分为不可逆、可逆；可逆又分为双极式，单极式和受限单极式。PWM全控型双极性桥式变流器供电的直流电动机分析见书中P14-15。其中的一个特殊问题是电能回馈与泵升电压的问题。这个问题同样出现在交直交变频器的主回路上。第5章交流调速的基本类型和交流变压调速系统1交流调速系统按对转差功率的处理方式分为三类：转差功率消耗型、回馈型、不变型。2相比较而言，变压调速适合于风机泵类负载。而对于恒转矩负载，变压调速的电动机，由于转差功率损耗与转差率s成正比，所以不宜长期在低速下工作。3对于大容量的异步电动机，不能直接通电起动。必须采用降压起动，而虽然降压导致起动电流下降，但由于起