自动控制系统的分析调试与故障的排除.ppt
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1、第第第第8 8章章章章 自动控制系统的分析、调试与故障的排除自动控制系统的分析、调试与故障的排除自动控制系统的分析、调试与故障的排除自动控制系统的分析、调试与故障的排除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。系统分析一般包括如下几个方面的内容:1、了解工作对象对系统的要求、了解工作对象对系统的要求2、搞清系统各单元的工作原理、搞清系统各单元的工作原理 3、搞清整个系统的工作原理、搞清整个系统的工
2、作原理 了解工作对象对系统的要求了解工作对象对系统的要求这些要求通常是:1系统或工作对象所处的工况条件系统或工作对象所处的工况条件电源电压及波动范围例如三相交流380(110%)V;供电频率及波动范围例如(501)Hz;环境温度(例如-20+40C);相对湿度(例如85%);海拔高度(例如1000m)等。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额定功率(例如60kW)及过载能力(例如120%);额定转矩(例如80N.m)及最大转矩(例如150%额定转矩);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
3、随动系统则为最大跟踪速度(线速度max及角速度max)(例如1m/s及100rad/s)、最低平稳跟踪速度(线速度max及角速度max)(例如1cm/s及0.01rad/s);最大位移(线位移及角位移)等。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稳态指标对调速系统,主要是静差率(例如s0.1%)和调速范围(例如1001);对随动系统,则主要是阶跃信号和等速信号输入时的稳态误差(例如或1密位等)。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(例如10r/min)和恢复时间 (是指从扰动量作用开始,到被调量进入并保持在离稳态值某一误差带内所需的时间。4系统或设备可能
4、具有的保护环节系统或设备可能具有的保护环节 过电流保护,过电压保护,过载保护,短路保护,停电(或欠电压)保护,超速保护,限位保护,欠电流失磁保护,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 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,平稳起动、迅速制动停车,紧急停车和联动控制等。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 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工作对象的工作过程或工艺
5、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。例如造纸机超调会造成纸张断裂;轧钢机的过大的动态速降会造成明显的堆钢和拉钢现象;仿形加工机床驱动系统的灵敏度直接影响到加工精度的等级;再如传动试验台的调速范围就关系到它能适应的工作范围等。在提出这些指标要求时,一般应该是工作对象对系统的最低要求,或必需的要求;因为过高的要求,会使系统变得复杂,成本显著增加。而系统的经济性,始终是一个必须充分考虑的因素。而在调试系统时,则应留有适当的裕量;因为系统在实际运行时,往往会有许多无法预计的因素。同时还要估计到各种可能出现的意外故障,并采取相应的措施,以保证系统能安全可靠地
6、运行。同样,系统的可靠性,也是一个始终必须充分考虑的因素搞清系统各单元的工作原理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,对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;先化整为零,弄清每个环节中每个元件的作用;然后再化零为整,抓住每个环节的输入和输出两头,搞清各单元和各环节然后再化零为整,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。之间的联系,统观全局,搞清系统的工作原理。现以表8-1-1所示的晶闸管直流调速系统的单元为例
7、作一些说明。1主电路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。因此在部件容量的选择上,在经济和体积上相差不是太多的情况下,尽可能选大一些。在保护环节上,对各种故障出现的可能性,都要有足够的估计,并采取相应的保护措施,配备必要的警报、显示、自动跳闸线路,以确保主电路安全可靠的要求。若主电路采用晶闸管整流,则还应考虑晶闸管整流时的谐波成分对电网的有害的影响;因此,通常要在交流进线处串接交流电抗器或通过整流变压器供电。自动控制系自动控制系统统电动机(控制对象)电动机(控制对象)主电路主电路 整流变压器(或交流电抗器)整流变压器(或交流电抗器)整流电路(单相或三相,半
8、控桥或全控桥,可逆或不可逆等)(在可逆电路中又分为有环流或无环流等)整流电路(单相或三相,半控桥或全控桥,可逆或不可逆等)(在可逆电路中又分为有环流或无环流等)电流互感器电流互感器 保护环节保护环节 快速熔丝(短路保护)快速熔丝(短路保护)过电流继电器(过载保护)过电流继电器(过载保护)阻容吸收(交、直流两侧及元件两端)(吸收浪涌电压阻容吸收(交、直流两侧及元件两端)(吸收浪涌电压)过电压保护(硒堆、压敏电阻、电抗器等)过电压保护(硒堆、压敏电阻、电抗器等)检测电路检测电路 检测装置(电流互感器、测速发电机、光电测速计、电磁感应测速计、光电码盘等)检测装置(电流互感器、测速发电机、光电测速计、
9、电磁感应测速计、光电码盘等)检测信号的分压或放大检测信号的分压或放大 检测信号的变换(如相敏整流)和滤波,检测信号的变换(如相敏整流)和滤波,A/DA/D和和D/AD/A变换等变换等 触发电路触发电路 同步电源同步电源 脉冲电源脉冲电源 移相信号控制移相信号控制 脉冲形成脉冲形成 功率放大功率放大 控制电路控制电路 控制器(调节器)(如控制器(调节器)(如PP、PDPD、PIPI、PIDPID等调节器),给定积分器等调节器),给定积分器 各种信号的综合各种信号的综合 各种反馈环节(如电流、转速、电压等量的负反馈,微分负反馈及截止负反馈等)及顺馈补偿。各种反馈环节(如电流、转速、电压等量的负反馈
10、,微分负反馈及截止负反馈等)及顺馈补偿。其他功能的控制(如点动调试、爬行调试、零速封锁、平稳启动、停车制动、最大电流限制等)其他功能的控制(如点动调试、爬行调试、零速封锁、平稳启动、停车制动、最大电流限制等)辅助电路辅助电路 各种电源(如给定电压信号源、同步电压源、脉冲信号电源、运放器工作电源、电动机励磁电源等)各种电源(如给定电压信号源、同步电压源、脉冲信号电源、运放器工作电源、电动机励磁电源等)继电保护电路或电子保护电路(如过电流继电保护、直流电动机继电保护电路或电子保护电路(如过电流继电保护、直流电动机 失磁保护、快熔熔断后的缺相保护、逻失磁保护、快熔熔断后的缺相保护、逻辑控制保护、超速
11、保护、辑控制保护、超速保护、限位保护及冷却风机的继电保护等)限位保护及冷却风机的继电保护等)显示与报警电路(如电源指示,开机、停机指示、过载断路指示、缺相指示、风机运行指示,以及各种故显示与报警电路(如电源指示,开机、停机指示、过载断路指示、缺相指示、风机运行指示,以及各种故障的报警等)障的报警等)2触发电路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),控制电压的极性与数值,以及它与晶闸管输出电压间的关系。此外,还有同步电压的选择,同步变压器与主变压器相序间的关系(钟点数),以及触发脉冲的幅值和功率能否满足晶闸管的要求,各触发器的统调是否方便等等,这些都涉及到触发电路与其他单元的联系
12、,需要进行综合考虑。3控制电路控制电路它是自动控制系统的中枢部分,它的功能将直接影响控制系统的技术性能。对调速系统主要是电流和转速双闭环控制;对恒张力控制系统,除了电流、转速闭环外,还要再设置张力闭环控制;对随动系统,除位置闭环外,还可设置转速闭环。若对系统要求较高时,还可设置微分负反馈或其他的自适应反馈环节。对由运放器组成的调节器电路,则还要注意其输入和输出量的极性,输入、输出的限幅,零飘的抑制和零速或零位的封锁等。4 检测电路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;若检测元件精度过低,又无法满足系统性能指标要求,因为系统
13、的精度,正是依靠检测元件提供的反馈信号来保证的。选择时,还要注意输出的模拟量,还是数字量;对计算机控制,则应选数字量输出;对模拟控制,则应选择模拟量输出;否则还要增加A/D(或D/A)单元,既增加费用,又增加传递时间。此外检测装置要牢固耐用、工作可靠、安装方便,并且希望输出信号具有一定的功率和幅值。5辅助电路辅助电路 则主要是继电(或电子)保护电路、显示电路和报警电路。继电保护电路没有电子线路那种易受干扰的缺点,是一种有效而可靠的保护环节,应给予足够的重视和考虑。但其灵敏度、快速性以及自动控制、自动恢复等性能不及电子保护线路。搞清整个系统的工作原理搞清整个系统的工作原理在搞清各单元、各环节的作
14、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。8.2 自动控制系统的调试方法自动控制系统的调试方法 系统调试前的准备工作系统调试前的准备工作 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。因为机械部件安装得不好,开车后会产生事故,检测装置安装得不好(如偏心、有间隙、甚至卡死等)将会会严重影响系统的精度,形成振荡,甚至产生事故。2.系统调试是在各单元和部件全部合格的前题下进行的。因此,在系统调
15、试前,要对各单元进行测试,检查它们的工作是否正常,并作记录,记录要存档,以便于追查事故原因。3系统调试是在按图样要求接线无误的前提下进行的。因此,在调试前,检查各接线是否正确、牢靠。特别是接地线和继电保护线路,更要仔细检查(对自制设备或经过长途运输后的设备,更应仔细检查、核对)。未经检查,贸然投入运行,常会造成严重事故。4写出调试大纲。明确调试顺序。系统调试是最容易产生遗漏、慌乱和出现事故的阶段,因此一定要明确调试步骤,写出调试大纲;并对参加调试的人员进行分工,对各种可能出现的事故(或故障)事先进行分析,并订出产生事故后的应急措施。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
16、载电阻箱、慢扫描示波器或数字示波器、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制电路接长板等。选用调试仪器时,要注意选用仪器的功能(型号)、精度、量程是否符合要求,要尽量选用高输入阻抗的仪器(如数字万用表、示波器等),以减小测量时的负载效应。此外还要特别注意测量仪器的接地(以免高电压通过分布电容窜入控制电路)和测量时要把弱电的公共端线和强电的零线分开(例如测量电力电子电路用的双踪示波器的公共线不可接强电地线)。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,各就各位。对机械转动部分和电力线应加罩防护,以
17、保证人身安全。调试现场还应配有可切断电力总电源的“紧停”开关和有关保护装置,还应配备灭火消防设备,以防万一。制订调试大纲的原则制订调试大纲的原则制订调试大纲的原则制订调试大纲的原则 调试的顺序大致是: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。5.对调速系统和随动系统,调试的关键是电动机投入运转。投入运行时,一般先加低给定电压开环起动,然后逐渐加大反馈量(和给定量)。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,高、低速都不可超过限制值。8.系
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