機(jī)電控制工程基礎(chǔ)課件：機(jī)電控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例

機(jī)電控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例9.1晶閘管交流調(diào)壓位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.2水位控制系統(tǒng)9.3發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)習(xí)題

9.1晶閘管交流調(diào)壓位置隨動(dòng)系統(tǒng)

位置隨動(dòng)系統(tǒng)又稱為跟隨系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。在自動(dòng)控制中,有許多要求具有一定精度的位置控制問(wèn)題,如機(jī)床的自動(dòng)加工、仿形機(jī)床和數(shù)控機(jī)床的定位控制、加鋼機(jī)的壓下裝置的定位控制、船舵的位置控制、火炮的瞄準(zhǔn)和雷達(dá)天線的跟蹤等。隨動(dòng)系統(tǒng)主要解決位置的自動(dòng)跟蹤問(wèn)題,因此隨動(dòng)系統(tǒng)在自動(dòng)控制中獲得廣泛的應(yīng)用。

9.1.1晶閘管交流調(diào)壓位置隨動(dòng)系統(tǒng)的工作原理

要實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制,必須采用反饋控制,所以隨動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)一樣,也是一種反饋控制系統(tǒng)。它和調(diào)速系統(tǒng)的主要區(qū)別在于調(diào)速系統(tǒng)的輸入量是恒量,輸出量為轉(zhuǎn)速,而隨動(dòng)系統(tǒng)的輸入量是變動(dòng)的,輸出量是位置。因此,它在構(gòu)造上和控制特點(diǎn)上都與調(diào)速系統(tǒng)有很多不同。圖9－1為一小功率晶閘管交流調(diào)壓的位置隨動(dòng)系統(tǒng)的原理圖。

1.系統(tǒng)組成

1)交流伺服電機(jī)

圖中的被控對(duì)象是交流伺服電動(dòng)機(jī)SM,A為勵(lì)磁繞組,為使勵(lì)磁電流與控制電流互差90°電角,勵(lì)磁回路中串接了電容C1,它通過(guò)變壓器T1產(chǎn)生的交流電源供電。B為控制

繞組,它通過(guò)變壓器T2經(jīng)交流調(diào)壓電路接于同一交流電源。供電的電源為115V、400Hz交流電源。系統(tǒng)的被控量為角位移θ0。

2)主電路

系統(tǒng)的主電路為單相雙向晶閘管交流調(diào)壓電路,由于隨動(dòng)系統(tǒng)的位置偏差可能為正,也可能為負(fù),要消除位置偏差,便要求電動(dòng)機(jī)能做正、反兩個(gè)方向的可逆運(yùn)行,因此調(diào)壓電路便由VT正和VT反構(gòu)成正、反兩組供電電路。兩組電路的連接如圖9－1所示。圖9－1晶閘管交流調(diào)壓位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖

3)觸發(fā)電路

與主電路VT正與VT反相對(duì)應(yīng),觸發(fā)電路也有正、反兩組(具體觸發(fā)線路略去未畫(huà)出),它們由同步變壓器T3提供同步信號(hào)電壓。圖中①③為正組觸發(fā)輸出,送往VT正門(mén)極;②③為反組觸發(fā)輸出,送往VT反門(mén)極;③為公共端。

4)控制電路

(1)給定信號(hào):設(shè)位置給定量為θi,它通過(guò)伺服電位器RPs轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)Uθi,Uθi=Kθi。

(2)位置負(fù)反饋環(huán)節(jié):此位置隨動(dòng)系統(tǒng)的輸出量為角位移θo,因此其主反饋應(yīng)為角位移負(fù)反饋。

(3)調(diào)節(jié)器與電壓放大器:圖中,A1為比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器,它是為改善隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能而設(shè)置的串聯(lián)校正環(huán)節(jié)。

(4)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋環(huán)節(jié):有時(shí)為了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,減小位置超調(diào)量,還設(shè)置轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)。

(5)控制信號(hào)的綜合:現(xiàn)有一個(gè)輸入量和三個(gè)反饋量,若在同一個(gè)輸入端處進(jìn)行綜合,幾個(gè)參數(shù)互相影響,調(diào)整也比較困難。因此可將它們分成兩個(gè)閉環(huán),使位置反饋構(gòu)成外環(huán),信號(hào)在PID調(diào)節(jié)器輸入端進(jìn)行綜合,而把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和速度微分負(fù)反饋構(gòu)成內(nèi)環(huán),信號(hào)在電壓放大器輸入端進(jìn)行綜合。

2.系統(tǒng)方塊圖

綜上所述,可得如圖9－2所示的位置隨動(dòng)系統(tǒng)的方框圖。圖9－2位置隨動(dòng)系統(tǒng)方框圖

3.工作原理

在穩(wěn)態(tài)時(shí),θo=θi,ΔU=0,Uk1=Uk2=0,VT正與VT反均關(guān)斷,Us=0,電機(jī)停轉(zhuǎn)。當(dāng)位置給定信號(hào)θi改變,設(shè)θi增大,則Uθi=kθi,偏差電壓ΔU(=Uθi-Ufθ)>0,此信號(hào)電壓經(jīng)PID調(diào)節(jié)器A1和放大器A2后產(chǎn)生的Uk1>0,使正組觸發(fā)電路發(fā)出觸發(fā)脈沖,雙向晶閘管VT正導(dǎo)通,使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn),θo增大。這個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程一直繼續(xù)到θo=θi,到達(dá)新的穩(wěn)態(tài),此時(shí)Ufθ=Uθi,ΔU=0,Uk1=0,VT正關(guān)斷,電機(jī)停轉(zhuǎn)。如圖9－3(a)所示。

同理可知,當(dāng)θi減小時(shí),則Uk2>0,VT反導(dǎo)通,電機(jī)反轉(zhuǎn),使θo減小,直到θo=θi為止。如圖9－3(b)所示。

綜上所述,當(dāng)輸入量在不斷變化時(shí),位置跟隨系統(tǒng)輸出的角位移θo將跟隨給定的角位移θi的變化而變化。

位置隨動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程如圖9－3所示。圖9－3位置隨動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程

4.位置隨動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)

由以上的分析,可歸納出位置隨動(dòng)系統(tǒng)有下列一些特點(diǎn):

(1)輸出量為位移,而不是轉(zhuǎn)速。

(2)隨動(dòng)系統(tǒng)的主要矛盾是輸入量在不斷地變化,而調(diào)速系統(tǒng)的主要矛盾是負(fù)載的擾動(dòng)作用。

(3)供電線路應(yīng)是可逆電路,以便伺服電動(dòng)機(jī)可以正、反兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng),來(lái)消除正或負(fù)的位移偏差,而恒值控制系統(tǒng)則不一定要求電路可逆。

(4)隨動(dòng)系統(tǒng)的主反饋(外環(huán))為位置負(fù)反饋(位置環(huán)),它的主要作用是消除位置偏差。在要求較高的系統(tǒng)中還增設(shè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋或轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋(轉(zhuǎn)速環(huán))作為局部反饋(內(nèi)環(huán)),以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和限制加速度,改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

9.1.2晶閘管交流調(diào)壓位置隨動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圖9－1和9－2所示的線路圖和方框圖,便可建立如圖9－4所示的位置隨動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(框圖)。圖9－4位置隨動(dòng)系統(tǒng)框圖

前述直流伺服電機(jī)忽略電樞回路漏磁電感La,電樞回路電磁時(shí)間Ta常數(shù)比機(jī)電時(shí)間常數(shù)TM小很多,電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角位移與電樞電壓之間的傳遞函數(shù)為

交流伺服電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)也可寫(xiě)為:

式中,UB為控制繞組電壓;Km為電動(dòng)機(jī)的增益;Tm為電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)。

圖9－4中,框圖所包含的PID環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、變速箱的傳動(dòng)比都是比例環(huán)節(jié)。

9.2水位控制系統(tǒng)

9.2.1系統(tǒng)組成圖9－5為水位控制系統(tǒng)示意圖。由圖可見(jiàn),系統(tǒng)的控制對(duì)象是水箱(不是控制閥),被控量(或輸出量)是水位高度H(而不是Q1或Q2)。使水位發(fā)生變化的外界因數(shù)是用水量Q2,因此,Q2為負(fù)載的擾動(dòng)量(是主要的擾動(dòng)量)。使水位保持恒定的可控因數(shù)是給水量Q1,因此Q1為主要作用量(理清H與Q1、Q2間的關(guān)系,是分析本系統(tǒng)的關(guān)鍵)。圖9－5水位控制系統(tǒng)示意圖

控制Q1的是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制閥門(mén)V1,因此,電動(dòng)機(jī)—變速箱—控制閥構(gòu)成執(zhí)行元件。電壓UA由電位器RPA給定,對(duì)應(yīng)設(shè)定水箱的液位高度H1(電位器RPA為給定元件)。UB由電位器RPB給出,UB的大小取決于浮球的位置,而浮球的位置取決于實(shí)際水位H0。因此,浮球—杠桿—電位器RPB就構(gòu)成了水位的檢測(cè)和反饋環(huán)節(jié)。UA為給定量,UB為反饋量,UA與UB極性相反,所以為負(fù)反饋。UA與UB的差值即為偏差電壓ΔU(ΔU=UA-UB),此電壓經(jīng)過(guò)控制器與電壓放大器后作為伺服電動(dòng)機(jī)的電樞控制電壓Ua。

根據(jù)以上分析可畫(huà)出組成系統(tǒng)的方框圖,如圖9－6所示。圖9－6水位控制系統(tǒng)方框圖

9.2.2系統(tǒng)工作原理分析

當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí),此時(shí)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn),ΔU=UA-UB=0,即UA=UB,同時(shí)Q1=Q2,H1=H0(實(shí)際水位與設(shè)定水位相等)。若用水量Q2增加,則水位H下降,通過(guò)浮球的反饋?zhàn)饔?使電位器RPB的滑動(dòng)觸點(diǎn)上移,UB將增大,這樣ΔU=UA-UB<0,此電壓經(jīng)放大后,使伺服電機(jī)反轉(zhuǎn),再經(jīng)減速器后,驅(qū)動(dòng)控制閥V1,使閥門(mén)開(kāi)大,從而使給水量Q1增加,水位逐漸上升并回復(fù)到原位。這個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)的過(guò)程一直要持續(xù)到Q1=Q2,H=H1=H0(恢復(fù)到原水位),這時(shí)UA=UB,ΔU=0,電機(jī)停轉(zhuǎn)。其自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程流程如圖9－7所示。圖9－7水位自動(dòng)控制的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程

9.3發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)

9.3.1液壓閥控液壓缸和液壓阻尼器1.液壓閥控液壓缸液壓閥控油缸(又稱液壓伺服閥)是液壓伺服系統(tǒng)中常用的一種執(zhí)行元件。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖9－8所示。它實(shí)際上是一個(gè)控制滑閥和一個(gè)動(dòng)力液壓缸的組合。圖9－8液壓閥控液壓缸結(jié)構(gòu)原理圖

2.液壓阻尼器

在液壓控制系統(tǒng)中,為了減小液壓缸活塞突然動(dòng)作產(chǎn)生的沖擊力,在實(shí)際中,常常增設(shè)一個(gè)液壓阻尼器。如圖9－9(a)為液壓阻尼器的結(jié)構(gòu)原理圖,圖中A為阻尼器活塞(它通

常與具有沖擊力的主桿相連),B為油缸,k為彈簧阻尼系數(shù),R為節(jié)流閥。圖9－9液壓阻尼器的結(jié)構(gòu)及其階躍響應(yīng)

9.3.2發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)

1.系統(tǒng)的組成

圖9－10為發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)示意圖。

由圖可見(jiàn),系統(tǒng)的被控對(duì)象是發(fā)動(dòng)機(jī),被控量是轉(zhuǎn)速n。驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的是燃料,調(diào)節(jié)燃料的閥門(mén)V1為執(zhí)行元件?？刂崎y門(mén)開(kāi)起程度的是滑閥,它相當(dāng)一個(gè)控制器,滑閥活塞的位移量為x。動(dòng)力液壓缸相當(dāng)一個(gè)功率放大元件,動(dòng)力活塞的位移量為y。動(dòng)力活塞桿與液壓阻尼器活塞桿相接,動(dòng)力液壓缸的活塞動(dòng)作通過(guò)阻尼器及連桿,對(duì)滑閥活塞位移起反饋緩沖作用。圖9－10發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)的方框圖如圖9－11所示。圖9－11發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)方框圖

2.工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),設(shè)轉(zhuǎn)速n=n0,此時(shí)滑閥處于如圖所示的位置(設(shè)x=x0),動(dòng)力液壓缸的兩邊的油路均被關(guān)閉,動(dòng)力活塞處于靜止?fàn)顟B(tài)。并設(shè)此時(shí)滑塊的位置e=e0。

發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程見(jiàn)圖9－12。圖9－12發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程

習(xí)題

1.如圖910所示的發(fā)動(dòng)機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)中,要使轉(zhuǎn)速上升,應(yīng)調(diào)整哪些元件?怎樣調(diào)整?為什么?2.在閥控動(dòng)力液壓缸和液壓阻尼器中,阻尼器起什么作用?閥控液壓缸起什么作用?3.具有位置負(fù)反饋和速度負(fù)反饋的位置隨動(dòng)系統(tǒng)如圖91所示,如何調(diào)節(jié)位移?如何整定速度?

4.如習(xí)題9－1圖所示為倉(cāng)庫(kù)大門(mén)的自動(dòng)控制系統(tǒng),說(shuō)明自動(dòng)控制大門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉的工作原理。如果大門(mén)不能全開(kāi)或全關(guān),那么應(yīng)如何調(diào)整?畫(huà)出系統(tǒng)的方框圖。習(xí)題9－1圖車庫(kù)大門(mén)自動(dòng)開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)圖

5.如習(xí)題9－2圖所示為函數(shù)記錄儀的原理圖和方框圖,分析當(dāng)輸入電壓ur變化時(shí)(1Hz正弦信號(hào))的函數(shù)記錄儀的工作原理,被控對(duì)象和被控量分別是什么?反饋元件、反饋量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)是什么?該控制系統(tǒng)屬于何種類型系統(tǒng)?習(xí)題9－2圖函數(shù)記錄儀的原理圖和系統(tǒng)框圖

6.如習(xí)題9－3圖所示是電加熱器原理示意圖。在使用熱水時(shí),水箱中流出熱水并補(bǔ)充冷水,為了保持希望的熱水溫度,采用溫控開(kāi)關(guān)接通或斷開(kāi)電加熱器的電源。試說(shuō)明在使

用熱水的過(guò)程中,該系統(tǒng)是如何保持熱水溫度為希望值的?畫(huà)出系統(tǒng)方框圖。如果需要改變熱水溫度的希望值,則應(yīng)該如何操作?習(xí)題9－3圖電加熱器原理示意圖

7.習(xí)題94圖是面包烘烤工藝的溫度調(diào)節(jié)裝置示意圖,待烘烤的面包用傳送帶按一定速度和一定時(shí)間通過(guò)烘箱進(jìn)行烘烤。傳送帶由無(wú)級(jí)變速機(jī)驅(qū)動(dòng),其速度是根據(jù)安裝在烘箱中的溫度檢測(cè)器測(cè)量的烘箱溫度進(jìn)行調(diào)整的。如果烘箱溫度過(guò)高,傳送帶速度就加快;反之,傳送帶速度就減慢。由此來(lái)能保證烘烤面包的質(zhì)量。試說(shuō)明傳送帶速度自動(dòng)控制的原理,并繪制其相應(yīng)的方框圖。習(xí)題9－4圖面包烘箱的溫度調(diào)節(jié)裝置

8.控制工程中用來(lái)控制液體或氣體流量的閥門(mén)是很重要的執(zhí)行元件。習(xí)題9－5圖是用電流控制的某氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的原理示意圖。圖中,與桿固連的線圈內(nèi)有一個(gè)永久磁鐵,當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí),產(chǎn)生使桿圍繞支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)力矩,從而帶動(dòng)擋板關(guān)閉或打開(kāi)噴嘴。當(dāng)噴嘴被關(guān)閉時(shí),進(jìn)入膜片上腔的空氣壓力增大,從而將膜片下壓,并帶動(dòng)彈簧、閥桿一起向下移動(dòng);當(dāng)噴嘴被打開(kāi)時(shí),由于空氣從噴嘴跑出,進(jìn)入膜片上腔的空氣壓力減小,膜片連同彈簧、閥桿一起上升。此外,在閥桿上下移動(dòng)的同時(shí),反饋聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)將閥桿位移反饋回去,并由與桿相連的彈簧產(chǎn)生一個(gè)平衡力矩。這樣,通過(guò)電流控制閥桿位移來(lái)改變閥門(mén)開(kāi)度,從而達(dá)到控制流量的目的。試?yán)L制系統(tǒng)方框圖。習(xí)題9－5圖氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制裝置