自动控制系统分析课件

计算机自动控制系统自动控制系统组成与电机控制低压控制电器与选择控制电气图自动控制系统组成动力执行部件电动机运动电机：直流电机、交流异步电机、交流同步电机控制电机：步进电机、伺服电机液压与气压控制与保护回路低压控制电器（空气开关、接触器、继电器、熔断器等）控制逻辑与计算机PLC、专用计算机（如DTC）、工控PC电动机的选择与控制电动机选择满足机械运动的转矩和速度要求根据负载计算转矩；由转矩和转速计算电机的功率；校核电机发热。没有运动位置要求时，一般选择交流异步或同步电机（早期选择直流电机）；需要位置控制时，选择步进或伺服电机需要考虑电机在不同转速下的转矩特性，特别是低速转矩电动机的控制目标速度：各种电机都能够满足转矩：直流电机、伺服电机位置：步进电机、伺服电机直流电机控制速度控制励磁控制法(改变励磁电流)改变电枢电压(PWM调速)改变电枢电阻转矩控制改变电枢电流特点速度与转矩分开控制，没有耦合，容易实现交流电机控制旋转磁场方向控制改变任意两相顺序速度控制转差率s极对数p频率f1基频以下，电压频率比不变基频以上，电压不变，磁通下降转矩控制(定子相电压)变频调速交流变频控制变频技术分类交－直－交变频交－交变频控制方式V/f控制：压频比控制开环、精度低矢量控制：模拟直流电机解耦控制速度闭环，一般采用编码器测速直接转矩控制高精度转矩控制主要变频器厂家国外安川VarispeedG5/G7西门子SIMOVERTMASTERDRIVERS富士G11S、P11SABBACS-550三菱FRE500东芝日立爱默生TD3000国内森兰华为动力线L1、L2、L3U、V、W输入正反转控制STF、STR速度控制（频率控制）RH、RM、RL模拟输入输出报警输出频率检测模拟量输出通信RS485三菱FRE500变频器西门子MM440变频器变频器选型负载类型：恒转矩、恒功率、风机类变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，略大于电动机的功率。当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。变频器安装地点必需符合标准环境的要求，否则易引起故障或缩短使用寿命；变频器与驱动马达之间的距离一般不超过50米，若需更长的距离则需降低载波频率或增加输出电抗器选件才能正常运转。IMS交流伺服控制器用途用于交流异步电动机，实现伺服控制通过编程，可以对电动机的位置、转速、加速度和转矩实行高性能的灵活控制特点采用位置控制方式，可以实现精确定位（1个脉冲）具有零伺服锁定功能采用专用的QMCL语言进行编程控制，简单具有通信功能，可以由PC、PLC、单片机等上位机进行控制和监测丰富的输入输出口16个数字输入、13个数字输出，2个模拟量输入、2个模拟量输出RS232、RS422/485通信接口（可由上位机控制15个控制器）单/双PG输入（双轴联动同步），脉冲输出脉冲＋方向；A/B相脉冲具有电子齿轮功能IMS伺服控制器主回路连接IMS伺服控制器控制回路连接IMS伺服控制器编程在PC上用编辑器编写IMS语言代码用专用的编译工具转换成IMS中间代码人工或通过RS232将中间代码传到控制器交流同步电机工作原理定子（电枢绕组）：通入三相交流电，产生旋转磁场转子（励磁绕组）：通入直流电，产生磁场定子磁场与转子磁场异性相吸，使得转子与定子磁场同步旋转调速方式极对数三相交流电频率步进电机控制步进电机（脉冲电机，输入为脉冲电压，不是交流/直流电源）将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行机构。对电机施加一个电脉冲，转轴转过一个角度（一步）脉冲数增加，位移增加；脉冲频率提高，速度提高；分配脉冲的相序改变，方向改变特点控制特性好：速度取决于脉冲频率，位移取决于脉冲数量误差不累计，步距角不受干扰影响，具有良好的跟随性：一个脉冲一个角度动态响应快，易于启动、停止，正反转，调速精度比较差，存在失步和震荡现象步进电机原理U相通电：转子齿1、3吸引到定子U极V1/V2定子齿与转子齿2、4错开30度V相通电：转子顺时针转30度，与V相定子对齐W1/W2定子齿与转子齿1、3错开30度W相通电：转子顺时针转30度，与W相定子对齐U1/U2定子齿与转子2、4错开30度U/V/W轮流通电，磁场转一周，转子转一个齿距转子4个齿，齿距角90度（步距角30度＝齿距角/相数）步进电机通电方式与步距角通电方式单相轮流通电(三相三拍)：U—V—W—U双相轮流通电(三相双三拍)：UV—VW—WU—UV单双相轮流通电(三相六拍)：U—UV—V—VW—W—WU—U步距角（定子通电一次，转子转过角度）三相三拍、三相双三拍：120/转子齿数（如转子齿数为40，则齿距角为3度）三相六拍：60/转子齿数（如转子齿数为40，则齿距角为1.5度）步进电机控制系统控制系统组成控制器：产生指定频率的电脉冲信号环形分配器：将电脉冲信号按一定顺序加到电机的各相绕组功率放大器：使电机能够输出足够的功率步进电机：执行机构控制内容位置控制、速度控制、方向控制伺服电机将输入的电压信号（控制电压）转变为转轴的角位移或角速度输出改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。伺服电机类型直流伺服电机：他励直流电动机。控制电压可以加在定子绕组，也可以加在转子绕组。交流伺服电机：两相异步电动机，转子采用永磁材料，而定子装有两个在空间相差90度的绕组：励磁绕组和控制绕组

交流伺服电机控制绕组的电压大小决定其旋转速度，电压极性决定旋转方向。幅值控制。通过改变控制电压的大小来控制电机转速。相位控制。通过改变控制电压与励磁电压之间的相位差来实现对电机转速和转向的控制，而控制电压的幅值保持不变。幅值—相位控制。综合幅值和相位控制。采用伺服驱动器控制接收计算机或PLC输出的脉冲信号控制电机的转速和转动方向检测编码器的脉冲输入伺服电机控制方式控制方式速度控制方式：由外部输入的模拟量确定伺服电机的速度。位置控制方式：由外部输入的脉冲确定电机转动角度。转矩控制方式：由外部输入的模拟量确定伺服电机的输出转矩。内部设定速度控制方式：由外部输入的开关量选择内部定义的伺服电机速度。脉冲输入方式符号＋脉冲方式CW脉冲（正转）＋CCW脉冲（反转）方式A相＋B相正交脉冲方式

各种电机控制方式直流电机直流电机控制器（模拟量+开关量，数字控制）交流电机变频器（模拟量+开关量，数字控制）步进电机脉冲输出+步进电机控制器伺服电机脉冲输出+伺服电机控制器液压（气动）控制液压系统组成动力元件：液压泵执行元件：液压缸和液压马达控制元件：电液伺服阀和电液比例阀等放大器（使能、电压）低压控制电器概念对电动机和生产机械实现控制和保护的电工设备叫做控制电器。分类手动电器：动作由工作人员手动操纵的，如刀开关、组合开关、按钮等。自动电器：动作根据指令、信号或某个物理量的变化自动进行的，如各种继电器、接触器、行程开关等。刀开关刀开关又叫闸刀开关，一般用于不频繁操作的低压电路中，用作接通和切断电源，或用来将电路与电源隔离，有时也用来控制小容量电动机的直接起动与停机。一般与熔断器串联使用，以便在短路或过负荷时熔断器熔断而自动切断电路。安装刀开关时，电源线应接在静触点上，负荷线接在与闸刀相连的端子上。对有熔断丝的刀开关，负荷线应接在闸刀下侧熔断丝的另一端，以确保刀开关切断电源后闸刀和熔断丝不带电。在垂直安装时，手柄向上合为接通电源，向下拉为断开电源，不能反装，否则会因闸刀松动自然落下而误将电源接通。刀开关的选用主要考虑回路额定电压、长期工作电流以及短路电流所产生的动热稳定性等因素。刀开关的额定电流应大于其所控制的最大负荷电流。用于直接起停3kW及以下的三相异步电动机时，刀开关的额定电流必须大于电动机额定电流的3倍。刀开关的使用按额定电压选刀开关额定电压≥刀开关工作电压

按额定电流选刀开关额定电流≥刀开关工作电流。如电路中有电动机，工作电流应按电动机起动电流计算

按热稳定和动稳定校验最大允许电流≥三相短路冲击电流刀开关的选型组合开关又叫转换开关，是一种转动式的闸刀开关，主要用于接通或切断电路、换接电源、控制小型电机的起动、停止、正反转或局部照明、改变工作方式等。组合开关有若干个动触片和静触片，分别装于数层绝缘件内，静触片固定在绝缘垫板上，动触片装在转轴上，随转轴旋转而变更通、断位置。一般安装在操作台上组合开关按钮主要用于远距离操作继电器、接触器接通或断开控制电路，从而控制电动机或其他电器设备的运行。按钮的触点分常闭触点（动断触点）和常开触点（动合触点）两种。常闭触点是按钮未按下时闭合、按下后断开的触点。常开触点是按钮未按下时断开、按下后闭合的触点。按钮按下时，常闭触点先断开，然后常开触点闭合；松开后，依靠复位弹簧使触点恢复到原来的位置。常开触点用于启动、常闭触点用于停止一般安装在操作台或控制柜门上，有些按钮还自带指示灯，表示所控制接触器的闭合状态(红色用于闭合，绿色用于断开)。急停按钮，按下后闭合，松开后不会自动恢复，需要旋转一定角度才恢复按钮熔断器主要作短路或过载保护用，串联在被保护的线路中。线路正常工作时如同一根导线，起通路作用；当线路短路或过载时熔断器熔断，起到保护线路上其他电器设备的作用（俗称：保险）。按分断范围分：“g”类。在规定条件下，能分断使熔断体熔化的电流至额定分断能力之间的所有电流“a”类。在规定条件下，能分断示于熔断体熔断时间-电流特性曲线上的最小电流至额定分断能力之间的所有电流按使用类型分“G”类。.一般用途的熔断体，即保护配电线路用“M”类。保护电动机回路的熔断体“Tr”类。保护变压器的熔断体熔断器电灯支线：额定电流≥支线上所有电灯工作电流之和。一台电动机：额定电流≥电动机的起动电流÷2.5或(1.5~2.5)×电动机的额定电流如果电动机起动频繁，则：熔体额定电流≥电动机的起动电流÷(1.6~2)几台电动机合用：额定电流=(1.5~2.5)×容量最大电动机的额定电流+其余电动机的额定电流之和熔断器的极限分断能力应大于或等于所保护电路可能出现的短路电流值

上一级熔断器的熔断时间至少是下一级的3倍

熔断器选型是一种没有灭弧装置的开关设备，主要用来断开无负荷电流的电路，隔离电源，在分闸状态时有明显的断开点，以保证其他电气设备的安全检修。在合闸状态时能可靠地通过正常负荷电流及短路故障电流。无专门灭弧装置，不能切断负荷电流及短路电流。在电路已被断路器断开情况下才能进行操作，严禁带负荷操作，以免造成严重设备和人身事故。一般配合断路器使用

刀开关就是一种低压隔离开关隔离开关断路器又叫自动空气开关或自动开关一般用于主回路的总电源开关或分支回路电源开关，代替早期的刀开关。具有人工闭合与断开、自动断开的能力。正常情况下，依靠人工闭合或断开回路，一旦出现短路、过流、欠压等故障，可以自动断开，切断回路，保护控制系统与设备。额定电流和额定电压应不低于控制线路中设备正常工作电流和工作电压，极限通断能力应不低于电路的最大短路电流。

断路器（空气开关）类型热磁型（过载与短路保护）和电磁型(短路保护)额定电压与电流≥线路额定电压和线路计算负荷电流(1.2到2倍)断路器脱扣器额定电流≥线路计算负荷电流断路器欠压脱扣器额定电压=线路额定电压断路器分励脱扣器额定电压=控制电源电压断路器通断能力≥线路中可能出现的最大短路电流辅助触点类型故障触点、短路触点、瞬动触点（通断状态变化）整定电流(电机保护用)长延时电流整定值等于电动机额定电流6倍长延时电流整定值的可返回时间≥电动机起动时间

瞬时整定电流：笼型电动机，(8～

15)倍电动机额定电流；绕线电动机，(3～

6)倍电动机额定电流断路器选型行程开关与接近开关也称为位置开关，主要用于将机械位移变为电信号，以实现对机械运动的电气控制。行程开关为接触式：当机械的运动部件撞击触杆时，触杆下移使常闭触点断开，常开触点闭合；当运动部件离开后，在复位弹簧的作用下，触杆回复到原来位置，各触点恢复常态。接近开关为非接触式：磁感应等用于确定机构的运动位置，也可以用于确定机构的零位。交流接触器原理线圈通电时产生电磁吸引力将衔铁吸下，使常开触点闭合，常闭触点断开；线圈断电后电磁吸引力消失，依靠弹簧使触点恢复到原来的状态。触点主触点一般比较大，接触电阻较小，用于接通或分断较大的电流，常接在主电路中。辅助触点一般比较小，接触电阻较大，用于接通或分断较小的电流，常接在控制电路中。交流接触器选型1根据接触器所控制负载任务选择相应使用类别的接触器

AC-1无感或微感负载、电阻炉、电加热设备等AC-2绕线型异步电动机的起动、分断AC-3笼型异步电动机起动、运转中分断AC-4笼型异步电动机起动、反接制动或反向运转、点动一般任务选用AC-3类别；重任务选用AC-4类别

根据负载功率和操作情况来确定接触器主触头的电流等级接触器使用类别与所控制负载工作任务对应时，接触器主触头电流额定值与所控制负载电流值相当，或稍大一些

正常运行电机按额定电流的1.2倍配置；频繁启动电机按机额定电流1.5倍配置

控制回路及辅助触点控制回路电压：220V交流、直流；辅助触点个数交流接触器选型2主回路参数额定工作电压额定工作电流操作频度通断能力过载能力绝缘电压级数：主触点的相数，一般选择3级

示例型号:LC1D5010M5C(施耐德)D：D系列；50：额定电流A10：辅助触点（1常开，1常闭，6到32A）M：线圈电压（220V）；5：线圈频率（50Hz交流）C：标准型（9到620A）作用传递、转换、隔离信号同时控制多个电路直接控制小容量电动机或其他电气执行元件结构与交流接触器基本相同，与交流接触器的主要区别是触点数目多些，且触点容量小，只允许通过小电流选型考虑线圈电压等级和触点数目中间继电器原理双金属。下层金属膨胀系数大，上层的膨胀系数小。当主电路中电流超过容许值而使双金属片受热时，双金属片的自由端便向上弯曲超出扣板，扣板在弹簧的拉力下将常闭触点断开。作用触点是接在电动机的控制电路中的，控制电路断开便使接触器的线圈断电，从而断开电动机的主电路。用于过载保护一般安装在主回路接触器下方，可以与接触器组合在一起。需要根据其处控制回路的额定电流对其进行整定。0.9到1.05倍额定电流选择热继电器按电动机起动时间选择（长期稳定工作电机）：tf=(0.5～0.7)td，tf:热继电器在6Ie下的可返回时间，td:热继电器在6Ie下的动作时间按电动机额定电流选择热继电器的额定电流，整定电流调整方法：长期稳定工作电机，整定电流取(0.95～1.05)电动机额定电流；过载能力差的电动机，可将整定值调整到电动机额定电流的0.6～0.8倍；当电动机起动时间较长、拖动冲击负载或不允许停车时，可将整定电流调节到电动机额定电流的1.1～1.15倍

按断相保护要求选择：对于星形接法的电动机,采用三极热继电器即可(多用)

；对于三角形接法的电动机,应采用带断相运转保护装置的热继电器

对点动、重载起动，连续正反转及反接制动等运行的电动机，一般不宜用热继电器

选型口诀:号流容量两倍半，两倍千瓦数整定。热元件整定电流按“两倍千瓦数整定”；热元件额定电流按“号流容量两倍半”算选

热继电器选型原理利用空气的阻尼作用达到动作延时的目的吸引线圈断电后，依靠复位弹簧的作用而复原。空气经出气孔被迅速排出。触点延时触点延时断开的常闭触点延时闭合的常开触点瞬动触点时间继电器电机额定电流容量除以千伏数，商乘系数0.76

220V电机：1KW对应3.5A380V电机：1KW对应2A380V三相电机容量求热继电器额定电流和整定电流号流容量两倍半，两倍千瓦数整定

380V三相电机容量求接触器额定电流远控电机接触器，两倍容量靠等级；步繁起动正反转，靠级基础升一级

380V三相电机容量求开关等额定电流直接起动电动机，容量不超十千瓦；六倍千瓦选开关，五倍千瓦配熔体；供电设备千伏安，需大三倍千瓦数

导线电流(电流与线截面的倍数)10下五，100上二；25、35，四、三界；70、95，两倍半；穿管、温度，八、九折；裸线加一半，铜线升级算

各种电工速算口诀低压电器控制电路电机正反转控制电路电机点动控制电路输入输出（I/O）点数的估算

10%～20%的可扩展余量

存储器容量的估算

按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量

控制功能的选择

运算功能:逻辑、计时和计数、数据移位、比较、代数运算、数据传送

控制功能:PID控制运算、前馈补偿控制运算通信功能:现场总线和TCP/IP编程功能与诊断功能:处理速度:处理器扫描周期应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/KPLC选型电气控制图定义：用电气图形符号、带注释的框或简化外形表示电气系统或设备中组成部分之间相互关系及其连接关系的一种图。分类系统图或框图：表示系统组成及相互关系的方框图电路图：电气设备的详细组成与连接关系的图功能图：表示功能组成但不涉及具体实现方法的图逻辑图：用二进制逻辑符号绘制的简图功能表图：表示控制系统作用和状态的图等效电路图：用R、C、L理想元件表示的图程序图：表示程序单元及相互关系的图端子功能图：用文字、图等表示功能单元端子功能的图接线图或接线表位置图电路图用图形符号并按工作顺序排列，详细表示电路、设备或成套装置的全部组成和连接关系，而不考虑其实际位置的一种简图。目的是便于详细理解作用原理、分析和计算电路特性接线图（表）表示成套装置、设备或装置的连接关系，用以进行接线和检查的一种简图或表格单元接线图（表）：表示成套装置或设备中一个结构单元内连接关系的接线图（表）互连接线图（表）:表示成套装置或设备的不同单元之间连接关系的接线图（表）。端子接线图（表）：表示成套装置或设备的端子，以及接在端子上的外部接线（必要时包括内部接线）的接线图或接线表电气图中项目符号项目代号由拉丁字母、阿拉伯数字、特定的前缀符号，按照一定规则组合而成的代码。一个完整的项目代号含有四个代号段：高层代号段，其前缀符号为“=”种类代号段，前缀符号为“-”位置代号段，其前缀符号为“+”端子代号段，其前缀符号为“：”=A1-K1+C8S1M4表示A1装置中的继电器K1，位置在C8区间S1列控制柜M4柜中=A1P2-Q4K2+C1S3M6表示A1装置P2系统中的Q4开关中的继电器K2，位置在C1区间S3列操作柜M6柜中