自动控制原理与系统（第四版）课件 第十章 自动控制系统的分析、调试与故障的排除

第十章自动控制系统的分析、调试及维护维修第一节自动控制系统的分析步骤第二节自动控制系统的调试步骤和方法第三节自动控制系统的维护与维修主要内容本章主要以双闭环直流调速系统和通用变频器为例，介绍对自动控制系统进行分析的一般步骤与方法、对自动控制系统进行调试的步骤与方法、自动控制系统的维护方法及需要注意的问题。在生产现场，遇到较多的往往是实际系统的验收、安装、调试、运行、维护和故障的排除。这就需要我们根据产品使用说明书和有关的技术知识，遵循科学的方法，并结合以往的经验，对实际系统进行了解、分析与调试，并排除可能出现的故障，使系统处于最佳运行状态。第一节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。

自动控制系统分析一般包括如下几个方面的内容：一、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①电源电压及波动范围［例如三相交流380(1±10%)V］②供电频率及波动范围［例如(50±1)Hz］；③环境温度(例如-20～+40°C)；④相对湿度(例如≤85%)；⑤海拔高度(例如≤1000m)等。

2．系统或工作对象的输出及负载能力①额定功率(例如60kW)及过载能力(例如120%②额定转矩（例如100N·m)及最大转矩(例如150%额定转矩)；

4．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。

5．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。

6．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

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。二、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；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。

1)主电路

主电路的主要作用是为直流电动机电枢绕组和励磁绕组提供可调的稳定的直流电压。首先根据晶闸管的相控整流的基本知识分析系统中采用的是那种相控整流，再根据电力电子技术的基本知识判断主电路需要具有哪些保护环节，并根据系统应该具有的保护措施及需要配备的报警、显示、自动跳闸等功能逐级展开分析。

因为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。

2)检测电路这部分主要包括传感器、信号调理电路和信号变化电路。首先根据前面所述的工作对象对系统的要求分析系统需要检测哪些物理量（如转速、电流）。然后分析检测这些物理量使用的传感器类型，在根据传感器与检测技术的基本理论分析和相应的信号调理电路和信号变换电路。

3)触发电路主要围绕主电路的晶闸管相控整流的类型和电力电子技术中整流电路对晶闸管触发电路的要求，分析触发电路的移相特性（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的关系。此外、还应考虑同步电压的选择，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如何满足晶闸管的要求。

4)

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。对调速系统主要采用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。这些内容可以根据本节的基本理论进行分析。

5)辅助电路

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。这部分电路原理比较简单。分析时主要根据前面所述的系统或设备具有的显示和报警功能，找到相应的辅助电路，分析其如何实现需要的功能。三、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。第二节自动控制系统的调试步骤和方法一、系统调试前的准备工作

1)熟悉设计过程。

2)熟悉现场空置系统元部件的情况。

3)系统调试是在按设计图样要求接线无误的前提下进行的。

4)写出调试大纲，明确调试顺序。

5)准备好必要的调试设备和工具等。

6)准备好记录的相关准备工作。

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。二、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)先控制电路，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，待稳定后再恢复PI调节器，继续进行调节。

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，对系统性能进行分析。找出系统参数配置中的问题。在根据经验调节控制器参数，作进一步的改进调试，最终达到系统需要的稳态和动态性能并实现系统的所用功能。三、系统调试步骤（1）电气系统运行调试。

（2）执行系统运行调试。（3）单元系统运行测试。（4）控制系统联动运行测试（联调）。四、自动控制系统的调试过程案例

现以采用分立元器件模拟控制的双闭环直流调速系统为例来重点阐述单元系统运行调试和系统联调的具体调试过程，以期达到对系统调试的进一步理解。1.系统控制电路各单元和部件的检查和测试。2.系统主电路和继电保护电路的检查及电流开环的整定。3.系统开环调试及速度环整定。4.系统闭环调试。第三节自动控制系统的维护与维修掌握要领、正确使用、维护检查、及时修理，是充分发挥自动控制装置性能、提高生产效率，保证产品质量的根本保证。一、自动控制系统的维护

自动控制系统的维护可分为日常维护和预防性维护。1.维护前的准备工作1）首先根据设计方案提供的文档资料，理解系统总体设计思路。2）熟悉系统外部接线，了解各功能模块的控制原理，形成各模块的信息流与控制流概念。3）了解系统仪表和控制部件信息4）完成系统的备份，包括软件备份和硬件备份。5）制作和完善服务资料。2.自动控制系统的日常维护1）完善自动控制管理制度。2）保证空调设备稳定运行，保证室温和湿度在系统的要求范围内。3）尽量避免电磁场对系统的干扰，避免移动运行中的操作站、显示器等。4）注意防尘，现场与控制室合理隔离，并定时清扫，保持清洁。5）做好控制子目录文件的备份工作。6）定期检查控制主机、显示器、鼠标等。7）查看系统故障自诊断信息。3.自动控制系统的预防性维护定期维护主要工作包括以下内容：1）外表检查。2）查对接线。3）接地检查。4）元器件完整性检查。5）绝缘性能检查。6）电气性能检查。大修期间应对自动控制系统进行彻底的维护：1）对冗余电源、服务器、控制器进行冗余测试。2）对操作站、控制站停电检修。3）对系统供电线路检修。4）对现场设备检修。5）主机运转前对电动机进行空载实验检查。6）主机运转时对系统的稳态和动态性能指标进行检查。大修后系统维护负责人应确认条件具备方可上电，并应严格遵照上电步骤。二、自动控制系统的维修1.自动控制系统故障的分级自动控制系统的故障一般分为4个等级1）第一级故障。这是最严重的一种故障情况，容易发生不堪设想的后果。2）第二级故障。这类故障对系统的控制过程产生一定的影响，这种影响软件无法做到自行纠正和处理。3）第三级故障。这类故障一般不对系统的控制过程产生即时的影响，且系统本身的故障处理程序可以在后台自行纠正处理相关问题4)第四级故障。这类故障通常为一般的小错误或者异常情况，不会产生是影响。2.系统的故障诊断与排除控制系统故障诊断技术目前已是自动控制领域重要的研究方向，已提出了很多故障诊断方法。借助计算机和先进的理论技术，很多自动控制系统具有故障自诊断功能。当系统发生故障后，计算机会根据系统发生故障前的状态信息给出故障代码或者故障的原因。很多厂家的说明书中也会给出其产品的常见故障现象、可能原因、检查要点和处理建议，这些都为故障快速排除提供了极大帮助。表10-2给出了晶闸管直流调速系统的常见故障，可能原因，检查的方法和处理建议。表10-2晶闸管直流调速系统的常见故障、可能原因、

检查方法和处理建议表10-3FRN-G95/P9S系列变频器的保护功能、故障情况、

检查要点和处理方法小结

(1)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。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；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。在此基础上，可建立系统的数学模型，画出系统的框图。在系统框图的基础上，就可以分析那些关系到系统稳定性和动、稳态技术性能的参量的选择，和这些参量对系统性能的影响。以便在调试实际系统时，做到心中有数，有的放矢。

(2)进行系统调试，首先要做好必要的准备工作，主要是检查接线是否正确和各单元是否正常，并且准备好必要的仪器，制订调试大纲，明确并列出调试顺序和步骤。然后再逐步地进行调试，并作好调试记录。当系统不稳定或性能达不到要求时，则可从各级输出(如主回路的电压、电流，调节器的输出电压，反馈电压等)的波形中找出影响系统性能的主要原因。从而制订出改进系统性能的方案。（3）自动控制系统的维护