4电力拖动控制系统基础知识
自动控制系统可以从一些不同的角度来进行分类。一般按系统结构特点分类，大致可分为：开环控制系统、闭环控制系统及复合控制系统。其中，闭环控制系统又分为单环控制系统、双环控制系统等；而复合控制系统是既有主反馈，又有前馈的控制系统。所谓前馈控制是一种按照扰动进行控制的开环控制。因此复合控制系统是开环、闭环结合的系统。
4.1开环控制系统与闭环控制系统的概念
4.1.1开环控制系统
（1）开环控制系统概念
开环控制系统是与闭环控制系统相对而言的。如果在系统中控制信息的流动未形成闭合回路，那么该系统就称之为开环控制系统。
（2）开环控制系统种类
常见的开环控制系统有以下两种：
1）按干扰补偿的前馈控制系统
通过前面对控制的分析可知，稳定被控制量实质上就是在干扰信号出现时，操纵控制量使之对被控量的影响与干扰量对被控量的影响互相抵消以保持被控量不变，这样就产生了利用干扰去克服干扰的控制思路。其原理方框图见图4-1-1。
图4-1-1前馈系统控制图
在这种系统中，由于测量的是干扰量，故只能对可测干扰进行补偿。不可测干扰以及对象、各部件内部参数变化给被控量造成的干扰，系统自身无法控制。因此，控制精度受到了原理上的限制。
2）按给定值操作的开环控制系统
所谓按给定值操作的开环控制系统，就是事先计算出希望的给定量，然后向执行器提供该给定量后就不再管它了，那么这种系统就是所谓的按给定值操作的开环系统。见图4-1-2。
开环控制系统由于没有信息的回馈，控制器就无法知晓控制的效果，因此也就没有纠正偏差的能力。因此这种系统只能用在对控制质量要求不高的场合，或者是在闭环控制中起辅助的控制以减轻反馈控制的负担。
图4-1-2按给定值操作的开环系统
综上所述，开环控制系统的特点是：
①不必对被控量进行测量和反馈，因而结构简单。
②这种系统需要采用高精度元件保证控制精度。
③对干扰造成的误差，系统不具有修正能力。
④系统不存在稳定性问题。
（3）开环调速系统及其存在的问题
在实际应用中，晶闸管-电动机系统和可逆直流脉宽调速系统都是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，可以找到一些用途。但是，在开环系统中，当负载电流增大时，电枢压降也增大，转速只能降下来；许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但是，为了保证工件的加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度却必须基本稳定，也就是说，静差率不能太大，一般要求，调速范围D=20～40，静差率5％。又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属每秒流量相等，才不致造成钢材拱起或拉断，根据工艺要求，须使调速范围D=3～10时，保证静差率0.2％～0.5％。在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。在开环系统中，当负载电流增大时，电枢压降也增大，转速只能降下来；闭环系统装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就会降低，通过比较和放大，提高电力电子装置的输出电压，使系统工作在新的机械特性上，因而转速又有所回升。
图4-1-3电动机开环控制原理图
图4-1-4电动机的开环控制方块图
图4-1-3为电动机开环控制原理图，图4-1-4为电动机的开环控制方块图，n 是要求控制的输出量，亦称为被控量。作用于被控对象的量U 称为控制量。作用
于系统输入端的g U 称为输入量。
因此对于一个确定的输入量来说，总存在一个与之对应的输出量。所有妨碍输入量对输出量按要求进行正常控制的因素称为扰动量，如电源电压U。的波动、发电机原动机转速的变化、电动机励磁电压变化、发电机和电动机绕组电阻的变化、发电机剩磁及磁滞等，特别是电动机负载转矩z M 变化都将在输入量g U 和输出量n 以决定的预期值之间引起偏差。为了分清主
次，把各种扰动分为主扰动和次扰动，主扰动就是经常变化，对输出量影响较大的扰动，通常是被控对象的负载，以后就把主扰动称为扰动，而忽略次扰动。
上述控制系统被控量只能受控于输入量，而对输入量不能反施任何影响的系统称为开环控制系统。
4.1.2闭环控制系统
开环控制系统往往是不能满足生产要求的，如刨床加工零件时，由于在加工过程中负载转矩不同，而产生不同的转速降．为了保证刨床的加工SF 度，要求在加工时电动机速度不变或几乎不变，为此在电动机轴上装设永磁式测速发电机SF，其原理图如图4-1-3所示。电动机如因负载转矩增大而转速降低，刚sf E 降低，g sf U U E Δ=−，由于g U 近似不变，U Δ提高，发电机电势亦相应增加，自动
调节电动机的转速，从而减小由于扰动在输出端造成的使被控量偏离预期值的偏差。
（1）闭环控制系统概念
通过反馈，使整个控制系统形成一个闭合的环路，这种输出与输入间存在负反馈的系统就称为闭环控制系统或反馈控制系统。
图4-1-5电动机闭环控制原理图
图4-1-6电动机闭环控制方块图
图4-1-5所示的闭环调速系统中由测量元件(测速发电机)对被控量(转速)进行检测,并将其反馈至输入端与给定电压相比较(相减)得到偏差电压(ΔUe=Ｕg-Ut);经放大器放大后加到触发器-晶闸管可控整流装置的输入端,并根据偏差的信息(偏差电压的极性和大小)对被控量进行相应的调节,以达到消除偏差或使偏差减小到容许范围内的目的。这种联接极性的反馈称为负反馈。通过负反馈产生偏差并根据偏差的信息进行控制,以达到最终消除偏差或使偏差减小到容许范围内的控制机理,称为负反馈控制原理简称反馈控制原理。
反馈信号只与被控量成比例时，称为硬反馈。若反馈信号与被控量的变化速度有关时，则称为软反馈．硬反馈不仅在过渡过程中，而且在稳态下也起作用；而软反馈只是在过渡过程中起作用，在稳态时，反馈作用就消失了。
图4-1-6中给定信号、反馈信号共同作用的圆圈表示比较环节，其中正负符
Δ为偏差信号，图中箭头指示的方号表示信号之间的极性，比较环节输出信号U
