自動控制系統(tǒng)分析課件

計算機自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)組成與電機控制低壓控制電器與選擇控制電氣圖自動控制系統(tǒng)組成動力執(zhí)行部件電動機運動電機：直流電機、交流異步電機、交流同步電機控制電機：步進電機、伺服電機液壓與氣壓控制與保護回路低壓控制電器（空氣開關、接觸器、繼電器、熔斷器等）控制邏輯與計算機PLC、專用計算機（如DTC）、工控PC電動機的選擇與控制電動機選擇滿足機械運動的轉矩和速度要求根據(jù)負載計算轉矩；由轉矩和轉速計算電機的功率；校核電機發(fā)熱。沒有運動位置要求時，一般選擇交流異步或同步電機（早期選擇直流電機）；需要位置控制時，選擇步進或伺服電機需要考慮電機在不同轉速下的轉矩特性，特別是低速轉矩電動機的控制目標速度：各種電機都能夠滿足轉矩：直流電機、伺服電機位置：步進電機、伺服電機直流電機控制速度控制勵磁控制法(改變勵磁電流)改變電樞電壓(PWM調速)改變電樞電阻轉矩控制改變電樞電流特點速度與轉矩分開控制，沒有耦合，容易實現(xiàn)交流電機控制旋轉磁場方向控制改變任意兩相順序速度控制轉差率s極對數(shù)p頻率f1基頻以下，電壓頻率比不變基頻以上，電壓不變，磁通下降轉矩控制(定子相電壓)變頻調速交流變頻控制變頻技術分類交－直－交變頻交－交變頻控制方式V/f控制：壓頻比控制開環(huán)、精度低矢量控制：模擬直流電機解耦控制速度閉環(huán)，一般采用編碼器測速直接轉矩控制高精度轉矩控制主要變頻器廠家國外安川VarispeedG5/G7西門子SIMOVERTMASTERDRIVERS富士G11S、P11SABBACS-550三菱FRE500東芝日立愛默生TD3000國內森蘭華為動力線L1、L2、L3U、V、W輸入正反轉控制STF、STR速度控制（頻率控制）RH、RM、RL模擬輸入輸出報警輸出頻率檢測模擬量輸出通信RS485三菱FRE500變頻器西門子MM440變頻器變頻器選型負載類型：恒轉矩、恒功率、風機類變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉。變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，略大于電動機的功率。當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。變頻器安裝地點必需符合標準環(huán)境的要求，否則易引起故障或縮短使用壽命；變頻器與驅動馬達之間的距離一般不超過50米，若需更長的距離則需降低載波頻率或增加輸出電抗器選件才能正常運轉。IMS交流伺服控制器用途用于交流異步電動機，實現(xiàn)伺服控制通過編程，可以對電動機的位置、轉速、加速度和轉矩實行高性能的靈活控制特點采用位置控制方式，可以實現(xiàn)精確定位（1個脈沖）具有零伺服鎖定功能采用專用的QMCL語言進行編程控制，簡單具有通信功能，可以由PC、PLC、單片機等上位機進行控制和監(jiān)測豐富的輸入輸出口16個數(shù)字輸入、13個數(shù)字輸出，2個模擬量輸入、2個模擬量輸出RS232、RS422/485通信接口（可由上位機控制15個控制器）單/雙PG輸入（雙軸聯(lián)動同步），脈沖輸出脈沖＋方向；A/B相脈沖具有電子齒輪功能IMS伺服控制器主回路連接IMS伺服控制器控制回路連接IMS伺服控制器編程在PC上用編輯器編寫IMS語言代碼用專用的編譯工具轉換成IMS中間代碼人工或通過RS232將中間代碼傳到控制器交流同步電機工作原理定子（電樞繞組）：通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉磁場轉子（勵磁繞組）：通入直流電，產(chǎn)生磁場定子磁場與轉子磁場異性相吸，使得轉子與定子磁場同步旋轉調速方式極對數(shù)三相交流電頻率步進電機控制步進電機（脈沖電機，輸入為脈沖電壓，不是交流/直流電源）將電脈沖信號轉換成直線或角位移的執(zhí)行機構。對電機施加一個電脈沖，轉軸轉過一個角度（一步）脈沖數(shù)增加，位移增加；脈沖頻率提高，速度提高；分配脈沖的相序改變，方向改變特點控制特性好：速度取決于脈沖頻率，位移取決于脈沖數(shù)量誤差不累計，步距角不受干擾影響，具有良好的跟隨性：一個脈沖一個角度動態(tài)響應快，易于啟動、停止，正反轉，調速精度比較差，存在失步和震蕩現(xiàn)象步進電機原理U相通電：轉子齒1、3吸引到定子U極V1/V2定子齒與轉子齒2、4錯開30度V相通電：轉子順時針轉30度，與V相定子對齊W1/W2定子齒與轉子齒1、3錯開30度W相通電：轉子順時針轉30度，與W相定子對齊U1/U2定子齒與轉子2、4錯開30度U/V/W輪流通電，磁場轉一周，轉子轉一個齒距轉子4個齒，齒距角90度（步距角30度＝齒距角/相數(shù)）步進電機通電方式與步距角通電方式單相輪流通電(三相三拍)：U—V—W—U雙相輪流通電(三相雙三拍)：UV—VW—WU—UV單雙相輪流通電(三相六拍)：U—UV—V—VW—W—WU—U步距角（定子通電一次，轉子轉過角度）三相三拍、三相雙三拍：120/轉子齒數(shù)（如轉子齒數(shù)為40，則齒距角為3度）三相六拍：60/轉子齒數(shù)（如轉子齒數(shù)為40，則齒距角為1.5度）步進電機控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)組成控制器：產(chǎn)生指定頻率的電脈沖信號環(huán)形分配器：將電脈沖信號按一定順序加到電機的各相繞組功率放大器：使電機能夠輸出足夠的功率步進電機：執(zhí)行機構控制內容位置控制、速度控制、方向控制伺服電機將輸入的電壓信號（控制電壓）轉變?yōu)檗D軸的角位移或角速度輸出改變輸入信號的大小和極性可以改變伺服電動機的轉速與轉向，故輸入的電壓信號又稱為控制信號或控制電壓。伺服電機類型直流伺服電機：他勵直流電動機。控制電壓可以加在定子繞組，也可以加在轉子繞組。交流伺服電機：兩相異步電動機，轉子采用永磁材料，而定子裝有兩個在空間相差90度的繞組：勵磁繞組和控制繞組

交流伺服電機控制繞組的電壓大小決定其旋轉速度，電壓極性決定旋轉方向。幅值控制。通過改變控制電壓的大小來控制電機轉速。相位控制。通過改變控制電壓與勵磁電壓之間的相位差來實現(xiàn)對電機轉速和轉向的控制，而控制電壓的幅值保持不變。幅值—相位控制。綜合幅值和相位控制。采用伺服驅動器控制接收計算機或PLC輸出的脈沖信號控制電機的轉速和轉動方向檢測編碼器的脈沖輸入伺服電機控制方式控制方式速度控制方式：由外部輸入的模擬量確定伺服電機的速度。位置控制方式：由外部輸入的脈沖確定電機轉動角度。轉矩控制方式：由外部輸入的模擬量確定伺服電機的輸出轉矩。內部設定速度控制方式：由外部輸入的開關量選擇內部定義的伺服電機速度。脈沖輸入方式符號＋脈沖方式CW脈沖（正轉）＋CCW脈沖（反轉）方式A相＋B相正交脈沖方式

各種電機控制方式直流電機直流電機控制器（模擬量+開關量，數(shù)字控制）交流電機變頻器（模擬量+開關量，數(shù)字控制）步進電機脈沖輸出+步進電機控制器伺服電機脈沖輸出+伺服電機控制器液壓（氣動）控制液壓系統(tǒng)組成動力元件：液壓泵執(zhí)行元件：液壓缸和液壓馬達控制元件：電液伺服閥和電液比例閥等放大器（使能、電壓）低壓控制電器概念對電動機和生產(chǎn)機械實現(xiàn)控制和保護的電工設備叫做控制電器。分類手動電器：動作由工作人員手動操縱的，如刀開關、組合開關、按鈕等。自動電器：動作根據(jù)指令、信號或某個物理量的變化自動進行的，如各種繼電器、接觸器、行程開關等。刀開關刀開關又叫閘刀開關，一般用于不頻繁操作的低壓電路中，用作接通和切斷電源，或用來將電路與電源隔離，有時也用來控制小容量電動機的直接起動與停機。一般與熔斷器串聯(lián)使用，以便在短路或過負荷時熔斷器熔斷而自動切斷電路。安裝刀開關時，電源線應接在靜觸點上，負荷線接在與閘刀相連的端子上。對有熔斷絲的刀開關，負荷線應接在閘刀下側熔斷絲的另一端，以確保刀開關切斷電源后閘刀和熔斷絲不帶電。在垂直安裝時，手柄向上合為接通電源，向下拉為斷開電源，不能反裝，否則會因閘刀松動自然落下而誤將電源接通。刀開關的選用主要考慮回路額定電壓、長期工作電流以及短路電流所產(chǎn)生的動熱穩(wěn)定性等因素。刀開關的額定電流應大于其所控制的最大負荷電流。用于直接起停3kW及以下的三相異步電動機時，刀開關的額定電流必須大于電動機額定電流的3倍。刀開關的使用按額定電壓選刀開關額定電壓≥刀開關工作電壓

按額定電流選刀開關額定電流≥刀開關工作電流。如電路中有電動機，工作電流應按電動機起動電流計算

按熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定校驗最大允許電流≥三相短路沖擊電流刀開關的選型組合開關又叫轉換開關，是一種轉動式的閘刀開關，主要用于接通或切斷電路、換接電源、控制小型電機的起動、停止、正反轉或局部照明、改變工作方式等。組合開關有若干個動觸片和靜觸片，分別裝于數(shù)層絕緣件內，靜觸片固定在絕緣墊板上，動觸片裝在轉軸上，隨轉軸旋轉而變更通、斷位置。一般安裝在操作臺上組合開關按鈕主要用于遠距離操作繼電器、接觸器接通或斷開控制電路，從而控制電動機或其他電器設備的運行。按鈕的觸點分常閉觸點（動斷觸點）和常開觸點（動合觸點）兩種。常閉觸點是按鈕未按下時閉合、按下后斷開的觸點。常開觸點是按鈕未按下時斷開、按下后閉合的觸點。按鈕按下時，常閉觸點先斷開，然后常開觸點閉合；松開后，依靠復位彈簧使觸點恢復到原來的位置。常開觸點用于啟動、常閉觸點用于停止一般安裝在操作臺或控制柜門上，有些按鈕還自帶指示燈，表示所控制接觸器的閉合狀態(tài)(紅色用于閉合，綠色用于斷開)。急停按鈕，按下后閉合，松開后不會自動恢復，需要旋轉一定角度才恢復按鈕熔斷器主要作短路或過載保護用，串聯(lián)在被保護的線路中。線路正常工作時如同一根導線，起通路作用；當線路短路或過載時熔斷器熔斷，起到保護線路上其他電器設備的作用（俗稱：保險）。按分斷范圍分：“g”類。在規(guī)定條件下，能分斷使熔斷體熔化的電流至額定分斷能力之間的所有電流“a”類。在規(guī)定條件下，能分斷示于熔斷體熔斷時間-電流特性曲線上的最小電流至額定分斷能力之間的所有電流按使用類型分“G”類。.一般用途的熔斷體，即保護配電線路用“M”類。保護電動機回路的熔斷體“Tr”類。保護變壓器的熔斷體熔斷器電燈支線：額定電流≥支線上所有電燈工作電流之和。一臺電動機：額定電流≥電動機的起動電流÷2.5或(1.5~2.5)×電動機的額定電流如果電動機起動頻繁，則：熔體額定電流≥電動機的起動電流÷(1.6~2)幾臺電動機合用：額定電流=(1.5~2.5)×容量最大電動機的額定電流+其余電動機的額定電流之和熔斷器的極限分斷能力應大于或等于所保護電路可能出現(xiàn)的短路電流值

上一級熔斷器的熔斷時間至少是下一級的3倍

熔斷器選型是一種沒有滅弧裝置的開關設備，主要用來斷開無負荷電流的電路，隔離電源，在分閘狀態(tài)時有明顯的斷開點，以保證其他電氣設備的安全檢修。在合閘狀態(tài)時能可靠地通過正常負荷電流及短路故障電流。無專門滅弧裝置，不能切斷負荷電流及短路電流。在電路已被斷路器斷開情況下才能進行操作，嚴禁帶負荷操作，以免造成嚴重設備和人身事故。一般配合斷路器使用

刀開關就是一種低壓隔離開關隔離開關斷路器又叫自動空氣開關或自動開關一般用于主回路的總電源開關或分支回路電源開關，代替早期的刀開關。具有人工閉合與斷開、自動斷開的能力。正常情況下，依靠人工閉合或斷開回路，一旦出現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障，可以自動斷開，切斷回路，保護控制系統(tǒng)與設備。額定電流和額定電壓應不低于控制線路中設備正常工作電流和工作電壓，極限通斷能力應不低于電路的最大短路電流。

斷路器（空氣開關）類型熱磁型（過載與短路保護）和電磁型(短路保護)額定電壓與電流≥線路額定電壓和線路計算負荷電流(1.2到2倍)斷路器脫扣器額定電流≥線路計算負荷電流斷路器欠壓脫扣器額定電壓=線路額定電壓斷路器分勵脫扣器額定電壓=控制電源電壓斷路器通斷能力≥線路中可能出現(xiàn)的最大短路電流輔助觸點類型故障觸點、短路觸點、瞬動觸點（通斷狀態(tài)變化）整定電流(電機保護用)長延時電流整定值等于電動機額定電流6倍長延時電流整定值的可返回時間≥電動機起動時間

瞬時整定電流：籠型電動機，(8～

15)倍電動機額定電流；繞線電動機，(3～

6)倍電動機額定電流斷路器選型行程開關與接近開關也稱為位置開關，主要用于將機械位移變?yōu)殡娦盘?，以實現(xiàn)對機械運動的電氣控制。行程開關為接觸式：當機械的運動部件撞擊觸桿時，觸桿下移使常閉觸點斷開，常開觸點閉合；當運動部件離開后，在復位彈簧的作用下，觸桿回復到原來位置，各觸點恢復常態(tài)。接近開關為非接觸式：磁感應等用于確定機構的運動位置，也可以用于確定機構的零位。交流接觸器原理線圈通電時產(chǎn)生電磁吸引力將銜鐵吸下，使常開觸點閉合，常閉觸點斷開；線圈斷電后電磁吸引力消失，依靠彈簧使觸點恢復到原來的狀態(tài)。觸點主觸點一般比較大，接觸電阻較小，用于接通或分斷較大的電流，常接在主電路中。輔助觸點一般比較小，接觸電阻較大，用于接通或分斷較小的電流，常接在控制電路中。交流接觸器選型1根據(jù)接觸器所控制負載任務選擇相應使用類別的接觸器

AC-1無感或微感負載、電阻爐、電加熱設備等AC-2繞線型異步電動機的起動、分斷AC-3籠型異步電動機起動、運轉中分斷AC-4籠型異步電動機起動、反接制動或反向運轉、點動一般任務選用AC-3類別；重任務選用AC-4類別

根據(jù)負載功率和操作情況來確定接觸器主觸頭的電流等級接觸器使用類別與所控制負載工作任務對應時，接觸器主觸頭電流額定值與所控制負載電流值相當，或稍大一些

正常運行電機按額定電流的1.2倍配置；頻繁啟動電機按機額定電流1.5倍配置

控制回路及輔助觸點控制回路電壓：220V交流、直流；輔助觸點個數(shù)交流接觸器選型2主回路參數(shù)額定工作電壓額定工作電流操作頻度通斷能力過載能力絕緣電壓級數(shù)：主觸點的相數(shù)，一般選擇3級

示例型號:LC1D5010M5C(施耐德)D：D系列；50：額定電流A10：輔助觸點（1常開，1常閉，6到32A）M：線圈電壓（220V）；5：線圈頻率（50Hz交流）C：標準型（9到620A）作用傳遞、轉換、隔離信號同時控制多個電路直接控制小容量電動機或其他電氣執(zhí)行元件結構與交流接觸器基本相同，與交流接觸器的主要區(qū)別是觸點數(shù)目多些，且觸點容量小，只允許通過小電流選型考慮線圈電壓等級和觸點數(shù)目中間繼電器原理雙金屬。下層金屬膨脹系數(shù)大，上層的膨脹系數(shù)小。當主電路中電流超過容許值而使雙金屬片受熱時，雙金屬片的自由端便向上彎曲超出扣板，扣板在彈簧的拉力下將常閉觸點斷開。作用觸點是接在電動機的控制電路中的，控制電路斷開便使接觸器的線圈斷電，從而斷開電動機的主電路。用于過載保護一般安裝在主回路接觸器下方，可以與接觸器組合在一起。需要根據(jù)其處控制回路的額定電流對其進行整定。0.9到1.05倍額定電流選擇熱繼電器按電動機起動時間選擇（長期穩(wěn)定工作電機）：tf=(0.5～0.7)td，tf:熱繼電器在6Ie下的可返回時間，td:熱繼電器在6Ie下的動作時間按電動機額定電流選擇熱繼電器的額定電流，整定電流調整方法：長期穩(wěn)定工作電機，整定電流取(0.95～1.05)電動機額定電流；過載能力差的電動機，可將整定值調整到電動機額定電流的0.6～0.8倍；當電動機起動時間較長、拖動沖擊負載或不允許停車時，可將整定電流調節(jié)到電動機額定電流的1.1～1.15倍

按斷相保護要求選擇：對于星形接法的電動機,采用三極熱繼電器即可(多用)

；對于三角形接法的電動機,應采用帶斷相運轉保護裝置的熱繼電器

對點動、重載起動，連續(xù)正反轉及反接制動等運行的電動機，一般不宜用熱繼電器

選型口訣:號流容量兩倍半，兩倍千瓦數(shù)整定。熱元件整定電流按“兩倍千瓦數(shù)整定”；熱元件額定電流按“號流容量兩倍半”算選

熱繼電器選型原理利用空氣的阻尼作用達到動作延時的目的吸引線圈斷電后，依靠復位彈簧的作用而復原?？諝饨?jīng)出氣孔被迅速排出。觸點延時觸點延時斷開的常閉觸點延時閉合的常開觸點瞬動觸點時間繼電器電機額定電流容量除以千伏數(shù)，商乘系數(shù)0.76

220V電機：1KW對應3.5A380V電機：1KW對應2A380V三相電機容量求熱繼電器額定電流和整定電流號流容量兩倍半，兩倍千瓦數(shù)整定

380V三相電機容量求接觸器額定電流遠控電機接觸器，兩倍容量靠等級；步繁起動正反轉，靠級基礎升一級

380V三相電機容量求開關等額定電流直接起動電動機，容量不超十千瓦；六倍千瓦選開關，五倍千瓦配熔體；供電設備千伏安，需大三倍千瓦數(shù)

導線電流(電流與線截面的倍數(shù))10下五，100上二；25、35，四、三界；70、95，兩倍半；穿管、溫度，八、九折；裸線加一半，銅線升級算

各種電工速算口訣低壓電器控制電路電機正反轉控制電路電機點動控制電路輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算

10%～20%的可擴展余量

存儲器容量的估算

按數(shù)字量I/O點數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內存的總字數(shù)（16位為一個字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量

控制功能的選擇

運算功能:邏輯、計時和計數(shù)、數(shù)據(jù)移位、比較、代數(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送

控制功能:PID控制運算、前饋補償控制運算通信功能:現(xiàn)場總線和TCP/IP編程功能與診斷功能:處理速度:處理器掃描周期應滿足：小型PLC的掃描時間不大于0.5ms/K；大中型PLC的掃描時間不大于0.2ms/KPLC選型電氣控制圖定義：用電氣圖形符號、帶注釋的框或簡化外形表示電氣系統(tǒng)或設備中組成部分之間相互關系及其連接關系的一種圖。分類系統(tǒng)圖或框圖：表示系統(tǒng)組成及相互關系的方框圖電路圖：電氣設備的詳細組成與連接關系的圖功能圖：表示功能組成但不涉及具體實現(xiàn)方法的圖邏輯圖：用二進制邏輯符號繪制的簡圖功能表圖：表示控制系統(tǒng)作用和狀態(tài)的圖等效電路圖：用R、C、L理想元件表示的圖程序圖：表示程序單元及相互關系的圖端子功能圖：用文字、圖等表示功能單元端子功能的圖接線圖或接線表位置圖電路圖用圖形符號并按工作順序排列，詳細表示電路、設備或成套裝置的全部組成和連接關系，而不考慮其實際位置的一種簡圖。目的是便于詳細理解作用原理、分析和計算電路特性接線圖（表）表示成套裝置、設備或裝置的連接關系，用以進行接線和檢查的一種簡圖或表格單元接線圖（表）：表示成套裝置或設備中一個結構單元內連接關系的接線圖（表）互連接線圖（表）:表示成套裝置或設備的不同單元之間連接關系的接線圖（表）。端子接線圖（表）：表示成套裝置或設備的端子，以及接在端子上的外部接線（必要時包括內部接線）的接線圖或接線表電氣圖中項目符號項目代號由拉丁字母、阿拉伯數(shù)字、特定的前綴符號，按照一定規(guī)則組合而成的代碼。一個完整的項目代號含有四個代號段：高層代號段，其前綴符號為“=”種類代號段，前綴符號為“-”位置代號段，其前綴符號為“+”端子代號段，其前綴符號為“：”=A1-K1+C8S1M4表示A1裝置中的繼電器K1，位置在C8區(qū)間S1列控制柜M4柜中=A1P2-Q4K2+C1S3M6表示A1裝置P2系統(tǒng)中的Q4開關中的繼電器K2，位置在C1區(qū)間S3列操作柜M6柜中