【正文】 電梯的拖動控制系統(tǒng) ? 第一節(jié) 概述 ? 第一節(jié) 概述 ? 同許多工業(yè)生產過程一樣，電梯作為機電緊密結合的產品，在其運行過程中，為了維持正常的工作條件，就必須對某些物理量（如：電壓、位移、轉速等）進行控制，使其能按照一定的規(guī)律變化。 ? 一、拖動控制系統(tǒng)的基本概念 ? (一 )自動控制 所謂自動控制，就是沒有人的直接參與，而是利用控制裝置本身操縱對象，從而使被控量恒定或按某一規(guī)律變化。 ? （二）開環(huán)控制 圖 41所示開環(huán)轉速控制系統(tǒng)，其特點是只有輸入量ur對輸出量 n起單向控制作用，而輸出量 n對輸入量 ur卻沒有任何影響和聯(lián)系，即系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間不存在反饋回路。開環(huán)系統(tǒng)的方框圖可用圖 42表示。圖中箭頭表示元部件之間信號的傳遞方向。作用于電動機軸上的阻力矩用 Mc表示，稱之為干擾或擾動。 ? 圖 41 開環(huán)轉速控制系統(tǒng)原理圖 ? 圖 42 開環(huán)轉速控制系統(tǒng)方框圖 ? 開環(huán)控制系統(tǒng)的精度，主要取決于 ur的給定精度以及控制裝置參數(shù)的穩(wěn)定程度。由于開環(huán)系統(tǒng)沒有抵抗外部干擾的能力，故控制精度較低。但由于系統(tǒng)的結構簡單、造價較低，故在系統(tǒng)結構參數(shù)穩(wěn)定、沒有干擾作用或所受干擾較小的場合下，仍會大量使用。 ? （三）閉環(huán)控制系統(tǒng) 在圖 41所示系統(tǒng)中，加入一臺測速發(fā)電機，并對電路稍作改變，就構成了轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)（如圖 43所示）。它克服了開環(huán)控制系統(tǒng)精度不高和適應性不強的缺點，由于引入反饋環(huán)節(jié)，使輸出量對控制作用有直接影響。因此，提高了控制質量。相應的系統(tǒng)方框圖如圖 44所示。由于采用了反饋回路，致使信號的傳送路徑形成閉合環(huán)路，使輸出量反過來直接影響控制作用，以求減小或消除偏差。 ? 圖 43 閉環(huán)轉速控制系統(tǒng)原理圖 ? 圖 44 閉環(huán)轉速控制系統(tǒng)方框圖 ? 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有很強的抵抗擾動的能力。假設圖 43所示系統(tǒng)原已處在某個給定電壓 ur相對應的轉速 n狀態(tài)下穩(wěn)定運行，當受到某些干擾（如負載轉矩 Mc突然增大）而引起轉速下降時，系統(tǒng)就自動地產生如下的調整過程：Mc↑ →n↓ → Δu =（ uruf ） ↑→ ua↑ → n↑ ? 結果，電動機的轉速降落得到自動補償，使被控量 n基本保持恒定。 ? 由于閉環(huán)控制系統(tǒng)采用了反饋裝置，導致設備增多，線路復雜，對于一些慣性較大的系統(tǒng)，若參數(shù)配合不當，控制過程可能變差，甚至出現(xiàn)發(fā)散或等幅振蕩等不穩(wěn)定的情況。 ? （四）基本性能要求 由于各種自動控制系統(tǒng)的被控對象和要完成的任務各不相同，故對性能指標的具體要求也不一樣?？傮w目標都是希望實際的控制過程盡量接近于理想的控制過程，并歸納為穩(wěn)定性、快速性、準確性和抗擾性。 ? 1）穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是指系統(tǒng)重新恢復平衡狀態(tài)的能力。任何一個能夠正常運行的控制系統(tǒng)，首先必須是穩(wěn)定的。圖45為某隨動系統(tǒng)對階躍輸入的跟蹤過程，其中圖 45a為衰減振蕩過程，表示系統(tǒng)是穩(wěn)定的；圖 45b是等幅振蕩過程，表示系統(tǒng)處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定的臨界狀態(tài)（一般認為是不穩(wěn)定）；圖 45c是發(fā)散的振蕩過程，表明系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法使用的， ? 圖 45 隨動系統(tǒng)對階躍輸入的跟蹤過程 ? a）衰減振蕩過程 b）等幅振蕩過程 c）發(fā)散振蕩過程 ? 2）快速性 由于系統(tǒng)的對象和元件通常具有一定的慣性，并受到能源功率的限制，因此，當系統(tǒng)輸入（給定輸入或擾動輸入）信號改變時，在控制作用下，系統(tǒng)必然由原來的平衡狀態(tài)經歷一段時間才過渡到另一個新的平衡狀態(tài)，這個過程稱為過渡過程。過渡過程越短，表明系統(tǒng)的快速性越好，它是衡量現(xiàn)代化交通設施質量高低的重要指標之一。 ? 3）準確性 對一個穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，當過渡過程結束后，系統(tǒng)輸出量的實際值與期望值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準確性越好。 ? 4）抗擾性 對任一系統(tǒng)，在其控制過程中，都會出現(xiàn)各種各樣的擾動信號，而系統(tǒng)對擾動的抵抗能力強弱會直接影響到輸出信號或被調量的質量，擾動導致輸出量的變化越小，表示系統(tǒng)的抗擾能力越強。 ? （五）比例積分控制 ? 在自控系統(tǒng)中，采用比例調節(jié)器的閉環(huán)轉速負反饋控制系統(tǒng)是有靜差的調速系統(tǒng)。要想實現(xiàn)調速系統(tǒng)的無靜差，就必須改變單純的比例控制規(guī)律，從根本上找出消除靜差的方法。 ? 1．積分調節(jié)器 ? 由線性集成運算放大器構成的積分調節(jié)器（簡稱 I調節(jié)器）的組成如圖 46所示。從該圖可以看出積分調節(jié)器具有如下特點： ? 圖 46 積分調節(jié)器 ? 1）積累作用 只要輸入信號不為零（其極性不變），積分調節(jié)器的輸出就一直增長，只有當輸入信號為零時，輸出才停止增長。利用積分調節(jié)器的這個特性，就可以完全消除系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)偏差（靜差）。實際應用時調節(jié)器設有輸出限幅裝置。 ? 2）記憶作用 在積分過程中，當輸入信號衰減為零時，輸出并不為零，而是始終保持在輸入信號為零前的那個輸出瞬時值上。這是積分控制明顯區(qū)別于比例控制的地方。正因如此，積分控制可以使閉環(huán)系統(tǒng)在偏差輸入（即給定與反饋的差值）為零時，保持恒速運行，從而得到無靜差系統(tǒng)。 ? 3）延緩作用 從以上分析可知，盡管積分調節(jié)器的輸入信號為階躍信號，但其輸出卻不能隨之跳變，而是逐漸積分、線性增長。這就是積分調節(jié)器的延緩作用，這種延緩將影響系統(tǒng)控制的快速性。 ? 2．比例積分調節(jié)器 ? 由于積分調節(jié)器具有延緩作用，因此在控制的快速性上不如比例調節(jié)器。如果一個控制系統(tǒng)既要達到無靜差又要響應快，可以把比例控制和積分控制兩種規(guī)律結合起來，構成比例積分調節(jié)器如圖 47（簡稱PI調節(jié)器）。 ? 圖 47比例積分調節(jié)器 階躍輸入時 PI調節(jié)器的輸出特性如圖 48?？梢姰斖患虞斎腚妷?Uin時，輸出電壓突跳到 KpiUin，以保證一定的快速控制作用，即比例部分起作用，隨著時間的增長，積分部分逐漸增大，調節(jié)器的輸出 Uex在 KpiUin基礎上線性增長，直至達到運算放大器的限幅值。 ? 圖 48 階躍輸入時 PI調節(jié)器的輸出特性 ? 從 PI調節(jié)器控制的物理意義上看，當突加輸入信號時，由于電容兩端電壓不能突變，則電容相當于瞬時短路，此時的調節(jié)器相當于一個放大系數(shù)為 Kpi=R1／ R0的比例調節(jié)器，在其輸出端立即呈現(xiàn)電壓KpiUin，實現(xiàn)快速控制。此后，隨著電容 C被充電，輸出電壓 Uex在KpiUin基礎上開始線性增長（積分），直至穩(wěn)態(tài)。達到穩(wěn)態(tài)后，電容C相當于開路，與積分調節(jié)器一樣，調節(jié)器可以獲得極大的開環(huán)放大系數(shù)，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。 ? 由此可見，比例部分能迅速響應控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，互相補充。 ? 圖 49繪出了當 PI調節(jié)器的輸入信號為一般函數(shù)時（調速系統(tǒng)負載突加時，偏差電壓 ΔUn即為此波形），調節(jié)器的輸出動態(tài)過程。輸出波形中比例部分①和 Uin成正比，積分部分②是 Uin對時間的積分曲線，PI調節(jié)器的輸出電壓 Uex即為這兩部分的和 (① ＋② )?？梢?， Uex既具有快速響應性能，又可以消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差。 ? 圖 49 一般信號輸入時 PI調節(jié)器的輸出特性 某調速系統(tǒng)的組成如圖 410所示，由于系統(tǒng)采用了 PI調節(jié)器，必然能做到無靜差調速，所以下面只著重分析系統(tǒng)抗負載擾動的動態(tài)過渡過程（其過渡過程曲線見圖 411）。 ? 圖 410采用 PI調節(jié)器的調速系統(tǒng) ? 圖 411 采用 PI調節(jié)器的調速系統(tǒng)突加負載時的過渡過程 曲線 1—比例部分的輸出 曲線 2—積分部分的輸出 曲線 3—比例積分的輸出 ? 當負載由 TL1突增到 TL2時，負載轉矩大于電動轉矩而使轉速 n下降，轉速反饋電壓 Un隨之下降，使調節(jié)器輸入偏差 ΔUn ≠0，于是引起 PI調節(jié)器的調節(jié)過程。 ? 在調節(jié)過程的初始階段，比例部分立即響應，輸出 KpΔUn，它使控制電壓 Uct增加 ΔU ct1，經整流后整流輸出電壓 Ud增加 ΔUd1。其大小與轉速偏差 Δn成正比， ? Δn越大， ΔUct1（ ΔUd1)越大，調節(jié)作用越強，從而使轉速沿著曲線緩慢下降。積分部分的輸出電壓 ΔUct2與 ΔUn對時間的積分成正比，即 ? 或 （ 419） ? 在初始階段，由于 Δn（ ΔUn）較小，所以積分部分的輸出增長緩慢，如圖 411中曲線 2所示。當 Δn達到最大值 Δnmax時，比例部分的輸出 ΔUct1達到最大值，積分部分輸出 ΔUct2的增長速度最大。此后，轉速開始回升， Δn（ ΔUn）逐漸減小，比例部分的輸出 ΔUct1也逐漸減小，積分部分輸出 ΔUct2的增長速度逐漸降低，但其數(shù)值本身仍然是向上增長的，并對轉速的回升起主要作用，直至轉速恢復到原值， Δn=0， ΔU=0，此時 ΔUct2停止增長，并保持在這個數(shù)值上，而比例部分輸出 ΔUct1衰減為零。這樣積分作用的結果最終使 Uct比原穩(wěn)態(tài)值 ΔUct1高出 ΔUct成為 Uct2,進而增加了整流電壓 Ud，從而使轉速回到原來的穩(wěn)態(tài)值上，實現(xiàn)了轉速無靜差調節(jié)。 ? 總的 ΔUct變化曲線為曲線 1和曲線 2相加。在整個調節(jié)過程中，初始和中間階段比例部分的調節(jié)起主要作用，它迅速抑制轉速的下降，使轉速回升。在調節(jié)過程的后期，轉速降落已很小，比例調節(jié)的作用已不顯著，而積分調節(jié)作用上升到主要地位，并依靠它最終消除靜差。 ? 從上述的系統(tǒng)抗負載擾動過程變化曲線可以看出，無靜差調速系統(tǒng)只是在穩(wěn)態(tài)上的無靜差，在動態(tài)時（即過渡過程中）還是有差的。一般衡量調速系統(tǒng)抗擾過程的動態(tài)性能指標主要有最大動態(tài)速降 Δnmax和恢復時間 tv(見圖 411)。 ? 比例積分調節(jié)器的等效放大系數(shù)在動態(tài)和穩(wěn)態(tài)時是不同的。在動態(tài)時放大系數(shù)較小，以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的需要；在穩(wěn)態(tài)時放大系數(shù)很大，以滿足系統(tǒng)無靜差的需要。所以比例積分調節(jié)器很好地解決了系統(tǒng)動、穩(wěn)態(tài)之間的矛盾，因而在調速系統(tǒng)和其它控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。 ? 二、拖動控制系統(tǒng)的應用 ? 圖 412是電梯拖動控制系統(tǒng)的原理圖。主驅動曳引電動機經減速器與曳引輪連接，曳引輪兩側懸掛轎廂和對重，測速發(fā)電機與電動機同軸安裝，其輸出的電壓 uf 與轉速 n成正比， uf 作為系統(tǒng)的反饋電壓與給定電壓 ug進行比較，得出偏差信號Δu，經電壓放大器放大成 uK，再經功率放大電路得到電動機的電樞電壓 ua（對于交流電動機還有頻率 f）。 ? 圖 412 電梯拖動控制系統(tǒng)原理圖 ? 當電梯需要運行時，系統(tǒng)接收到起動信號，該信號使電源接通，繼而功率驅動部分得電，則曳引電動機具備了工作的條件；同時，速度曲線發(fā)生器開始工作，即給出相應的代表速度的電壓信號 ug，該信號是預先設計好的，如圖中的曲線所示。在曳引電動機啟動的初始階段，由于電機的轉速 n還沒有建立起來，測速發(fā)電機的輸出電壓 uf幾乎為 0，則差值 Δu=ug—uf較大，于是經電壓、功率放大后，電機在較大的電樞電壓 ua作用下很快啟動，并逼近期望的速度曲線。 ? 若電動機的轉速由于某種原因突然下降（例如：電源波動或導軌不直等），該系統(tǒng)就會出現(xiàn)以下控制過程： n↓→uf↓→Δu =（ uguf ）↑→uK↑→ua↑→n↑ ? 控制的結果是使電機轉速回升，達到期望值為止。 ? 在本系統(tǒng)中，電動機是控制對象，電動機軸上的轉速 n是被控量。轉速 n經測速發(fā)電機測出并轉換成適量的電壓后，再經反饋通道送至電壓放大器的入端與速度給定電壓比較后，控制電動機的轉速，從而構成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。 第二節(jié) 速度、位置檢測裝置 ? 在自控系統(tǒng)中，檢測裝置所起的作用相當于人的感覺器官，它們每時每刻都要完成對各種信息的測量，再將測得的大量信息通過轉換、加工或處理，給自動控制系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)，用以完成控制過程、生產過程以及工藝管理、質量檢測和安全方面的控制?？梢姡瑱z測裝置在自動控制領域中占有重要的地位。 ? 速度檢測裝置 ? （一）測速發(fā)電機 ? 測速發(fā)電機是把機械轉速變換為與轉速成正比的電壓信號的微型電機。在自 ? 動控制系統(tǒng)和模擬計算裝置中，作為檢測元件、解算元件和角加速度信號元件等，測速發(fā)電機得到了廣泛的應用。 ? 在交流、直流調速系統(tǒng)中，利用測速發(fā)電機形成速度反饋通道以構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以大大改善系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，提高系統(tǒng)精度，并能明顯減弱參數(shù)變化和非線性因素對系統(tǒng)性能的影響。而在解算裝置中，測速發(fā)電機又可作為解算元件，作積分、微分運算。目前應用的測速發(fā)電機主要有直流測速發(fā)電機、交流測速發(fā)電機和霍爾效應測速發(fā)電機等。 ? 測速發(fā)電機的電氣圖形符號如圖 413所示。 ? 圖 413 測速發(fā)電機的圖形符號 a）直流測速發(fā)電機 b）他勵式直流測速發(fā)電機 c）永磁式直流測速發(fā)電機 d）交流測速發(fā)電機 1．直流測速發(fā)電機 直流測速發(fā)電機就是專門測量轉速用的微