1、 1 第一章 绪论 1.1 前言 21 世纪，科学技术日新月异，科技的进步带动了控制技术的发展，现代控制设备的 性能和结构发生了翻天覆地的变化。我们已进入高速发展的信息时代，控制技术成为当 今科技的主流之一，广泛深入到研究和应用工程等各个领域。 控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。其 控制系统包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口。控制器的输出经过 输出接口执行机构、加到被控系统上；控制系统的被控量、经过传感器、变送器、通 过输入接口送到控制器。不同的控制系统、传感器变送器执行机构是不一样的。比 如压力控制系统要采用压力传感器。 电加热控制系统的传感器是温
2、度传感器。 目前， PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用。 受益于数十年来全球经济高速成长所获得的 PID 控制成果,在中国市场，一大批机 器设备制造商正处于蓬勃发展阶段，除满足本土市场庞大的机器设备需求外，走向国际 市场，参与国际竞争也成为现实需求。在应用方面，这种控制技术已经渗透到了医疗、 汽车制造、铁道运输、航天航空、钢铁生产、物流配送、饮料生产等多个方面。但是由 于中国科技落后，为此，我们需要更进一步的学习、掌握与应用先进的控制技术与解决 方案，以提升设备性能、档次与市场竞争力。在国外，尤其在运动控制及过程控制方面 PID 控制技术的
3、应用更是越来越广泛和深入。随着科技的进步，人们对生活舒适性的追 求将越来越高，PID 控制技术作为一项具有发展前景和影响力的新技术，正越来越受到 国内外各行业的高度重视。 1.2 直流电动机控制的发展历史 常用的控制直流电动机有以下几种:第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流 电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易 行设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调 速， 所以目前极少采用。 第二， 三十年代末， 出现了发电机-电动机(也称为旋转变流组)， 配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如
4、有较 宽的调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机 减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方 2 面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动 机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁 设备，因而体积大，维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上 述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是 发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便， 特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等
5、。 第四， 1957 年世界上出现了第一只晶 闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统 立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便 等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高， 而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在 10000 以上， 比机组(放大倍数 10)高 1000 倍，比汞弧变流器(放大倍数 1000)高 10 倍;在响应快速性 上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。 从 20 世纪 80 年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组 及
6、水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集 成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅 提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。 随着微型计算机、 超大规模集成电路、 新型电子电力开关器件和新型传感器的出现， 以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装 置不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地 推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心 的直流电气传动装置，如西门子公司的 SIMOREG K 6RA24、ABB 公司的 PAD/PSD 等等。 随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高， 直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性 导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加 工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫 机，泵和压缩机等设备的
