電氣控制技術(shù)及其發(fā)展展望

李春明

[摘 要]本論文從歷史發(fā)展的角度，電氣控制技術(shù)的發(fā)展，以及未來(lái)的發(fā)展空間，提出了一些改進(jìn)措施，為電氣控制技術(shù)在具體實(shí)例中應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]電氣控制技術(shù) 發(fā)展目標(biāo) 功能差別

中圖分類號(hào)：TN83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2014）10-049-01

本文首先回顧控制技術(shù)和電氣技術(shù)的發(fā)展歷史。電氣技術(shù)開始時(shí)沿著信息傳送（弱電）和電能利用（強(qiáng)電）兩個(gè)方向發(fā)展，現(xiàn)代電氣控制的特點(diǎn)是以弱電控制強(qiáng)電，使兩支洪流又匯合起來(lái)。電氣控制的應(yīng)用范圍極廣，從控制對(duì)象工藝過(guò)程上看，大體可分為電氣傳動(dòng)控制和電氣儀表過(guò)程控制兩大部類，它們?cè)诳刂埔?guī)律上有許多相似之處。電氣控制的目標(biāo)是保證生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)化、節(jié)約能源、提高可靠性和自動(dòng)化水平，是現(xiàn)代化生產(chǎn)中提高生產(chǎn)力的必要途徑。

一、歷史回顧

早期的電氣傳動(dòng)控制只是利用電器來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)和分級(jí)調(diào)速。隨著技術(shù)的進(jìn)步，生產(chǎn)工藝對(duì)電氣傳動(dòng)提出了越來(lái)越高的要求，諸如精確穩(wěn)定的運(yùn)行速度、無(wú)級(jí)調(diào)速、快速反向、準(zhǔn)確定位等等。直流電機(jī)變壓和弱磁調(diào)速可以比較好地滿足這些要求，于是誕生了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（Ward-Leonard系統(tǒng)）。對(duì)調(diào)速性能要求再高時(shí)，則引入電機(jī)型放大器、磁放大器、電子放大器等放大裝置進(jìn)行反饋控制。到本世紀(jì)五十年代，機(jī)組供電直流調(diào)速系統(tǒng)的控制技術(shù)發(fā)展到了巔峰的階段，也正是它的缺點(diǎn)暴露得最充分的時(shí)候，它的設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝須地基、運(yùn)行有噪音、維護(hù)不方便等等日益成為生產(chǎn)上的負(fù)擔(dān)。為了解決這個(gè)矛盾，人們開始采用水銀整流器（大容量）和閘流管（小容量）等靜止變流裝置來(lái)代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，形成所謂的離子傳動(dòng)控制系統(tǒng)。1957年，可控的大功率半導(dǎo)體器件—晶閘管問(wèn)世，由它組成的靜止式可控整流裝置無(wú)論在運(yùn)行性能上還是可靠性上都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，60年代成了晶閘管的時(shí)代，使離子傳動(dòng)僅僅成為一位歷史上的浮云過(guò)客而已。七十年代以來(lái)，國(guó)際上電力電子技術(shù)（即大功率半導(dǎo)體技術(shù)）突飛猛進(jìn)，推出了新一代的開和關(guān)都能控制的“全控式”電力電子器件，如門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、大功率晶體管（GTR）、場(chǎng)效應(yīng)晶閘管（P-MOSFET）等。新型的脈寬調(diào)制式（PWM）變壓裝置使直流電源以1^-4kHz的頻率交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，用改變脈沖電壓寬度來(lái)改變平均輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。與老式電器開關(guān)控制相比，新的PWM開關(guān)在形式上是靜止的，開關(guān)頻率高，裝置體積小，調(diào)節(jié)性能好，運(yùn)行十分可靠。從電器開關(guān)到連續(xù)調(diào)壓，再到電子開關(guān)，電氣傳動(dòng)控制的歷史在螺旋式地前進(jìn)。如上所述，電氣控制手段經(jīng)歷了幾代的演變，而直流電動(dòng)機(jī)本身卻基本上依然故我，雖然它具有優(yōu)良的可控性能，但它的機(jī)械式換向器始終是構(gòu)上和運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)。交流電機(jī)尤其是鼠籠式異步電機(jī)沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，因此在直流傳動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，人們一直在憧憬著具有優(yōu)越控制性能的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，業(yè)為此付出了艱苦的努力，但直到電力電子技術(shù)蓬勃發(fā)展以前，始終未能如愿。當(dāng)晶閘管組成的可控整流裝置獲得廣泛應(yīng)用以后，又發(fā)明了晶閘管逆變電路和變頻裝置，“全控式”電力電子器件的出現(xiàn)，使變頻裝置的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)才逐漸具備大量應(yīng)用的價(jià)值。1971年提出了矢量控制技術(shù)，使交流調(diào)速得到了可與直流調(diào)速媲美的高性能，石油戰(zhàn)引起的國(guó)際能源危機(jī)更促進(jìn)了節(jié)能交流傳動(dòng)的開發(fā)。工業(yè)上應(yīng)用的交流傳動(dòng)裝置迅速增長(zhǎng)，80年代可以說(shuō)是推廣交流傳動(dòng)的時(shí)代了。

二、當(dāng)前的國(guó)際水平

當(dāng)前，標(biāo)志著電氣控制技術(shù)國(guó)際先進(jìn)水平的問(wèn)題，可以歸納為五個(gè)方面。

（1）以電子計(jì)算機(jī)和其它電子裝置為主要控制手段。

無(wú)論是電氣傳動(dòng)控制，還是電氣儀表過(guò)程控制，盡管它們?cè)诤荛L(zhǎng)一段時(shí)間里采用著很不同的控制手段，到后來(lái)都找到了電子裝置和電子計(jì)算機(jī)。這決不是偶然的巧合，這正是技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。自晶體管問(wèn)世以來(lái)，電子器件從分立元件發(fā)展到小、中、大、甚大規(guī)模的集成電路，韭在此基礎(chǔ)上制成微處理機(jī)和微型計(jì)算機(jī)。在七十年代的十年中，元件的集成度越來(lái)越高，因而從四位機(jī)、八位機(jī)、十六位機(jī)發(fā)展到八十年代初的三十二位機(jī)，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的容量日益增大，指令平均執(zhí)行時(shí)間日益縮短，而器件的成本則大幅度降低，從1974年以后的六年中，每個(gè)門的平均費(fèi)用下降為原來(lái)的1%。八十年代將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成化，即使操作系統(tǒng)、IJO處理功能等都作為集成化的對(duì)象，以減輕用戶在軟件上的負(fù)擔(dān)?？梢灶A(yù)計(jì)，微型計(jì)算機(jī)將會(huì)繼續(xù)迅猛地發(fā)展。

（2）以電力電子裝置為弱電控制強(qiáng)電的媒介。

在各種電氣控制設(shè)備中，能夠?qū)崿F(xiàn)弱電控制強(qiáng)電的關(guān)鍵是電力電子裝置。如果說(shuō)，計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備的大腦，那么電力電子裝置就是支配手足動(dòng)作的肌肉與神經(jīng)。近十年來(lái)由于微電子制造技術(shù)的進(jìn)步，給電力電子器件生產(chǎn)以極大的推動(dòng)力，各種新型電力電子器件如雨后春筍，韭且向著高電壓、大功率、高動(dòng)態(tài)參數(shù)和高可靠性的方向發(fā)展。表1提供幾類主要電力電子器件規(guī)格的國(guó)際水平。

（3）以自動(dòng)控制理論和信息傳輸理論為電氣控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

由無(wú)源或有源的線性電路構(gòu)成的PID調(diào)節(jié)器在電氣控制系統(tǒng)中已經(jīng)沿用了四十多年，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能滿足一般控制性能的要求，在理論和實(shí)踐上都已經(jīng)很成熟了。不少人曾嘗試應(yīng)用其它控制規(guī)律改善系統(tǒng)的性能，取得了一定的成果，但在控制器的復(fù)雜性上也付出了不小的代價(jià)。自從計(jì)算機(jī)用于炙時(shí)控制之后，提供了實(shí)現(xiàn)各種控制規(guī)律的方便，情況發(fā)生了根本的變化。舉例來(lái)說(shuō)，變結(jié)構(gòu)控制在線性電路的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較麻煩，用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)就容易得多。計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力使現(xiàn)代控制理論中較復(fù)雜的控制規(guī)律都能夠得到實(shí)時(shí)的應(yīng)用。

三、我國(guó)的現(xiàn)狀與發(fā)展展扭

從整體來(lái)看，我國(guó)自產(chǎn)電氣控制裝置的水平與國(guó)際先進(jìn)水乎相比大約落后二十年。具體分析一下，我們?cè)诳刂栖浖O(shè)計(jì)和控制理論應(yīng)用上都有一定基礎(chǔ)，能力韭不很弱，在理論研究的某些方面還有領(lǐng)先的成就，計(jì)算機(jī)和控制裝置的硬件是我們主要的薄弱環(huán)節(jié)，其中更根本的弱點(diǎn)在于元器件一大規(guī)模集成電路和新型電力電子器件。前者已經(jīng)受到國(guó)家很大的重視，發(fā)展勢(shì)頭較大，而后者尚未得到足夠的重視，只有本行業(yè)在努力。當(dāng)前我國(guó)電力電子器件的生產(chǎn)水平與前面列出的國(guó)際水平相比可以看出其差距。此外，在設(shè)計(jì)方法上，基本上仍處于圖板加計(jì)算器的狀況，數(shù)字仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用韭不普遍。

為了加快發(fā)展速度，在引進(jìn)和消化之后，關(guān)鍵還在于自己要有足夠的研究與開發(fā)的力量。在這方面，生產(chǎn)與科研體制的改革是一個(gè)重要的問(wèn)題。沒(méi)有強(qiáng)大的在經(jīng)濟(jì)上與生產(chǎn)部門溶為一體的科研開發(fā)基地為后盾，就不可能趕上現(xiàn)代化生產(chǎn)高速發(fā)展的趨勢(shì)。只要我們看清方向，采取正確的符合實(shí)際的方針和路線，調(diào)動(dòng)各種積極因素，那么，在我國(guó)實(shí)現(xiàn)電氣控制技術(shù)的現(xiàn)代化是完全可能的。

參考文獻(xiàn)

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