電氣控制技術及其發展展望

李春明

[摘 要]本論文從歷史發展的角度，電氣控制技術的發展，以及未來的發展空間，提出了一些改進措施，為電氣控制技術在具體實例中應用打下基礎。

[關鍵詞]電氣控制技術 發展目標 功能差別

中圖分類號：TN83 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-049-01

本文首先回顧控制技術和電氣技術的發展歷史。電氣技術開始時沿著信息傳送（弱電）和電能利用（強電）兩個方向發展，現代電氣控制的特點是以弱電控制強電，使兩支洪流又匯合起來。電氣控制的應用范圍極廣，從控制對象工藝過程上看，大體可分為電氣傳動控制和電氣儀表過程控制兩大部類，它們在控制規律上有許多相似之處。電氣控制的目標是保證生產過程和產品質量的優化、節約能源、提高可靠性和自動化水平，是現代化生產中提高生產力的必要途徑。

一、歷史回顧

早期的電氣傳動控制只是利用電器來控制電動機的起動、制動、正反轉和分級調速。隨著技術的進步，生產工藝對電氣傳動提出了越來越高的要求，諸如精確穩定的運行速度、無級調速、快速反向、準確定位等等。直流電機變壓和弱磁調速可以比較好地滿足這些要求，于是誕生了旋轉變流機組供電的直流調速系統（Ward-Leonard系統）。對調速性能要求再高時，則引入電機型放大器、磁放大器、電子放大器等放大裝置進行反饋控制。到本世紀五十年代，機組供電直流調速系統的控制技術發展到了巔峰的階段，也正是它的缺點暴露得最充分的時候，它的設備多、體積大、費用高、效率低、安裝須地基、運行有噪音、維護不方便等等日益成為生產上的負擔。為了解決這個矛盾，人們開始采用水銀整流器（大容量）和閘流管（小容量）等靜止變流裝置來代替旋轉變流機組，形成所謂的離子傳動控制系統。1957年，可控的大功率半導體器件—晶閘管問世，由它組成的靜止式可控整流裝置無論在運行性能上還是可靠性上都具有明顯的優勢，60年代成了晶閘管的時代，使離子傳動僅僅成為一位歷史上的浮云過客而已。七十年代以來，國際上電力電子技術（即大功率半導體技術）突飛猛進，推出了新一代的開和關都能控制的“全控式”電力電子器件，如門極可關斷晶閘管（GTO）、大功率晶體管（GTR）、場效應晶閘管（P-MOSFET）等。新型的脈寬調制式（PWM）變壓裝置使直流電源以1^-4kHz的頻率交替地導通和關斷，用改變脈沖電壓寬度來改變平均輸出電壓，從而調節電動機的轉速。與老式電器開關控制相比，新的PWM開關在形式上是靜止的，開關頻率高，裝置體積小，調節性能好，運行十分可靠。從電器開關到連續調壓，再到電子開關，電氣傳動控制的歷史在螺旋式地前進。如上所述，電氣控制手段經歷了幾代的演變，而直流電動機本身卻基本上依然故我，雖然它具有優良的可控性能，但它的機械式換向器始終是構上和運行中的薄弱環節。交流電機尤其是鼠籠式異步電機沒有這個問題，因此在直流傳動控制技術發展的同時，人們一直在憧憬著具有優越控制性能的交流傳動系統，業為此付出了艱苦的努力，但直到電力電子技術蓬勃發展以前，始終未能如愿。當晶閘管組成的可控整流裝置獲得廣泛應用以后，又發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，使變頻裝置的結構大為簡化，交流變頻調速系統才逐漸具備大量應用的價值。1971年提出了矢量控制技術，使交流調速得到了可與直流調速媲美的高性能，石油戰引起的國際能源危機更促進了節能交流傳動的開發。工業上應用的交流傳動裝置迅速增長，80年代可以說是推廣交流傳動的時代了。

二、當前的國際水平

當前，標志著電氣控制技術國際先進水平的問題，可以歸納為五個方面。

（1）以電子計算機和其它電子裝置為主要控制手段。

無論是電氣傳動控制，還是電氣儀表過程控制，盡管它們在很長一段時間里采用著很不同的控制手段，到后來都找到了電子裝置和電子計算機。這決不是偶然的巧合，這正是技術進步的結果。自晶體管問世以來，電子器件從分立元件發展到小、中、大、甚大規模的集成電路，韭在此基礎上制成微處理機和微型計算機。在七十年代的十年中，元件的集成度越來越高，因而從四位機、八位機、十六位機發展到八十年代初的三十二位機，動態存儲器的容量日益增大，指令平均執行時間日益縮短，而器件的成本則大幅度降低，從1974年以后的六年中，每個門的平均費用下降為原來的1%。八十年代將進一步實現系統集成化，即使操作系統、IJO處理功能等都作為集成化的對象，以減輕用戶在軟件上的負擔?？梢灶A計，微型計算機將會繼續迅猛地發展。

（2）以電力電子裝置為弱電控制強電的媒介。

在各種電氣控制設備中，能夠實現弱電控制強電的關鍵是電力電子裝置。如果說，計算機是現代化生產設備的大腦，那么電力電子裝置就是支配手足動作的肌肉與神經。近十年來由于微電子制造技術的進步，給電力電子器件生產以極大的推動力，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、高動態參數和高可靠性的方向發展。表1提供幾類主要電力電子器件規格的國際水平。

（3）以自動控制理論和信息傳輸理論為電氣控制技術的理論基礎。

由無源或有源的線性電路構成的PID調節器在電氣控制系統中已經沿用了四十多年，結構簡單，能滿足一般控制性能的要求，在理論和實踐上都已經很成熟了。不少人曾嘗試應用其它控制規律改善系統的性能，取得了一定的成果，但在控制器的復雜性上也付出了不小的代價。自從計算機用于炙時控制之后，提供了實現各種控制規律的方便，情況發生了根本的變化。舉例來說，變結構控制在線性電路的基礎上實現起來比較麻煩，用軟件來實現就容易得多。計算機的高速運算能力使現代控制理論中較復雜的控制規律都能夠得到實時的應用。

三、我國的現狀與發展展扭

從整體來看，我國自產電氣控制裝置的水平與國際先進水乎相比大約落后二十年。具體分析一下，我們在控制軟件設計和控制理論應用上都有一定基礎，能力韭不很弱，在理論研究的某些方面還有領先的成就，計算機和控制裝置的硬件是我們主要的薄弱環節，其中更根本的弱點在于元器件一大規模集成電路和新型電力電子器件。前者已經受到國家很大的重視，發展勢頭較大，而后者尚未得到足夠的重視，只有本行業在努力。當前我國電力電子器件的生產水平與前面列出的國際水平相比可以看出其差距。此外，在設計方法上，基本上仍處于圖板加計算器的狀況，數字仿真與計算機輔助設計的應用韭不普遍。

為了加快發展速度，在引進和消化之后，關鍵還在于自己要有足夠的研究與開發的力量。在這方面，生產與科研體制的改革是一個重要的問題。沒有強大的在經濟上與生產部門溶為一體的科研開發基地為后盾，就不可能趕上現代化生產高速發展的趨勢。只要我們看清方向，采取正確的符合實際的方針和路線，調動各種積極因素，那么，在我國實現電氣控制技術的現代化是完全可能的。

參考文獻

[1] 顧繩谷主編：電機及拖動基礎2011年版.

[2] 中國電工技術學會電控系統與裝置專業委員會編：風機水泵交流調速節能技術1984年.endprint