同许多工业生产过程一样，舞台机械设备作为机电精密结合的产品，在其运行过程中，为了维持正常的工作条件，就必须对某些物理量（如：电压、位移、转速等）进行控制，使其能按照一定的规律变化。
4.1 自动控制系统的基本概念
1.自动控制
所谓自动控制，就是没有人的直接参与，而是利用控制装置本身操纵对象，从而使被控量恒定或按某一规律变化。
2.开环控制
例如他俐直流电动机转速控制系统是一种开环控制系统。其特点是只有参考电压输入量对转速输出量起单向控制作用，而输出量对输入量却没有任何影响和联系，即系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路。
开环控制系统的精度，主要取决于输入量的给定精度以及控制装置参数的稳定程度。由于开环系统没有抵抗外部干扰的能力，故控制精度较低。但由于系统的结构简单、造价较低，故在系统结构参数稳定、没有干扰作用或所受干扰较小的场合下，仍会大量使用。
3.闭环控制系统
直流电动机转速开环控制系统中，加入一台测速发电机，并对电路稍作改变，就构成了转速闭环控制系统。它客服了开环控制系统精度不高和适应性不强的缺点，由于引入反馈环节，使输出量对控制作用有直接影响。因此，提高了控制质量。
闭环的直流电动机转速控制系统把从系统输入量到输出量之间的通道称为前向通道；从输出量到反馈信号之间的通道称为反馈通道。比较环节的输出量等于各个输入量的代数和。因此，各个输入量均需用正负号表明其极性。图中清楚地表明：由于采用了反馈回路，致使信号的传送路径形成闭合环路，输出量反过来直接影响控制作用，以求减小或消除偏差。
由于闭环控制系统釆用了反馈装置，导致设备增多，线路复杂，对于一些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制过程可能变差，甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。
必须指出，对主反馈而言，只有按负反馈原理组成的闭环控制系统才能实现自动控制。若采用正反馈，将使偏差越来越大，不仅无法纠正偏差，反而导致系统无法工作。
4.基本性能要求
由于各种自动控制系统的被控对象和要完成的任务各不相同，故对性能指标的具体要求也不一样。总体目标都是希望实际的控制过程尽量接近于理想的控制过程，并归纳为稳定性、快速性、准确性和抗扰性
(1)稳定性
稳定性是指系统重新恢复平衡状态的能力。任何一个能够正常运行的控制系统，首先必须是稳定的。
由于闭环控制系统有反馈作用，若系统设计不当或参数调整不合理，则控制过程有可能出现振荡或不稳定。不稳定的系统是无法使用的，当系统出现激烈而持久的振荡会导致功率元件过载，甚至使设备损坏而发生事故，这是绝不允许的。
(2)快速性
由于系统的对象和元件通常具有一定的惯性，并受到能源功率的限制，因此，当系统输入(给定输入或扰动输入)信号改变时，在控制作用下，系统必然由原来的平衡状态经历一段时间才过渡到另一个新的平衡状态，这个过程称为过渡过程。过渡过程越短，表明系统的快速性越好，它是衡量现代化交通设施质量高低的重要指标之一。
(3)准确性
对一个稳定的系统而言，当过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好。
(4)抗扰性
对于任何一个控制系统，在其控制过程中，都会出现各种各样的扰动信号，而系统对扰动的抵抗能力强弱会直接影响到输出信号或被调量的质量，扰动导致输出量的变化越小，表示系统的抗扰能力越强。
4.2 直流调速控制系统
直流调速系统具有较大的起动转矩和良好的起动和制动性能，而且易于在较宽的范围内实现平滑调速，所以很多对调速要求高的生产机械仍采用直流电动机传动。从反馈闭环控制角度看，直流调速控制系统子啊理论和实践上都较成熟，掌握直流调速系统也是研究其他调速系统的基础。
4.2.1单闭环直流调速系统
1.单闭环有静差调速系统
（1）调速系统组成及其工作原理
闭环系统静特性的硬度比开环系统的高，静特性硬的实质就是闭环系统改变电动机的电压以补偿负载变化引起的转速降。
(2)调速系统的静态特性
为了突出主要矛盾，分析静态性能时作如下假定：
①忽略系统中各种非线性因素，假定系统中各环节输入和输出都是线性关系
②假定晶闸管变流器提供的电流是连续的；
③忽略直流电源和电位器的等效内阻。
在要求开环和闭环系统电动机的最高转速以及最低转速时的静差率相同的条件下，闭环系统的调速范围为开环系统调速范围的（1+k）倍，也就是说，闭环控制可以获得比开环控制的多的特性，可以保证在限定的静差率要求下，提供调速范围。
有控制理论可以看出，该转速闭环调速系统具有以下三个基本特征：
①该转速闭环调速系统是依靠被调量偏差的变化才能实现自动调节作用的，比例调节器的放大倍数不可能无穷大，不可能消除静差。所以这种调速系统叫做有静差调速系统。
②反馈闭环控制系统具有u良好的抗扰性能，它对于被负反馈环包围的前向通道上，的一切扰动作用杜能有效地加以抑制、作用在前向通道上的任何一种扰动作用的影响都会被测速发电机测出来，通过反馈作用，减小它们对静态转速的影响。
③反馈闭环控制系统对给定电源和被调量检测装置中的扰动无能为力，因此，控制系统的精度依赖于给定稳压电源和反馈量检测元件的精度。给定电源的任何波动和反馈检测元件本身的误差，都会使转速偏离应有的值。
单闭环有静差调速系统，静特性变硬，在一定静差率要求下调速范围变宽；而且系统具有良好的抗扰性能。但该系统存在静态精度和动态性能之间的矛盾，以及起动时冲击电流太大的问题。
2. 单闭环无静差调速系统
有静差调速系统被放大的是转速的误差，没有误差就没有放大输出，所以系统始终有静差。另外放大系数越大，转速的静态误差则越小，静态误差与放大环节的放大系数有关。为了减小静态误差，只有增大放大环节的放大系数。但放大系数的增加是有限的，放大系数过大会使系统的动态性能变坏。
为了实现无静差调速系统，可以引人误差对时间的积分，因此需要采用具有积分记忆功能的积分或比例积分调节器。它们的输出随输入的变化规律是分析带积分或比例积分调节器的闭环调速系统的基础。
（1）积分调节器
积分器的输出量正比于输入量的积分，具有积累作用；当输入为零时，输出保持不变，具有保持作用；当输入突然发生变化时，输出不会发生突然变化，具有延缓作用。
（2）比例积分调节器
比例积分调节器与积分调节器不同，在输入突然变化时，如阶跃输入，也将突然变化，然后按积分规律变化。
当输入发生跳变，输出也将发生跳变；当输入为零，输出将保持不变。
（3）比例积分调节器组成的无静差调速系统
4.2.2 单闭环直流调速系统
PI调节器的单闭环调速系统不仅能够保证动态稳定，而且可以消除静态误差。但是动态性能却不能令人满意，它不能充分利用直流电动机的过载能力获得快速响应，对扰动的抑制能力也较差。为了获得动态响应快和抗干扰强的性能，可以采用转速、电流双闭环调速系统，将转速、电流分开控制，设置转速和电流两个调节器。现代的自动调速系统广泛采用双闭环和多闭环系统，本节介绍双闭环系统。
1.双闭环调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实现串联连接。由转速负反馈与一个调节器组成外环，称为转速环，该调节器称为转速调节器，以ASR表示，目的是使系统的转速跟踪给定转速；另外由电流负反馈与另一个调节器组成内环，称为电流环，它处于转速环之内，该调节器叫做电流调节器，以ACR表示。为了获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器，且输出都带限幅。这样，电流调节器既能在起动过程中充分利用电动机的过载能力，保持电流为最大值，又能在带负载运行时随时按给定电流进行电流调节，以使电枢电流按要求的规律变化
2.双闭环调速系统的静特性
PI调节器都是带限幅的，它具有两种工作状态：①炮和，此时输出为限幅值；②不饱和，输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不起作用，相当于调节环开环，除非有反向输入信号使调节器退出饱和。正常运行时，电流调节器是不会饱和的。研究静特性时只要分转速调节器的饱和与不饱和两种情况。
在正常负载下，转速调节器处于非饱和状态，当转速调节器没有饱和时，系统具有很硬的静态特性。
4.3 交流调速控制系统
4.3.1 交-交变频调速系统
交-交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路。因为没有中间直流环节，因此属于直接变频电路。交-交变频电路广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。
交-交变频电路的负载可以是阻感负载、电阻负载、阻容负载或交流电动机负载。现以阻感负载为例来说明电路的整流工作状态与逆变工作状态，这种分析也适用于交流电动机负载。
在阻感负载的情况下，摘一个输出电压周期没交-交变频电路有4种工作状态。那种交流电路工作是由输出电流的方向决定的，与输出电压极性无关。变流电路工作在整流状态还是逆变状态，则是根据输出电压方向与输出电流方向是否相同来确定的。
当输出电压和电流的香味相差小于90°时，一周期内电网向负载提供的平均值为正，电动机工作在电动状态；当二者相位差大于90°时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，即电网吸收能量，电动机工作在发电状态。
余弦交点法可以用模拟电路来实现，但线路复杂，且不易实现准确的控制。采用计算机控制时可方便地实现准确的运算，而且除计算角外，还可以实现各种复杂的控制计算，使整个系统获得盒拿货ode性能。
在无环流方式下，由于负载电流反向时为保证无环流而必须留一定的死区时间，就使得输出电压的波形畸变增大。另外，在负载电流断续时，输出电压被负载电动机反电动势抬高，这也造成输出波形畸变。电流死区和电流断续的影响也限制了输出频率的提高。和直流可逆调速系统一样，交-交变频电路也可采用有环流控制方式，这时正反两组变流器之间须设置环流电抗器。采用有环流控制方式，可以避免电流断续并消除电流死区，改善输出波形，还可提高交-交变频电路的输出上限频率，运行效率也因环流而有所降低。因此，目前应用较多的还是无环流方式。
交-交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，这种系统使用的是三相交-交变频电路。三相交-交变频电路是由三组输出电压相位各差120°的单相交-交变频电路组成的，因此前述的许多分析和结论对三相交-交变频电路都是适用的。
三相交-交变频电路主要有两种接线方式，即公共交流母线进线方式和输出星形联接方式。
公共交流母线进线方式由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120°的单相交-交变频电路构成，它们的电源进线通过进线电扛器接在公共的交流母线上。因为电源进线端公用，所以三组单相交-交变频电路的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。这种电路主要用于中等容量的交流调速系统。
三相单相交-交变频电路的输出端是星形联接，电动机的三个绕组也是星形联接，电动机中性点不和变频器中性点接在一起，电动机只引起三根线即可。因为三组单相交-交变频电路的输出联接在一起，其电源进线就必须隔离，因此三组单相交-交变频器分别用是三个变压器供电。
由于变频器输出端中点不和负载中点相联接，所以在构成三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。和整电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通。而两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。
4.3.2 交-直-交变频调速系统
在交-直-交变频调速系统中，首先由整流器将电网中的交流电整流成直流电，经过滤波，而后有逆变器将直流电逆变成交流电供给负载，由于电容滤波的作用，整流器的输出电压是个平稳的直流电压，相当一电压源。采用电容滤波的变频器成为在交-直-交变频器，而逆变输出的电压波形就成为矩形波。由于电机内部感应电势以及漏抗的影响，电机电流近似为正弦波。
用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用最广的还是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路，其控制方法采用调制法。把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。在调制信号为正弦波时，所得到的的就是SPWM波形，这种情况应用最广。
在电压型逆变电路的PWM控制中，同一上下两个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两臂通断切换时要留一小段上下臂都十家关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由功率开关器件的关断时间来决定。这个死区时间将会给输出的PWM波形带来一定影响，使其稍稍偏离正弦波。
PWM控制技术在交流变频调速电路中的应用十分广泛。通用的PWM型变频器也是一种叫-直-交变频器，它是由二级管整流器、中间直流电路和PWM逆变器组成，通过整流器将工频交流电整流成直流电，经过中间环节再由逆变器将直流电逆变成频率可调的交流电，供给交流负载。PWM型变频器一般采用电压型逆变器。
在异步电动机变压变频调速系统中，需要控制的是电压（或电流）和频率来控制电磁转矩。
在直流调系统中，直流电动机的转矩与电枢电流成正比，控制电流就能控制转矩，因此，把直流双闭环调速系统装速调节器的输出信号当做电流给定信号，也就是转矩给定信号。
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