畢業(yè)設(shè)計(jì)龍門刨床雙閉環(huán)無環(huán)流可逆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、西安文理學(xué)院機(jī)械電子工程系本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 專業(yè)班級 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 設(shè)計(jì)所在單位 年 月龍門刨床plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要傳統(tǒng)的龍門刨床控制系統(tǒng)可靠性差，維護(hù)困難，成產(chǎn)效率低。如今plc技術(shù)不斷發(fā)展。本文針對傳統(tǒng)的龍門刨床的控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化的改進(jìn)，主要研究了基于plc的直流電機(jī)雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)直流調(diào)速理論及自動控制系統(tǒng)的理論，介紹了plc控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成、工作原理和動態(tài)性能。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行全數(shù)字化的改造,使電流環(huán)和速度環(huán)控制器都由plc系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)討論了用fx2n系列plc及其兩個擴(kuò)展模塊來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。應(yīng)用plc的p

2、id功能指令來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的閉環(huán)控制。系統(tǒng)具有人機(jī)接口，系統(tǒng)易于擴(kuò)展，便于擴(kuò)展各種i/o模塊和功能模塊。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；雙閉環(huán)；可編程控制器double housing planer machine plc control system designabstractthe traditional double planer control system reliability is poor, maintenance is difficult with the production of low efficiency. now the plc technology develop con

3、tinuously .in this paper introduces the dc motor based on plc double closed-loop speed regulation system, according to the dc speed control theory and the theory of automatic control system, this paper introduces the plc control of double closed-loop speed regulation system composition, working prin

4、ciple and the dynamic performance. this system implement a digital reform to the double closed-loop speed regulation system of the dc machine and make current loop and speed loop controller by plc system are discussed to realize. the key is to discuss to realize dc motor double closed loop speed reg

5、ulation system with fx2n plc and both extension module. application of plc pid commands to realize dc machine speed closed-loop control. this system is easy to expand all kinds of i/o modules and function modules.key words：dc. machine；double closed loop；programmable logic controller(plc) 目錄第一章 緒論11.

6、1 選題的目的與意義11.2 龍門刨床簡介11.3 龍門刨床的發(fā)展趨勢11.4 本課題主要討論問題2第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案32.1幾種可行性方案的比較32.1.1 理想的速度運(yùn)行曲線32.1.2實(shí)現(xiàn)理想速度運(yùn)行的方法42.2總體方案設(shè)計(jì)4第三章 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)63.1轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)63.1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖63.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型93.2觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)103.3系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算123.3.1 電流環(huán)節(jié)（acr）的設(shè)計(jì)123.3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)（asr）的設(shè)計(jì)143.4可控硅主回路的設(shè)計(jì)153.4.1反并聯(lián)可逆電路153.4.2邏輯控制的無環(huán)流

7、可逆系統(tǒng)153.5電路保護(hù)173.5.1過電壓保護(hù)173.5.2過電流保護(hù)183.4.3整流器件的選擇18第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)204.1plc中的pid功能204.1.1 pid控制的結(jié)構(gòu)204.1.2 pid參數(shù)的整定214.1.3 fx2n的pid指令224.2速度初始化子程序234.3電流檢測子程序244.4轉(zhuǎn)速檢測子程序254.5邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果26結(jié)束語27致謝28參考文獻(xiàn)29附錄30第一章 緒論1.1 選題的目的與意義龍門刨床因有一個由頂梁和立柱組成的龍門式框架結(jié)構(gòu)而得名，工作臺帶著工件通過龍門框架作直線往復(fù)運(yùn)動，多用于加工大平面工件。選題目的在于通過plc技術(shù)，以

8、直流電動機(jī)為核心對龍門刨床驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用了plc控制的電流、速度雙閉環(huán)邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)刨床的無級調(diào)速。如果plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得當(dāng)，包括分析系統(tǒng)要求，選型和程序設(shè)計(jì)，不僅能夠提高工作效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，還可以延長龍門刨床的使用壽命。1.2 龍門刨床簡介龍門刨床是各類機(jī)加工廠中較為常見的設(shè)備，是具有門式框架和臥式長床身的刨床。龍門刨床主要用于刨削大型工件，也可在工作臺上裝夾多個零件同時加工。龍門刨床的工作臺帶著工件通過門式框架作直線往復(fù)運(yùn)動，空行程速度大于工作行程速度。橫梁上一般裝有兩個垂直刀架，刀架滑座可在垂直面內(nèi)回轉(zhuǎn)一個角度，并可沿橫梁作橫向進(jìn)給運(yùn)動；刨刀可在刀架上作垂

9、直或斜向進(jìn)給運(yùn)動；橫梁可在兩立柱上作上下調(diào)整。一般在兩個立柱上還安裝可沿立柱上下移動的側(cè)刀架,以擴(kuò)大加工范圍工作臺回程時能機(jī)動抬刀，以免劃傷工件表面。機(jī)床工作臺的驅(qū)動可用發(fā)電機(jī)電動機(jī)組或用可控硅直流調(diào)速方式,調(diào)速范圍較大,在低速時也能獲得較大的驅(qū)動力。1.3 龍門刨床的發(fā)展趨勢龍門刨床的電力傳動系統(tǒng)由始至今一般有以下兩種方式：1）工作臺主傳動系統(tǒng)在歷史上曾經(jīng)采用電機(jī)擴(kuò)大機(jī)-直流發(fā)電機(jī)-直流電動機(jī)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)，簡稱k-f-d系統(tǒng)。利用這種直流機(jī)組傳動克服了古老刨床機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以調(diào)速的毛病，系統(tǒng)可靠性相對較高一些，調(diào)速范圍較寬，因它只受電樞壓降的影響，但k-f-d系統(tǒng)有擴(kuò)大機(jī)組和發(fā)電機(jī)組

10、，故成本高，占地面積大，噪音大，且k-f-d系統(tǒng)是機(jī)組變流，變流過程損耗大，效率低，其系統(tǒng)的慣性除受直流電動機(jī)影響外，還受到發(fā)電機(jī)和電機(jī)擴(kuò)大機(jī)電磁慣性的影響，故慣性大，換向時沖擊大。2）隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，從上世紀(jì)七八十年代起，工作臺主傳動系統(tǒng)是以可控硅-直流電動機(jī)系統(tǒng)，簡稱scr-d系統(tǒng)為主。scr-d系統(tǒng)可省掉擴(kuò)大機(jī)組和發(fā)電機(jī)組，節(jié)省成本，其系統(tǒng)的效率幾乎與負(fù)載無關(guān)，適宜于負(fù)載變動較大的情況，且可控硅基本上屬于無慣性環(huán)節(jié)，反應(yīng)速度較快，電磁慣性可以減到很少，但scr-d系統(tǒng)可靠性稍差。因可控硅電壓與電流過載能力小，在過壓、過流、電壓和電流上升率太大的情況下容易損壞，且受溫度影響，特性易

11、變化，觸發(fā)部分用的半導(dǎo)體元件其特性受溫度影響也易發(fā)生變化，受外界干擾，易產(chǎn)生誤動作。另外，scr-d系統(tǒng)的調(diào)速范圍，除了受電動機(jī)電樞壓降影響外，還受可控整流線路參數(shù)的影響，在低速時可控硅控制角增大，管壓降增大，致使靜差度增大，調(diào)速范圍低。龍門刨床的主拖動系統(tǒng)在加工過程中起主要作用，而現(xiàn)有的龍門刨床主拖動系統(tǒng)都存在著投資大、消耗量大、調(diào)節(jié)精度不高、換向沖擊大等一系列缺點(diǎn)，因此對龍門刨床電控系統(tǒng)進(jìn)行改造勢在必行。近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展，控制領(lǐng)域的數(shù)字化進(jìn)程加快，全數(shù)字直流調(diào)速技術(shù)不斷完善，部分龍門刨床己改造成各種各樣的數(shù)控機(jī)床，工作效率大大提高，老式龍門刨床的電控系統(tǒng)將逐步被淘汰，最終將

12、被全數(shù)字控制系統(tǒng)完全取代。1.4 本課題主要討論問題利用plc對龍門刨床的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先討論plc基本構(gòu)成和工作原理。接著討論直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成、數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能。并對可控硅整流電路進(jìn)行討論。最后討論利用plc的pid功能指令來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的閉環(huán)控制。第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1幾種可行性方案的比較2.1.1 理想的速度運(yùn)行曲線龍門刨床橫梁、刀架等部件的控制可以用可編程控制器來完成，而要提高龍門刨床的工作效率，解決工作臺的換向沖擊等問題，必須平滑精確地調(diào)節(jié)工作臺運(yùn)行速度及過渡過程的加、減速，使其實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行。其理想的速度運(yùn)行圖37如圖2.1所示：圖2.1 工作

13、臺理想速度運(yùn)行圖圖中：lq工作行程；lh返回行程；vq切削速度；vh返回速度；0-t1工作臺前進(jìn)加速至穩(wěn)定工作速度階段；t1-t2穩(wěn)定工作速度階段；t2-t3減速至零前進(jìn)換向；t3-t4后退加速階段；t4-t5后退穩(wěn)定速度階段；t5-t6減速至零后退換向。由圖2.1可見，工作臺換向時加、減速平滑且時間短，能很好地消除因換向時速度突變產(chǎn)生的機(jī)械沖擊，大大提高工作效率。2.1.2實(shí)現(xiàn)理想速度運(yùn)行的方法1.速度反饋：安裝直流測速發(fā)電機(jī)。直流測速發(fā)電機(jī)能夠產(chǎn)生和電動機(jī)轉(zhuǎn)軸角速度成比例的電信號，為速度控制系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)軸速度負(fù)反饋，具有在寬廣的范圍內(nèi)提供速度信號等優(yōu)點(diǎn)。2.電流反饋：限流保護(hù)是為了解決反饋閉

14、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題而采用的一種限流措施。當(dāng)直流電動機(jī)全壓啟動時，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖擊電流；運(yùn)行過程中，如電動機(jī)遇到堵轉(zhuǎn)的情況，電流也不會大大超過允許值。過大的電流不僅對電機(jī)換向不利，對過載能力底的晶閘管來說，更是不能允許的。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一物理量基本上不變，就應(yīng)該引入那個物理量的負(fù)反饋。因此，引入電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。但是，這種作用只應(yīng)在啟動和堵轉(zhuǎn)時存在，在正常運(yùn)行時又得取消，使靜特性保持較好的硬度，讓電流自由地隨著負(fù)載增減。這樣一來，一旦電流超過某一規(guī)定值時，電流負(fù)反饋即投入運(yùn)行，使靜特性急劇地“軟化”。隨著電流的

15、增加，電動機(jī)轉(zhuǎn)速不斷下降，當(dāng)電流增加到某一數(shù)值（即堵轉(zhuǎn)電流）時，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。這種當(dāng)電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，簡稱截流反饋。2.2總體方案設(shè)計(jì)針對原系統(tǒng)的缺陷和改造要求實(shí)現(xiàn)的功能，對于本論文而言，根據(jù)具體情況，系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。這是由于以下的原因：對于龍門刨床這樣電機(jī)經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，希望充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流馬上降低下來。使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡

16、，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時，起動電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速足線性增長的，這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。如圖2.2所示。圖2.2 理想起動過程波形實(shí)際上，由于電路電感的作用，電流不能突跳，理想波形只能得到近似的逼近，不能完全實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反彼就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該能得到近似的恒流過程。問題是希望在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端；到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再依靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的

17、作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔?，又使它們只能分別在不同的階段起作用呢？雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)正是用來解決這個問題的。第三章 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)3.1轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級聯(lián)接。本課題的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖3.1所示。圖3.1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖圖中：asr為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，acr為電流調(diào)節(jié)器，un*和-un為轉(zhuǎn)速給定（數(shù)字量）和轉(zhuǎn)速反饋（數(shù)字量），ui*和-ui為電流給定（數(shù)字量）和電流反饋（數(shù)字量），tg為測速發(fā)電機(jī)。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)

18、器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制兩組igbt管的觸發(fā)。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣就行成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。3.1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均為具有限幅輸出的pi調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸出達(dá)到飽和值時，輸出量的變化不再影響輸出，除非產(chǎn)生反向的輸入才能使調(diào)節(jié)器退出飽和。當(dāng)輸出未達(dá)到飽和時，穩(wěn)態(tài)的輸入偏差電壓總是為零。正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成總是不會飽和的，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有時運(yùn)行在飽和輸出狀態(tài)，有時運(yùn)行在不飽和狀態(tài)。如圖3.2所示。 ks a 1/ceu*nucidenud0un+-asr+u*i- r b acr-

19、uiupe圖3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的核心，通常都采用pi調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)。本課題用plc來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的主要作用是使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓un*變化，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無靜差，對負(fù)載變化起抗擾作用，其輸出限幅值決定允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用，保證起動時獲得允許的最大電流，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓ui*變化，當(dāng)電機(jī)過載甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)作用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。實(shí)際上，對于雙閉環(huán)系統(tǒng)。不論起動或穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時、電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。只

20、有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器存在飽和與不飽和兩種情況。閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性可分為二段：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：系統(tǒng)處于正常負(fù)載運(yùn)行時，兩個調(diào)節(jié)器都不會飽和，依靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用達(dá)到轉(zhuǎn)速的無靜差，保證系統(tǒng)具有很硬的特性。在此段內(nèi)，電流調(diào)節(jié)器起輔助作用，負(fù)載電流大小與電流給定值成正比。系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，兩個調(diào)節(jié)器輸入偏差電壓都為零。（2）調(diào)節(jié)器飽和：當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩加大，達(dá)到設(shè)定的最大電流以后，轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)速偏差增大，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到飽和值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個恒電流無靜差的單環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在最大電流的給定電壓值下，依靠電流環(huán)的自動調(diào)節(jié)，從而獲得很好的下垂特性，起到了過

21、流保護(hù)作用。最大電流是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電動機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。由于突加給定的動態(tài)過程是衡量系統(tǒng)性能的重要因素，對于所要設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)系統(tǒng)，在突加給定的啟動過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓、電動機(jī)電樞電流和轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)過程分為三個階段：第一階段為電流上升階段。突加給定電壓后，由于電動機(jī)的機(jī)電慣性較大，轉(zhuǎn)速增長較慢，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入偏差的數(shù)值較大，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出迅速達(dá)到飽和值，該飽和值作為電流調(diào)節(jié)器的輸入給定，使電流調(diào)節(jié)器的輸出、電樞電流迅速上升，當(dāng)電樞電流負(fù)載電流后，電動機(jī)開始起動。因?yàn)殡娏鞣答佇盘栯S著電樞電流的上升迅速增大，使電流調(diào)節(jié)器的輸出偏差急

22、劇減少，電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓還達(dá)不到飽和值。當(dāng)電流上升到接近設(shè)計(jì)時所選定的最大值時，電流反饋電壓與最大電流給定電壓幾乎相等，并保持動態(tài)平衡，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋就是按此要求確定的。第二階段為電流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，屬于恒流升速階段。這是起動過程中的主要階段。在這個階段中，由于轉(zhuǎn)速低于給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)只有電流環(huán)工作，表現(xiàn)為電流恒值的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。此時由于基本上保持電流恒定，因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。隨著轉(zhuǎn)速的上升，直流電動機(jī)的反電動勢e也按線性增長。對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個反電動勢是一個線性漸增的擾動量，使電樞電流略低

23、于最大電樞電流值，反饋電壓也略有下降，出現(xiàn)偏差，電流調(diào)節(jié)器及時進(jìn)行恒流調(diào)節(jié)。也就是說，為了克服這個擾動，電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓也必須基本上按線性增長，才能保持電樞電流的恒定，獲得“時間最佳”起動。在整個起動過程中，電流調(diào)節(jié)器的輸出是不應(yīng)該飽和的，這就決定了其時間常數(shù)的選擇，不應(yīng)當(dāng)讓電流調(diào)節(jié)器的時間常數(shù)比調(diào)節(jié)對象的時間常數(shù)t1小得太多，同時整流裝置的最大電壓也須留有余地，即可控硅裝置也不應(yīng)飽和，這些都是在設(shè)計(jì)中必須注意的。第三階段為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個階段中者發(fā)揮作用。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓為零，但其輸出由于積分保持作用還維持在限幅

24、值上，所以直流電動機(jī)仍在最大電流下繼續(xù)加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，由于在速度調(diào)節(jié)器的入口出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使速度調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓也就是電流調(diào)節(jié)器的電流給定立即從限幅值降下來，主回路電流也隨之從最大電流下降。但是，由于電樞電流仍大于負(fù)載電流，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升，到電樞電流小于負(fù)載電流時，電機(jī)者開始在負(fù)載的阻力下減速，直到穩(wěn)定(如果系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不好，可能需要振動幾次才能穩(wěn)定)。在這個階段中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器同時發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，自處于主導(dǎo)地位，而電流調(diào)節(jié)器則是力圖使電樞電流盡快地跟隨速度調(diào)節(jié)器輸出電壓信號，電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成的內(nèi)環(huán)是一個電流隨動系統(tǒng)。

25、綜上所述可看出，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在突加階躍給定的起動過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路，系統(tǒng)巧妙地利用了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性，使系統(tǒng)成為一個恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這就是電流受限制條件下的最短時間控制，或稱“時間最優(yōu)控制”。轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)有一定的超調(diào)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和，才真正發(fā)揮線性調(diào)節(jié)器的作用，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，又表現(xiàn)為一個轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)速系統(tǒng)。在不同的情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在飽和期間，它也不是沒有作用，而是起著飽和非線性控制作用，只有這樣，才能保證內(nèi)環(huán)的恒值電流調(diào)節(jié)。通過這種非線性控制，使系統(tǒng)在最大電流受限制

26、的約束條件下，實(shí)現(xiàn)了“最短時間控制”或“時間最優(yōu)控制”的基本思想，因而充分發(fā)揮電動機(jī)的過載能力，使起動過程盡可能短。當(dāng)然，這里只是實(shí)現(xiàn)了時間最優(yōu)控制的基本思想，因?yàn)樵谄饎舆^程的第一和第三階段并不是按時間最優(yōu)進(jìn)行控制的，但是這兩個階段在整個起動時間中并不占主要地位。轉(zhuǎn)速和電流兩個閉環(huán)的作用可歸納如下：1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用1）在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，使轉(zhuǎn)速跟隨給定電壓變化，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差。2）對負(fù)載變化起抗擾作用。3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一旦飽和，起著飽和非線性的控制作用，使電流環(huán)進(jìn)行恒流調(diào)節(jié)。4）其輸出限幅值決定允許的最大電流。2.電流調(diào)節(jié)器的作用1）對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用。2）起動時，可限制起動電流，保證

27、在允許最大電流下起動，實(shí)現(xiàn)最佳起動過程。3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中(當(dāng)負(fù)載變化時)，使電流跟隨給定電壓變化。4）當(dāng)電動機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)作用，如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。3.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下圖3.3表示雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)框圖，圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。在分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，著重分析電機(jī)的起動過程及抗擾動性能。在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，抗擾動性能包括抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。在起動過程中有三個特點(diǎn)：隨著asr的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于

28、完全不同的兩種狀態(tài)。當(dāng)asr飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)asr不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。這就是飽和非線性控制的特征。準(zhǔn)時間最優(yōu)控制即恒流升速階段，電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電機(jī)的過載能力，是起動過程盡可能的最快。轉(zhuǎn)速超調(diào)：由于采用了飽和非線性控制，起動過程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照pi調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，asr的輸入偏差電壓為負(fù)值，才能使asr退出飽和。即采用pi調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。-idlud0un+-+-uia

29、cr1/rtl s+1rtmsu*iucks tss+1id1ce+eb t0is+11 t0is+1asr1 t0ns+1a t0ns+1u*nn圖3.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖其中為電流反饋濾波時間常數(shù)，為轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)。在實(shí)際動態(tài)系統(tǒng)中，常增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個

30、同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計(jì)上的方便。由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。3.2觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在必要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路往往包括觸發(fā)時刻進(jìn)行控制相位控制電路、觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)。觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)中，晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：（1） 觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，三相全控橋式電路應(yīng)采用

31、寬于60或采用相隔60的雙窄脈沖。（2） 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流35倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)12aus。（3） 所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極的伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。（4） 應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。在本設(shè)計(jì)中最主要的是第1、2條。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖3.4。圖3.4 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形其中為脈沖前沿上升時間（），為強(qiáng)脈沖寬度，為強(qiáng)脈沖幅值（），為脈沖寬度，為脈沖平頂幅值（）。觸發(fā)電路采用集成移相觸發(fā)芯片tc787，與tca785及kj（或k

32、c）系列移相觸發(fā)集成電路相比，具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)。只需要一塊這樣的集成電路，就可以完成三塊tca785與一塊kj041、一塊kj042器件組合才能具有的三相移相功能。圖3.5 tc787原理框圖由圖可見：在它的內(nèi)部集成了三個過零和極性檢測單元、三個鋸齒波形成單元、三個比較器、一個脈沖發(fā)生器、一個抗干擾鎖定電路、一個脈沖形成電路、一個脈沖分配及驅(qū)動電路。引腳18、l、2分別為三相同步電壓va、vb、vc輸人端。引腳16、15和14分別為產(chǎn)生相對于a、b和c三相同步電壓的鋸齒波充電電容連接端。電容值大小決定了移相鋸齒波的斜率和幅值。引腳13為

33、觸發(fā)脈沖寬度調(diào)節(jié)電容cx，該電容的容量決定著tc787輸出脈沖的寬度，電容的容量越大，輸出脈沖寬度越寬。引腳5為輸出脈沖禁止端，該端用來在故障狀態(tài)下封鎖tc787的輸出，高電平有效。引腳4為移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的高低，直接決定著tc787輸出脈沖的移相范圍。引腳12、10、8、9、7和11是脈沖輸出端。其中引腳12、10和8分別控制上半橋臂的a、b、c相晶閘管；引腳9、7和11分別控制下半橋臂的a、b和c相晶閘管。正組晶閘管觸發(fā)電路原理圖如圖4.3所示，反組的與正組相同。就可以構(gòu)成三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖3.6。圖3.6 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路3.3系統(tǒng)參數(shù)的

34、計(jì)算3.3.1 電流環(huán)節(jié)（acr）的設(shè)計(jì)1、確定時間常數(shù)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)。三相橋式電路的平均失控時間；（2）電流濾波時間常數(shù)。三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有，因此??；（3）電流環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取。2、確定將電流環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量，保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型i型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。3、電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇電流調(diào)節(jié)器選用pi型，其傳遞函數(shù)為： (式3.1)4、選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)acr超前時間常數(shù)：；電流環(huán)開環(huán)增益：因?yàn)橐?，故?yīng)取，因此 (式3.2)于是，acr的比例系數(shù)為： 。5、計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)按所

35、用運(yùn)算放大器，取，各電阻和電容值計(jì)算如下： ，??； (式3.3)，??； (式3.4) ，取。 (式3.5) 3.3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)（asr）的設(shè)計(jì)1、確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)為；（2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，?。唬?）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取。2、確定將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；根據(jù)動態(tài)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。3、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用pi型，其傳遞函數(shù)為： 。 (式3.6)4、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗繞性能都較好的原則取h=5，則asr超前時間常數(shù)：；轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：

36、；于是asr的比例系數(shù)為：。5、計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù) 按所用運(yùn)算放大器，取，各電阻和電容值計(jì)算如下： ，??； (式3.7)，??； (式3.8)，取。 (式3.9)3.4可控硅主回路的設(shè)計(jì)3.4.1反并聯(lián)可逆電路龍門刨床要求電動機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速地起動和制動，這就需要電力拖動系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行的特性，也就是說，需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。改變電樞電壓的極性，或者改變勵磁磁通的方向，都能夠改變直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。然而當(dāng)電機(jī)采用電力電子裝置供電時，由于電力電子器件的單向?qū)щ娦?，需要專用的可逆電力電子裝置和自動控制系統(tǒng)。圖3.5 三相橋式電路的反并聯(lián)可逆電路a)主電路 b)簡圖三相橋

37、式電路的反并聯(lián)可逆電路中存在環(huán)流問題。采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆v-m系統(tǒng)，如果兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流。環(huán)流有危害。環(huán)流加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗功率，環(huán)流太大時會導(dǎo)致晶閘管損壞。對于本次以直流電動機(jī)為核心的龍門刨床驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用plc控制的電流、速度雙閉環(huán)邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。3.4.2邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)當(dāng)一組晶閘管工作時，用邏輯電路（硬件）或邏輯算法（軟件）去封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，以確保兩組晶閘管不同時工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路。 asrdlc-1tavrvfgt

38、r2acrmtggtf1acr+u*nun-uiu*iucfublfublrucru*i+uiu*iui0ldar-圖3.6 邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖兩組橋在任何時刻只有一組投入工作（另一組關(guān)斷），所以在兩組橋之間就不會存在環(huán)流。但當(dāng)兩組橋之間需要切換時，不能簡單的把原來工作著的一組橋的觸發(fā)脈沖立即封鎖，而同時把原來封鎖著的一組橋立即開通，因?yàn)橐呀?jīng)導(dǎo)通的晶閘管并不能在觸發(fā)脈沖取消的一瞬間立即被關(guān)斷，必須待晶閘管承受反壓時才能關(guān)斷。如果對兩組橋的觸發(fā)脈沖的封鎖和開放同時進(jìn)行，原先導(dǎo)通的那組橋不能立即關(guān)斷，而原先封鎖著的那組橋已經(jīng)開通，出現(xiàn)兩組橋同時導(dǎo)通的情況，因沒有環(huán)流電抗器，將會產(chǎn)生

39、很大的短路電流，把晶閘管燒毀。為此首先應(yīng)是已導(dǎo)通的的晶閘管斷流，要妥當(dāng)處理主回路中的電感儲存的一部分能量回饋給電網(wǎng)，其余部分消耗在電機(jī)上，直到儲存的能量釋放完，主回路電流變?yōu)榱?，使原晶閘管恢復(fù)阻斷能力，隨后再開通原來封鎖著的那組橋的晶閘管，使其觸發(fā)導(dǎo)通。主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路，由于沒有環(huán)流，不用再設(shè)置環(huán)流電抗器，但是為了保證運(yùn)行時電流波形的連續(xù)性，應(yīng)保留平波電抗器?？刂凭€路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電流環(huán)分設(shè)兩個電流調(diào)節(jié)器acr1和acr2，acr1用來控制正組觸發(fā)裝置，acr2 控制反組觸發(fā)裝置，acr1的給定信號ui*經(jīng)反向器ar同時作為acr2的給定信號ui*，這樣

40、就可以使電流反饋信號ui*的極性在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時都不用改變，從而可采用不反應(yīng)電流極性的電流檢測器，即交流互感器和整流器。由于在主電路中不設(shè)均衡電抗器，一旦出現(xiàn)環(huán)流將造成嚴(yán)重的短路事故，所以對工作時的可靠性要求特別高，為此在系統(tǒng)中加入了無環(huán)流控制器dlc，以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，所以dlc是系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。特點(diǎn)：1.主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路；2.由于沒有環(huán)流,不用設(shè)置環(huán)流電抗器；3.仍保留平波電抗器 ld ，以保證穩(wěn)定運(yùn)行時電流波形連續(xù)；4.控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)方案；5.電流環(huán)分設(shè)兩個電流調(diào)節(jié)器，1acr用來控制正組觸發(fā)裝置gtf，2acr控制反組觸發(fā)裝置gtr；6.1acr的給

41、定信號經(jīng)反號器ar作為2acr的給定信號，因此電流反饋信號的極性不需要變化，可以采用不反映極性的電流檢測方法。7.為了保證不出現(xiàn)環(huán)流，設(shè)置了無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)dlc，這是系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)，指揮系統(tǒng)進(jìn)行正、反組的自動切換，其輸出信號 ublf 用來控制正組觸發(fā)脈沖的封鎖或開放，ublr 用來控制反組觸發(fā)脈沖的封鎖或開放。優(yōu)點(diǎn)：1.省去環(huán)流電抗器，沒有附加的環(huán)流損耗；2.節(jié)省變壓器和晶閘管裝置等設(shè)備的容量；3.降低因換流失敗而造成的事故。缺點(diǎn)：由于延時造成了電流換向死區(qū)，影響過渡過程的快速性。3.5電路保護(hù)3.5.1過電壓保護(hù)在變壓器副邊并聯(lián)電容，短時的過電壓使電容中流過較大

42、的充電電流，把拉閘時磁場釋放出的能量轉(zhuǎn)化為電容的電場能量存儲起來，可以大大抑制過電壓。但是只并聯(lián)電容，優(yōu)惠和變壓器一起構(gòu)成震蕩回路，因此需要在電容回路中串接電阻以起抑制震蕩的作用，這就構(gòu)成了“阻容吸收裝置”。圖3.7 二次側(cè)過電壓壓敏電阻保護(hù)已知選用sg-f型三相變壓器，容量為50kva，副邊y接，相電壓u2=200v，有手冊上查得ud1%=5，i0%=8，阻容裝置采用接法以減小電容量。變壓器每相伏安數(shù)3.5.2過電流保護(hù)1）用自動開關(guān)作為過電流的后備保護(hù)，當(dāng)電路失去控制作用時，在交流電源入口處接上自動開關(guān)切斷電源，排除故障后在合上自動開關(guān)即可。此處選用dz20200型塑料外殼式斷路器，其額定

43、絕緣電壓為500v，交流50hz或60hz，額定工作380v及以下，或直流額定工作電壓為220v及以下，其額定電流至200a。殼架等級為200a，每組輔助觸頭由一動斷觸頭、一動合觸頭組成。用快速熔斷器作為晶閘管元件的最后一級保護(hù)，它直接與晶閘管串聯(lián)在一起。它在晶閘管元件過電流損壞之前被熔斷，使好的元件與電路隔離。它主要用于斷開由于晶閘管擊穿而造成的交流電源短路。根據(jù)選用晶閘管期間，選擇rs3型快速熔斷器，in=50a，un=250v。3.4.3整流器件的選擇正確選擇晶閘管能夠使晶閘管裝置在保證可靠運(yùn)行的前提下降低成本。選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓和額定電流。首先確定晶閘管額定電壓，晶閘

44、管額定電壓必須大于元件在電路中實(shí)際承受的最大電壓，考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，則計(jì)算公式： 對于本設(shè)計(jì)采用的是三相橋式整流電路，晶閘管按1至6的順序?qū)?，在阻感?fù)載中晶閘管承受的最大電壓， 故計(jì)算的晶閘管額定電壓為 （式3.1） 取。再確定晶閘管額定電流，額定電流有效值大于流過元件實(shí)際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。 （式3.2） （式3.3） 由此可求出晶閘管的額定電流，其公式為： （式3.4）可以取額定電流為50a。本設(shè)計(jì)選用晶閘管的型號為kp（3ct）-50a。額定電壓為vdrm800v，額定電流為it(av)120a，門極

45、觸發(fā)電壓為vgt3.5v，門極觸發(fā)電流為igt300ma。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1plc中的pid功能4.1.1 pid控制的結(jié)構(gòu)在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。pid控制器問世至今已有近60年的歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術(shù)工具。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，系統(tǒng)的控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)的參

46、數(shù)的時候，便最適合用pid控制技術(shù)。 pid控制包含比例、積分、微分三部分，實(shí)際中也有pi和pd控制器。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量，圖4.1中給出了一個pid控制的結(jié)構(gòu)圖：圖4.1 pid控制的結(jié)構(gòu)圖控制器輸出和控制器輸入（誤差）之間的關(guān)系在時域中可用公式(2.4)表示如下： (式4.1)公式中，e(t)表示誤差，也是控制器的輸入，u(t)是控制器的輸出， kp、tp與ti分別為比例系數(shù)、 積分時間常數(shù)及微分時間常數(shù)。式(2.4)又可表示為： (式4.2)公式中，u(s)和e(s)分別為u(t)和e(t)的拉氏變換，kp、分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。

47、 1、比例（p）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 2、積分（i）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。 對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取關(guān)于時間的積分，隨著時間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 因此，比例+積分(pi)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 3、

48、微分（d）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）和（或）有滯后的組件，使力圖克服誤差的作用其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使克服誤差的作用的變化要有些“超前”，即在誤差接近零時，克服誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使克服誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量嚴(yán)重地沖過頭

49、。所以對有較大慣性和（或）滯后的被控對象，比例+微分(pd)的控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。4.1.2 pid參數(shù)的整定在pid參數(shù)進(jìn)行整定時如果能夠有理論的方法確定pid參數(shù)當(dāng)然是最理想的方法，但是在實(shí)際的應(yīng)用中，更多的是通過湊試法來確定pid的參數(shù)。增大比例系數(shù)p一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大積分時間i有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時間變長。增大微分時間d有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。在湊試時，可參考

50、以上參數(shù)對系統(tǒng)控制過程的影響趨勢，對參數(shù)調(diào)整實(shí)行先比例、后積分，再微分的整定步驟。首先整定比例部分。將比例參數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi)，并且對響應(yīng)曲線已經(jīng)滿意，則只需要比例調(diào)節(jié)器即可。如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時先將積分時間設(shè)定到一個比較大的值，然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略為縮小(一般縮小為原值的0.8)，然后減小積分時間，使得系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時間，以期得到滿意的控制過程和整

51、定參數(shù)。如果在上述調(diào)整過程中對系統(tǒng)的動態(tài)過程反復(fù)調(diào)整還不能得到滿意的結(jié)果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。首先把微分時間d設(shè)置為0，在上述基礎(chǔ)上逐漸增加微分時間，同時相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時間，逐步湊試，直至得到滿意的調(diào)節(jié)效果。4.1.3 fx2n的pid指令pid指令的編號為fnc88，如圖4.2所示源操作數(shù)s1、s2、s3和目標(biāo)操作數(shù)d均是數(shù)據(jù)寄存器d，16位指令，占9個程序步。s1和s2非別用來存放給定值和當(dāng)前測量值。s3到s3+6用來存放控制參數(shù)的值，運(yùn)算結(jié)果存放在d中。圖4.3為pid控制算法的流程圖。圖4.2 pid指令初始化從a/d取數(shù)據(jù)求計(jì)算控制增量將控制量輸出給d/a為下一時刻做準(zhǔn)備采

52、樣時間到？d/a被控對象a/dyuny圖4.3 pid控制算法流程圖4.2速度初始化子程序速度給定信號是調(diào)速系統(tǒng)的主令控制信號，模擬系統(tǒng)中常用電位器調(diào)節(jié)給出；在plc構(gòu)成的ddc系統(tǒng)中，例如要實(shí)現(xiàn)圖4.4所示的軟起動數(shù)字給定，可利用圖4.5的梯形圖。當(dāng)m8000接通后，d3中的數(shù)據(jù)即從d1逐漸地變到最終值d2，所需時間為“n”個掃描周期。掃描周期存于d4（d2）（d3）t/s（d1）u/v圖4.4 軟啟動數(shù)字給定m8000m8026setk100d3d2d1rampenc67(p)run監(jiān)控x啟動m8026x停車rst圖4.5 軟啟動數(shù)字給定梯形圖當(dāng)輸出d3結(jié)束(達(dá)到d2值)時，由于m8026為on狀態(tài)，則傾斜輸出的最終值可保持住。由此，d3可獲得圖4.4所示的給定變化規(guī)律，合理設(shè)計(jì)梯形圖還可獲得軟停止及其他變化規(guī)律的數(shù)字給定。4.3電流檢測子程序雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中電流檢測的常用方法是用電流互感器ta將整流變壓器二次側(cè)的交流電流變換成05v的交流電壓，經(jīng)二極管整流及阻容濾波變成直流電壓，模擬系統(tǒng)直接將該電壓作為電流反饋電壓；單片機(jī)構(gòu)成的ddc系統(tǒng)將該電壓經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)系統(tǒng)，plc系統(tǒng)當(dāng)然也可用模擬量i/o模塊進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。由于只有一路模擬量需要轉(zhuǎn)換，為降低成本，此處采用vfc電壓頻率轉(zhuǎn)換器將電流反饋電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的脈沖信號，通過測量單位時