運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、目錄 第一章.3 1.1課程設(shè)計(jì)的背景、目的和要求.31.2 四輥可逆軋機(jī)的控制過程.4第二章直流調(diào)速方案論述與選擇.52.1 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法52.2 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)52.3 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)62.4 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)62.4.1 系統(tǒng)靜特性.6第三章 調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).73.1 主電路的設(shè)計(jì).73.1.1整流變壓器的選擇7. 3.1.2整流電路晶閘管的選擇.7. 3.1.3電流互感器的選擇.83.1.4平波電抗器的選擇.9第四章 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).104.1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立.104.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì).114.3速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì).134.4 張力調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì).16第五章 邏輯無

2、環(huán)流系統(tǒng)的調(diào)試.175.1系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試概述.175.2觸發(fā)器的整定：.175.3系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行及特性測(cè)試.275.4系統(tǒng)仿真.19第六章 結(jié)束語.206.1 課程設(shè)計(jì)結(jié)論.206.2 課程設(shè)計(jì)收獲.20參考文獻(xiàn).21 第一章緒論1.1 課程設(shè)計(jì)的背景、目的和要求(1)設(shè)計(jì)的背景可逆冷軋機(jī)是供冷軋紫銅及其合金成卷帶材之用，為提高生產(chǎn)效率，冷軋機(jī)要往，返軋制金屬材料，直到達(dá)到要求的厚度時(shí)才停止。在軋制過程中，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和工藝過程的穩(wěn)定，冷軋機(jī)的榨汁速度需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，冷軋機(jī)的軋制速度一般指軋件出口處的速度，軋制速度作為軋機(jī)的一項(xiàng)重要工藝指標(biāo)，與軋機(jī)本身結(jié)構(gòu)和操作過程有很大關(guān)系。為了控制軋機(jī)

3、的軋制速度，要求軋機(jī)左右兩邊的兩臺(tái)卷取機(jī)在從左往右的正向軋制過程中，左邊一臺(tái)卷取機(jī)作開卷作用，其工作在發(fā)電狀態(tài)；右邊一臺(tái)卷取機(jī)做卷機(jī)用，工作在電動(dòng)狀態(tài)。若逆向軋制，則兩臺(tái)卷取機(jī)工作狀態(tài)與正向相反。四輥冷軋機(jī)的原理見圖如下： 圖1-1 冷軋機(jī)原理圖卷取機(jī)的機(jī)械參數(shù)如下：帶卷內(nèi)徑（卷筒直徑）：500帶卷外徑：6801100帶卷最大重量：2000帶卷最大張力：2000卷取機(jī)傳動(dòng)比：(2)設(shè)計(jì)目的運(yùn)動(dòng)控制是自動(dòng)化專業(yè)的主干專業(yè)課程，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性，實(shí)踐性和工程背景，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)知識(shí)和理論分析解決實(shí)際問題的能力，使學(xué)生掌握正確的設(shè)計(jì)思路，掌握工程設(shè)計(jì)的一般

4、程序，規(guī)范和方法，提高學(xué)生調(diào)查研究，查閱文獻(xiàn)及正確使用技術(shù)資料，標(biāo)準(zhǔn)，手冊(cè)等工具的能力，理解分析，制定設(shè)計(jì)方案的能力，設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖能力，實(shí)驗(yàn)研究及系統(tǒng)調(diào)試能力，編寫設(shè)計(jì)說明書的能力。(3)設(shè)計(jì)要求a）穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量，空載啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量能實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。b）直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)：，電樞回路總電阻r=0.18，電流過載倍數(shù)，。1.2 四輥可逆軋機(jī)的控制過程可逆冷軋機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成：主驅(qū)動(dòng)電路、放卷電機(jī)、收卷電機(jī)。軋機(jī)的工作過程為：主驅(qū)動(dòng)電機(jī)牽引鋼帶從輥縫中穿過，通過下壓電機(jī)或液壓系統(tǒng)對(duì)輥系產(chǎn)生壓力，從而使鋼帶產(chǎn)生形變，使出口的鋼帶變薄，左右收放卷電機(jī)產(chǎn)生足夠的延伸應(yīng)力（張力

5、）以繃緊鋼帶。系統(tǒng)啟動(dòng)后，收放卷電機(jī)以設(shè)定的張力在主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，為了不使鋼帶“松弛”或“拉斷”，必須確保系統(tǒng)中每一點(diǎn)鋼帶的線速度（秒流量）都相等，即張立恒定。鋼帶每次放完收滿以后，通過外部開關(guān)實(shí)現(xiàn)收、放卷切換。即放卷切換成收卷，收卷切換成放卷，如此循環(huán)直至鋼帶軋制成目標(biāo)厚度。 第二章直流調(diào)速方案論述與選擇2.1 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程： （2-1） (1)、調(diào)節(jié)電樞供電電壓;(2)、減弱勵(lì)磁磁通; (3)、改變電樞回路電阻2.2 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)原理圖如圖2-1所示。圖2-1 開環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)如圖2-1 所示是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

6、2.3 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)圖 2-2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式： (2-2)2.4 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖2-3所示。圖2-3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) asr轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 acr電流調(diào)節(jié)器 tg測(cè)速發(fā)電機(jī)ta電流互感器 upe電力電子變換器2.4.1 系統(tǒng)靜特性雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-4圖2-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)第三章 調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 主電路的設(shè)計(jì) 其實(shí)現(xiàn)方法如下圖3-1所示： 圖3-1 主電路圖3.1.1整流變壓器的選擇 1閥側(cè)相電壓 不可逆系統(tǒng)：=（0.951.0）/

7、 可逆系統(tǒng)：=（1.051.1）/ 式子中，為電動(dòng)機(jī)額定電壓則=1.1/=146.07v 取=150v2閥側(cè)相電流 變流變壓器閥側(cè)相電流可按下式計(jì)算： = 其中=0.816（三相橋式） 則=134.64a 變壓器容量： 取3.1.2整流電路晶閘管的選擇 1額定電壓的確定 由于采用三相橋式整流電路，所以晶閘管承受的最大反向電壓： =357.79 其晶閘管與陰極之間的最大正向電壓： =206.57 則考慮安全裕量，電壓定額為：（23）=715.591073.39，取1200 2額定電流的確定晶閘管的額定電流為： 考慮安全裕量，電流定額為：=（23）95.263=190.526285.789（因?yàn)殡?/p>

8、流過載倍數(shù)=2.5）,取3003.1.3電流互感器的選擇 由于交流變壓器副方電流為134.6，所以選lmz-0.5-1型電流互感器，額定電流為300。3.1.4平波電抗器的選擇 平波電抗器的電感量一般按低速輕載時(shí)保證電流連續(xù)的條件來選擇。通常，首先選定最小電流，再利用它計(jì)算所須的總電感量，減去電樞電感，即得平波電抗器的電感值。所以大約取。第四章 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)通過第二章的分析可知，直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)選擇為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，有電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)組成，其中電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，結(jié)構(gòu)框圖如下：圖 4-1 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 ks a 1/ceu*nucidenud0un+-asr+u*i- r b

9、 acr-uiupe圖 4-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器acr的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。 而一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性。asr輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。4.1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立1、 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-4所示。 圖4-4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如下： 變流裝置采用三相橋式整流電路，晶閘管觸發(fā)整流裝置放大倍數(shù)，平均延遲時(shí)間。平波電抗器電感。電樞回路總電阻。2、 系統(tǒng)固有部分的主要參數(shù)計(jì)算（1）電動(dòng)機(jī)

10、的電磁時(shí)間常數(shù) （2）電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常量 （3）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常量 （4）轉(zhuǎn)速慣量 （5）電動(dòng)機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù) 4.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成，將非單位負(fù)反饋?zhàn)儞Q成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。如圖4-5b所示。由于和較小得多，所以可把前兩者構(gòu)成的小慣性環(huán)節(jié)合并，。如圖4-5c所示。簡(jiǎn)化的近似條件為 (a)acr（b）+-acr（c）+-圖4-5 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡(jiǎn)2、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)對(duì)電流環(huán)，可以校正成典i系統(tǒng)，也可以校正成典ii系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求而定，一般對(duì)抗擾性能要求不是特別嚴(yán)格時(shí)均采用典i系統(tǒng)設(shè)計(jì)即可。顯

11、然，欲校正成典i系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)器應(yīng)選用pi調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為（2）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)，取 電流開環(huán)增益：要求電流超調(diào)量，取，因此 于是，acr的比例系數(shù)為：1.419（3）校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率：1、電力電子變換器純滯后的近似處理 2、忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)影響 3、電流環(huán)小慣性的近似處理 三個(gè)條件都符合要求，故說明設(shè)計(jì)的參數(shù)合理。（4）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻電容調(diào)節(jié)器的輸入電阻，則 取 取 取圖 4-6 電流調(diào)節(jié)器4.3速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 1、速度環(huán)框圖的建立及化簡(jiǎn)電流環(huán)等效閉環(huán)傳遞函數(shù)的求取 ，近似的條件為： 速度環(huán)框圖如圖4-7a所示，和電流環(huán)一樣，把轉(zhuǎn)速給定

12、濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，將非單位負(fù)反饋?zhàn)儞Q成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，給定信號(hào)改為。同理，由于和較小，所以可把前兩者構(gòu)成的小慣性環(huán)節(jié)合并，。如圖4-7b所示。asr（a）-+-+（b）-+-+asr圖4-7 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡(jiǎn)）2、速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1）選擇速度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)顯然，欲校正成典ii系統(tǒng)，速度調(diào)節(jié)器應(yīng)選用pi調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為（2）計(jì)算速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)按三階最佳系統(tǒng)設(shè)計(jì)，取5，可求得轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： 于是可得asr的比例系數(shù)： （3）檢驗(yàn)近似條件 兩個(gè)近似條件都符合要求。由電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中表27查表計(jì)算得： 轉(zhuǎn)速超調(diào)量也符合要求，故說明設(shè)計(jì)的參數(shù)合理。（4）計(jì)算調(diào)

13、節(jié)器電阻電容設(shè)取調(diào)節(jié)器的輸入電阻，則 取 取 取4.4.1間接法張力控制 在帶材軋制過程中,過大的卷取張力會(huì)影響產(chǎn)品的內(nèi)部金相組織過小的卷取張力會(huì)出現(xiàn)帶鋼跑偏等現(xiàn)象張力的不穩(wěn)定會(huì)使帶鋼出現(xiàn)紋波。因此一般薄帶的軋制都需要恒張力軋制。下圖繪制了其原理：主機(jī)速度給定asracr主電路電動(dòng)機(jī)加法器電流檢測(cè)張力給定(-ut)加法器速度檢測(cè)卷徑變化電位計(jì)加法器勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器勵(lì)磁電路勵(lì)磁電流檢測(cè)圖4-9 間接法張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)卷取機(jī)采用直流電動(dòng)機(jī)的軋制設(shè)備而言, 其卷取張力直接跟電動(dòng)機(jī)的電樞電流、電勢(shì)和卷取線速度等參數(shù)有關(guān)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)要實(shí)現(xiàn)恒張力軋制, 首先必須使卷取機(jī)的卷取線速度與主軋機(jī)軋制線速度同步,

14、 并保持恒定。 第五章 邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的調(diào)試5.1系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試概述電流給定極性信號(hào)（轉(zhuǎn)矩極性）零電流檢測(cè)信號(hào)電平檢測(cè)邏輯判斷延時(shí)電路聯(lián)鎖保護(hù)封鎖反組脈沖封鎖正組脈沖ufur運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)（滯回）cpld實(shí)現(xiàn)圖5-1 無環(huán)流邏輯控制器的組成及原理5.2系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行及特性測(cè)試1) 高速特性測(cè)試：逐步增加給定電壓，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，升速。調(diào)節(jié)ug和滑動(dòng)變阻器的阻值，使電動(dòng)機(jī)電流id=2.3a,轉(zhuǎn)速n=1600rpm。給定uct保持不變，得高速特性表如下：表5-1高速特性id（a）2.32.11.71n（rpm）14201430149015102) 速特性測(cè)試：調(diào)節(jié)ug和滑動(dòng)變阻器的阻值，使電機(jī)電流id=

15、0.2a，電機(jī)任然旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)n=100rpm左右。測(cè)得低速特性表如下：表5-2低速特性id（a）0.90.80.70.5n（rpm）1501551902805.3系統(tǒng)單元調(diào)試1）電流反饋系數(shù)的整定與過流保護(hù)的整定：電流反饋強(qiáng)度整定：實(shí)驗(yàn)中考慮速度調(diào)節(jié)器的限幅值為5v，電機(jī)最大起動(dòng)電流為2a，調(diào)節(jié)uct使id=2a時(shí)，調(diào)整電流反饋電位器使ufi=5v。 即 （5-1）過流保護(hù)整定：當(dāng)uct緩慢升高，電流不斷增大，當(dāng)電流表a示為2.5a時(shí)，過流報(bào)警系統(tǒng)投入工作，若過流報(bào)警系統(tǒng)提早或延遲則可調(diào)節(jié)面板上的過流整定電位器，直到可靠動(dòng)作為止，這樣過流保護(hù)整定在2.5v動(dòng)作。2）速度反饋系統(tǒng)系數(shù)的整定：

16、緩慢給定+uct，使電機(jī)起動(dòng)并升速，當(dāng)電機(jī)升速到電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速1450rpm時(shí)，檢查反饋極性應(yīng)為負(fù)，實(shí)驗(yàn)中考慮到若速度給定為6v時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1450rpm，調(diào)節(jié)速度反饋強(qiáng)度電位器，使速度反饋電壓為ufnm=-6v。 即 （5-2）3）零速封鎖單元的檢查與調(diào)節(jié)器的調(diào)試：dzs調(diào)試：若給定為0v，則dzs輸出為“1”態(tài)；若給定為某一數(shù)值（0.5v-1v），則dzs輸出為“0”態(tài)。電流調(diào)節(jié)器acr調(diào)試：當(dāng)給定為0v時(shí)，其acr輸出應(yīng)為0v；當(dāng)給定為正，其輸出應(yīng)為負(fù)，調(diào)節(jié)負(fù)限幅電位器，速度調(diào)節(jié)器asr調(diào)試：調(diào)試方法與調(diào)試電流調(diào)節(jié)器完全相同，但輸出的正、負(fù)限幅值為5v。 圖 5-3 dpt輸入輸出特

17、性圖零電流檢測(cè)器dpz調(diào)試：調(diào)節(jié)電位器，使回環(huán)向縱坐標(biāo)右側(cè)偏移0.1v左右。4) 電流環(huán)閉環(huán)調(diào)試：先調(diào)正組，后調(diào)反組，然后再反并聯(lián)。給acr輸入突加給定信號(hào)（階躍信號(hào)），用示波器觀察電流的動(dòng)態(tài)波形，電流超調(diào)量是否符合設(shè)計(jì)要求（），若不符合，則改變acr的pi參數(shù)，直到符合要求為止。同時(shí)讀出電流的調(diào)節(jié)時(shí)間，以便確定電流環(huán)跟隨電流給定信號(hào)的能力。5) 系統(tǒng)雙閉環(huán)運(yùn)行特性高速特性測(cè)試：表5-6高速特性id（a）2.121.40.9n（rpm）1340135013801420低速特性測(cè)試：表5-7低速特性id（a）10.90.60.4n（rpm）250250250250 仿真圖形 啟動(dòng)仿真：點(diǎn)擊按鈕，

18、仿真啟動(dòng)，雙擊示波器就可以發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果如下圖4-3： 第六章 結(jié)束語6.1 課程設(shè)計(jì)結(jié)論本系統(tǒng)是基于直流雙閉環(huán)調(diào)速的原理設(shè)計(jì)的，并對(duì)恒張力控制進(jìn)行了研究，形成了一個(gè)電流、轉(zhuǎn)速和張力閉環(huán)控制的系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的雙閉環(huán)相比，增加了張力環(huán)，提高了冷軋機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量和工藝的穩(wěn)定，具備了冷軋機(jī)控制的一般方法。除了張力環(huán)以外，其他的部分組成了邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)通過了實(shí)驗(yàn)的論證，在實(shí)驗(yàn)中我們實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、停車、調(diào)速等功能，在低速時(shí)由于兩環(huán)的pi參數(shù)沒有調(diào)整好，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速不平滑的現(xiàn)象，6.2 課程設(shè)計(jì)收獲為期2個(gè)星期的運(yùn)控課程設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲。短短兩周時(shí)間讓我學(xué)到了很多，它將大學(xué)里所有的知識(shí)進(jìn)行了一次比較全面的總結(jié)，并且將這些理論化的知識(shí)升華為實(shí)際的東西，具體的收獲總結(jié)如下：1） 提高了知識(shí)的系統(tǒng)化能力在課程設(shè)計(jì)的過程中涉及到了很多的知識(shí)，主要包括自動(dòng)控制原理、電力電子技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制，它們都是大學(xué)里的主干專業(yè)課。它將眾多知識(shí)點(diǎn)結(jié)合到一起，并且形成了一個(gè)可以獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)。這就大大提高了我們知識(shí)的系統(tǒng)化能力，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下了很好的理論基礎(chǔ)。2） 對(duì)于四輥冷軋機(jī)有了更為深入的認(rèn)識(shí)通過這次的課程設(shè)計(jì)，結(jié)合去年暑假的洛銅實(shí)習(xí)，使我對(duì)于冷軋機(jī)有了更為全面的了解，對(duì)于其工作原理、工藝流程、控制方法都有了一個(gè)實(shí)際的體會(huì)，和我們所學(xué)的知識(shí)緊密的聯(lián)系了起來。3） 提高