北航課程設計

1、北京航空航天大學學生設計用紙 第 31 頁北京航空航天大學本科生課程設計任務書、課程設計題目： 數控式橋式吊車控制系統(tǒng) 、課程設計技術要求： 1擺角穩(wěn)定時間小于5秒，擺動次數小于3次； 2吊車啟動時最大擺角小于±10°； 3吊車最大速度為0.5米/秒； 4D/A輸出 100mv電機起動，D/A輸出5 v時對應電機最大速度 、課程設計工作內容： 1系統(tǒng)方案設計和主要部選擇； 2系統(tǒng)元部件測試； 3建立系統(tǒng)數學模型； 4系統(tǒng)設計（靜態(tài)設計、動態(tài)設計）； 5數字控制系統(tǒng)和仿真； 6撰寫課程設計報告。 、主要參考資料： 1數字式橋式吊車控制系統(tǒng)試驗說明書 王衛(wèi)紅 2計算機控制系統(tǒng)系

2、列實驗指導書 袁少強 3計算機控制系統(tǒng)設計與實現 郭鎖鳳 學院（系） 專業(yè)類 班學生 課程設計時間： 年 月 日至 年 月 日答辯時間： 年 月 日 成 績： 指導教師： 注：任務書應該附在已完成的課程設計（報告）的首頁。目錄圖錄4表錄51. 系統(tǒng)設計任務及技術指標61.1 技術指標61.2 設計任務62. 系統(tǒng)的組成和工作原理72.1系統(tǒng)的組成72.2 工作原理93. 元部件性能測試及數據處理103.1 直流力矩電機性能測試103.1.1電樞電阻值的測量103.1.2電感的測量103.1.3死區(qū)電壓113.1.4 反勢系數Ke 和力矩系數Kt113.1.5電機調速特性133.1.6 機電常數

3、Tm 和電磁常數Te143.1.7轉動慣量計算143.2 測速機性能測試163.3 電位計性能測試173.3.1 單圈電位計梯度173.3.2 多圈電位計梯度183.4 A/D D/A 板性能測試193.4.1 A/D通道測試193.4.2 D/A通道測試204. 系統(tǒng)建模與靜、動態(tài)設計214.1吊車數學模型建立214.2電機吊車聯合數學模型244.3總體模型255. 系統(tǒng)設計與仿真265.1 系統(tǒng)靜態(tài)設計265.2 系統(tǒng)動態(tài)設計275.3 控制系統(tǒng)仿真與調試285.設計結論29參考文獻：29圖錄圖 1 系統(tǒng)結構圖7圖 2 控制系統(tǒng)框圖8圖 3調速擬合曲線12圖 4 制動曲線14圖 5測速機梯

4、度擬合15圖 6單圈電位計梯度梯度擬合16圖 7多圈電位計梯度梯度擬合17圖 8 A/D輸入電壓擬合曲線18圖 9 D/A通道測試19圖 10 吊車的數學模型20圖 11 吊車電機結合模型23圖 12 DA與電機的連接框圖24圖 13 Simulink建立仿真模型27圖 14 仿真輸出波形28表錄表 1電樞電阻值9表 2電樞電感值10表 3帶載下死區(qū)電壓值10表 4反勢系數與力矩系數12表 5電機調速特性13表 6 測速機梯度16表 7 單圈電位計梯度17表 8多圈電位計梯度數據17表 9 A/D輸入電壓與數碼對應表19表 10 D/A變換表191. 系統(tǒng)設計任務及技術指標1.1 技術指標1)

5、 擺角穩(wěn)定時間小于5 秒，擺動次數小于3 次2) 吊車啟動時最大擺角小于±10°3) 吊車最大速度為0.5 米/秒4) D/A 輸出100mV 電機起動，D/A 輸出5V 時對應電機最大速度1.2 設計任務1) 系統(tǒng)方案設計和主要元部件選擇2) 系統(tǒng)元部件測試3) 建立系統(tǒng)數學模型4) 系統(tǒng)設計靜態(tài)設計、動態(tài)設計和仿真5) 數字控制系統(tǒng)電路設計6) 數字控制器軟件設計7) 閉環(huán)系統(tǒng)實驗和調試8) 編寫課程設計及專業(yè)實驗報告2. 系統(tǒng)的組成和工作原理2.1系統(tǒng)的組成數字橋式吊車系統(tǒng)的結構如圖 1所示。圖 1 系統(tǒng)結構圖吊車系統(tǒng)的整套機械部件安裝在一塊底板上。底板上固定著導軌、

6、皮帶輪、電機、測速機、車位置反饋電位計，底板開槽，使吊擺垂下去。吊車軌道的有效長度約為0.7 米，吊車組件包圍在軌道外，四個車輪在導軌上方運動，吊車板下面連著小車板支架和角位置電位計支架，兩支架之間安裝吊擺，在角位置電位計支架上裝有測量吊擺角度的單圈電位計。計算機作為數字控制器實現對系統(tǒng)的實時控制，同時也為操作者提供人機界面，完成對系統(tǒng)的監(jiān)督管理功能，如實時畫圖、采集數據等。A/D D/A 接口板插在計算機內，完成模數、數模轉換。小功率隨動系統(tǒng)用于電壓和功率放大。電機、測速機是系統(tǒng)的執(zhí)行元件和速度反饋元件，電位計1 和2 分別是車位置反饋元件和擺角度反饋元件。計算機、A/D、D/A 板，小功率

7、隨動系統(tǒng)、電機、測速機、橋式吊車裝置通過機械或電氣手段連接成一個整體。其中電氣連接通過控制盒實現。2.2 工作原理數字橋式吊車系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖如圖 2所示。圖 2 控制系統(tǒng)框圖吊車（下裝吊擺）在電機拖動下沿固定的直線導軌進行運動，相應地，產生了吊車直線位移和吊擺的轉角。線位移由與皮帶輪同軸安裝的多圈電位計測得，角位移由安裝在吊擺上的單圈電位計測得，吊車的運動速度由與電機同軸相連的測速機測得，這三個物理量經過A/D 轉換送入計算機，經過內部的實施控制程序運算產生控制指令，該指令經D/A 變換送入小功率隨動系統(tǒng)，經過功率放大再送出給電機，產生相應的控制作用，從而實現對吊車線位移和吊擺角位移的控制

8、。圖中的并聯校正、串聯校正和功率放大均由小功率隨動系統(tǒng)實現。3. 元部件性能測試及數據處理3.1 直流力矩電機性能測試3.1.1電樞電阻值的測量利用歐姆表直接測試電機電樞的電阻，并且在測試時電刷與電樞處于不同接觸位置時多測幾次，取平均值。 測量結果見表 1。（°）020406080100120140160R（）12.314.614.614.313.7141414.613.6（°）0-20-40-60-80-100-120-140-160R（）12.313.613.714.614.614.215.412.814.3平均值Ra=14.0表 1電樞電阻值3.1.2電感的測量用電感

9、表直接測試電機電樞的電感，并且在測試時電刷與電樞處于不同接觸位置時多測幾次，取平均值。 測量結果見表 2。（°）020406080100120140160L（mH）212121212120.820.719.821.1（°）0-20-40-60-80-100-120-140-160L（mH）2121.62121.12120.920.822.322.3平均值La=21.8mH表 2電樞電感值3.1.3死區(qū)電壓將電壓加至電機兩端，將穩(wěn)壓電源置于最小檔，電壓接近0；合上開關K 后，慢慢增大電壓到電機剛好開始轉動，讀下這時的u，即為死區(qū)電壓。測量時將電機的起始位置放在幾個不同位置，重

10、復實驗。然后再將電壓反極性重復上述實驗，帶載下的死區(qū)電壓測量結果見表 3。計算時取帶載死區(qū)電壓平均值為1.3V?？蛰d死區(qū)電壓為1.342(正轉)，1.22(反轉)。 正U（V）1.351.471.431.181.28平均值 U =1.342 V 最大值 U = 1.47 V反U（V)-0.95-1.31-1.08-1.39-1.37平均值 U = 1.22 V 最大值 U = -1.39 V表 3帶載下死區(qū)電壓值3.1.4 反勢系數Ke 和力矩系數Kt根據電機的電壓平衡方程可得Ke=Ua-IaRa （3.1）通過測量電樞電壓Ua、電樞電流Ia、及轉速、即可求得Ke。為使測量準確，可測量不同Ua

11、 時的Ia 及 值，求出Ke 的平均值。電機的轉速 用光電轉速表測量。求出Ke 后，利用反電勢系數與力矩系數的關系，即可求得力矩系數KtKt=0.1032*Ke （3.2）測量與計算結果見表 4。正轉Ua（V）死區(qū)（1.09）3.785.278.39.8312Ia（mA）72.6122117123126129n(rpm)048.281.8157.5194.8246.3n(rad/s)05.04758.566116.493420.399425.7925Ke(kgm/A)0.41050.42400.39880.39540.3952Kt(kgm/A)0.04240.04380.04120.04080

12、.0371反轉Ua（V）死區(qū)（1.18）4.16.137.969.8912.3Ia（mA）79115118121129136n(rpm)055.699.9144.2191.4251.8n(rad/s)05.822410.461515.100620.043726.3684Ke(kgm/A)0.42770.42800.41500.40330.3943Kt(kgm/A)0.04410.04420.04280.04160.0407平均值Ke=0.40922(kgm/A） Kt=0.04187(kgm/A)表 4反勢系數與力矩系數3.1.5電機調速特性正轉梯度2.4132Ua（V）死區(qū)（1.09）3.7

13、85.278.39.8312n(rpm)048.281.8157.5194.8246.3n(rad/s)05.04758.566116.493420.399425.7925反轉梯度2.3876Ua（V）死區(qū)（-1.18）-4.1-6.13-7.96-9.89-12.3n(rpm)0-55.6-99.9-144.2-191.4-251.8n(rad/s)0-5.822-10.461-15.100-20.043-26.368表 5電機調速特性最小二乘調速擬合曲線如圖 3圖 3調速擬合曲線計算時電機調速斜率平均取為Km=2.40 (rad .s1) / V3.1.6 機電常數Tm 和電磁常數Te用過

14、渡過程測試法進行電機機電時間常數的測量。實際測得的時間常數T包含機電常數和電磁常數，但是電磁時間常數相對機電常數要小得多，可近似認為得到的是機電常數Tm，電機的階躍電壓響應曲線見圖3.6機電常數Tm 近似為0.035s電磁常數 Te = La / Ra=1.55×103s圖3.6 機電常數測量3.1.7轉動慣量計算第一步測出電機的阻力矩。Mf0在電樞兩端加上一定的控制電壓Ua，點擊帶動負載做等速運動，平衡后有d/dt = 0，電機的電磁力矩Mt 與阻力矩平衡，即Mt =Mfo，測量此時的電樞電流Ia，即可得到 Mt = Mfo = KtIa同時需要測出電機等速運行的角速度0。第二步測

15、量制動時間。突然打開電樞回路的開關K，于是Ia=0,Mt0，故J*d/dt + Mfo = 0式中的Mfo 和轉動慣量J 均為常數，利用計算機測出速度變化曲線，求出角速度由0 降到0 的變化時間tp，則d/dt = 0/tpJ=Mfotp/0=KtIatp/0實驗中測得Ia = 0.12A，0 = 212.2rpm = 22.26 rad/s制動曲線中tp=0.075s (見圖 4)計算得到 J=1.693×10-5（kgms2)。圖 4 制動曲線3.2 測速機性能測試測速機的梯度測試數據和最小二乘擬合曲線分別見表 6 和圖 5正轉n(rpm)048.281.8157.5194.82

16、46.3n(rad/s)05.04758.566116.493420.399425.7925U（V）05.699.317.9722.127.7反轉n(rpm)055.699.9144.2191.4251.8n(rad/s)0-5.8224-10.4615-15.1006-20.0437-26.3684U（V）0-6.0-11.1-16.15-21.1-28.1表 6 測速機梯度圖 5測速機梯度擬合得到測速機的梯度為kv=1.0714V/(rad/S)3.3 電位計性能測試3.3.1 單圈電位計梯度先調好電位計零點，然后進行測量。測量數據和擬合結果分別見表 7 和圖 6。角度（rad）-/20/

17、2電壓（V）-5.450.055.54表 7 單圈電位計梯度圖 6單圈電位計梯度梯度擬合擬合得到的單圈電位計梯度為3.4982 V / rad。3.3.2 多圈電位計梯度首先調整小車位置，使小車位于中間電位計輸出電壓為0；然后每隔10cm測量一個電位計電壓。測量數據和擬合曲線分別見表 8和圖 7。位置（m）00.10.20.30.40.50.60.70.76電壓（V）01.342.684.025.346.678.009.3310.16表 8多圈電位計梯度數據圖 7多圈電位計梯度梯度擬合擬合得到的多圈電位計梯度為13.3379 V / m3.4 A/D D/A 板性能測試3.4.1 A/D通道測

18、試電壓-10-7.5-5-2.502.557.510偏移碼01fc3fc5fc7fba01c05e04fb0補碼f800f9fcfbfcfdfcfffb2014056047b0浮點數-1.00-0.75-0.50-0.25-0.000.250.500.750.96表 9 A/D輸入電壓與數碼對應表圖 8 A/D輸入電壓擬合曲線3.4.2 D/A通道測試Code00002000400060008000A000C000E000FFFFV(理論值)-5-3.75-2.5-1.2501.252.53.755V(實測值)-4.98-3.74-2.49-1.240.001.242.493.744.99表

19、10 D/A變換表圖 9 D/A通道測試4. 系統(tǒng)建模與靜、動態(tài)設計4.1吊車數學模型建立可用動力學的方法建立吊車的數學模型，吊車(含吊擺)的受力分析如圖 10所示。圖 10 吊車的數學模型建模時不考慮吊車與導軌間的摩擦力、擺的阻力和擺桿的形變。根據受力分析和所建立的坐標系可得 （4.1）對上式整理可得 （4.2）從圖可知 （4.3）將（4.3）二階微分由此可得 （4.4）對（4.1）和（4.3）整理得到 （4.5）對（4.4）化簡得到 （4.6）對（4.6）進行小角度線性化處理，令：則（4.6）式可變?yōu)?（4.7）定義如下狀態(tài)空間變量則（4.7）式對應的吊車狀態(tài)方程為 （4.8）吊車只有三個

20、輸出量，即 （4.9）寫出輸出方程為 （4.10）4.2電機吊車聯合數學模型將吊車的狀態(tài)方程與電機模型結合起來，如圖 11所示，圖 11 吊車電機結合模型由圖可寫出下式 （4.11）將拉式反變換得到 （4.12）將（4.8）帶入（4.12）式得到 （4.13）其中為狀態(tài)向量將（4.13）是代入吊車的狀態(tài)方程，可得到吊車與電機的聯合數學模型4.3總體模型系統(tǒng)的DA與電機的連接框圖如圖 12所示，電機引入了速度反饋。圖 12 DA與電機的連接框圖得到與之間的關系為 （4.14）由（4.14）得到總體模型的狀態(tài)空間方程其中至此，系統(tǒng)模型建立完畢。5. 系統(tǒng)設計與仿真 吊車控制系統(tǒng)的原理方框圖己在圖 12