北航課程設(shè)計

1、北京航空航天大學(xué)學(xué)生設(shè)計用紙 第 31 頁北京航空航天大學(xué)本科生課程設(shè)計任務(wù)書、課程設(shè)計題目： 數(shù)控式橋式吊車控制系統(tǒng) 、課程設(shè)計技術(shù)要求： 1擺角穩(wěn)定時間小于5秒，擺動次數(shù)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(yīng)電機最大速度 、課程設(shè)計工作內(nèi)容： 1系統(tǒng)方案設(shè)計和主要部選擇； 2系統(tǒng)元部件測試； 3建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型； 4系統(tǒng)設(shè)計（靜態(tài)設(shè)計、動態(tài)設(shè)計）； 5數(shù)字控制系統(tǒng)和仿真； 6撰寫課程設(shè)計報告。 、主要參考資料： 1數(shù)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(dǎo)書 袁少強 3計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 郭鎖鳳 學(xué)院（系） 專業(yè)類 班學(xué)生 課程設(shè)計時間： 年 月 日至 年 月 日答辯時間： 年 月 日 成 績： 指導(dǎo)教師： 注：任務(wù)書應(yīng)該附在已完成的課程設(shè)計（報告）的首頁。目錄圖錄4表錄51. 系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)及技術(shù)指標(biāo)61.1 技術(shù)指標(biāo)61.2 設(shè)計任務(wù)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(shù)據(jù)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(shù)Ke 和力矩系數(shù)Kt113.1.5電機調(diào)速特性133.1.6 機電常數(shù)

3、Tm 和電磁常數(shù)Te143.1.7轉(zhuǎn)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(shè)計214.1吊車數(shù)學(xué)模型建立214.2電機吊車聯(lián)合數(shù)學(xué)模型244.3總體模型255. 系統(tǒng)設(shè)計與仿真265.1 系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計265.2 系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計275.3 控制系統(tǒng)仿真與調(diào)試285.設(shè)計結(jié)論29參考文獻(xiàn)：29圖錄圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7圖 2 控制系統(tǒng)框圖8圖 3調(diào)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(shù)學(xué)模型20圖 11 吊車電機結(jié)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(shù)與力矩系數(shù)12表 5電機調(diào)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(shù)據(jù)17表 9 A/D輸入電壓與數(shù)碼對應(yīng)表19表 10 D/A變換表191. 系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)及技術(shù)指標(biāo)1.1 技術(shù)指標(biāo)1)

5、 擺角穩(wěn)定時間小于5 秒，擺動次數(shù)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(yīng)電機最大速度1.2 設(shè)計任務(wù)1) 系統(tǒng)方案設(shè)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(shù)學(xué)模型4) 系統(tǒng)設(shè)計靜態(tài)設(shè)計、動態(tài)設(shè)計和仿真5) 數(shù)字控制系統(tǒng)電路設(shè)計6) 數(shù)字控制器軟件設(shè)計7) 閉環(huán)系統(tǒng)實驗和調(diào)試8) 編寫課程設(shè)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(shù)字橋式吊車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)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(shù)字控制器實現(xiàn)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(shù)據(jù)等。A/D D/A 接口板插在計算機內(nèi)，完成模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)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(xiàn)。2.2 工作原理數(shù)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(dǎo)軌進(jìn)行運動，相應(yīng)地，產(chǎn)生了吊車直線位移和吊擺的轉(zhuǎn)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(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換送入計算機，經(jīng)過內(nèi)部的實施控制程序運算產(chǎn)生控制指令，該指令經(jīng)D/A 變換送入小功率隨動系統(tǒng)，經(jīng)過功率放大再送出給電機，產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，從而實現(xiàn)對吊車線位移和吊擺角位移的控制

8、。圖中的并聯(lián)校正、串聯(lián)校正和功率放大均由小功率隨動系統(tǒng)實現(xiàn)。3. 元部件性能測試及數(shù)據(jù)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(jié)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(jié)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(guān)K 后，慢慢增大電壓到電機剛好開始轉(zhuǎn)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(fù)實驗。然后再將電壓反極性重復(fù)上述實驗，帶載下的死區(qū)電壓測量結(jié)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(zhuǎn))，1.22(反轉(zhuǎn))。 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(shù)Ke 和力矩系數(shù)Kt根據(jù)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(zhuǎn)速、即可求得Ke。為使測量準(zhǔn)確，可測量不同Ua

11、 時的Ia 及 值，求出Ke 的平均值。電機的轉(zhuǎn)速 用光電轉(zhuǎn)速表測量。求出Ke 后，利用反電勢系數(shù)與力矩系數(shù)的關(guān)系，即可求得力矩系數(shù)KtKt=0.1032*Ke （3.2）測量與計算結(jié)果見表 4。正轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)與力矩系數(shù)3.1.5電機調(diào)速特性正轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)速特性最小二乘調(diào)速擬合曲線如圖 3圖 3調(diào)速擬合曲線計算時電機調(diào)速斜率平均取為Km=2.40 (rad .s1) / V3.1.6 機電常數(shù)Tm 和電磁常數(shù)Te用過

14、渡過程測試法進(jìn)行電機機電時間常數(shù)的測量。實際測得的時間常數(shù)T包含機電常數(shù)和電磁常數(shù)，但是電磁時間常數(shù)相對機電常數(shù)要小得多，可近似認(rèn)為得到的是機電常數(shù)Tm，電機的階躍電壓響應(yīng)曲線見圖3.6機電常數(shù)Tm 近似為0.035s電磁常數(shù) Te = La / Ra=1.55×103s圖3.6 機電常數(shù)測量3.1.7轉(zhuǎn)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(fù)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(guān)K，于是Ia=0,Mt0，故J*d/dt + Mfo = 0式中的Mfo 和轉(zhuǎn)動慣量J 均為常數(shù)，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(shù)據(jù)和最小二乘擬合曲線分別見表 6 和圖 5正轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)好電位計零點，然后進(jìn)行測量。測量數(shù)據(jù)和擬合結(jié)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(diào)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)-1.00-0.75-0.50-0.25-0.000.250.500.750.96表 9 A/D輸入電壓與數(shù)碼對應(yīng)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(shè)計4.1吊車數(shù)學(xué)模型建立可用動力學(xué)的方法建立吊車的數(shù)學(xué)模型，吊車(含吊擺)的受力分析如圖 10所示。圖 10 吊車的數(shù)學(xué)模型建模時不考慮吊車與導(dǎo)軌間的摩擦力、擺的阻力和擺桿的形變。根據(jù)受力分析和所建立的坐標(biāo)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(jìn)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(yīng)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(lián)合數(shù)學(xué)模型將吊車的狀態(tài)方程與電機模型結(jié)合起來，如圖 11所示，圖 11 吊車電機結(jié)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(lián)合數(shù)學(xué)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(guān)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(shè)計與仿真 吊車控制系統(tǒng)的原理方框圖己在圖 12