酒精濃度自動監(jiān)測系統(tǒng)設計

1、虛擬儀器系統(tǒng)設計報告設計名稱： 酒精濃度自動監(jiān)測系統(tǒng)設計 姓 名： 學 號： 專業(yè)班級： 自動化14-01 指導教師： 系 （院）： 信息工程學院 設計時間： 2017.05.082017.05.19 課程設計成績評定表（在相應欄目打）評 價 項 目評 價 質(zhì) 量優(yōu)秀良好一般及格不及格工作量和態(tài)度實驗、計算可靠性文字和圖表質(zhì)量總體評價目 錄1 緒論1.1緒論.31.2 技術(shù)數(shù)據(jù). 41.3 設計任務. 4 2 帶電流截止負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理.52.1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成與原理.52.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析.52.3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流截止的分析62.4單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖

2、73參數(shù)設計. .93.1 整體分析. 93.2 穩(wěn)定性參數(shù)計算和判斷.93.3 調(diào)節(jié)器的選擇和結(jié)構(gòu). 104 MATLAB仿真.115 電氣總圖. 126 設計心得體會15參考文獻. 161緒論1.1 系統(tǒng)概述為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)性能，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)（主要包括單閉環(huán)、雙閉環(huán)）。而在對調(diào)速指標要求不高的場合，采用單閉環(huán)即可。閉環(huán)系統(tǒng)較之開環(huán)系統(tǒng)能自動偵測把輸出信號的一部分拉回到輸入端，與輸入信號相比較，其差值作為實際的輸入信號；能自動調(diào)節(jié)輸入量，能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在對調(diào)速系統(tǒng)性能有較高要求的領域常利用直流電動機，但直流電動機開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性不能夠滿足要求，可利用轉(zhuǎn)速單閉環(huán)提高穩(wěn)

3、態(tài)精度，而采用比例調(diào)節(jié)器的負反饋調(diào)速系統(tǒng)仍是有靜差的，為了消除系統(tǒng)靜差，可采用積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器。1.2技術(shù)數(shù)據(jù)電樞額定電壓 220V 電樞額定電流 136A 額定勵磁電流 If=1.5A 額定勵磁電壓Uf=220V 功率因 0.85 整流器內(nèi)阻 Rrec=1.3 電樞電阻 0.21 平波電抗器電感 lOOmH 電樞允許過載系數(shù) 1.5 額定轉(zhuǎn)速 l460 r/min(1)該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑的速度調(diào)節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬的調(diào)速范圍(D>10)，系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作(2)根據(jù)指標要求進行動態(tài)校正，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并確定電流截止負反饋環(huán)節(jié)的相關參數(shù)(3)系統(tǒng)在5%負

4、載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)1.3設計任務(1)根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖(2)根據(jù)帶電流截止負反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖，分析轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流截止負反饋的作用(3)通過對調(diào)節(jié)器參數(shù)設計，利用MATLAB仿真得到轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形2 帶電流截止負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2.1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成與原理將開環(huán)系統(tǒng)改為單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)，并采用PI調(diào)節(jié)器，就既保證動態(tài)性能，又能做到轉(zhuǎn)速的無靜差，較好的解決開環(huán)系統(tǒng)的不足，此閉環(huán)系統(tǒng)的工作原理是：將直流電動機轉(zhuǎn)速變化信號反饋到觸發(fā)環(huán)節(jié)，來自動增大或減小觸發(fā)角a來

5、自動調(diào)節(jié)整流輸出電壓Uds，即可達到穩(wěn)定，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與系統(tǒng)原理圖如下圖所示轉(zhuǎn)速單閉環(huán)實驗是將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號作為反饋信號，經(jīng)速度變換后接到速度調(diào)節(jié)器的輸入端，與給定的電壓相比較經(jīng)放大后，得到移相控制電壓UCL,用作控制整流橋的觸發(fā)電路，觸發(fā)脈沖經(jīng)功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變?nèi)嗳卣鞯妮敵鲭妷?，這就構(gòu)成了速度負反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化，電機最高轉(zhuǎn)速由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定，速度調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，則需將調(diào)節(jié)器換成PI（比例積分）調(diào)節(jié)。這時當給定恒定時，閉環(huán)系統(tǒng)對速度變化起到了抑制作用，當電機負載或電源電壓波動時，電

6、機的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。2.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析 系統(tǒng)兩段靜特性方程式：(1) 當IdIdcr時，電流負反饋被截止，靜特性與轉(zhuǎn)速負反饋相同 (2) 當IdIdcr時引入電流負反饋靜特性變?yōu)殪o特性的幾個特點：（1） 電流負反饋的作用相當于在主電路中串入一個大電阻KpKsPs，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，使特性急劇下垂。（2） 比較電壓Ucom與給定電壓Un*的作用一致。（3） 兩段靜特性常被稱作下垂特性。（4） 最大截止電流應小于電機允許的最大電流。2.3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流截止的分析1.電流截止負反饋的提出（1） 起動的沖擊電流,直流電動機全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖

7、擊電流，這不僅對電機換向不利，對過載能力低的電子器件來說，更是不能允許的。（2） 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動的沖擊電流一采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當于偏差電壓，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的1+K倍。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓一下子就達到它的最高值，對電動機來說，相當于全壓起動，當然是不允許的。（3） 堵轉(zhuǎn)電流 有些生產(chǎn)機械的電動機可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如：由于故障，機械軸被卡住，或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔

8、斷器保護，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應該引入那個物理量的負反饋。那么引入電流負反饋，應該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。2.電流截止負反饋的建立通過對電流負反饋和轉(zhuǎn)速負反饋的分析?？紤]到，限流作用只需在起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，正常運行時應讓電流自由地隨著負載增減，采用電流截止負反饋的方法，則當電流大到一定程度時才接入電流負反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉(zhuǎn)速負反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。用獨立的直流電源作為比較電壓，其大小可用電位器調(diào)節(jié)，相當于調(diào)節(jié)截

9、止電流用穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓Ubr作比較電壓，線路要簡單的多但是不能平滑的調(diào)節(jié)截止電流。下圖是反饋環(huán)節(jié)的連接電路和I/O特性2.4單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖帶電流截止負反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路圖圖中的電動機的電樞回路由晶閘管組成的三相橋式整流電路供電，通過與電動機同軸剛性連接的測速發(fā)電機TG檢測電動機的轉(zhuǎn)速，并經(jīng)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)分壓后取出合適的轉(zhuǎn)速反饋信號Un，此電壓與轉(zhuǎn)速給定信號Un*經(jīng)速度調(diào)節(jié)器ASR綜合調(diào)節(jié)，ASR的輸出作為移相觸發(fā)器的控制電壓Uc，由此組成轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。改變Un*即可調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。在本系統(tǒng)中ASR采用比例積分調(diào)節(jié)器，屬于無靜差調(diào)速系統(tǒng)。為了防止在起

10、動和運行過程中出現(xiàn)過大的電流沖擊，系統(tǒng)引入了電流截止負反饋以限止電流超過其允許的最大值。3參數(shù)設計3.1 整體分析本題目要求設計帶電流截止負反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，為滿足以上技術(shù)要求和性能指標的要求，選擇以下方案設計系統(tǒng)1. 系統(tǒng)要求平滑調(diào)速，可采用調(diào)壓調(diào)速方式。因為調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)是在保持他勵直流電動機的磁通為額定值的情況下，將電樞兩端的電壓（電源電壓）降低為不同的值時，可以獲得與電動機固有機械特性相互平行的人為機械特性，調(diào)速方向是基速以下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。只要輸出的電壓是連續(xù)可調(diào)的，即可實現(xiàn)電動機的無級調(diào)速，調(diào)速范圍可以達到很寬。2. 系統(tǒng)靜特性良好，無靜差。在參數(shù)設置合理的情況下，帶

11、電流截止負反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)本身可以做到系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。3. 本設計中的電力電子變換裝置采用三相橋式控制的晶閘管整流裝置，應用題目要求中給定的參數(shù)進行設計，其Rrec=1.3。4. 在帶電流截止負反饋環(huán)中，截止電流的上限選擇需要根據(jù)電機的品牌和參數(shù)論證，以保證電機不至于因電流過大而燒毀。3.2 穩(wěn)定性參數(shù)計算和判斷根據(jù)老師提供的技術(shù)參數(shù)，基本數(shù)據(jù)如下：電樞額定電壓 220V 電樞額定電流 136A 額定勵磁電流 If=1.5A 額定勵磁電壓Uf=220V 功率因 0.85 整流器內(nèi)阻 Rrec=1.3 電樞電阻 0.21 平波電抗器電感 lOOmH 電樞允許過載系數(shù) 1.5 額定轉(zhuǎn)速

12、l460 r/min 總飛輪慣量=22.5n*m23.3 調(diào)節(jié)器的選擇和結(jié)構(gòu)動態(tài)校正的方法很多，而且對于一個系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡單，也容易實現(xiàn)。對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正的任務。其結(jié)構(gòu)圖如下PID調(diào)節(jié)器中有PD、PI和PID三種類型。由于PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)定精度可能受到影響；由Pl調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)定精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的。一般調(diào)速系統(tǒng)

13、的要求以動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性要求差一些，所以采用PI調(diào)節(jié)器?，F(xiàn)在我們采用PI調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下：4 MATLAB仿真MATLAB仿真的原理框圖其仿真結(jié)果如下圖所示：5 電氣總圖 電氣總圖三相橋式全控整流電路集成觸發(fā)控制電路V-M系統(tǒng) 三相全控整流電路6 設計心得體會通過本次課程設計，我學到了很多東西。我鞏固了軟件MATLAB的運用，對一些理論知識的實際運用有了更深的理解，特別是晶閘管、變壓器等元件的綜合運用。我鍛煉了自己獨立思考的能力，對自動化的基礎知識和綜合運用有了深層的理解，尤其是對帶電流截止負反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計。思路即出路，課程設計發(fā)端之始，思緒全無，舉步維艱，于是重拾教材與實騎手冊，對知識系統(tǒng)而全面進行了梳理，遇到難處先是苦思更想再向同學請教，終于熟練掌握了基本理論知識，而且領悟諸多平時學習難以理解的但是卻相當有實際作用的較難知識，學會了如何思考的思維方式，找到了設計靈感?？傊恳淮蔚膶嵺`課實習都