自動(dòng)控制綜合設(shè)計(jì)題目10級(jí)

1、自動(dòng)控制綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師：殷時(shí)蓉/杜軍一、X-Y數(shù)控工作臺(tái)控制器設(shè)計(jì) X-Y數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本部件，如數(shù)控車床的縱-橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)，數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺(tái)，激光加工設(shè)備的工作臺(tái)，電子元件表面貼裝設(shè)備等。 模塊化的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，通常有導(dǎo)軌坐、移動(dòng)滑塊、工作平臺(tái)、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其外觀如圖所示。 伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在X、Y方向的直線運(yùn)動(dòng)。一、X-Y數(shù)控工作臺(tái)控制器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)： 設(shè)計(jì)一種供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺(tái)的控制器 ，執(zhí)行電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)。工作臺(tái)主要參數(shù)

2、如下：（1）立銑刀最大直徑 d=15mm（2）立銑刀齒數(shù) z=3 （3）最大銑削寬度為ae=15mm （4）最大背吃刀量ap=8m （5）加工材料為碳素鋼或有色金屬 （6）X、Y方向的脈沖當(dāng)量為x=y=0.005mm/脈沖 （7） X、Y方向的定位精度均為0.01mm （8）工作臺(tái)面尺寸為230mm230mm，加工范圍為250mm250mm; （9）工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度vxmax=vymax=3000mm/min （10）工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度vxmaxf=vymaxf=400mm/min 一、X-Y數(shù)控工作臺(tái)控制器設(shè)計(jì) 根據(jù)工作臺(tái)的參數(shù)和機(jī)械傳動(dòng)部件，最后計(jì)算得到所選步進(jìn)電機(jī)為 110BF

3、003，電機(jī)參數(shù)為: 相數(shù)：3 步距角：0.75/1.5o 輸入電壓：80V 電流：6A 最大靜轉(zhuǎn)矩7.84N.m 空載起動(dòng)頻率：1800Hz 空載運(yùn)行頻率：20000Hz 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：5.5kg.cm2 步進(jìn)電機(jī)工作方式為三相六拍一、X-Y數(shù)控工作臺(tái)控制器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求： 畫出控制系統(tǒng)的電路圖，用匯編或Keil C寫出控制程序 二、PWM波直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)二、PWM波直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)任務(wù)：1.假設(shè)直流電機(jī)和PWM控制與變換器傳遞函數(shù)如圖所示，用最少拍方法設(shè)計(jì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制器D(z),并用程序?qū)崿F(xiàn)。2.用8051系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器。要求畫出控制電路圖，用匯編或Kei

4、l C寫出控制程序。三、Bode 圖法控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-串聯(lián)滯后校正設(shè)計(jì)任務(wù)： 設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為 設(shè)計(jì)要求：（1）開環(huán)增益Kv=20（2）頻率裕量=70o，（3）對(duì)此控制器進(jìn)行離散化，并用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)（劃出流程圖）（4）用Matlab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng))5(10)(0sssG四、鍋爐設(shè)備加工系統(tǒng) 鍋爐設(shè)備加工系統(tǒng)是用來為鍋爐鍋筒鉆孔的設(shè)備，用于在焊接成鍋筒前的鋼板上按規(guī)定的位置和孔徑自動(dòng)鉆孔。加工過程為：鉆孔加工，刀架移動(dòng)，鍋筒旋轉(zhuǎn)三個(gè)部分。鉆孔加工由動(dòng)力頭實(shí)現(xiàn)，分快進(jìn)、工進(jìn)、快退三種工況。（1）刀架移動(dòng)的脈沖當(dāng)量為x=50mm/脈沖（2）鍋筒旋轉(zhuǎn)的脈沖當(dāng)量為y=15o/脈

5、沖（3）鍋筒長為2300mm， （4）刀架移動(dòng)最快移動(dòng)速度vxmax=300mm/min 四、鍋爐設(shè)備加工系統(tǒng) 設(shè)計(jì)任務(wù)：1.要求可進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方式。每加工完一個(gè)孔，做累加計(jì)數(shù)。2. 刀架移動(dòng)實(shí)現(xiàn)鉆孔定位（X軸方向），由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分左移、右移兩種運(yùn)動(dòng)方向。鍋筒旋轉(zhuǎn)由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)孔位的Y軸方向定位。用8051系列單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)。要求畫出控制電路圖，用匯編或Keil C寫出控制程序。3.每次加工，要求動(dòng)力裝置從零位開始進(jìn)入工作位置，依次鉆孔加工。每完成一排的鉆削工作，鍋筒轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。依次類推，直到加工結(jié)束。四、鍋爐設(shè)備加工系統(tǒng)4. 此系統(tǒng)中根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)，選擇的步進(jìn)

6、電機(jī)為：90BF001，電機(jī)參數(shù)為: 相數(shù)：4 步距角：0.9o 輸入電壓：180V 電流：7A 最大靜轉(zhuǎn)矩3.92N.m 空載起動(dòng)頻率：2000Hz 空載運(yùn)行頻率：8000Hz 步進(jìn)電機(jī)工作方式為四相八拍 五、晶閘管直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)典型直流伺服電動(dòng)機(jī)控制數(shù)學(xué)模型典型直流伺服電動(dòng)機(jī)控制數(shù)學(xué)模型直流電機(jī)的調(diào)速方式直流電機(jī)的調(diào)速方式由于直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性方程為：由于直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性方程為：TCCRCUn2teec式中，式中，UC 電樞控制電壓；電樞控制電壓；R 電樞回路電阻；電樞回路電阻； 每極磁通；每極磁通；Ce、Ct分別為電動(dòng)機(jī)分別為電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。的結(jié)構(gòu)常數(shù)。 由此，直流伺服

7、電機(jī)的控制方式如下：由此，直流伺服電機(jī)的控制方式如下：五、晶閘管直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)DW(z)D(z)seTs1Wrekyukuy圖 晶閘管直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖晶閘管電機(jī)速度測量環(huán)節(jié)五、晶閘管直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)任務(wù)：1.假設(shè)直流電機(jī)和晶閘管整流裝置的傳遞函數(shù)如圖所示，用最少差拍方法設(shè)計(jì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制器D(z),并用程序?qū)崿F(xiàn)。2.用8051系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器。要求畫出控制電路圖，用匯編或Keil C寫出控制程序。DW(z)D(z)seTs16s512sWxekyukuy圖2 晶閘管直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡化框圖1s2六、Bode 圖法控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-串聯(lián)超前校正設(shè)計(jì)任務(wù)

8、： 設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為 設(shè)計(jì)要求：（1）開環(huán)增益Kv=1000（2）頻率裕量=45o，（3）截止頻率c=165rad/s，20lgKg15dB（4）對(duì)此控制器進(jìn)行離散化，并用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)（劃出流程圖）（5）用Matlab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)) 11 . 0)(1001. 0(K)(0ssssG七 立體倉庫存儲(chǔ)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)自動(dòng)化立體倉庫也稱立庫，是在不直接進(jìn)行人工參與的情況下自動(dòng)化立體倉庫也稱立庫，是在不直接進(jìn)行人工參與的情況下自動(dòng)地存儲(chǔ)和取出物料的系統(tǒng)，采用高層貨架存儲(chǔ)貨物，用專自動(dòng)地存儲(chǔ)和取出物料的系統(tǒng)，采用高層貨架存儲(chǔ)貨物，用專門的倉儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備進(jìn)行貨物出入庫作業(yè)。其具

9、體功能是：在接門的倉儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備進(jìn)行貨物出入庫作業(yè)。其具體功能是：在接收工位接收送料單元送來的工件，按照工件信息而自動(dòng)運(yùn)送至收工位接收送料單元送來的工件，按照工件信息而自動(dòng)運(yùn)送至相應(yīng)倉位，并將工件推入立體倉庫指定位置存儲(chǔ)。相應(yīng)倉位，并將工件推入立體倉庫指定位置存儲(chǔ)。控制器每發(fā)控制器每發(fā)出一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角度，出一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角度，X軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)X軸絲桿做左右直線運(yùn)動(dòng)或軸絲桿做左右直線運(yùn)動(dòng)或Z軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)Z軸絲桿做上下直軸絲桿做上下直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)的上、下、左、右運(yùn)動(dòng)。線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)的上、下、左、右運(yùn)動(dòng)。通過控制通過控制X軸、軸

10、、Z軸步進(jìn)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)，就可以控制載物臺(tái)在軸步進(jìn)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)，就可以控制載物臺(tái)在X軸、軸、Z軸上移軸上移動(dòng)的距離，實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)在動(dòng)的距離，實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)在XZ軸平面的精確定位，從而把物軸平面的精確定位，從而把物體放到倉庫的指定位置。體放到倉庫的指定位置。七 立體倉庫存儲(chǔ)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)： 設(shè)計(jì)一種立體倉庫存儲(chǔ)系統(tǒng)控制器，執(zhí)行電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，控制器采用單片機(jī)或者PLC。倉庫主要參數(shù)如下： （1）X、Z方向的脈沖當(dāng)量為x=z=0.5mm/脈沖 （2）倉庫尺寸為230mm230mm， （3）工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度vxmax=vzmax=3000mm/min 選用四相步進(jìn)電機(jī)42J1834-810

11、，42J1834-810步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8o，即在無細(xì)分的條件下，200個(gè)脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈（2001.8=360o） 設(shè)計(jì)任務(wù)：在matlab的窗口輸入命令powerlib，進(jìn)入電力系統(tǒng)simulink九、根軌跡法控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-串聯(lián)超前校正設(shè)計(jì)任務(wù)： 設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為 設(shè)計(jì)超前校正環(huán)節(jié)，要求：（1）校正后的系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)為Kv4.6，（2）閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)滿足阻尼比0.2（3）自然振蕩角頻率n=12.0rad/s（4）對(duì)此控制器進(jìn)行離散化，并用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)（劃出流程圖）（5）用Matlab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，繪制校正前后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線、單位脈沖響應(yīng)曲線和根軌跡) 115

12、. 0)(12 . 0(2.3)(0ssssG十、退火爐溫度控制系統(tǒng) 被控對(duì)象為退火爐溫度（系統(tǒng)輸出y）。燃料為煤氣。改變煤氣閥門的位置改變煤氣的流量，從而改變爐內(nèi)的溫度。爐溫由熱電偶檢測，熱電偶的輸出信號(hào)為0-10mA。單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的給定溫度和爐內(nèi)的實(shí)際溫度求出系統(tǒng)偏差e，再利用PID算法或達(dá)林算法求出控制器的輸出uk，uk經(jīng)D/A變換器后變?yōu)槟M量控制閥門的開度，從而控制爐內(nèi)溫度。十、退火爐溫度控制系統(tǒng)變送器CC4051多路選擇開關(guān)8051單片機(jī)DAC0832ADC0809AD轉(zhuǎn)換器0-10mA退火爐煤氣熱電偶打印機(jī)，鍵盤，顯示放大器0-5V500歐UkDW(z)D(z)seTs11)(10sKesGLTsDADC(s)CC4051信號(hào)調(diào)理變送器熱電偶Wxekyukuy圖1 退火爐溫度控制系統(tǒng)框圖DW(z)D(z)seTs11)(10sKesGLTsWxekyukuy圖2 退火爐溫度控制系統(tǒng)簡化