运动控制系统课程设计 毕业设计1.doc

目录 第一章.3 1.1课程设计的背景、目的和要求.31.2 四辊可逆轧机的控制过程.4第二章直流调速方案论述与选择.52.1 直流电动机调速方法52.2 开环直流调速系统52.3 转速负反馈的直流调速系统62.4 直流双闭环调速系统62.4.1 系统静特性.6第三章 调速系统的结构设计.73.1 主电路的设计.73.1.1整流变压器的选择7. 3.1.2整流电路晶闸管的选择.7. 3.1.3电流互感器的选择.83.1.4平波电抗器的选择.9第四章 系统的实现.104.1系统数学模型的建立.104.2电流调节器的设计.114.3速度调节器的设计.134.4 张力调节器的设计.16第五章 逻辑无环流系统的调试.175.1系统实验调试概述.175.2触发器的整定：.175.3系统开环运行及特性测试.275.4系统仿真.19第六章 结束语.206.1 课程设计结论.206.2 课程设计收获.20参考文献.21 第一章绪论1.1 课程设计的背景、目的和要求(1)设计的背景可逆冷轧机是供冷轧紫铜及其合金成卷带材之用，为提高生产效率，冷轧机要往，返轧制金属材料，直到达到要求的厚度时才停止。在轧制过程中，为了保证产品质量和工艺过程的稳定，冷轧机的榨汁速度需要进行严格的控制，冷轧机的轧制速度一般指轧件出口处的速度，轧制速度作为轧机的一项重要工艺指标，与轧机本身结构和操作过程有很大关系。为了控制轧机的轧制速度，要求轧机左右两边的两台卷取机在从左往右的正向轧制过程中，左边一台卷取机作开卷作用，其工作在发电状态；右边一台卷取机做卷机用，工作在电动状态。若逆向轧制，则两台卷取机工作状态与正向相反。四辊冷轧机的原理见图如下： 图1-1 冷轧机原理图卷取机的机械参数如下：带卷内径（卷筒直径）：500带卷外径：6801100带卷最大重量：2000带卷最大张力：2000卷取机传动比：(2)设计目的运动控制是自动化专业的主干专业课程，具有很强的系统性，实践性和工程背景，运动控制系统课程设计的目的在于培养学生综合运用运动控制系统知识和理论分析解决实际问题的能力，使学生掌握正确的设计思路，掌握工程设计的一般程序，规范和方法，提高学生调查研究，查阅文献及正确使用技术资料，标准，手册等工具的能力，理解分析，制定设计方案的能力，设计计算和绘图能力，实验研究及系统调试能力，编写设计说明书的能力。(3)设计要求a）稳态无静差，电流超调量，空载启动至额定转速时的转速超调量能实现快速制动。b）直流电动机参数：，电枢回路总电阻R=0.18，电流过载倍数，。1.2 四辊可逆轧机的控制过程可逆冷轧机主要由以下几个部分组成：主驱动电路、放卷电机、收卷电机。轧机的工作过程为：主驱动电机牵引钢带从辊缝中穿过，通过下压电机或液压系统对辊系产生压力，从而使钢带产生形变，使出口的钢带变薄，左右收放卷电机产生足够的延伸应力（张力）以绷紧钢带。系统启动后，收放卷电机以设定的张力在主驱动电机的带动下运动，为了不使钢带“松弛”或“拉断”，必须确保系统中每一点钢带的线速度（秒流量）都相等，即张立恒定。钢带每次放完收满以后，通过外部开关实现收、放卷切换。即放卷切换成收卷，收卷切换成放卷，如此循环直至钢带轧制成目标厚度。 第二章直流调速方案论述与选择2.1 直流电动机调速方法根据直流电机转速方程： （2-1） (1)、调节电枢供电电压;(2)、减弱励磁磁通; (3)、改变电枢回路电阻2.2 开环直流调速系统系统原理图如图2-1所示。图2-1 开环控制直流调速系统如图2-1 所示是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。2.3 转速负反馈的直流调速系统图 2-2 转速负反馈的闭环调速系统转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式： (2-2)2.4 直流双闭环调速系统构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2-3所示。图2-3 转速、电流双闭环直流调速系统结构 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器2.4.1 系统静特性双闭环直流调速系统静态结构图如图2-4图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构第三章 调速系统的结构设计3.1 主电路的设计 其实现方法如下图3-1所示： 图3-1 主电路图3.1.1整流变压器的选择 1阀侧相电压 不可逆系统：=（0.951.0）/ 可逆系统：=（1.051.1）/ 式子中，为电动机额定电压则=1.1/=146.07V 取=150V2阀侧相电流 变流变压器阀侧相电流可按下式计算： = 其中=0.816（三相桥式） 则=134.64A 变压器容量： 取3.1.2整流电路晶闸管的选择 1额定电压的确定 由于采用三相桥式整流电路，所以晶闸管承受的最大反向电压： =357.79 其晶闸管与阴极之间的最大正向电压： =206.57 则考虑安全裕量，电压定额为：（23）=715.591073.39，取1200 2额定电流的确定晶闸管的额定电流为： 考虑安全裕量，电流定额为：=（23）95.263=190.526285.789（因为电流过载倍数=2.5）,取3003.1.3电流互感器的选择 由于交流变压器副方电流为134.6，所以选LMZ-0.5-1型电流互感器，额定电流为300。3.1.4平波电抗器的选择 平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。通常，首先选定最小电流，再利用它计算所须的总电感量，减去电枢电感，即得平波电抗器的电感值。所以大约取。第四章 系统的实现通过第二章的分析可知，直流电机的调速系统选择为双闭环调速系统，有电流环和转速环组成，其中电流环为内环，转速环为外环，结构框图如下：图 4-1 直流电机调速系统结构框图 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE图 4-2 双闭环直流调速系统的稳态结构图.转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。 而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。4.1系统数学模型的建立1、 系统的动态结构框图如图4-4所示。 图4-4双闭环调速系统的动态结构图 直流电动机的参数如下： 变流装置采用三相桥式整流电路，晶闸管触发整流装置放大倍数，平均延迟时间。平波电抗器电感。电枢回路总电阻。2、 系统固有部分的主要参数计算（1）电动机的电磁时间常数 （2）电动机的电动势常量 （3）电动机的转矩常量 （4）转速惯量 （5）电动机机电时间常数 4.2电流调节器的设计如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，将非单位负反馈变换成单位负反馈系统。如图4-5b所示。由于和较小得多，所以可把前两者构成的小惯性环节合并，。如图4-5c所示。简化的近似条件为 (a)ACR（b）+-ACR（c）+-图4-5 电流环的动态结构框图及其化简2、电流调节器的设计（1）选择电流调节器结构对电流环，可以校正成典I系统，也可以校正成典II系统应根据生产机械的要求而定，一般对抗扰性能要求不是特别严格时均采用典I系统设计即可。显然，欲校正成典I系统，电流调节器应选用PI调节器。其传递函数为（2）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数，取 电流开环增益：要求电流超调量，取，因此 于是，ACR的比例系数为：1.419（3）校验近似条件 电流环截止频率：1、电力电子变换器纯滞后的近似处理 2、忽略反电动势变化对电流环的动态影响 3、电流环小惯性的近似处理 三个条件都符合要求，故说明设计的参数合理。（4）计算调节器电阻电容调节器的输入电阻，则 取 取 取图 4-6 电流调节器4.3速度调节器的设计 1、速度环框图的建立及化简电流环等效闭环传递函数的求取 ，近似的条件为： 速度环框图如图4-7a所示，和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，将非单位负反馈变换成单位负反馈系统，给定信号改为。同理，由于和较小，所以可把前两者构成的小惯性环节合并，。如图4-7b所示。ASR（a）-+-+（b）-+-+ASR图4-7 转速环的动态结构框图及其化简）2、速度调节器的设计（1）选择速度调节器结构显然，欲校正成典II系统，速度调节器应选用PI调节器。其传递函数为（2）计算速度调节器的参数按三阶最佳系统设计，取5，可求得转速开环增益： 于是可得ASR的比例系数： （3）检验近似条件 两个近似条件都符合要求。由电力拖动自动控制系统运动控制系统中表27查表计算得： 转速超调量也符合要求，故说明设计的参数合理。（4）计算调节器电阻电容设取调节器的输入电阻，则 取 取 取4.4.1间接法张力控制 在带材轧制过程中,过大的卷取张力会影响产品的内部金相组织过小的卷取张力会出现带钢跑偏等现象张力的不稳定会使带钢出现纹波。因此一般薄带的轧制都需要恒张力轧制。下图绘制了其原理：主机速度给定ASRACR主电路电动机加法器电流检测张力给定(-UT)加法器速度检测卷径变化电位计加法器励磁电流调节器励磁电路励磁电流检测图4-9 间接法张力调节系统对卷取机采用直流电动机的轧制设备而言, 其卷取张力直接跟电动机的电枢电流、电势和卷取线速度等参数有关。系统的设计依据要实现恒张力轧制, 首先必须使卷取机的卷取线速度与主轧机轧制线速度同步, 并保持恒定。 第五章 逻辑无环流系统的调试5.1系统实验调试概述电流给定极性信号（转矩极性）零电流检测信号电平检测逻辑判断延时电路联锁保护封锁反组脉冲封锁正组脉冲UfUr运算放大器实现（滞回）CPLD实现图5-1 无环流逻辑控制器的组成及原理5.2系统开环运行及特性测试1) 高速特性测试：逐步增加给定电压，使电动机起动，升速。调节Ug和滑动变阻器的阻值，使电动机电流Id=2.3A,转速n=1600rpm。给定Uct保持不变，得高速特性表如下：表5-1高速特性Id（A）2.32.11.71n（rpm）14201430149015102) 速特性测试：调节Ug和滑动变阻器的阻值，使电机电流Id=0.2A，电机任然旋转，转速调节n=100rpm左右。测得低速特性表如下：表5-2低速特性Id（A）0.90.80.70.5n（rpm）1501551902805.3系统单元调试1）电流反馈系数的整定与过流保护的整定：电流反馈强度整定：实验中考虑速度调节器的限幅值为5V，电机最大起动电流为2A，调节Uct使Id=2A时，调整电流反馈电位器使Ufi=5V。 即 （5-1）过流保护整定：当Uct缓慢升高，电流不断增大，当电流表A示为2.5A时，过流报警系统投入工作，若过流报警系统提早或延迟则可调节面板上的过流整定电位器，直到可靠动作为止，这样过流保护整定在2.5V动作。2）速度反馈系统系数的整定：缓慢给定+Uct，使电机起动并升速，当电机升速到电机的额定转速1450rpm时，检查反馈极性应为负，实验中考虑到若速度给定为6V时，对应的转速为1450rpm，调节速度反馈强度电位器，使速度反馈电压为Ufnm=-6V。 即 （5-2）3）零速封锁单元的检查与调节器的调试：DZS调试：若给定为0V，则DZS输出为“1”态；若给定为某一数值（0.5V-1V），则DZS输出为“0”态。电流调节器ACR调试：当给定为0V时，其ACR输出应为0V；当给定为正，其输出应为负，调节负限幅电位器，速度调节器ASR调试：调试方法与调试电流调节器完全相同，但输出的正、负限幅值为±5V。 图 5-3 DPT输入输出特性图零电流检测器DPZ调试：调节电位器，使回环向纵坐标右侧偏移0.1V左右。4) 电流环闭环调试：先调正组，后调反组，然后再反并联。给ACR输入突加给定信号（阶跃信号），用示波器观察电流的动态波形，电流超调量是否符合设计要求（），若不符合，则改变ACR的PI参数，直到符合要求为止。同时读出电流的调节时间，以便确定电流环跟随电流给定信号的能力。5) 系统双闭环运行特性高速特性测试：表5-6高速特性Id（A）2.121.40.9n（rpm）1340135013801420低速特性测试：表5-7低速特性Id（A）10.90.60.4n（rpm）250250250250 仿真图形 启动仿真：点击按钮，仿真启动，双击示波器就可以发现仿真结果如下图4-3： 第六章 结束语6.1 课程设计结论本系统是基于直流双闭环调速的原理设计的，并对恒张力控制进行了研究，形成了一个电流、转速和张力闭环控制的系统。与传统的双闭环相比，增加了张力环，提高了冷轧机的产品质量和工艺的稳定，具备了冷轧机控制的一般方法。除了张力环以外，其他的部分组成了逻辑无环流可逆调速系统，这个系统通过了实验的论证，在实验中我们实现了直流电机的正反转、停车、调速等功能，在低速时由于两环的PI参数没有调整好，出现了转速不平滑的现象，6.2 课程设计收获为期2个星期的运控课程设计已经接近尾声。短短两周时间让我学到了很多，它将大学里所有的知识进行了一次比较全面的总结，并且将这些理论化的知识升华为实际的东西，具体的收获总结如下：1） 提高了知识的系统化能力在课程设计的过程中涉及到了很多的知识，主要包括自动控制原理、电力电子技术和运动控制，它们都是大学里的主干专业课。它将众多知识点结合到一起，并且形成了一个可以独立运行的系统。这就大大提高了我们知识的系统化能力，为今后的工作和学习打下了很好的理论基础。2） 对于四辊冷轧机有了更为深入的认识通过这次的课程设计，结合去年暑假的洛铜实习，使我对于冷轧机有了更为全面的了解，对于其工作原理、工艺流程、控制方法都有了一个实际的体会，和我们所学的知识紧密的联系了起来。3） 提高了实践能力和合作能力整个系统的实现，都是我们亲自动手完成并且调试通过的，也是整个团队成员合作的结晶。这样就大大提升了我们的动手能力和合作意识. 参考文献【1】陈伯时. 电力拖动自动控制系统运动控制系统. 北京：机械工业出版社，2003.28131.【2】王兆安，黄俊. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2005.4390.【3】胡寿松. 自动控制原理. 北京：科学出版社，2001.2064.【4】王洪斌，刘今禹，陈雷云，殷海旺. 高速冷轧机开卷机恒张力控制系统. 自动化仪表，2008，29（5）：710.【5】楚子林， 可逆冷轧机电控系统几个问题的探讨. 电力传动，2007，3 ,7