運動控制系統課程設計畢業(yè)設計

1、目錄 第一章.3 1.1課程設計的背景、目的和要求.31.2 四輥可逆軋機的控制過程.4第二章直流調速方案論述與選擇.52.1 直流電動機調速方法52.2 開環(huán)直流調速系統52.3 轉速負反饋的直流調速系統62.4 直流雙閉環(huán)調速系統62.4.1 系統靜特性.6第三章 調速系統的結構設計.73.1 主電路的設計.73.1.1整流變壓器的選擇7. 3.1.2整流電路晶閘管的選擇.7. 3.1.3電流互感器的選擇.83.1.4平波電抗器的選擇.9第四章 系統的實現.104.1系統數學模型的建立.104.2電流調節(jié)器的設計.114.3速度調節(jié)器的設計.134.4 張力調節(jié)器的設計.16第五章 邏輯無

2、環(huán)流系統的調試.175.1系統實驗調試概述.175.2觸發(fā)器的整定：.175.3系統開環(huán)運行及特性測試.275.4系統仿真.19第六章 結束語.206.1 課程設計結論.206.2 課程設計收獲.20參考文獻.21 第一章緒論1.1 課程設計的背景、目的和要求(1)設計的背景可逆冷軋機是供冷軋紫銅及其合金成卷帶材之用，為提高生產效率，冷軋機要往，返軋制金屬材料，直到達到要求的厚度時才停止。在軋制過程中，為了保證產品質量和工藝過程的穩(wěn)定，冷軋機的榨汁速度需要進行嚴格的控制，冷軋機的軋制速度一般指軋件出口處的速度，軋制速度作為軋機的一項重要工藝指標，與軋機本身結構和操作過程有很大關系。為了控制軋機

3、的軋制速度，要求軋機左右兩邊的兩臺卷取機在從左往右的正向軋制過程中，左邊一臺卷取機作開卷作用，其工作在發(fā)電狀態(tài)；右邊一臺卷取機做卷機用，工作在電動狀態(tài)。若逆向軋制，則兩臺卷取機工作狀態(tài)與正向相反。四輥冷軋機的原理見圖如下： 圖1-1 冷軋機原理圖卷取機的機械參數如下：帶卷內徑（卷筒直徑）：500帶卷外徑：6801100帶卷最大重量：2000帶卷最大張力：2000卷取機傳動比：(2)設計目的運動控制是自動化專業(yè)的主干專業(yè)課程，具有很強的系統性，實踐性和工程背景，運動控制系統課程設計的目的在于培養(yǎng)學生綜合運用運動控制系統知識和理論分析解決實際問題的能力，使學生掌握正確的設計思路，掌握工程設計的一般

4、程序，規(guī)范和方法，提高學生調查研究，查閱文獻及正確使用技術資料，標準，手冊等工具的能力，理解分析，制定設計方案的能力，設計計算和繪圖能力，實驗研究及系統調試能力，編寫設計說明書的能力。(3)設計要求a）穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調量，空載啟動至額定轉速時的轉速超調量能實現快速制動。b）直流電動機參數：，電樞回路總電阻r=0.18，電流過載倍數，。1.2 四輥可逆軋機的控制過程可逆冷軋機主要由以下幾個部分組成：主驅動電路、放卷電機、收卷電機。軋機的工作過程為：主驅動電機牽引鋼帶從輥縫中穿過，通過下壓電機或液壓系統對輥系產生壓力，從而使鋼帶產生形變，使出口的鋼帶變薄，左右收放卷電機產生足夠的延伸應力（張力

5、）以繃緊鋼帶。系統啟動后，收放卷電機以設定的張力在主驅動電機的帶動下運動，為了不使鋼帶“松弛”或“拉斷”，必須確保系統中每一點鋼帶的線速度（秒流量）都相等，即張立恒定。鋼帶每次放完收滿以后，通過外部開關實現收、放卷切換。即放卷切換成收卷，收卷切換成放卷，如此循環(huán)直至鋼帶軋制成目標厚度。 第二章直流調速方案論述與選擇2.1 直流電動機調速方法根據直流電機轉速方程： （2-1） (1)、調節(jié)電樞供電電壓;(2)、減弱勵磁磁通; (3)、改變電樞回路電阻2.2 開環(huán)直流調速系統系統原理圖如圖2-1所示。圖2-1 開環(huán)控制直流調速系統如圖2-1 所示是開環(huán)調速系統，調節(jié)控制電壓就可以改變電動機的轉速。

6、2.3 轉速負反饋的直流調速系統圖 2-2 轉速負反饋的閉環(huán)調速系統轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統的靜特性方程式： (2-2)2.4 直流雙閉環(huán)調速系統構成的雙閉環(huán)直流調速系統的電路原理圖如圖2-3所示。圖2-3 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統結構 asr轉速調節(jié)器 acr電流調節(jié)器 tg測速發(fā)電機ta電流互感器 upe電力電子變換器2.4.1 系統靜特性雙閉環(huán)直流調速系統靜態(tài)結構圖如圖2-4圖2-4 雙閉環(huán)直流調速系統的穩(wěn)態(tài)結構第三章 調速系統的結構設計3.1 主電路的設計 其實現方法如下圖3-1所示： 圖3-1 主電路圖3.1.1整流變壓器的選擇 1閥側相電壓 不可逆系統：=（0.951.0）/

7、 可逆系統：=（1.051.1）/ 式子中，為電動機額定電壓則=1.1/=146.07v 取=150v2閥側相電流 變流變壓器閥側相電流可按下式計算： = 其中=0.816（三相橋式） 則=134.64a 變壓器容量： 取3.1.2整流電路晶閘管的選擇 1額定電壓的確定 由于采用三相橋式整流電路，所以晶閘管承受的最大反向電壓： =357.79 其晶閘管與陰極之間的最大正向電壓： =206.57 則考慮安全裕量，電壓定額為：（23）=715.591073.39，取1200 2額定電流的確定晶閘管的額定電流為： 考慮安全裕量，電流定額為：=（23）95.263=190.526285.789（因為電

8、流過載倍數=2.5）,取3003.1.3電流互感器的選擇 由于交流變壓器副方電流為134.6，所以選lmz-0.5-1型電流互感器，額定電流為300。3.1.4平波電抗器的選擇 平波電抗器的電感量一般按低速輕載時保證電流連續(xù)的條件來選擇。通常，首先選定最小電流，再利用它計算所須的總電感量，減去電樞電感，即得平波電抗器的電感值。所以大約取。第四章 系統的實現通過第二章的分析可知，直流電機的調速系統選擇為雙閉環(huán)調速系統，有電流環(huán)和轉速環(huán)組成，其中電流環(huán)為內環(huán)，轉速環(huán)為外環(huán)，結構框圖如下：圖 4-1 直流電機調速系統結構框圖 ks a 1/ceu*nucidenud0un+-asr+u*i- r b

9、 acr-uiupe圖 4-2 雙閉環(huán)直流調速系統的穩(wěn)態(tài)結構圖.轉速調節(jié)器asr的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調節(jié)器acr的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。 而一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運行段，它是水平的特性。asr輸出達到限幅值，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統不再產生影響。4.1系統數學模型的建立1、 系統的動態(tài)結構框圖如圖4-4所示。 圖4-4雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)結構圖 直流電動機的參數如下： 變流裝置采用三相橋式整流電路，晶閘管觸發(fā)整流裝置放大倍數，平均延遲時間。平波電抗器電感。電樞回路總電阻。2、 系統固有部分的主要參數計算（1）電動機

10、的電磁時間常數 （2）電動機的電動勢常量 （3）電動機的轉矩常量 （4）轉速慣量 （5）電動機機電時間常數 4.2電流調節(jié)器的設計如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內，同時把給定信號改成，將非單位負反饋變換成單位負反饋系統。如圖4-5b所示。由于和較小得多，所以可把前兩者構成的小慣性環(huán)節(jié)合并，。如圖4-5c所示。簡化的近似條件為 (a)acr（b）+-acr（c）+-圖4-5 電流環(huán)的動態(tài)結構框圖及其化簡2、電流調節(jié)器的設計（1）選擇電流調節(jié)器結構對電流環(huán)，可以校正成典i系統，也可以校正成典ii系統應根據生產機械的要求而定，一般對抗擾性能要求不是特別嚴格時均采用典i系統設計即可。顯

11、然，欲校正成典i系統，電流調節(jié)器應選用pi調節(jié)器。其傳遞函數為（2）計算電流調節(jié)器參數電流調節(jié)器超前時間常數，取 電流開環(huán)增益：要求電流超調量，取，因此 于是，acr的比例系數為：1.419（3）校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率：1、電力電子變換器純滯后的近似處理 2、忽略反電動勢變化對電流環(huán)的動態(tài)影響 3、電流環(huán)小慣性的近似處理 三個條件都符合要求，故說明設計的參數合理。（4）計算調節(jié)器電阻電容調節(jié)器的輸入電阻，則 取 取 取圖 4-6 電流調節(jié)器4.3速度調節(jié)器的設計 1、速度環(huán)框圖的建立及化簡電流環(huán)等效閉環(huán)傳遞函數的求取 ，近似的條件為： 速度環(huán)框圖如圖4-7a所示，和電流環(huán)一樣，把轉速給定

12、濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內，將非單位負反饋變換成單位負反饋系統，給定信號改為。同理，由于和較小，所以可把前兩者構成的小慣性環(huán)節(jié)合并，。如圖4-7b所示。asr（a）-+-+（b）-+-+asr圖4-7 轉速環(huán)的動態(tài)結構框圖及其化簡）2、速度調節(jié)器的設計（1）選擇速度調節(jié)器結構顯然，欲校正成典ii系統，速度調節(jié)器應選用pi調節(jié)器。其傳遞函數為（2）計算速度調節(jié)器的參數按三階最佳系統設計，取5，可求得轉速開環(huán)增益： 于是可得asr的比例系數： （3）檢驗近似條件 兩個近似條件都符合要求。由電力拖動自動控制系統運動控制系統中表27查表計算得： 轉速超調量也符合要求，故說明設計的參數合理。（4）計算調

13、節(jié)器電阻電容設取調節(jié)器的輸入電阻，則 取 取 取4.4.1間接法張力控制 在帶材軋制過程中,過大的卷取張力會影響產品的內部金相組織過小的卷取張力會出現帶鋼跑偏等現象張力的不穩(wěn)定會使帶鋼出現紋波。因此一般薄帶的軋制都需要恒張力軋制。下圖繪制了其原理：主機速度給定asracr主電路電動機加法器電流檢測張力給定(-ut)加法器速度檢測卷徑變化電位計加法器勵磁電流調節(jié)器勵磁電路勵磁電流檢測圖4-9 間接法張力調節(jié)系統對卷取機采用直流電動機的軋制設備而言, 其卷取張力直接跟電動機的電樞電流、電勢和卷取線速度等參數有關。系統的設計依據要實現恒張力軋制, 首先必須使卷取機的卷取線速度與主軋機軋制線速度同步,

14、 并保持恒定。 第五章 邏輯無環(huán)流系統的調試5.1系統實驗調試概述電流給定極性信號（轉矩極性）零電流檢測信號電平檢測邏輯判斷延時電路聯鎖保護封鎖反組脈沖封鎖正組脈沖ufur運算放大器實現（滯回）cpld實現圖5-1 無環(huán)流邏輯控制器的組成及原理5.2系統開環(huán)運行及特性測試1) 高速特性測試：逐步增加給定電壓，使電動機起動，升速。調節(jié)ug和滑動變阻器的阻值，使電動機電流id=2.3a,轉速n=1600rpm。給定uct保持不變，得高速特性表如下：表5-1高速特性id（a）2.32.11.71n（rpm）14201430149015102) 速特性測試：調節(jié)ug和滑動變阻器的阻值，使電機電流id=

15、0.2a，電機任然旋轉，轉速調節(jié)n=100rpm左右。測得低速特性表如下：表5-2低速特性id（a）0.90.80.70.5n（rpm）1501551902805.3系統單元調試1）電流反饋系數的整定與過流保護的整定：電流反饋強度整定：實驗中考慮速度調節(jié)器的限幅值為5v，電機最大起動電流為2a，調節(jié)uct使id=2a時，調整電流反饋電位器使ufi=5v。 即 （5-1）過流保護整定：當uct緩慢升高，電流不斷增大，當電流表a示為2.5a時，過流報警系統投入工作，若過流報警系統提早或延遲則可調節(jié)面板上的過流整定電位器，直到可靠動作為止，這樣過流保護整定在2.5v動作。2）速度反饋系統系數的整定：

16、緩慢給定+uct，使電機起動并升速，當電機升速到電機的額定轉速1450rpm時，檢查反饋極性應為負，實驗中考慮到若速度給定為6v時，對應的轉速為1450rpm，調節(jié)速度反饋強度電位器，使速度反饋電壓為ufnm=-6v。 即 （5-2）3）零速封鎖單元的檢查與調節(jié)器的調試：dzs調試：若給定為0v，則dzs輸出為“1”態(tài)；若給定為某一數值（0.5v-1v），則dzs輸出為“0”態(tài)。電流調節(jié)器acr調試：當給定為0v時，其acr輸出應為0v；當給定為正，其輸出應為負，調節(jié)負限幅電位器，速度調節(jié)器asr調試：調試方法與調試電流調節(jié)器完全相同，但輸出的正、負限幅值為±5v。 圖 5-3 dp

17、t輸入輸出特性圖零電流檢測器dpz調試：調節(jié)電位器，使回環(huán)向縱坐標右側偏移0.1v左右。4) 電流環(huán)閉環(huán)調試：先調正組，后調反組，然后再反并聯。給acr輸入突加給定信號（階躍信號），用示波器觀察電流的動態(tài)波形，電流超調量是否符合設計要求（），若不符合，則改變acr的pi參數，直到符合要求為止。同時讀出電流的調節(jié)時間，以便確定電流環(huán)跟隨電流給定信號的能力。5) 系統雙閉環(huán)運行特性高速特性測試：表5-6高速特性id（a）2.121.40.9n（rpm）1340135013801420低速特性測試：表5-7低速特性id（a）10.90.60.4n（rpm）250250250250 仿真圖形 啟動仿真

18、：點擊按鈕，仿真啟動，雙擊示波器就可以發(fā)現仿真結果如下圖4-3： 第六章 結束語6.1 課程設計結論本系統是基于直流雙閉環(huán)調速的原理設計的，并對恒張力控制進行了研究，形成了一個電流、轉速和張力閉環(huán)控制的系統。與傳統的雙閉環(huán)相比，增加了張力環(huán)，提高了冷軋機的產品質量和工藝的穩(wěn)定，具備了冷軋機控制的一般方法。除了張力環(huán)以外，其他的部分組成了邏輯無環(huán)流可逆調速系統，這個系統通過了實驗的論證，在實驗中我們實現了直流電機的正反轉、停車、調速等功能，在低速時由于兩環(huán)的pi參數沒有調整好，出現了轉速不平滑的現象，6.2 課程設計收獲為期2個星期的運控課程設計已經接近尾聲。短短兩周時間讓我學到了很多，它將大學里所有的知識進行了一次比較全面的總結，并且將這些理論化的知識升華為實際的東西，具體的收獲總結如下：1） 提高了知識的系統化能力在課程設計的過程中涉及到了很多的知識，主要包括自動控制原理、電力電子技術和運動控制，它們都是大學里的主干專業(yè)課。它將眾多知識點結合到一起，并且形成了一個可以獨立運行的系統。這就大大提高了我們知識的系統化能力，為今后的工作和學習打下了很好的理論基礎。2） 對于四輥冷軋機有了更為深入的認識通過這次的課程設計，結合去年暑假的洛銅實習，使我對于冷軋機有了更為全面的了解，對于其工作原理、工藝流程、控制方法都有了一個實際的體會，和我們所學的知識緊密的聯系了起來。3）