精品基于单片机控制自动配料系统设计论文

I 摘 要 皮带配料系统 是一种连续累计自动 控制系统 ，广泛用在煤炭、化工、冶金、建材、食品等关系国计民生的各个行业， 配料系统 可对物料的配比实现累计量控制，而准确的累计量控制可提高产品质量，降低生产成本，提高劳动效率。 首先介绍了 配料系统 控制器的国内外发展状况，接着对 配料系统 的组成结构、工作原理作了介绍。然后根据 配料系统 流量控制的设计要求，设计了以片机为主控芯片的 配料系统 控制器。 论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了 收、保护控制等关键技术 。在单片机控制方面，讨论 了数字触发、数字测速、数字 制器、转速与电流控制器的原理 ,并给出了软、硬件实现方案。 系统中使用了光电码盘对直流电机的转速进行测量，用电流互感器对直流电机的电流进行检测，经过滤波电路后，将测量值送到 A/D 转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行 而实现了对直流电机速度和电流的控制。通过实时测试与调节电动机的转速和电流，此调速系统可获得快速、精确的调速效果。 关键词 直流不可逆调速 数字控制器 is a It a in to s of is by of of of an to of at of to of a a as of of on of so In of it of WM or to is in to of is , is in in a PI By s C 录 摘 要 . I . 录 . . 1 章 绪 论 . 1 言 . 1 究皮带配料系统的意义 . 1 料系统的国内外发展现状 . 3 料系统的发展趋势 . 4 第 2 章 配料自动控制系统设计 . 6 料自动控制系统可控直流源的选择 . 6 料自动控制系统可控直流源的方案比较 . 6 料自动控制系统可控直流源的方案确定 . 8 流调速系统 . 8 . 9 . 10 料系统直流调速系统闭环系统方案 . 10 料系统自动控制系统的整体方案设计 . 12 料系统直流调速系统设计 . 13 料系统自动控制系统性能及技术要求 . 13 流电机相关参数的计算 . 14 闭环稳态工作时静特性 . 16 流调节器和转速调节器的设计 . 17 第 3 章 配料系统自动控制系统硬件电路设计 . 22 . 22 感器选择 . 22 V . 23 . 24 （ . I . . . 错误 !未定义书签。 . 1 . 1 he of . 1 he of in . 3 he of . 4 of . 6 he of C . 6 of C . 6 he of . 8 C s . 8 he of WM . 9 of WM . 10 he of . 10 he of of 12 C . 13 . 13 he of of C . 14 he of . 16 he of CR . 17 of . 22 . 22 he of . 22 to . 23 . 24 ，使皮带传输的物料按照一定比例参杂在一起，在工业和农业上有很大的用处。 随着国民经济的持续、快速增长， 实现工业生产自动化、快速化 已经成为与人们生活息息相关的一个环节。 近年来，随着电子技术、传感器技术、计算机技术以及智能控制理论的飞 速发展， 配料自动控制 技术也经历了划时代的发展。传统的 手动控制物料配比 不仅 会导致配料 误差大，而且 配料控制过程持续的 时间长 ，耗费的人力资源比较大 。随着工业化的发展，手 动配料 迅速发展成现在的可连续自动进行，不需要人工干预就可以完成的自动 配料 操作，而且误差小、操作方便、配料控制 时间也大为缩短，还降低了对能源和材料的消耗。 配料系统自动控制 装置不仅是提供重量数据的仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，更加推进了工业生产的自动化和管理的现代化。 皮带配料系统 作为一种动态衡器，已经广泛用于工矿企业、交通运 输、冶金、化工、建材等国民经济各个领域的配料中，并取得了显著的经济效益。能否准确配料已经成为影响人们生产生活的一个重要因素，但是我国现有的这方面的产品少且设备功能不齐全 、精度不高、工作不稳定 。因此，改善现有配料装置，开发更精确、更方便的 配料系统 控制器势在必行。 究皮带配料系统的意义 皮带配料系统 简称为 配料系统 ，它与 皮带传输系统 的设计原理和组成结构基本相同，不同的是， 配料系统 在 皮带传输系统 的基础上又增加了 “配料 ” 2 这一功能。 它广泛用于煤炭、化工、食品加工、建材等行业的物料配比当中，其配料的准确与否直 接影响着国民生产的各个部门。 配料系统 的使用可以提高各个部门的自动化水平和各个生产系统的可靠性，降低工人劳动强度，提高生产效率 和产品质量，从而扩大公司的效益 。 在煤炭行业， 配料系统 用于定量供煤，能否准确配料直接决定配煤质量。在化工行业， 配料系统 用于多种原材料的定量配比，它可以起到减员增效，节约成本，减少误差，从而创造更大的利润。在食品加工行业， 配料系统 的使用代替了大量的手工劳动，提高了劳动生产效率，使得食品加工更方便、快捷。在建材行业，沙子、粘土、水泥、石灰、石子等物料的混合需要用 配料系统 对其进行定量配比。由 此可见， 配料系统 的应用非常广泛。 目前，配料控制系统己广泛应用于工农业生产和社会生活的各个领域。随着科学技术的不断发展，配料控制系统也随之不断改进。在很多生产工艺过程中，人们除了要求衡器能准确地进行称量，满足产品质量的需要外，还要求称重过程能大幅度提高生产效率。尤其是冶金、煤炭、化工、水泥等行业中，常需要对散料进行皮带输送过程中的动态连续称量，而且还要对输送中的流量进行调节、控制、达到准确的配比。配料质量控制的优劣直接关系着企业生产能否顺利进行。如果配制的质量达不到要求，轻则造成原料、能源的浪费，重则影响产 品的质量和生产率川，并且有些重要生产岗位的配料失误甚至会给整个生产酿成事故。因此，配料精度的高低和配料速度的快慢制约着整个生产的产品质量和产量，因此应对配料过程的质量和产量控制给予足够重视。 随着我国工业自动化程度的提高， 配料系统 将在现在和未来的市场需求中占据相当大的比例。 皮带配料系统 作为一种新兴的高新技术产业而越来越受到世界各国的普遍关注。在西方发达国家， 配料系统 的生产技术已经相对完善；而在中国，由于先前的技术水平落后，这使得积极开发研制更加精确、方便、可靠、功能更强大的 配料系统 控制器具有重要意义。而且， 中国地大物博、资源丰富，各项工业生产正在以不可阻挡的势头向前发展。可以看到， 3 中国广大的市场为 配料系统 的发展提供了广阔的前景。 另一方面，我国目前的主要矛盾是落后的生产力满足不了人民日益增长的物质文化需要。在物质方面，我们需要又快又好的生产出我们所需要的物质产品，所以我们要进行生产自动化，实现生产的快速性与精确性。 综上所述，我们可以看到配料自动控制系统的研究设计对我国经济发展有着很重要的意义，精确的配料技术不仅可以扩大生产量，还可以是生产出来的产品具有很高的质量和性能，经得起市场的考验，使我们的产品在世界经济 市场上更具有竞争力。 料系统的国内外发展现状 根据最新 配料系统 国家标准的规定， 皮带配料系统 是一种连续累计自动衡器。衡器是利用作用于物体上的重力来确定该物体质量的计量仪器，按其操作方式可分为：自动衡器和非自动衡器。所谓自动衡器就是指在称量过程中无需操作者干预便能按预定的处理程序自动称量的衡器。其中，连续累计自动衡器是无需对质量细分就可对皮带上散装物料进行连续称量的自动衡器。 皮带配料系统 就是在皮带输送物料的过程中同时对物料进行连续累计称量的一种自动衡器。 配料系统 起源于 19 世纪末，工业革命以来，各 项新技术突飞猛进的发展，随着 皮带传输系统 的出现， 配料系统 也应运而来。最早的 皮带传输系统称重原理来自于斗式输送机对散状物料连续自动称量的装置。第二次世界大战之后，随着传感器技术、电子技术的迅猛发展， 配料系统 的发展也是突飞猛进。 配料系统 的发展大致经历了以下四个阶段： 第一阶段是上世纪五、六十年代的纯机械式 配料系统 ，普遍采用机械式、光电式扫描或增量式编码器等，这一阶段的 配料系统 仅具有识别计数和启动功能。 第二阶段是六、七十年代的传感器电子仪表 配料系统 ，随着模拟电路和 4 数字电路的飞速发展，逐渐出现了各种小型化的配料 电动仪表。可用仪表来实现平衡、识别和累计计算等功能。 第三、第四阶段是 20 世纪七十年代末的微机智能化的 配料系统 。计算机首次被引入电子 配料系统 ，大大提高了它的集成度。此时的 配料系统 累计量运算采用累加法代替了积分法。 第一、二阶段的 配料系统 只能进行简单的测量、累计计算，而且准确度不高，对系统运行过程中的变化不可控制，因此其计量过程准确度低，动态性能差，缺乏稳定性。而第三、四阶段的 配料系统 控制器集合了微机技术、现代计量技术、通讯技术、网络技术、工业控制等技术，不仅增强了计量的准确性，而且对其在计量过程中出现的问题 能够实时监测和控制，同时，仪表的显示、报警、调零等功能的自动控制也越来越完善。而通讯技术的发展更是增强了仪表的远程维护诊断与数据传输的功能。 在自动配料系统的研发与设计方面，欧美发达国家的起步较早，而当时的中国在清政府的统治下，采取闭关锁国的外交政策，使得我国没有及时的引进这些先进技术。鸦片战争以后，我国一些先进知识分子开始意识到西方科学技术的强大，渐渐摘掉了夜郎自大的眼睛，放眼看世界，开始在西方列强的压迫下摸索前进。 新中国成立后，政府高度重视科学技术的发展。我国的科学技术突飞猛进，不断地克服技术上的难题 。其中配料控制系统作为一个在各个生产领域方面都有其重要作用关键环节更是取得了很大成就。 料系统的发展趋势 近年来，随着计算机技术的飞速发展，对原有配料系统进行技术方面改进已经成为必然的趋势，提出了通过数据采集、自动控制、远程监视、报警、运行管理、变频调速等多方面的技术改进方法。在生产任务繁重的时候，要求系统能够加快生产速度，集中控制电机的启动、浏览生产工业流程图、作出事故报警响应、调节电机运行速度等功能，实现所需功能的集中控制，这 5 就要求系统可以实现远程控制功能，并且实时对现场设备进行监控。 第一， 大规模集成芯片的产生和广泛应用使得稳定安全的控制系统得到了基本的保证，但是在一些严酷的环境下，系统故障还是时常发生，导致我们生产出来的产品会因为外界扰动配料失调而不合格，所以系统在恶劣环境的抗干扰能力有待提高。 第二，在工业生产当中尤其是化学工艺中，对物料的配料精度有着极高的要求，一般的配料自动控制系统很难满足要求，需要开发高精度高灵敏度的设备来实现这类一行业的生产自动化。对于这一点，我们除了在硬件方面采取一些措施，选择性能较高的元器件：也可以在软件编程上面下功夫。 第三，现代的工业自动化虽然给我们的生产生 活带来了极大的便利，但与此同时对环境也产生了不良影响，我们需要在生产过程中采用一些手段使得我们的生产更环保、更节能，认真贯彻可持续发展战略。 通过以上的分析，可以看到配料自动控制系统还要经过一些完善，具有很深刻的研究意义。 6 第 2 章 配料自动控制系统设计 料自动控制系统可控直流源的选择 直流调速的主要方法是变压调速：即通过改变直流电机的电枢电压来实现调速的目的。 调节电枢电压常用的可控直流源有三种 1： 1、 旋转变流机组； 2、 静止式可控整流器； 3、 直流斩波器或脉宽调制 器。 旋转变流机组是至少要包含两台与调速电机容量相当的旋转电机，还需要一台励磁发电机，设备多，体积庞大，费用高，不便于维护，运行噪声大。早已经被淘汰。这里主要对比后两种方案。 料自动控制系统可控直流源的方案比较 方案一：静止式可控整流器 1957 年，晶闸管问世，很快便生产出整套的晶闸管整流装置，使变流技术发生了革命性的变化。 通过调节阀装置的控制电压可改变平均整流电压而实现平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性 2。 三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电 7 路组成的调速装置调节范围广（将近 50）。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。 但是 统在应用时还有很多的缺点 ： 1、 由于晶闸管的单向导电性，要实现四象限运行，必须采用正、反两组全控桥整流电路； 2、 晶闸管对过电压和过电流十分敏感，因此必须有可靠地保护电路和符合要求的散热条件； 3、 当系统处于深调速状态，晶闸管的导通角度很小，系统功率因数低，会产生很大的谐波电流，引起电网电压的畸变。因此， 统必须添加无功补偿和谐波滤波装置。 方案二：直流斩波器 通过 式控制直流电机调速的方法。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 制技术就是以该结论为理论基础，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相 等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪 80 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪 80 年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展， 制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用， 制技术获得了空前的发展。到目前为止，已经出现了多种 制技术 3。 制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 制技术发展的主要方向之一。 8 料自动控制系统可控直流源的方案确定 统相对于 统有以下优点 4： 1、 主电路简单，需要用的电力电子器件少； 2、 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热功率都很小； 3、 低速性能好，稳态精度高，调速范围宽； 4、 若与快速响应的 电机配合，系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强； 5、 电力电子器件导通损耗小，装置效率高； 6、 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 由于本设计所要控制的电机要求响应速度快，基于以上优点，所以系统就是利用脉宽调制器这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。论文中采用了专门的芯片组成了 号的发生系统，然后通过控制直流电机电路中的 控制电机的转速。利用旋转编码器测得电机速度，同时利用霍尔式电流传感器取得到电流信号并将其转化为合适的电压信号，把电压信号输入给 A/D 转换芯片再送 给给单片机，在内部通过软件编程进行运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的自动调速控制。 流调速系统 路方案设计 本设计需要设计一个直流调速系统，根据皮带传输系统所测得的物料重量来调节上一级传输皮带的物料传输速率，即控制直流电机的转速，从而达到控制皮带传输系统上物料重量的目的。由于系统仅需要控制皮带传输加减速，不需要实现电机反转、四象限运行，固选择有制动电流通路的不可逆 不可逆 换器 电枢平均端电压为： 9 （ 2 = dU/压的占空比，改变（ 10 ）即可调节电动机的转速，控制电机工作于电动、制动和停止运行。 换器控制方案选择 采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同 制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开 关器件的导通和关断进行控制 ,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形 可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率 5。 硬件调试法： 硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的 形 调制信号波为正弦波时，所得到的就是 形 以用模拟电路构成三角波载波和正 弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点 ,在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成 种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制 . 软件生成法： 由于微机技术的发展使得用软件生成 形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生 有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法 . 本设计利用软件编程设置一些关键控制字，实现脉宽调制信号的输出，达到控制的目的。 10 换器的数学模型 根据 换器工作原理和波形分析，可以看出 ，当控制电压换器的输出电压 线性规律变化，但其响应会有延迟 6。因此，脉宽调制器和 换器合起来可以看成一个滞后环节，它的延时最大不超过一个开关周期 T。 脉宽调制器和 换器的传递函数可近似看成 1)( S 2 式中 为脉宽调制器和 换器的放大系数； 换器的输出电压； 置的延迟时间 料系统直流调速系统闭环系统方案 在本次设计中，电机调速系统采取闭环控制系统，有两种方案可供选择：单闭环调速系统和双闭环调速系统。 单闭环调速系统引入转速负反馈，结构简单，参数计算简单，比较容易实现。如果设置 节器可以实现无静差调速。 随着调速系统的 不断发展和应用，传统的采用 节器的单闭环调速系统虽能实现转速的无静差调节，但不能满足较快的动态响应的一般生产机械的调速要求。为了提高生产率，要求尽量缩短起动、制动、反转过渡过程的时间，最好的办法是在过渡过程中始终保持电流（即动态转矩）为允许的最大值，使系统尽最大可能加速起动，达到稳态转速后，又让电流立即降低，进入转矩与负载相平衡的稳态运行。要实现上述要求，其唯一的途径就是采 11 用电流和转速负反馈控制方法，即采用速度、电流双闭环的调速系统来实现。在电流控制回路中设置一个调节器，专门用于调节电流量，从而在调速系 统中设置了转速和电流两个调节器，形成转速、电流双闭环调速控制。双闭环调速控制系统中采用了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实现串级连接。 图 2转速、电流双闭环直流调速系统的原理图 7。 图 2速、电流双闭环直流调速系统的原理图 图中两个调节器 别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。 两个调节器输出都带有限幅， 就电机的最大电流；电流调节器 出限幅电压 为了获得良好的静、动态性能，两个调节器都采用 节器，则有 R sW s K s R sW s K s 为了引出电流反馈，在电动机的动态框图中必须把电枢电流 露出来。