机电传动控制课程设计-长网纸机多分部协调控制系统—烘缸分部传动控制系统设计与仿真.doc

贵州大学明德学院 机械设计制造及其自动化课程设计说明书学 院： 明德学院 课题名称： 机电传动控制课程设计 专 业：机械设计制造及其自动化班 级： 机自081 学 号：姓 名： 指导老师： 17目录1、 任务书22、 系统概述42.1转速、电流双闭环直流调速系统简介43、 课程设计内容53.1课程设计目的53.2设计任务及要求5（1） 设计任务及主要技术参数5（2）设计指标5（3）控制方案设计5四、参数计算64.1计算系统的参数64.2确定时间常数64.3计算电流调节器的传递函数74.4转速环设计75、 系统建模及仿真实验95.1仿真建模及实验95.2直流双闭环调速系统仿真模型105.3闭环转速波形/电流波形图仿真115.4加入扰动后的电流波形图/转速波形图125.5跟随性分析136、 设计心得14七、参考文献15一 任务书一、课程设计目的：机电传动控制课程设计，是将机电专业理论课程的相关内容有机结合起来，使学生受到完整的设计过程训练，使学生对电子、电机电气控制的设计过程有全面的了解，使学生掌握机电工程设计的基本方法，提高其分析问题和解决实际工程问题的能力，培养学生的工程观念，将整个课程内容有机而系统地结合起来。通过多分部协调控制长网纸机电气传动系统的设计训练，应建立起电机传动控制系统较完整的概念，包括自动控制系统的组成环节、信号传递、设计、计算以及仿真；掌握自动控制系统静态设计方法、动态校正方法。1、掌握直流电机调速控制系统的设计，掌握数学模型建立方法。2、初步掌握MATLAB 软件的使用，及在Simulink 功能模块中构建模型图的方法。3、掌握计算机辅助设计在运动控制系统的应用。二、课程设计主要任务及技术参数1.课程设计题目长网纸机多分部协调控制系统烘缸分部传动控制系统设计与仿真；2、具体技术参数及指标要求：烘缸分布传动电机选择的直流电动机Z2-62参数：励磁采用复励，励磁电流0.965，极对数为2，额定功率13KW，额定电压230V，额定电流47.8A，额定转速 1450r/m，Ce =0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5。电枢电阻：Ra=0.5W，电枢回路总电阻：2Ra=1晶闸管装置放大系数：Ks =40时间常数：机电时间常数Tm =0.18s，电磁时间常数Tl =0.03s转速反馈滤波时间常数：Ton =0.005s，电流反馈滤波时间常数：Toi =0.005s总飞轮力矩：GD2=2.5N.m设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路。设计指标：（1）调速范围D=10，静差率S 5；稳态无静差，电流超调量i 5%,电流脉动系数Si 10；启动到额定转速时的转速退饱和超调量n 10；（2）系统具有过流、过压、过载和缺相保护；三、课程设计主要内容（1）资料分析；查阅相关文献资料，对资料进行分析总结。（2）控制方案设计；确定该分部传动系统的具体任务要求，根据任务初步拟定系统主电路、控制电路的技术参数、运动形式、驱动方案、传动方案、控制方案等。（3）系统模型的建模；将分别对系统各个结构的关键部件进行详细设计并校核，建立系统的数学模型。（4）运动控制方案设计（5）控制系统的动静态仿真与调试；基于MATLAB完成该分部机电传动控制系统的仿真设计与调试。（6）编制课程设计说明书四、课程设计进度要求序号设计内容所需时间1资料查阅设计准备1天2总体方案设计1天3学习MATLAB2天4系统建模2天5系统仿真调试3天6完成设计说明书1-3天7提交及答辩1天五、课程设计说明书要求课程设计应独立完成，说明书叙述简明扼要，文理通顺、字迹端正，内容完整。注意设计说明书必须包括方案论证、参数的设计及计算，系统的设计调试，设备的使用说明书，程序清单等。六、研究小组的主要分工每15个同学左右一组，相互协作完成所规定的研究内容，内容可以包括但并不限于这些内容。每个小组要在标明每个人在总体工作中的贡献和工作比例或者每个人负责的内容。研究内容的多少会影响到每组的最终成绩，鼓励学生自己选取感兴趣的研究内容进行创新设计和深入研究。七、项目的考核方式指导教师根据学生出勤情况、系统的设计制作及测试、研究报告等方面情况综合评定每个学生的项目成绩。二 系统概述2.1 转速、电流双闭环直流调速系统简介 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。本设计主要研究了直流调速转速、电流双闭环控制系统。系统模型由晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速电流调节器组成的控制电路两部分组成。主电路采用三相可控晶闸管整流电路整流，用PI调节器控制。控制电路设置两个PI调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者实行嵌套连接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，形成转速电流双闭环直流调速系统。在Simulink中建立仿真模型，设置各个模块的参数，仿真算法和仿真时间，运行得出仿真模型的波形图。通过对波形图的分析，说明直流调速转速电流双闭环控制系统具有良好的静态和动态特性。虽然直流双闭环调速系统有很好的静态和动态性能，但是在该系统中，转速超调是必然会出现的，虽然为了改善这种情况，我们能在双闭环系统的基础上加上转速微分负反馈。在本设计中，我们就引入了转速微分负反馈环节，并将两种系统做了比较。三 课程设计内容3.1 课程设计目的： 机电传动控制课程设计，是将机电传动控制系统理论课程的相关内容有结合起来，使学生受到完整的设计过程训练，使学生对电子、电机电气控制的设计过程有全面的了解，使学生掌握机电工程设计的基本方法，提高其分析问，题和解决实际工程问题的能力，培养学生的工程观念，将整个课程内容有机而系统地结合起来。 通过多分部协调控制长网纸机电气传动系统的设计训练，应建立起电机传，动控制系统较完整的概念，包括自动控制系统的组成环节、信号传递、设计、计算以及仿真；掌握自动控制系统静态设计方法、动态校正方法； 1、掌握直流电机调速控制系统的设计，掌握数学模型建立方法。 2、初步掌握MATLAB 软件的使用，及在Simulink功能模块中构建模型图的方法。 3、掌握计辅助设计在运动控制系统的应用。3.2设计任务及要求（1）设计任务及主要技术参数 烘缸分布传动电机 选择的直流电动 Z2-62参数：励磁电流0.965A，极对数为2，额定功率13KW，额定电压 230V，额定电流47.8A，额定转速 1450r/m，Ce =0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5。晶闸管装置放大系数：=40,电枢电阻：Ra=0.5,电枢回路总电阻:2Ra=1时间常数：机电时间常数=0.18s，电磁时间常数=0.03s要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压为10V，两调节器的输出限幅电压10V，转速反馈滤波时间常数：=0.005s，=0.005s总飞轮力矩：GD=2.5N. h=5设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装，置采用三相桥式电路。（2）设计指标1.调速范围D=10，静差率S 5%稳态无静差，电流超调量i 5%, 电流脉动系数Si 10启动到额定转速时的转速退饱和超调量n 10 %2. 系统具有过流、过压、过载和缺相保护； （3）控制方案设计按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展设计原则（本课题设计先设计电流内环，后设计转速外环,再设计电流变化率内环）。在双闭环系统中应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作转速调节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。然后在此基础上加入电流变化率内环,这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，结构简单，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。现代的电力拖动自动控制系统，除电机外，都是由惯性很小的电力电子器件、集成电路等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以近似为低阶系统，而用运算放大器或数字式微处理器可以精确地实现比例、积分、微分等控制规律，于是就有可能将多种多样的控制系统简化或近似成少数典型的低阶结构。如果事先对这些典型系统作比较深人的研究，把它们的开环对数频率特性当做预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指括的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。双闭环直流调速系统的结构框图:双闭环直流调速系统的动态结构图 U*nASRa Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E 四 参数计算4.1 计算系统的参数计算过程计算电流和转速反馈系数4.2 确定时间常数1. 由已知电流滤波时间=0.005s，=0.005，查表可得=0.0017s按电流环小时间常数环节的近似处理方法取=+=0.0017+0.005=0.0067s2 .选择电流调节器结构调节器选择电流环可按典型工程系统进行设计，电流调节器选用调节器，其表达式为 4.3 计算电流调节器的传递函数1.ACR超前时间常数i=Ti=0.03s。电流环超调量考虑，电流环开环增益， 取2.整流装置滞后时间常数。由已知得=0.00167。于是，电流环调节器的比例系数为4）校验近似条件电流环截止频率ci=KI=74.6s-1（1） 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 （2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件（3）校验电流环小时间常数近似处理条件4.4 转速环设计 转速调节器的设计 转速环的动态结构图及其简化 用等效环节代替电流环 转速环的动态结构图及其简化 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/a，把时间常数为 1 / KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并调节器选择调节器，其表达式为， 所需确定的参数为和。计算步骤如下：1.确定时间参数电流环等效时间常数为，我们已取，则转速滤波时间常数转速环小时间常数2.计算转速调节器参数按跟随性和抗扰性都较好的原则，取，则的超前时间常数为而得转速开环增益所以，可得的比例系数4）检验近似条件转速环截止频率为（1） 电流环传递函数简化条件 满足条件（2） 转速环小时间常数近似处理条件满足近似条件6） 校核转速超调量 当h=5时，由表3-4查得，n%=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表3-4是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。五 系统建模及仿真实验5.1 仿真建模及实验MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多. 当前流行的MATLAB 5.3包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox).工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包.功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能.学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类. 开放性使MATLAB广受用户欢迎.除内部函数外,所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包. 5.2在MATLAB上直流双闭环调速系统仿真模型如下： 直流双闭环调速系统仿真模型 图2.5.4 PID调节器内部封装结构5.3系统搭建好以后，运行该系统，得到运行结果如下示波器所示： 闭环转速波形/电流波形图仿真5.4 抗扰性分析： 加入扰动后的电流波形图/转速波形图由上图可知当电网扰动出现以后，电流调节器会马上感应扰动的变化，电流波形会跟随着发生一定的抖动，但是经过转速和电流双闭环PI调节器的调节之后，一定时间之内，又重新进入稳态，稳定在给定值工作运行。由于电网扰动进入的位置远离了转速调节器，由波形可知，电网出现扰动后，转速跟没有扰动的情况相比，基本上么有任何的变化。5.5跟随性分析： 六 设计心得两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是