卷纸张力控制系统

指导教师评定成绩 指导教师评定成绩 审定成绩 审定成绩 重重 庆庆 邮邮 电电 大大 学学 自自 动动 化化 学学 院院 自动控制原理课程设计报告自动控制原理课程设计报告 设计题目 卷纸张力控制系统卷纸张力控制系统 单位 二级学院 单位 二级学院 学学 生生 姓姓 名 名 专专 业 业 班班 级 级 学学 号 号 指指 导导 教教 师 师 设计时间 设计时间 重庆邮电大学自动化学院制重庆邮电大学自动化学院制 目目 录录 一 设计题目一 设计题目 二 设计报告正文二 设计报告正文 摘要摘要 关键词关键词 一 一 卷纸张力控制系统原理 卷纸张力控制系统原理 二 二 控制过程分析 控制过程分析 三 三 系统的时域分析与频域分析 系统的时域分析与频域分析 四 四 系统校正 系统校正 三 设计总结三 设计总结 四 参考文献四 参考文献 一 一 设计题目设计题目 在造纸厂的卷纸过程中 卷开轴和卷进轴之间的纸张张力采用下图所示的卷纸张力控 制系统进行控制 以保持张力 F 基本恒定 卷开轴卷进轴 电机 线性偏差 转换器 整流器 放大器 a R a L i v t o v t 要求 查阅相关资料 分析系统的工作原理 指出被控对象 被控量和给定量 画出系统 方框图 分析系统每个环节的输入输出关系 代入相关参数求取系统传递函数 分析系统时域性能和频域性能 运用根轨迹法或频率法校正系统 使之满足给定性能指标要求 已知 0 35 3 m T n T 1 2k 2 2k 1 m k 3 n k 反馈系数 1 要求 4 40 cc 二 二 设计报告正文设计报告正文 摘要 摘要 关键词 关键词 一 一 卷纸张力控制系统原理 卷纸张力控制系统原理 卷开轴卷进轴 电机 线性偏差 转换器 整流器 放大器 a R a L i v t o v t 图 1 1 卷纸张力控制系统 系统工作原理 系统工作原理 在造纸厂的卷纸过程中 当纸张不断地从卷开轴向卷进轴运动时 线速度 就会下降 从而纸张承受的张力会相应的减小 为保证张力的基本恒定 必须 调整电机的转速 图 1 1 所示的控制系统中 采用三个滑轮和一个弹簧组成的张力测量器 来测量纸上的张力 将测量的实际张力与预设张力进行比较 经放大器放大后 得到电机的输入电压 通过电压的变化来调节电机的转速 进而调节卷开轴向 卷进轴运行的线速度 最终 使纸张的张力保持基本恒定 电机 被控对象 预设张力 系统给定量 实际张力 系统控制量 通过对系统的分析 可得卷纸张力控制系统的方框图如图 1 2 所示 图 1 2 卷纸张力闭环控制系统方框图 二 二 控制过程分析 控制过程分析 1 各个环节的传递关系如下 1 实际测得的张力与预设张力进行比较后 经过放大器放大作为电机 的输入电压 K1 F2 比较装置 F1 u 2 放大器的输出电压作为电机的输入电压对电机进行调速控制 1 电机 w U 3 电机的转速与卷进轴的转速相同 所以电机的转速与纸张的线速度 成线性关系 K2 卷进轴 V w 4 由三个滑轮和一个弹簧秤组成的测力系统对纸张的张力进行测量 1 张力测量系统 F V 5 将测得的张力反馈到比较装置与预设张力进行比较 1 反馈 F F 2 系统的结构框图 1 K2 1 F1 s F2 s K1 由系统的结构框图可以求函数为得 系统的开环传递 12 0 11 mn mn K K K K Gs T ST S 闭环传递函数 12 12 11 mn c mnmn K K K K Gs T ST SK K K K 三 三 系统的时域分析与频域分析 系统的时域分析与频域分析 1 时域分析 1 动态性能分析 由系统的传递函数可得 3 5187 0 4534 n 系统的单位阶跃响应如下图所示 系统各时域参数为 2 1 dn r d t 1 0 7 d n t p n t 3 5 s n t 100 p a h th h 所以系统的动态稳定性能指标 0 3744s 0 6509s 3 1363 d d t r t 1 0017s 2 7582s 20 23 p t s t a 2 稳态性能分析 稳态误差是描述系统稳定性能的一种性能指标 在阶跃信号 斜坡信号作 用下进行测定和计算 若在时间是无穷时 系统输出量不等于输入量或输入量 的确定函数 则存在系统误差 稳态误差是系统控制精度或抗干扰动能力的一 种度量 因为该系统是零型系统 所以对阶跃信号来说是有差跟踪 对单位脉冲信 号和其他信号存在稳态误差 由可知 0 1 lim ss s R e G s H s 对阶跃信号是有 ss e 1 1K 1 13 对其他信号有 ss e 2 频域分析 开环传递函数 知道它的频率的表达式如下 0 j G 0 12 0 351 31 j G jj 系统的波特图如图所示 由波特图知 截止频率 相角裕度 幅值裕2 8248 c rad s 37 0554 度为 dB 四 四 系统校正 系统校正 1 做原系统的波德图 由图可知 截止频率 相角裕度2 8248 c rad s 37 0554 均略小于所要求的值 所以可以采用超前校正 2 计算需补偿的相位超前角 m 5 20 mcco m 000 4037 05520 0 22 945 m 3 计算衰减率 11 sin 1 m 1 sin 1 sin m m 0 44 4 确定新的开环截止频率 c 如图所示 1 14 11 20lg 2 o m L 11 20lg3 6 4 152 oc c Ldb 5 确定两转折频率 12 1 1 2 75 c T 2 11 6 26 c T 6 补偿增益 1 2 27 c K 7 校正后的开环频率特性 oc LLL co G sG sG s 1 0 3612 1 0 160 351 31 c s K sss c Lc L0 1 2 201lg 1 2 201lg 0dB 1 2 1 201lg L c0 8 校验计算结果 4 214 c arctan0 35arctan0 36arctan0 16arctan3 ccccc a 136 28 c 0 180180136 28 cc 43 72 40 c 所以校正后的系统满足给定要求