運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計--四輥壓延機(jī)的前輥（開卷機(jī)）直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

1、<p>　　運(yùn)動控制課程設(shè)計與綜合實驗報告</p><p>　　設(shè)計題目: 四輥壓延機(jī)的前輥（開卷機(jī)）直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　姓 名: </p><p>　　學(xué) 號: </p><p>　　專業(yè)班級: 自動化0905班</p><p><b>　　指導(dǎo)老師:

2、 </b></p><p>　　日 期: 2013年1月14日</p><p><b>　　目錄 </b></p><p>　　第一章 緒論...................................</p><p>　　1.1 四輥壓延機(jī)的前輥（開卷機(jī)）直流調(diào)速系統(tǒng)生產(chǎn)流程</p&

3、gt;<p>　　以及控制設(shè)計要求.....................................</p><p>　　1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 ......................</p><p>　　1.3 直流調(diào)速系統(tǒng)可控直流電源 ......................</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)一般方法

4、</p><p>　　2.1 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)</p><p>　　2.2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　2.3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p><b>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</b></p><p>　　3.1 雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的工作原理</p>

5、<p>　　3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)基本組成</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計</p><p>　　4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動態(tài)性能</p><p>　　4.2 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法</p><p>　　4.2.1 控制系統(tǒng)的工程設(shè)計法的定義</p><p>　　4.2.2 典

6、型I型系統(tǒng)性能指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系</p><p>　　4.2.3 典型II型系統(tǒng)性能指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系</p><p>　　4.3 雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p>　　4.3.1 基于工程設(shè)計法的電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p>　　4.3.2 基于工程設(shè)計法的電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p>　　四輥壓延機(jī)開卷機(jī)張力

7、控制系統(tǒng)</p><p>　　5.1 張力控制系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　5.2 張力控制的幾種實現(xiàn)方法</p><p>　　5.3.基于Simulink的四輥壓延機(jī)開卷機(jī)張力控制系統(tǒng)仿真</p><p>　　基于飛思卡爾16位單片機(jī)的張力控制系統(tǒng)</p><p>　　6.1 飛思卡爾16位單片機(jī)簡介</

8、p><p>　　6.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字實現(xiàn)</p><p>　　邏輯無環(huán)流直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試實驗 </p><p><b>　　設(shè)計心得與總結(jié) </b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b><

9、/p><p>　　1.1 四輥壓延機(jī)的前輥（開卷機(jī)）直流調(diào)速系統(tǒng)生產(chǎn)流程以及控制設(shè)計要求</p><p>　　壓延生產(chǎn)線主要是生產(chǎn)飛機(jī)輪胎生產(chǎn)線，四輥壓延機(jī)是飛機(jī)輪胎生產(chǎn)家最關(guān)鍵的生產(chǎn)設(shè)備.</p><p>　　1.1.1 生產(chǎn)工藝流程及控制要求</p><p><b>　　1、生產(chǎn)工藝流程：</b></p>

10、<p>　　簾布放布機(jī)-接頭硫化機(jī)-前三輥電機(jī)-貯步架-前四輥電機(jī)-干燥機(jī)-輥輥壓延主機(jī)-（主機(jī)1和主機(jī)2）-后四輥電機(jī)-2臺卷取機(jī)-倉庫</p><p><b>　　2、控制要求：</b></p><p>　?。?）在壓延前，必須給干燥輥加熱60°~80°（使簾布烘干水分），給主輥加熱至70°左右（不至于橡膠冷卻硬化）。<

11、;/p><p>　?。?）所有的直流電機(jī)可單動也可聯(lián)動，并均要求電樞可逆。</p><p>　?。?）聯(lián)動時，前四主機(jī)和后四主機(jī)不允許單動，而前三機(jī)可單獨停（便于簾布的硫化接頭，因有貯布架，也不影響后面的正常工作），卷取機(jī)也可單獨停（便于2臺卷取機(jī)換卷）。</p><p>　?。?）兩臺延壓主機(jī)必須同時起、?；蚣訙p速，且控制要求和技術(shù)指標(biāo)完全相同。</p>

12、<p>　?。?）前張力區(qū)的張力（最大為1000kg)通過前四電機(jī)來控制，后張力區(qū)的張力（1500kg）由后四電機(jī)來控制。</p><p>　?。?）在給定壓延張力情況下，其壓延速度由操作人員通過改變主機(jī)速度來達(dá)到。壓延速度↑→前張力↑→通過控制器使前四電機(jī)升速→使前張力維持不變；同理后張力↓→使后四電機(jī)升速→后張力維持不變。從而在聯(lián)動時使主機(jī)前后電機(jī)的速度達(dá)到協(xié)調(diào)。</p><p

13、>　?。?）前四輥（開卷機(jī)）電動機(jī)工作情況：當(dāng)給定張力小于ZL1所檢測的實際張力時，電動機(jī)做電動運(yùn)行，當(dāng)給定張力大于實際張力時，電動機(jī)做發(fā)電運(yùn)行，當(dāng)實際張力小于150kg時，系統(tǒng)為電流、速度環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)給定張力不小于150kg時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入電流、張力環(huán)結(jié)構(gòu)；斷帶時，實際張力為0，則自動轉(zhuǎn)到電流、速度環(huán)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　3.前四輥直流電動機(jī)參數(shù)：</p><p>　　P

14、nom=17kw，Unom=220v，Inom=92A，nnom=1500r /min,Ra=0.15Ω,GD2=10.5N.M2,R=0.28Ω,允許電流過載倍數(shù)λ=1.2</p><p><b>　　4.設(shè)計要求：</b></p><p>　　穩(wěn)態(tài)無靜差：σi≤5%，空載起動至額定轉(zhuǎn)速的超調(diào)量σn% ≤ 10%，張力超調(diào)量≤10%。</p><

15、p>　　1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　在各種生產(chǎn)機(jī)械中，對電機(jī)調(diào)速是一種最基本的要求。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)(伺服系統(tǒng))，張力控制系統(tǒng)，多電機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，所以調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)。</p><p>　　而直流電動機(jī)由于調(diào)速性能優(yōu)越，在實際生產(chǎn)中有廣泛

16、的運(yùn)用。直流電動機(jī)</p><p>　　的工作原理很簡單，只有一個電壓平衡方程式,</p><p>　　式(1-1) 直流電動機(jī)電壓平衡方程</p><p>　　式中 — 轉(zhuǎn)速（r/min）； </p><p>　　— 電樞電壓（V）； </p><p>　　— 電樞電流（A）；</

17、p><p>　　— 電樞回路總電阻（ ）； </p><p>　　— 勵磁磁通（Wb）； </p><p>　　— 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。</p><p>　　由式1-1可知，直流電動機(jī)有下面三種方法改變轉(zhuǎn)速：</p><p>　　(1)、調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U；</p><p

18、>　　(2)、減弱勵磁磁通 ；</p><p>　　(3)、改變電樞回路電阻 R。</p><p>　　1.2.1 調(diào)節(jié)電樞供電電壓</p><p>　　調(diào)壓調(diào)速的工作條件：</p><p>　　1)保持勵磁 = N</p><p>　　2)保持電阻 R = Ra</p><p><

19、b>　　調(diào)節(jié)過程：</b></p><p>　　改變電壓 U，電樞電壓下降，從而導(dǎo)致</p><p>　　轉(zhuǎn)速下載，空載轉(zhuǎn)速下降?</p><p><b>　　調(diào)節(jié)特性：</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移 圖1-1 調(diào)壓調(diào)速特性曲線</p>

20、<p>　　1.2.2 減弱勵磁磁通 </p><p><b>　　工作條件：</b></p><p>　　保持電壓 U =UN ；</p><p>　　保持電阻 R = R a ；</p><p><b>　　調(diào)節(jié)過程：</b></p><p>　　減小勵磁，導(dǎo)

21、致電樞磁通下降</p><p>　　使得轉(zhuǎn)速上升，空載轉(zhuǎn)速上升 ?</p><p><b>　　調(diào)速特性：</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。</p><p>　　圖1-2 弱磁調(diào)速特性曲線1.2.3 改變電樞回路電阻</p><p><b>　　工作條件：<

22、/b></p><p>　　保持勵磁 = N ；</p><p>　　保持電壓 U =UN ；</p><p><b>　　調(diào)節(jié)過程：</b></p><p>　　增加電阻 Ra,導(dǎo)致總電阻R增大</p><p>　　從而轉(zhuǎn)速n下降, n0不變；</p><p>&l

23、t;b>　　調(diào)速特性：</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。</p><p>　　圖1-3 調(diào)阻調(diào)速特性曲線</p><p>　　對于要求在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，根據(jù)直流電動機(jī)的靜特性曲線，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。改變電樞電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速;弱磁調(diào)速雖然能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，但是調(diào)速范圍不大，一般都是配合調(diào)壓調(diào)速

24、,在基速額定轉(zhuǎn)速以上做小范圍的弱磁升速。因此，自動控制系統(tǒng)的調(diào)速主要以調(diào)壓調(diào)速為主。</p><p>　　1.3 直流調(diào)速系統(tǒng)可控直流電源</p><p>　　由于變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種:</p><p>　　旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。用交流發(fā)電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，獲得可調(diào)的直流電壓</p&

25、gt;<p><b>　　如圖1-4所示</b></p><p>　　圖1-4 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組系統(tǒng)</p><p>　　靜止式可控整流器。用靜止式可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。其系統(tǒng)圖如圖1-5所示.</p><p>　　圖1-5 靜止式可控整流器系統(tǒng)</p><p>　　直流斬波器或PWM變換器。用恒定直流

26、電源或不可控整流電源供電，利用利用電力電子器件斬波或或進(jìn)行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。其系統(tǒng)圖如圖1-6所示</p><p>　　圖1-6 PWM調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　上面三種方法有各自適用的場合，旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組由于設(shè)備笨重等因素，現(xiàn)在基本不再使用。而靜止式可控整流器使用于大功率容量的電機(jī)中。直流斬波器或PWM變換器由于其設(shè)備簡單，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能好，效率高等一系列的優(yōu)點在中小

27、功率容量的電機(jī)中獲得了廣泛的運(yùn)用。 </p><p>　　第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)一般方法</p><p>　　2.1開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在對靜差率與調(diào)速范圍要求不高的場合可以適用，以三相橋式全控整流電路為例，如圖1-7所示。</p><p>　　圖2-1 三相橋式全控整流電路</p><p>

28、;　　調(diào)節(jié)控制電壓就以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對運(yùn)行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，可以找到一些用途。但是，對龍門刨床，常常對靜差率有一定的要求。由于毛坯表面粗糙不平，加工時負(fù)載大小有波動，但是，為了保證工件的加工精度和加工后的表面光潔度，加工過程中的速度必須是基本穩(wěn)定，也就是說靜差率不能太大。故開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在實際運(yùn)用中達(dá)不到系統(tǒng)工藝的要求。對于四輥壓延機(jī)開卷機(jī)的張力控制系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)速，電流

29、，張力都提出了較高的要求，故本系統(tǒng)中不能采用開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　2.2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　2.2.1 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　由于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的固有缺點，我們需要采用另外一種方法來提高系統(tǒng)的調(diào)速性能。根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計的一般方法。明確控制目標(biāo)，控制什么就反饋什么的控制思想。為了保持轉(zhuǎn)速的恒定，我們可以測量電

30、機(jī)的轉(zhuǎn)速作為反饋來調(diào)節(jié)系統(tǒng)。實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的恒定，提高系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。轉(zhuǎn)速反饋的工作原理圖如下。</p><p>　　圖2-2 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖</p><p>　　通過穩(wěn)態(tài)分析可以獲得系統(tǒng)的靜特性方程。</p><p><b>　　電壓比較環(huán)節(jié)</b></p><p><b>　　式 2-1</b>

31、;</p><p>　　放大器 </p><p><b>　　式 2-2</b></p><p>　　電力電子變換器 </p><p><b>　　式 2-3</b></p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性

32、 </p><p><b>　　式 2-4</b></p><p><b>　　測速反饋環(huán)節(jié)</b></p><p><b>　　式 2-5</b></p><p>　　由上面的幾個方程可以得到系統(tǒng)的靜特性方程如式2-6所示.</p><p>　　

33、式 2-6 轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程</p><p>　　由上面的原理圖可以得到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性方程為：</p><p>　　式 2-7 轉(zhuǎn)速開環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程</p><p>　　則開

34、環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落分別設(shè)為Δnop，Δncl</p><p>　　Δnop=RId/Ce; Δncl=RId/(Ce(1+K))</p><p><b>　　由此可以得出</b></p><p>　　式 2-8 開環(huán)與閉環(huán)轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系</p><p>　　即閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)小的多，當(dāng)K趨于無窮大時，

35、閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率接近于0，但不為0。</p><p>　　調(diào)速范圍：Dcl=Nn*s/( ΔNcl*(1-s))；Nn為電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速即最大轉(zhuǎn)速；</p><p>　　可見經(jīng)過適當(dāng)調(diào)節(jié)Kp、Ks，可以使系統(tǒng)的特性更硬，調(diào)速范圍更寬。</p><p>　　上述控制速度的控制器單一采用P控制,P=R1/R0，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率，減小系統(tǒng)的靜差率，與開環(huán)系統(tǒng)相比，要

36、比開環(huán)系統(tǒng)的靜差率小的多。</p><p>　　如果要想消除靜差則可以采用PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器對快速性的要求可以差一些，而在隨動系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須采用PD或者PID控制器。</p><p>　　圖2-4 PI調(diào)節(jié)器的特性</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋控制系統(tǒng)中的反饋主要有兩個作用，一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；另一方面，

37、則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。</p><p>　　2.2.2 帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　直流電動機(jī)全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對電動機(jī)換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當(dāng)于

38、偏差電壓△Un= Un*，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的1+K倍。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓Ud一下子就達(dá)到它的最高值，對電動機(jī)來說，相當(dāng)于全壓起動，當(dāng)然是不允許的。</p><p>　　另外，有些生產(chǎn)機(jī)械的電動機(jī)可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況，例如，由于故障使機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時碰到堅硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)

39、，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。</p><p>　　為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，引入電流截止負(fù)反饋，簡稱截流反饋，保持電流基本不變，使它不超過允許值。</p><p>　　帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖2-5所示。</p><p>　　圖2-5 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p>&l

40、t;p>　　這種電流負(fù)反饋作用只應(yīng)在起動和堵轉(zhuǎn)時存在，在正常運(yùn)行時又得取消，讓電流自由地隨著負(fù)載增減。它的靜特性分為兩段，當(dāng)時，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)不起作用，靜特性與只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)的相同。當(dāng)后，引入了電流截止負(fù)反饋，靜特性變?yōu)椋?式2-9 帶電流截止負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)靜特性</p><p>　　2.2.3 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)的抗干擾性</p><p>　　由轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)的原理圖可知，系

41、統(tǒng)具有一定的抗干擾性能，其系統(tǒng)的原理圖如下</p><p>　　圖2-6 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)抗擾動原理圖 </p><p>　　各種擾動作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上表示出來了，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能，反饋通道上的測速反饋系數(shù)受到某種影響而發(fā)生變化，它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會增大被調(diào)量的誤差。同時如果產(chǎn)生給定電壓的

42、電源發(fā)生波動，反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源和高精度的測量傳感器。</p><p>　　2.3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　在一些調(diào)速系統(tǒng)中，使用轉(zhuǎn)速反饋可以達(dá)到要求，而且控制也簡單，使用PI調(diào)節(jié)器就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差調(diào)速，但是對一些動態(tài)性能要求更高的場合，就需要采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直

43、流調(diào)速系統(tǒng)來獲得更好的調(diào)速性能。</p><p>　　第三章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　3.1 雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)等要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小的場合，盡量縮短起、

44、制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。這時單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這主要是因為單閉環(huán)系統(tǒng)不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。于是產(chǎn)生了通過轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)來控制電流和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)

45、速系統(tǒng)起動電流和轉(zhuǎn)速波形如圖3-1所示</p><p>　　圖3-1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動電流和轉(zhuǎn)速波形圖</p><p>　　起動電流突破Idcr以后，受電流負(fù)反饋的作用，電流只能再升高一點，經(jīng)過某一最大值Idm后，就降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。</p><p>　　為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載

46、能力，最好是在過渡過程中始終保持電流轉(zhuǎn)矩為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動過程波形示如圖3-2</p><p>　　圖3-2 系統(tǒng)理想起動過程波形</p><p>　　這時，起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩)受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。</p&g

47、t;<p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級)聯(lián)接，如圖所示3-3。</p><p>　　圖3-3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　ASR——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR——電流調(diào)節(jié)器 TG——測速發(fā)電機(jī)</p><p>

48、　　TA——電流互感器 UPE——電力電子變換器</p><p>　　把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。以下分別對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性以及抗擾性能進(jìn)行分析。為分析靜特性我們參考如下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖：</p><p>

49、　　圖3-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。①轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的=0一直延續(xù)到，而一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行段。②轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和：這時ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)調(diào)

50、節(jié)系統(tǒng)。其靜特性如下圖3-5：</p><p>　　圖3-5 單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性圖</p><p>　　為分析動態(tài)特性以及抗擾性能參考雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下圖：</p><p>　　圖3-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　由此有雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：</p><p

51、>　?。?）飽和非線性控制：根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：當(dāng)ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。</p><p>　　轉(zhuǎn)速超調(diào)：由于ASR采用了飽和非線性控制，起動過程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓 △Un 為負(fù)值，才能使ASR退

52、出飽和。這樣，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。</p><p>　　準(zhǔn)時間最優(yōu)控制：起動過程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動機(jī)的過載能力，使起動過程盡可能最快。這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此，整個起動過程可看作為是一個準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。</p><p>　　對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能

53、是抗擾性能，主要是負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。對于負(fù)載擾動，由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在設(shè)計ASR時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。對于電網(wǎng)電壓擾動，雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。</p><p>　　3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)基本組成<

54、;/p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中用得比較廣泛的一種調(diào)速方法。因此，下面我們以有環(huán)流可控制整流調(diào)速系統(tǒng)為例來了解雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用的模塊。其系統(tǒng)原理圖如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 配合控制的反并聯(lián)連接的有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　主電路的穩(wěn)定安全運(yùn)行直接影響整個系統(tǒng)的性能，為了保證可逆冷軋機(jī)的卷取機(jī)系統(tǒng)具有穩(wěn)定的正反運(yùn)行

55、特性，則需要設(shè)計可逆的調(diào)速系統(tǒng)，采用六個晶閘管構(gòu)成三相橋式整流電路的反并聯(lián)裝置可以解決電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行和回饋制動的問題。</p><p>　　兩組晶閘管通過反并聯(lián)的方式連接來實現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的切換，其兩組整流橋VF,VR共同一個交流電源。其具體三相半波整流電路的反并聯(lián)可逆電路如下圖3-8所示：</p><p>　　圖3-8 兩組變流器的反并聯(lián)可逆電路</p><p>

56、;　　其主要特征：當(dāng)VF工作時，VR要嚴(yán)格封鎖；當(dāng)VR導(dǎo)通時，然則VF一定要截止，以免產(chǎn)生環(huán)流，造成事故。如果在任何一時刻，兩組整流橋中只有一種投入工作，則可以根據(jù)電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)決定哪一組變流器工作及其工作狀態(tài)：整流或逆變。圖3-9繪制了對應(yīng)電動機(jī)四象限內(nèi)運(yùn)行時兩組變流器（簡稱正組橋，反組橋）的工作情況。</p><p>　　圖3-9 電動機(jī)在四象限內(nèi)的工作情況</p><p>　　第1

57、象限：正轉(zhuǎn)，電動機(jī)作電動運(yùn)行，正組橋工作在整流狀態(tài)，α1 <π/2，EM<Uda第2象限：正轉(zhuǎn)，電動機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，反組橋工作在逆變狀態(tài)，β2<π/2（α2 >π/2），EM>Udb；第3象限：正轉(zhuǎn)，電動機(jī)作電動運(yùn)行，反組橋工作在整流狀態(tài)，α2 <π/2，EM<Uda；第4象限：反轉(zhuǎn)，電動機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，正組橋工作在逆變狀態(tài)，β1 <π/2（α1 >π/2），EM>Udb；直

58、流可逆拖動系統(tǒng)，除能方便地實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)外，還能實現(xiàn)電動機(jī)的回饋制動。第1象限正轉(zhuǎn)，電動機(jī)從正組橋取得電能 ——>先使電動機(jī)迅速制動，為此需切換到反組橋工作在逆變狀態(tài)，此時電動機(jī)進(jìn)入第2象限作正轉(zhuǎn)發(fā)電運(yùn)行，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，不斷地調(diào)節(jié) ，使之由小變大直至（n=0），如繼續(xù)增大 ，即 α=β，反組橋?qū)⑥D(zhuǎn)入整流狀態(tài)下工作 ——> 電動機(jī)開始反轉(zhuǎn)進(jìn)入第3象限的電動運(yùn)行。</p><p>　　為了實現(xiàn)上述系統(tǒng)

59、的功能，主要有以下模塊組成。</p><p><b>　　1.速度給定單元</b></p><p>　　圖3-10 速度給定單元</p><p>　　通過調(diào)節(jié)電位器的值與正反組的切換可以實現(xiàn)速度的給定。</p><p><b>　　2.電流調(diào)節(jié)單元</b></p><p>　

60、　圖3-11 電流調(diào)節(jié)單元</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，其作為內(nèi)環(huán)是一個隨動控制系統(tǒng)，速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流環(huán)的給定，直流電機(jī)電樞的電流作為反饋，兩者的偏差作為電流調(diào)節(jié)的輸入量。</p><p><b>　　速度調(diào)節(jié)器</b></p><p>　　圖3-12 速度調(diào)節(jié)器單元</p><p>　　速度調(diào)

61、節(jié)器在直流電機(jī)啟動后，作為主要的調(diào)節(jié)器，由給定電位器給定速度電壓，電機(jī)實際的速度作為反饋，兩者的偏差作為速度調(diào)節(jié)器的輸入來控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　零速封鎖單元 </b></p><p>　　圖3-13 零速封鎖單元</p><p>　　零速封鎖單元的主要目的就是為了在給定為0的情況下避免運(yùn)算放大器的零點漂移，導(dǎo)致產(chǎn)生意外事故

62、.</p><p><b>　　5.邏輯控制單元</b></p><p>　　邏輯控制單元主要是防止正組與反組晶閘管橋在切換的過程中產(chǎn)生同時導(dǎo)通的情況。起到防止短路，保護(hù)晶閘管的橋的目的。</p><p>　　上述各個模塊是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的常見模塊，限于篇幅其它模塊在這里不再提及。</p><p>　　第四章 雙閉環(huán)直流

63、調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計</p><p>　　4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動態(tài)性能</p><p>　　4.1.1直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)</p><p>　　圖4-1 直流電動機(jī)模型</p><p>　　假定主電路電流連續(xù)，則動態(tài)電壓方程為</p><p>　　式4-1 直流電動機(jī)動態(tài)方程</p>&l

64、t;p>　　忽略粘滯摩擦力，則電機(jī)軸上的動力學(xué)方程為</p><p>　　式4-2 直流電機(jī)軸上動力學(xué)方程</p><p>　　同時額定勵磁下感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為</p><p>　　式 4-3 電磁轉(zhuǎn)矩方程</p><p>　　式 4-4 電動勢方程</p><p><b>　　定義下列時間常

65、速</b></p><p>　　式 4-5 電磁時間常數(shù)</p><p>　　式4-6 電力拖動系統(tǒng)時間常數(shù)</p><p><b>　　式4-7 電勢常數(shù)</b></p><p>　　綜合上面的式子可以得到電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　圖4-2 直流電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)</

66、p><p>　　由上面的模型，再結(jié)合電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器的模型可以得到雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖4-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　式4-3 轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器</p><p>　　式4-4 電流PI調(diào)節(jié)器</p><p>　　在直流電動機(jī)啟動過程中有三個總要特點</p&

67、gt;<p><b>　　飽和非線性控制</b></p><p><b>　　準(zhǔn)時間最優(yōu)</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速超調(diào)</b></p><p>　　這三個特性使得雙閉環(huán)控制有較好的動態(tài)效果，同時電流環(huán)可以及時抗電網(wǎng)電壓波動，而轉(zhuǎn)速環(huán)可以抗負(fù)載波動，使調(diào)速系統(tǒng)具有較好的抗干

68、擾性能。</p><p>　　4.2 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法</p><p>　　4.2.1 控制系統(tǒng)的工程設(shè)計法的定義</p><p>　　用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計調(diào)節(jié)器須同時解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，需要設(shè)計者有扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗。于是便需要一種簡單實用的方法→工程設(shè)計方法。</p><p>　

69、　使用工程設(shè)計方法的前提是我們要對低階系統(tǒng)有一定的研究，同時將它們的</p><p>　　規(guī)律制成表格，便于查找。那么將實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對照，設(shè)計過程就簡便多了。由此看出工程設(shè)計方法是建立在深入研究低階系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的。</p><p>　　工程設(shè)計法主要有兩個關(guān)鍵步驟</p><p>　　1)選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精

70、度。</p><p>　　2)設(shè)計調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。</p><p>　　通過上面的兩個步驟可以設(shè)計出符合實際要求的系統(tǒng)。</p><p>　　4.2.2 典型I型系統(tǒng)性能指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系</p><p><b>　　1.I型系統(tǒng)原理</b></p><p>　　典型I型系統(tǒng)結(jié)

71、構(gòu)圖與傳遞函數(shù)</p><p>　　圖4-4 典型I型系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖與波特圖</p><p>　　式4-5 典型I型系統(tǒng)傳遞函數(shù)</p><p>　　T — 系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)；</p><p>　　K — 系統(tǒng)的開環(huán)增益。</p><p>　　典型的I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，其對數(shù)幅頻特性的中頻段以–20 dB/dec 的斜率穿

72、越 0dB 線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量，即選擇參數(shù)滿足 </p><p>　　典型I型系統(tǒng)包含兩個參數(shù)：開環(huán)增益 K 和時間常數(shù) T 。由于T是固定的，因此我們可以調(diào)節(jié)的參數(shù)只有K，由I型系統(tǒng)的波特圖我們有K=Wc的關(guān)系，K 值越大，截止頻率Wc也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快。</p><p><b>　　I型系統(tǒng)性能指標(biāo)</b&

73、gt;</p><p>　　1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo)，可以用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量系統(tǒng)的跟隨性能。圖4-5顯示了不同輸入下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差情況</p><p>　　圖4-5 I型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差</p><p>　　2) 動態(tài)跟隨指標(biāo)。典型 I 型系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為</p><p>　　式 4-6 I型系統(tǒng)閉

74、環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　K，T與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù)關(guān)系為</p><p>　　4.2.3 典型II型系統(tǒng)性能指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)圖與波特圖</b></p><p>　　圖4-4 典型II型系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖與波特圖</p><p>　　式4-6 典型II型系統(tǒng)傳遞函數(shù)&l

75、t;/p><p>　　典型的Ⅱ型系統(tǒng)也是以 –20dB/dec 的斜率穿越零分貝線。由于分母中s 2 項對應(yīng)的相頻特性是 –180°，后面還有一個慣性環(huán)節(jié)，在分子添上一個比例微分環(huán)節(jié)（?s +1），是為了把相頻特性抬到 –180°線以上，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，即應(yīng)選擇參數(shù)滿足 </p><p><b>　　待定的參數(shù)有兩個：</b></p>&

76、lt;p>　　采用震蕩指標(biāo)法可以獲得系統(tǒng)的參數(shù)K與Wc之間的關(guān)系</p><p>　　式4-7參數(shù)K的關(guān)系</p><p>　　又根據(jù)II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系，可以看出中頻寬h=5是一個很好的選擇。</p><p>　　4.3 雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p>　　在進(jìn)行四輥壓延機(jī)開卷機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計時需要明確幾點

77、：</p><p>　　1.在設(shè)計電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)的時候，要根據(jù)系統(tǒng)的實際要求選擇合適的調(diào)節(jié)規(guī)律校正成符合實際要求的系統(tǒng)。為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多選用I型和II型系統(tǒng)。典型 I 型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但抗擾性能稍差，</p><p>　　典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。</p><p>　　工程設(shè)計調(diào)節(jié)器的主要思想就是事先將典型系

78、統(tǒng)的各項性能指標(biāo)列出圖表。將控制對象校正成為典型I型系統(tǒng)或 II型系統(tǒng)，根據(jù)圖表選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)。</p><p>　　高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理。實際系統(tǒng)中往往有若干個小時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，這些小時間常數(shù)所對應(yīng)的頻率都處于頻率特性的高頻段，形成一組小慣性群。</p><p>　　在一定的條件下，可以將它們近似地看成是一個小慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)等于小慣性群中各時間常數(shù)之和。</p>

79、;<p>　　低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理.當(dāng)系統(tǒng)中存在一個時間常數(shù)特別大的慣性環(huán)節(jié)時，可以近似地將它看成是積分環(huán)節(jié).</p><p>　　在設(shè)計時應(yīng)該遵循先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則。即首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。</p><p>　　下面根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，設(shè)計四輥壓延機(jī)開卷機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p&g

80、t;　　首先，我們應(yīng)該回到雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖</p><p>　　圖4-5 直流電動機(jī)變流裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　四輥壓延機(jī)開卷機(jī)直流電動機(jī)的規(guī)格如下：PN=17KW，IN=92A，nN=1500r/min，Ra=0.15Ω，R=0.28Ω的電流過載倍數(shù)λ=1.2，折算到直流電動機(jī)軸的飛輪力矩慣量GD2=10.5N·m2。</p><p

81、>　　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(shù)Ks=40平均延遲時間τD=0.0017s。</p><p><b>　　平波電抗器電阻電感</b></p><p>　　Ls=0.639*220/（0.05*IN）=30.5mH。</p><p>　　給定電壓Usn、速度調(diào)節(jié)器限幅電壓Usim、電流調(diào)節(jié)器限幅電壓Ucm取Us

82、n=Usim=Ucm=15V。</p><p>　　系統(tǒng)固有部分的主要參數(shù)計算</p><p>　?。?）電動機(jī)的電磁時間常數(shù)</p><p>　　（2）電動機(jī)的電動勢常量</p><p>　?。?）電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩常量</p><p><b>　?。?）轉(zhuǎn)速慣量</b></p><

83、;p><b>　?。?）機(jī)電時間常數(shù)</b></p><p><b>　　2．預(yù)先選定的參數(shù)</b></p><p>　?。?）調(diào)節(jié)器輸入回路電阻R0</p><p>　　為簡化起見，調(diào)節(jié)器的輸入電阻一般均取相同數(shù)值，通常選用10~60KΩ，本實例取</p><p>　　R0=(10 KΩ+1

84、0 KΩ) =20KΩ</p><p>　?。?）電流反饋系數(shù)β</p><p>　　設(shè)最大允許電流Idm=1.2IdN，有Idm=1.2×92=110.4A</p><p>　?。?）速度反饋系數(shù)α</p><p>　?。?）電流濾波時間常數(shù)Tfi及轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Tfn</p><p>　　由于電流檢測信

85、號和轉(zhuǎn)速檢測信號中含有諧波分量，而這些諧波分量會使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。所以需加反饋濾波環(huán)節(jié)。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的諧波分量，但同時也給反饋信號帶來慣性的影響，為了平衡這一慣性的影響，在調(diào)節(jié)器給定輸入端也加入一個同樣參數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。電流濾波時間常數(shù)Tfi一般取1~3ms，轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Tfn一般取5~20ms。對濾波時間常數(shù)，若取得過小，則濾不掉信號中的諧波，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但若取得過大，將會使過渡過程增加，降低系統(tǒng)的快速性。&l

86、t;/p><p><b>　　本例中取</b></p><p>　　Toi=2ms=0.002s</p><p>　　Ton=10ms=0.01s</p><p>　　4.3.1 基于工程設(shè)計法的電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p>　　電流環(huán)框圖的建立及化簡</p><p>　　

87、電流環(huán)框圖如圖所示，由于轉(zhuǎn)速對給定信號的響應(yīng)時間較電流對給定信號的響應(yīng)時間長得多，因此在計算電流的動態(tài)響應(yīng)時，可以把電動機(jī)的轉(zhuǎn)速看成恒量。而恒量對動態(tài)分量是不起作用的，因此，為簡化起見，可把反電勢略去。</p><p>　　圖4-6 忽略反電動勢的動態(tài)影響的電流環(huán)</p><p>　　將非單位負(fù)反饋變換成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。</p><p>　　圖4-7 等效電流環(huán)單位

88、反饋系統(tǒng)</p><p>　　由于Tfi（0.002）和τD（0.0017）較Ta（0.125）小得多，所以可把前兩者構(gòu)成的小慣性環(huán)節(jié)合并。TΣi=0.002+0.0017=0.0037s</p><p><b>　　2.確定系統(tǒng)的類型</b></p><p>　　對電流環(huán)，可以校正成典I系統(tǒng)，也可以校正成典II系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求而定，一

89、般對抗擾性能要求不是特別嚴(yán)格時均采用典I系統(tǒng)設(shè)計即可?，F(xiàn)將電流環(huán)校正成典I系統(tǒng)。</p><p><b>　　電流調(diào)節(jié)器的選擇</b></p><p>　　顯然，欲校正成典I系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)器應(yīng)選用PI調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　而</b></p><p>　　3.電流調(diào)節(jié)器參數(shù)

90、的選取</p><p>　　按二階最佳系統(tǒng)設(shè)計，取Ti=Ta=0.125s</p><p>　　根據(jù)要求，穩(wěn)態(tài)無靜差：σi≤5%，選擇ξ=0.707，得</p><p>　　電流開環(huán)增益：KI=0.5/ TΣi=0.5/0.0037=135</p><p><b>　　ACR比例系數(shù)：</b></p>&l

91、t;p>　　設(shè)取調(diào)節(jié)器的輸入電阻R0=60 KΩ，則</p><p>　　Ri=KiR0=0.8701×60= 52.2060 KΩ</p><p><b>　　近似條件的校驗</b></p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率：</b></p><p>　　滿足晶閘管整流裝置傳遞函

92、數(shù)的近似條件：</p><p>　　滿足忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：</p><p>　　滿足電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件</p><p>　　上述條件滿足，可知設(shè)計的參數(shù)符合性能指標(biāo)</p><p>　　4.3.1 基于工程設(shè)計法的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p>　　1.速度環(huán)框圖的建立及化簡</

93、p><p>　　電流環(huán)等效閉環(huán)傳遞函數(shù)的求取</p><p>　　速度環(huán)框圖如圖4-8所示，</p><p>　　圖4-8 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　將非單位負(fù)反饋變換成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。同理，可把兩個小慣性環(huán)節(jié)合并。如圖4-9所示。</p><p>　　圖4-9 等效為單位負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)

94、構(gòu)圖 </p><p>　　圖4-10 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)簡化圖（校正后成為典型II型系統(tǒng)）</p><p><b>　　2.確定系統(tǒng)的類型</b></p><p>　　對速度環(huán)，可以校正成典I系統(tǒng)，也可以校正成典II系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求而定，大多數(shù)調(diào)速系統(tǒng)的速度環(huán)都按典II系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。現(xiàn)將速度環(huán)校正成典II系統(tǒng)。

95、</p><p>　　3. 速度調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇</p><p>　　顯然，欲校正成典II系統(tǒng)，速度調(diào)節(jié)器應(yīng)選用PI調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　而 </b></p><p>　　電流環(huán)簡化后可視為轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此需求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由4-3-3可得，忽略高次項，可以降階近似成。接入轉(zhuǎn)速環(huán)

96、內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)該為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 。這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)，如圖4-3-1。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個重要功能。速度環(huán)框圖如圖4-3-2所示，將非單位負(fù)反饋變換成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，并把兩個小慣性環(huán)節(jié)合并。</p><p>　　(2)速度調(diào)節(jié)器的

97、設(shè)計</p><p>　　和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成，再把時間常數(shù)為和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中，則速度換結(jié)構(gòu)框圖可簡化為圖4-3-2。</p><p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，見圖4-3-2，現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因

98、此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。顯然，欲校正成典II系統(tǒng)，速度調(diào)節(jié)器應(yīng)選用PI調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(4-31)</b></p><p>　　式中，表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。</p><p>　　這樣調(diào)速系

99、統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(4-32)</b></p><p>　　(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選取</p><p>　　由圖4-3-3與式(4-21)比較可得： (4-33)</p><p>　　按三階最佳系統(tǒng)設(shè)計，跟隨和抗擾動性能都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)

100、為：。</p><p>　　可求得轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：</p><p><b>　　(4-34)</b></p><p>　　比較式(4-22)與式(4-23)進(jìn)而可得ASR的比例系數(shù)：</p><p><b>　　(4-35)</b></p><p><b>　　(3)

101、檢驗近似條件</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：</b></p><p>　　1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：</p><p><b>　　，滿足簡化條件。</b></p><p>　　2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：</p><p><

102、;b>　　，滿足簡化條件。</b></p><p>　　3)驗證調(diào)速系統(tǒng)空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量：</p><p><b>　　，滿足設(shè)計要求。</b></p><p>　　(4)計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　已知轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入電阻，則</p><p>&l

103、t;b>　　，取。</b></p><p><b>　　，取。</b></p><p><b>　　，取</b></p><p>　　至此，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論設(shè)計初步完成，但還需實際調(diào)試和修正</p><p>　　第五章 四輥壓延機(jī)開卷機(jī)張力控制系統(tǒng)</p>&

104、lt;p>　　5.1 張力控制系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　在各種金屬加工.造紙.塑料.印染等連續(xù)加工生產(chǎn)線中，通常由卷取機(jī).開卷機(jī)及兩者中間的一系列工藝設(shè)備如機(jī)架.張力輥等組成。各部分由單獨的電動機(jī)分布傳動，全線被帶材連為一體，形成一定的張力，進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。如對卷取機(jī).開卷機(jī).張力輥等電氣傳動，需要采用張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。張力控制方法可分為間接法和直接法兩種，目前普遍采用間接法。</p>&

105、lt;p>　　5.1.1 張力控制系統(tǒng)的一般工作原理</p><p>　　在帶張力工作的機(jī)械中，若忽略電動機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)的空載損耗，張力力矩 與電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 之間有如下關(guān)系：</p><p>　　式中 －電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；</p><p><b>　?。瓘埩α?；</b></p><p>　　U.E.I－電動機(jī)

106、電樞電壓.電動勢和電樞電流；</p><p><b>　　F－帶材張力；</b></p><p>　　D－帶卷或張力輥的直徑；</p><p>　　i－機(jī)械系統(tǒng)的減速比；</p><p><b>　　－電動機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)；</b></p><p><b>　　－電動機(jī)磁

107、通；</b></p><p>　　P－電動機(jī)輸入功率；</p><p><b>　　v－帶材線速度；</b></p><p>　　得到 </p><p>　　根據(jù)上式，要維持張力恒定有多種方法，可以根據(jù)工藝要求選擇。</p><p>　　1.維持電樞電流

108、的恒定 在對張力調(diào)節(jié)不高的場合，從式(8-24)知，課采用調(diào)節(jié)電動機(jī)電流并保持恒定的方法（此時，電動機(jī)的端電壓應(yīng)與帶材線速度成比例）。圖8-5是金屬加工線中卷取機(jī)和張力輥之間維持張力恒定的一種方法，其中卷取機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)控制線速度的作用，而張力控制由張力輥系統(tǒng)來實現(xiàn)，同時采用在電流調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)上附加的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。當(dāng)引帶時，兩個系統(tǒng)都作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)而起作用，控制張力輥的傳帶速度和卷取機(jī)的線速度相一致。 </p><p&g

109、t;　　當(dāng)帶材咬入卷筒時，張力輥被帶材拉住，線速度提高。張力自動投入后，卷取機(jī)與張力輥間建立張力，張力輥系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器飽和。電流給定值即為ASR2的輸出限幅值，將速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)為電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電動機(jī)M2工作在制動狀態(tài)。因張力輥的直徑恒定，電動機(jī)的磁場也不變，故也是一個恒張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。</p><p>　　2.維持電動機(jī)的功率恒定 從式(8-23)知，控制卷取機(jī)的功率（近似用其電壓和電流的乘積代替）與加工線

110、的基準(zhǔn)速度成正比，就可以使張力維持恒定。按此原則構(gòu)成的張力系統(tǒng)見圖8-6 。</p><p>　　此方案不需調(diào)節(jié)電動機(jī)的勵磁。在電流調(diào)節(jié)器ACR前引入功率調(diào)節(jié)器APR 。功率反饋信號用電壓和電流的乘積得到，功率給定（即張力給定）信號由線速度檢測經(jīng)過張力給定點位器送到速度調(diào)節(jié)器ASR的限幅輸入中。當(dāng)卷取機(jī)工作于換卷引帶或斷帶時，系統(tǒng)外環(huán)即速度調(diào)節(jié)器投入工作，這是一個速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。</p><p&

111、gt;　　當(dāng)帶材咬入后，產(chǎn)生張力，使ASR得反饋值小于給定值，處于飽和狀態(tài)，其限幅值就是功率（張力）給定值。系統(tǒng)作為一個恒功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)而工作，維持張力恒定。這種系統(tǒng)較為簡單，隨線速度或卷徑變化，調(diào)節(jié)電樞電壓。但由于電動報告會的勵磁保持恒定，因而功率利用率低，只適用于小功率，卷徑變化比較小的場合。</p><p>　　3.維持I恒定和 /D恒定 按式(8-25)的關(guān)系，分別控制電樞和勵磁?？刂葡到y(tǒng)通常由下述兩個

112、獨立部分組成。</p><p>　　1）電樞電流控制部分 用調(diào)節(jié)電動機(jī)電樞電壓隨卷徑變化，改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，維持電樞電流不變。電流大小由電流給定值決定。</p><p>　　2.磁場控制部分 調(diào)節(jié)電動機(jī)勵磁電流，使磁通隨著卷徑變化而變化，從而維持 /D的比值不變。圖8-7所示是這種方案的調(diào)節(jié)圖。當(dāng)鋼帶咬入后，電流調(diào)節(jié)器進(jìn)入飽和，其飽和值由張力（電流）給定決定。通過電流調(diào)節(jié)器ACR維持電

113、流恒定。隨著卷徑的變化，為了維持張力恒定，要求電動機(jī)磁通隨著變化，并維持 /D恒定，這是通過電動機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器AMR來實現(xiàn)的。卷徑測量取自卷取機(jī)的線速度和卷取電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。卷徑計算，根據(jù) 關(guān)系進(jìn)行計算，卷徑計算環(huán)節(jié)的輸出，就和卷徑D成比例。此輸出作為電動機(jī)勵磁調(diào)節(jié)的給定值。隨著帶卷直徑變化，淚如卷取工作時時從小到大，則勵磁電流輸出也相應(yīng)逐漸增大，電動機(jī)的磁通也隨之增大，以維持 /D恒定。 </p><p>　　5

114、.2 張力控制的幾種方法</p><p><b>　　1 間接張力控制</b></p><p>　　間接張力控制，不需要張力傳感器或張力測量裝置，控制系統(tǒng)中不用張力調(diào)節(jié)器，張力給定值乘以卷徑實際值，作為轉(zhuǎn)矩設(shè)定值作用于系統(tǒng)，電動機(jī)電流隨著卷徑的增加而線性增加，張力保持恒定。這種控制方式，速度調(diào)節(jié)器通過輸入一個飽和設(shè)定而保持在限幅狀態(tài)，</p><p

115、>　　間接張力控制的優(yōu)點是，不需要張力計檢測實際張力；靠控制電動機(jī)電樞電流，并隨卷徑變化計算電磁轉(zhuǎn)矩來維持張力的恒定。其現(xiàn)實對張力調(diào)控的過程屬于開環(huán)控制。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動時，如摩擦，速度動態(tài)變化（dn/dt）等因素對張力波動的消除，靠系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的各種補(bǔ)償環(huán)節(jié)來調(diào)張力電流的給定值，因而對張力控制的精度低，不能實現(xiàn)反饋控制，適用于張力控制要求較低的系統(tǒng)。</p><p><b>　　2.直接張力控制&l

116、t;/b></p><p>　　直接張力控制，需要張力傳感器直接測量卷徑張力，張力傳感器的輸出信號作為張力實際值信號反饋到張力調(diào)節(jié)器的輸入端。張力調(diào)節(jié)器輸出為電動機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，并通過閉環(huán)使卷徑變化時的張力恒定，對于傳動控制系統(tǒng)，該方式可以近似看成轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。其原理框圖見圖8-10。其他部分的作用原理，如卷徑測量計算，摩擦轉(zhuǎn)矩及加速轉(zhuǎn)矩動態(tài)補(bǔ)償，與間接張力控制工程應(yīng)用實現(xiàn)方法中所述相同。</p>

117、<p>　　由于系統(tǒng)中存在張力傳感器。因此，我們使用張力傳感器測量系統(tǒng)的張力，作為系統(tǒng)的反饋來控制電機(jī)。由于系統(tǒng)中當(dāng)張力小于150Kg時，系統(tǒng)為電流速度環(huán)控制，當(dāng)給定張力大于150kg時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)為電流張力環(huán)控制，而當(dāng)系統(tǒng)斷帶時，自動進(jìn)入電流環(huán)，速度環(huán)雙閉環(huán)控制。所以，系統(tǒng)中我們采用了三個閉環(huán)，電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)用于調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而張力環(huán)測量張力傳感器的值，作為系統(tǒng)的外環(huán)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的張力。</p><

118、;p>　　記張力為150kg時張力傳感器的值為Ucom，斷帶時張力傳感器的值為0，由此使用比較器使得系統(tǒng)在不同的張力時采用不同的控制結(jié)構(gòu)。整體系統(tǒng)的原理框圖如下。對電流，轉(zhuǎn)速環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，而對張力環(huán)也采用PI調(diào)節(jié)器，</p><p>　　仍然采用工程設(shè)計的方法，對張力環(huán)的調(diào)節(jié)器采用工程設(shè)計的方法確定</p><p>　　5.3.基于Simulink的四輥壓延機(jī)控制系統(tǒng)仿真<

119、/p><p>　　下面對電動機(jī)模型建立是否正確進(jìn)行驗證：</p><p>　　使用MathWorks公司研發(fā)的MATLAB中的SIMULINK模塊對電機(jī)模型進(jìn)行仿真，具體仿真原理圖如下：</p><p>　　圖5-1 電機(jī)模型仿真圖</p><p>　　本人仿真時給定電機(jī)一定的參數(shù)，具體參數(shù)和本設(shè)計參數(shù)題目基本一致，=17KW,=220V,=92

120、A,=1500r/min,R=0.28,,,Ls=30.5mH=0.00305H,=0.1353V..min/r,=1.2921N.m/A.</p><p>　　當(dāng)給定額定輸入220V電壓時，負(fù)載電流輸入為0，這時的電流轉(zhuǎn)速曲線圖如下：</p><p>　　圖5-1 電動機(jī)的工作電流曲線圖</p><p>　　圖5-2 電動機(jī)在額定輸入是空載的轉(zhuǎn)速輸出曲線</