（机械电子工程专业论文）多功能实验台控制系统研究.pdf

州j l i 业大学磷”i j 学位论立 多功能实验台控制系统研究 【摘要】零文结合工鞭实蔬霹2 l 工程子颂露多葫戆实验台( 主要溺试 煽轮动态性能) 的控制系统进行研究。酋凭根据实验台的指标璎求，给出整体控 露方寨，缝合薮受瞧予显控爨俘( 爵缓程控割器、蠡搂屡、燕溺篱谲滚模圭夹) 对实验台控制回路进行自动他研究，分析各个控制部分的控制原理、方法及实 瑷，葵重点是分援茹阕管壹滚魄壤漏速部分懿控铡原瑾。其次，炙了穆实验中 测得的各坝数据方便直观的显示出来，在p c 机上编写程序与p l c 进行通讯， 燎采集裂熬数据殴务耱线鹜奁p c 凝上爨示睡泉，菸霹联接秘力学分 螽敬终遗 行机械动力学性能分析，其羹点是对p c 机串行口编程的研究，实际程序用 c + + b u i l d e r 5 ，0 来实现。此终，为存效的滤除一些噪声成傍，簸螽对采集到浆绩 号进行了数字化处理，主要是有限冲激响应滤波嚣与陷波器的设计。本文的研 究成果是实验台的重要组成部分，对分机齿轮等传动零件的础力学性熊具有丰毪 当重要的爨义。 【关键词】：多功能实验台n l 编程控制器触摸屏晶闸管调速模块 有辩渖激晌盛滤波器陷波器 两北_ 业大学硕士学位论义 r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mo fm u l t i f u n c t i o n a l e x p e r i m e n t d e v i c e a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei n t e g r a t e dw i t hp r a c t i c e r e s e a r c h e st h ec o n t r o ls y s t e m o f m u l t i f u n c t i o n a le x p e r i m e n td e v i c ew h i c hi so n ec h i l di t e mo f 2 11 ”p r o j e c ta n d a i m s a tt e s t i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f g e a rw h e e l f i r s tw em a k e o u tt h ew h o l es c h e m e o ft h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ei n d e xr e q u i r e m e n to f e x p e r i m e n td e v i c e ，s t u d i e st h e c o n t r o lc i r c u i to f e x p e r i m e n td e v i c ea d o p t i n gl a t e s te l e c t r o n i cd i s p l a ya n dc o n t r o l u n i ts u c ha sp l c ，t o u c hs c r e e n ，t h y r i s t o r v e l o c i t yr e g u l a t o r ，a n da n a l y z e st h et h e o r y , m e t h o d ，r e a l i z a t i o no fc o n t r o ls y s t e mt h ee m p h a s i so fw h i c hi sc o n t r o lt h e o r yo f t y r i s t o rd c m o t o r v e l o c i t yr e g u l a t o r s e c o n d i no r d e rt od i s p l a yt h ed a t ac o l l e c t e di n e x p e r i m e n t , w em a k e ap r o g r a mo np ct oc o m m u n i c a t ew i t hp l c a n d d i s p l a yt h e c o l l e c t e dd a t ai nt e r m so fc h i n 。t ，t a b l e ，e t c a l s oi tc a l lb ec o n n e c t e dw i t hd y n a m i c a n a l y s i sp r o g r a ms oi tc a nc a r r yo u tm e c h a n i cd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，t h e e m p h a s i so f t h es e c o n dp a r ti ss e r i a lp o r tp r o g r a m m i n go np c u s i n gc + + b u i l d e r 5 0 f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt og e tr i do ft h en o i s ew ep r o c e s st h ec o l l e c t e dd a t aw i t h d i g i t a l m e a l q sa n dt h e e m p h a s i si s t h ed e s i g no ff i rf i l t e ra n dt r a p f i l t e r t h e p r o d u c t i o no f t h i sa r t i c l ei sa i li m p o r t a n tp a r to f e x p e r i m e n td e v i c ea n di ti sv a l u a b l e t oa n a l y z ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo fg e a rw h e e la n do t h e rt r a n s m i s s i o n p a r t k e y w o r d s m u l t i f u n c t i o n a l e x p e r i m e n t d e v i c ep l c t o u c hs c lp e n t h y r i s t o rv e l o c i t yr e g u l a t o r f i rf i l t e r t r a pf i l t e r 两北t 业人学颁。l 学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 、课题来源 本实验台是国家“2 l l 工程”蓖点建设项目两北工业大学“国家：l 科教 学基地”子项目。目的是建立一台多功能机械系统性能测试的试验台，其火体 框架如下： 匦亟五圃一 l 匮圈岖亟卜川圈岖疆卜叫恒蘑匾亟卜鲴 l i 匮亟互 十j 她砹同标足通过实验来研究在某种工况下影响机械系统静、动态特性的冈 素，j ：通过改变这些因素或采用补偿、校正的方法达到或接近达到预期的性能， 3 特点如下： a 试验装置实现模拟化、数字化及可视化。 b 系统本体装置实现柔性化，即根拆；需要随时可更换，本体装置能实现刚 度、阻尼及问隙可调。 c 负载_ l i 分以一种载荷谱形式加载，可以手动控制加载也可自动加载。 d 系统不仅能进行常规的静念、动态特性实验，而且也可以进非线性系统 t k 能、温度场和i 声场测试、状态检测、性能监控以及性能的j i 动控制实验台。 二、研究意义 ( ) 刘研究齿轮动态性能有重要意义 本课题主要研究内容是试验台控制系统的研究，它是实验台项 1 的一部 分。实验台建殴成功后可进行各种实验，对于齿轮动态陇能钉重要意义。 随着科学技术的不断发展、机械工业的f i 新月异，机械的运转速度越来越 商，从而人们对机械产，1 7 ，的动念性能提i j ；了愈求愈岛的要求。在诸如高精度数 西北工业大学硕士学位论文 控机床，机器人等控制系统中，我们要求严格的控制齿轮系统的动态特性，以 期避免其对整个系统精度，稳定性的不良影响。然而，各种机械在工作过程中 所产生的振动，却使它们的动态性能严重恶化，从而大大影响其原有精度、生 产效率和使用寿命。【1 i 机械的振动和噪声，其中大部分来自齿轮传动工作时产生的振动，因此机 械产品对齿轮动态性能的要求就更为突出。目前，齿轮传动所用的常规分析和 没计方法已满足不了动态性能方面的要求。要满足这一要求，就需要从多种角 度柬分析齿轮传动装置的运转情况，并按动态性能最佳的目标进行设计。因此 掌握多种参数变化对齿轮动态性能的影响，对现代高精度齿轮设计有重要的意 义。【2 l 旦是，人们对齿轮传动机构的动态特性( 主要是振动和噪声) 方面，还缺乏 系统完整的知识。虽然在一些学术刊物或学术会议文集中，已经发表了不少作 者的研究结果，在某些机械振动和噪声领域的专著中，可以找到个别章节阐述有 关的问题，但是总的来说人们对齿轮传动机构动态一t l - ：f l b 还缺乏系统的认识。 因此，建设一台实验台来研究齿轮传动机构动态性能是很有意义的。 ( 二) 工业应用价值 多功能实验台控制系统的研究有很好的工业应用价值。它所涉及到的直 流、交流调速，在工业控制中应用很广。在工控领域p l c 因其抗干扰能力强、 可靠性高而得到了广泛的应用，触摸屏因其操作方便、人机界面友好而被广泛 用做人机界面。而它们在本系统中也得到了应用。本系统的研究成果可以很方 便的应用到 ：业环境中去。 在工业控制中为提高控制性能，往往要把在地理上处于不同位置的p l c 、 计算机、智能装置通过传送介质连接起来，实现通讯，以构成功能更强，性能 更好的控制系统。 通过p l c 联网可以提高控制范围及控制规模，p l c 多安装于工业现场， 川0 二当地控制，联网后可增加p l c 控制的i 0 点数。可以实现综合及协调控 制。可剥现场智能装置( 智能设备、智能仪表、智能传感器等) 进行管理【4 i 。 木实验台的p c 与p l c 的通讯同样可扩展，在工业控制中可用于联网控 两- 1 1 ：3 2 业大学硕j ：学位论文 制。r s 2 3 2 是现在一些智能设备中常用的接口，如变频器、步进电机驱器等都 有这种结口，可方便的同计算机连接由计算机控制这些设备。本实验台将做的 r s 2 3 2 口通讯部分同样可向这些方向扩展。 目前，随着生产规模不断扩大，控制管理的要求不断提高，过程参数目益 增多，控制回路越加复杂，控制系统已从传统的单机控制、集中控制发展到现 在的集散控制、分布控制，所使用的硬件由模拟器件、集成电路发展为计算机、 网络。分布式控制系统正经历着从组合仪表、模拟监督控制、直接数字控制、 集散控制，以及当前以现场总线为标志的数字化、网络化的分布式控制系统的 发展过程。集散控制系统是随着现代化大型工业生产自动化的不断兴起和过程 控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统，是计算机技术、系统控制技术、 网络通信技术和多媒体技术、以及显示技术相结合的产物，是完成过程控制过 程管理的现代化设备。与常规的集中控制系统相比有如下特点：1 3 1 l 、实现了分散控制。它使得系统危险性分散、可靠性高、总投资减少、维 护方便。 2 、实现集中监视、操作和管理。使得管理与现场分离，管理更能综合化和 系统化。 3 、采用网络通信技术，这是d c s 的关键技术，它使控制与管理具有实时 性，并解决系统的扩充与升级问题。 4 、分散型控制系统具有控制功能多样、操作简便、系统便于维护、便于 扩展以及和其他计算机联用等特点，所以尽管其价格性能比其他控制产品要贵 些，但由于其可靠性和安全性等方面的优点，在工业控制r i ，获得了一泛的应 用。 1 2 课题研究方向及主要内容 一、控制方案的设计 根据所给要求，选择合适的控制方案。控制部分选用阿本o m r o n c p m 2 a p l c 为主控器，自动加载部分采用o m r o nm a d 0 1 模拟量单元作为 西北工业人学硕i ：学位论文 执行控制部分。数据的输入、控制方案的选择、加载曲线的设定以及实验数据 的显示采用o m r o nm p t0 0 1 可编程终端实现。 实验台的原动机采用直流电机，其调速采用两路集成移相调控晶闸管模块， 用电位器调节，分别调节电机的电枢电压和励磁电压，实现电机转速由 0 3 0 0 0 r m i n 的平滑调节。 磁粉加载器的供电，采用特制的直流电源，可用电位器手动调节供电电流、 电压，也可用p l c 实现对供电电压和电流的自动调节。 二、监控程序的设计 用c + + b u i l d e r 5 0 编写p c 与p l c 通讯的程序。界面参考通用的模态软件， 针对本实验台做出相应的配套软件。一般p l c 与p c 通讯可选用通用的模态 软中 ：，考虑到通用软件并不能完全实现本实验台所要求的全部功能，且有很多 功能用不上。而自己编写程序有较大的灵活性，且在处理采集到的数据时有更 大的灵活性。 采集到的数掘以何种格式存在计算机上也是一个问题，一般况下应建立数 据眸。从测得的数据中获得规律，并画出曲线圈绘图的工作用c + + b u i l d e r 5 o 来 实现，c + + b u i l d e r 5 0 编制数据库操作界面，c + + b u i l d e r 有丰富的控件，编写 用户界面比较简单。用c + + b u i l d e r 编写程序来完成实时曲线的绘制工作，实 时动态显示采集到的数据，方便直观。 三、对采集到的信息进行数字化处理 c p m 2 a 有一个9 针r s - 2 3 2e 1 编程口，它是标准的r s 2 3 2 口最大传输距 离为15 米，在实验室内完全可以满足要求。自己做一条编程电缆将p l c 的 r s 2 3 2 口和微型计算机的r s 2 3 21 3 连接起来；用c + + b u i l d e r 5 0 编写程序与 p l c 通讯。 现场电机的高速转动及动力线的电压波动会对信号的采集产t ：生一些j r 扰， 采集到的信息巾不可避免的将含有一些噪声成份，这对一些火信号可能影响刁； 人，但对一些小信号的影响不能忽视，因为这时噪声成份有可能比这些信号还 要强。如何去掉这些噪声成份，尽可能的保持信号的正确性成为一个问题。 两北丁业犬学硬i 学位论文 这就要对采集到的信号进行滤波处理，有两种方案可供选择：一是用主控 制器进行滤滤处理：二是用计算机对信号进行处理。考虑到主控制器为c p m 2 a ， 其扫描周期一般要有几十个毫秒，程序长时可能要达到上百个毫秒，运算速度 的影响成为制约p l c 应用的个不可忽视方面。使它只能应用一些简单的p i d 算法，而对稍微复杂一些的算法，它显的有些无能为力。而数字滤波要求的一 些算法对主控器的运算速度要求很高。如个2 5 6 点的d f t 算法计算次数为 1 0 2 4 4 2 1 ，c p m 2 a 很难满足这样的要求。而用通用的计算机处理这些问题速度 完全能满足要求，另外有高级语言的支持，像c + + 中有一些数字信号处理的算 法予程序，当然具体应用中许多问题需要自己独立去解决。 1 3 国内外研究现状 目前，我国齿轮行业测试仪器和设备十分缺少，很多高校都在这这方面的 研究，有几所高校也做出了性能非常好的试验台，象重庆大学秦树人老师做的 实验台就非常成功，还有浙江大学做的也很好。这些无疑对研究齿轮传动系统 是非常有益的。 然而，由于齿轮系统研究的内容很多，而且齿轮形式也有很多，所以试验 台建设也千差万别。有的做的很好，有的做的并不理想。我们要做的研究不可 能照搬别人的模式，这就须要我们自己来做试验台。本课题就是在这种意义下 产生的。 i _ i k 控制领域中，直流、交流调速、数据采集、数据处理，也有一些成品 化很高的现成模块可用，然而这些东西毕竟是通用性的，不可能专r q $ - t 对我们 的试验台。因此，我们必须根据研究需要做出我们自己的试验台，这就要将这 些模块集成，组织硬件并编写软件，然后调试软件，最后做出我们自己的试验 台。 l | ! 町北t 业大学硕1 1 学位论文 第二章控制系统的组成 2 。l 系统简介 一、控制方案的设计 根据所给要求，选择合适的控制方案。控制部分选用日本o m r o n c p m 2 a p l c 为主控器，自动加载部分采用o m r o nm a d 0 1 模拟量单元作为 执行控制部分，用m a d o i 输出o l o v 的模拟量电胍控制磁粉加载器两端0 3 6 v 的输入 = 魏疆，实现对负载与黼尼的自动调节。同时m a d 0 1 模块还完成对模撼 艟的采集工作，将采集到的数据存贮在主控器p l c 中，为p l c 用主机的数据 僮浚敲鳋臻螽。数攥戆输入、控镧方案瓣逸择、热载魏线麓设定敬及实验鼗弦 的显示采用o m r o nm p t0 0 1 可编程终端实现。 褒浚魄撬躲调遮采鼹嚣鼹集残穆朝调控鑫阕镑模块，鲻逛经器诵节，分剐 凋节电机的励磁电聪和电枢电压，实现电机转速由0 3 0 0 0 r m i n 的平滑调节。 磁粉加载器鲍供电，采用特制的直流电源，可瘸电位器乎动调节供电电流、 电压，也可用p l c 实现对供电电压和电流的自动调节。 二、控制系统原理框图 西北工业大学颁：学位论文 2 2 直流电机的调速方法简介 直流电机的转速 和其他参量的关系可表示为1 6 1 n ：罂( 卜1 ) c 。面 、 。 式中 u 电枢供电电压( v ) ；l u 电枢电流( a ) ； 中励磁磁通( w b ) ： r 。电枢回路总电阻( q ) c e 电势系数，c 。= 篆p 为电磁极对数， a 为电枢并联支路数，n 为导体数。 由上式可以看出，式中乩、r 。、三个参量都可以成为变量，只要改变 其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机的转速，有三种的 基本的调速方法：( 1 ) 改变电枢回路总电阻r 。；( 2 ) 改变电枢供电电压u 。；( 3 ) 改变励磁磁通o 。 一、改变电枢回路电阻调速 各种直流电机都可以通过改变电概回路电阻来调速，如图( 2 1 ) 所示。此 时转速特性公式为 n ：旦正! 冬二竺立 式中r w 为电枢回路的外接电阻( q ) c m 一、7 当负载一定时，串入的外接电阻r 。增大，电楸回路的总电阻月= ( r 。+ r 。) 增大，电动机转速就降低。这种调速方法为有极调速，调速比一般约为2 ：l 左 右，转速变化率大，效率低，故现在已极少用。其机械特性如下图所示。 ( a ) 改变l u 椒1 乜阻凋速i u 路幽( 2 1 ) ( b ) 改变电概i 乜阻调速时的机械特性 西北工业大学坝 学位论文 二二、改变魄抠毫歪调速 连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。 这释调速方法应蹋最多。采用这秘方法调遮时，电动凝应采取凭聚方式搽毽其融 磁不变，只改变电枢电路的供电电压，因此需要可调赢流电源。应用较多的调速 系统有以下几种：1 7 1 l 、直流笈电机一魄动枫组调速系统。 2 ) 用交磁放大机控制的直流电动机调速系统。 3 ) 用交磁放大撬控澍静直流发奄税一电动机调速系统。 4 ) 用晶闸管控制的直流电动机调速系统。 浚变电动瓠珙邀毫嚣调速的柢藏特瞧方籁为o 。l 玎：黑一等等丁(柚)c c e 垂er 国2 、一 式中u ，一整流电压，对于直流发电机一电动枧组采漫，u ，就是发电机的感应 瞧动癸致，零，= 壤； 尺，整流装置内陋，对于直流发电机一电动机组涞说，足即发电机电抠电阻； 从机械特性方程式可以看出，当整流电压u ，改变时，可以得到一组平行特性。 觅图( 2 2 ) 。当负载转矩不变时，a n 刁；变。 a n ：堪r c 。c r 嘞i 蕊量 西北工业大学硕? i ：学位论文 三、改变磁通调速 在电动机励磁绕组电路中，改变其串联电阻的大小，或采用专门的励磁调节 器来控制励磁电压，都可以改变励磁电流和磁通。 改变磁通调速机械特性方程式为 ：盟一与r ：盟一旦，f 2 3 1 c 。中c 。c r 巾2c 。mc 。中 、 从机械特性方程式可以看出，当中改变时，变，a n 也变。当磁通巾减弱 时，理想空载转速n 。增加，机械特性斜率随着磁通减弱而急速增加，n = o 时的 转矩( 堵转转矩) 瓦，随着中减弱而减小( 瓦，= u 。c ，o r 。) ，故机械特性曲线是一 组交叉的直线。【8 】 7 j 。：i ，t ， 图c 2 书) 2 3 本系统中直流电机的调速原理 晶闸管直流传动二十世纪7 0 年代前后在我国得到大力的推广和应用，经过 3 0 多年的发展历史，还停留在分立器件的基础上，体积大，接线复杂，使用极 不方便而且价格昂贵。为此我们选用了临淄银河高技术开发有限公司的 m j y s z l 系列的集成移相调控晶闸管模块，该模块先进的工艺流程和高性能的 电路设计大大提高了模块的使用寿命和可靠性，而且性价比很高，为直流调速 领域增添了新的活力。 这罩我们采用了比较成熟的品闸管相控调压调速系统。它的整流功能 m j y s z l 系列的集成移相调控品闸管模块实现。经5 1 2 q k 场合的实际应用证明 西北工业大学硕七学位论文 该方法讽速性能稳定，精度较高。为了获得良好的动、静态调速性能，该系统采 用了转速、电流双闭环调速系统。其中电流环为内环，由电流负反馈环节构成； 转速环为外环，由转速负反馈构成。 双闭环调速系统的原理介绍如下。 ( 一) 转速、电流双闭环调速系统 常用的调压调速系统分为单环与多环调速系统。为了获得理想的静、动念 性能，通常采用转速、电流双闭环调速系统。 图( 2 4 ) 为转速、电流双闭环调速系统原理 图( 2 4 )双闭环调速系统原理图 s t ：转速调节器l t ：电流调节器 s f ：速度反馈设备t a ：电流互感器 u 。：转速给定的电压信号u 。：转速反馈的电压信号 u 。：电流给定的电压信号u 。：电流反馈的电雎信号 在双闭坏调速系统中，电流调节器l t 和转速调节器s t 均为具有输出限 幅的p i 调节器，当输出达到饱和值时，输入量的变化不再影响输出，除非累加 反向的输入才能使调节器退出饱和。当输出未饱矛n n , l ，稳态的输入偏差电压总 是为零。正常运行时，电流调节器l t 设计成总是不会饱和的，而转速调节器 s t 有时运行在饱和状念，有时运行在非饱和状态。【1 9 1 1 双闭环凋速系统静特性 分析双闭环调速系统的静特性可以按转速调节器s t 在运行中的两种情 况：饱和输出达到限幅值；不饱和输 j i 术达到限幅值来进行。 ( 1 ) 速度调节器s t 不饱和时 两个调节器的输入偏差均为零，所以 两 l i 业大学预，i ：学位论文 u ，= u 加= 彻 或。：竖 式中a 速度反馈系数 其对应的特性如图2 5 中 。一a 段所示。 同时，u f = u = d = b l d 且 u 目 u ， 所以，d ，女， 式中，。电枢电流最大值 u 。速度调节器输出限幅电压，在电枢电流最大值处取得 8 电流反馈系数 眦：堡：竺塑垫：竺竺竺竺! ( 2 ) 速度调节器s t 饱和时 u g i 达到u g i m 时，转速的变化对系统不发生影响，转速外环呈开环状态 此时系统变成一个单电流环无静差调速系统。 川 。 固 h “ ( ( 两北工业大学硕i 学位论文 u g i = w = 加 或，。= 百u i = 。“ ( 2 7 ) 这时系统的静特性如图( 2 - - 5 ) 中的a b 段。 由于实际运算放大器的丌环放大系数并非无穷大，静特性的两段曲线均有 很小静差度。如图( 2 5 ) 中的虚线所示。 由上述可知，双环系统在稳态情况下，负载变化引起的转速波动，将通过 s t 的自动调节作用而被抑制，对应的系统静特性如图中的n 。一a 段所示；当电 流超过最大值时，s t 输出达限幅值，s t 失去调节作用它仅为电流环提供一 个最大电流给定值，在u 、的作用下，系统处在恒流调节状态，从而得到很陡 的下垂特性1 2 0 1 。如图中a b 段。 2 双闭环调速系统的动态性能 ( 1 ) 动态跟随性能 在起动和升速过程中，s t 很快地达到饱和输出，使电动机在最大允许电流 ，。下恒流加速。而l t 不进入饱和，使电流环成为电流跟随系统，保证u ，= b ，。的关系。在电流受过载能力约束的条件下，整个系统表现出很快的动态跟 随性能。 ( 2 ) 动态抗扰性能 在闭环调节系统上，对于被反馈环包在内的一切扰动量，系统都能发挥抑 止作用，因为一切扰动量最终都要反映到被调量( 转速) 上来，都可以通过测 量出被调量的偏差而进行调节。系统的主要扰动量是负载扰动，再其次是电源 电压( c j 波动，它们的影响都会因这两种扰动量的作用点都在反馈环之内而受到 抑止。负载扰动处在电流环之外，转速环之内，因而受到了转速调节器的抑l l = ： f 乜源f u 压的波动作用在电流环内，因而受到了电流调节器的抑止。 ( 一二) 转速、电流双闭环调速系统的分折 1 真流电机的数学模型 堕苎王些查兰堡! ：堂竺堡兰 在电力拖动控制系统中，直流电动机通常以电枢电压为输入量，以电动机 转速为输出量。假设电机补偿良好，不计电枢反应、涡流效应和磁滞的影响， 并设励磁电流恒定，得直流电机数学模型为 u d - l d 等+ i a r a + c p 式中 u 。电枢电压 工。电枢回路电感 ，。电枢电流 r 。电枢回路总电阻 c 。由电机结构决定的电势系数，v s ，r a d q 电动机角速度 根据刚体的转动定律，电动机轴上的运动方程式为 ，鲁= m 一， 式中 j 电动机轴上( 包括负载折算过来的) 转动惯量 q 电动机角速度 m 电动机轴的电磁力矩 m ，电动机轴的负载力矩 当磁通不变时，有m = c 。l m 式中 c m 电机的转矩常数，n 1 1 1 a 整理得到直流电机的微分方程 乃窘+ 乙害击 式中 乃电枢回路的电磁时问常数( 瓦= 厶r 。) 8 9 l 1 一 曲 一 。 岬 西北工业大学颂l 一学位论文 l ，机电时间常数 l：黑：堕(2-12)c3 7 5 cc ”1 。c 卅。 g d l 一电力拖动系统整个运动部分折算到电动机轴上的转动惯量 月电动机转速 进而，我们可得直流电动机的电压和转速间的传递函数为 州2 焘( 2 - - 1 3 ) 根据上式可以看出直流电动机可以近似认为具有两个惯性环节的系统。 直流电动机的动态结构图如图( 2 6 ) 所示： 图( 2 - - 6 ) 直流电动机的动态结构图 2 转速、电流双闭环调速系统的分析 该系统采取转速、电流双闭环调速系统。其中转速外环与电流内环均拟采 取p i 控制。 对于电流闭环，p i 调节器的传递函数可以表示为 邺) 毯等( 2 - - 1 4 ) 式中 k i 电流调节器放大倍数 ti 电流调节器时问常数 对于速度闭环，p i 调节器的传递函数可以表示为 岬) 响警( 2 - - 1 5 ) 第1 4 页 t7 5i 西i l 3 ：业大学删i ：学位论文 式中x n 一速度澜_ 謦器放大嵇数 tn 一速度调节器时间常数 对予照闷管整流器，它本努是一令瓣滞环节，传递丞数露以表示为 峨( s ) = k ：e ”一 式中 k z 一晶慝繁整流器放大倍数 t z 一晶闸管魁流器时间常数 考虑到一般tz 比起系缝其它部分故时闻常数往往小褥多 滞环节近似为惯性环节处理，传递函数为 邺) = 熹 所以双闭环系统的动态结构图如图( 2 7 ) 所示 ，可以垮泼时 2 1 7 ) 图q 呵) 双 l l 环系统的动态绩梅墨 2 4 本系统中氲流电机的调速硬件实现 为了壳骚模撅谰速系绫强鸯瓣滠潆、零漂等懿影酾，我翻采取了全数字讫 调速系统。控制系统部分采用o m r o nc p m 2 a 作为主控器，晶闸管稳压调速 琵m j y s z l 系列豹集成移稳调控品闸管模块寒实现，转速反馈采用了特制的扭 矩转速仪( 它同时负责转速与扭矩信号的采集) ，电流互感器传过来的电流信号 的采集由o m r o nm a d 0 2 模块实现。 本文所研究豹巍流电视数字控制渊速系统采用了传统的速度、电流双闭环 结构，控制功能由软件实现。 西北i t 业人学硕l 学位论文 控制系统硬件实现图如图( 2 8 ) 所示 l 1l 2l an 图( 2 8 ) 双闭环直流调速系统硬件实现图 ( 一) 集成移相调控晶闸管模块简介 随着大功率器件和模块集成技术的发展，将大功率的晶闸管、可控硅和集 成移相调控电路组合在一起，形成的大功率、大电流集成移相晶闸管调控、整 流模块。以其性能可靠，外围电路简单，方便实用的特点得到了较快的发展。 根据工程需要，我们采用了m j y s z l 集成移相调控晶闸管模块，它采用d c b 工艺，主电路和控制电路集成为一体，可采用手动控制、微机控制、仪表控制 等，可实现调压、调功、交流变直流等功能。 1 、工作原理： 两北工业大学硕- j 学位论文 模块内主要由晶闸管主电路和触发电路两部分组成，触发电路对来自电网 的同步信号进行整形、限幅、并产生锯齿波，移相电路由锯齿波和触发信号电 平进行比较，产生触发方波脉冲，高频振荡器对触发方波完成调制和进行脉冲 现发配，功放电路对其进行功率放大后触发晶闸管，完成对电力的控制。主电 路由三相桥式交流调压电路构成。集成移相调控晶闸管模块分为三相交流输入 和单相交流输入两种输入方式。分别适用于三相3 8 0 v a c 输入和单相2 2 0 v a c 输入两种电源方式。两种模块的移相调控电路基本相同、只是晶闸管的接线方 式不同。1 4 7 1 三相整流模块和单相整流模块的原理框图如图( 2 9 ) 所示： 毒葙土毫新 调控器 叫叫叫 ) u i f f 】。 鼻z目尹e 杆 移相 调控器 i l t x -工n叫 e c o n c o n g n d g n d d c l 2 v 图( 2 9 ) 2 集成移相调控晶闸管模块的性能和特点 由方框图可以看出，集成移相调控晶闸管模块的使用二作常简单。只需连接 上交流电压输入端和控制电压输出端，再按控制端要求加上1 2 v d c 电源和0 1 0 v d c 控制电压，即可实现控制，因此它具有外围电路简单，很容易实现各 种控制要求的连接。可以采用电位器手动控制、计算机控制、仪表直接控制等， 具有接口简单的特点。 山于模块采用专用芯片、专用控制电路、严格g 0 - 产工艺控制，使模块的 整体性能得到较好的保证。模块的可靠性很高。其耐热疲劳能力一热循环负载 次数超过国家标准的规定要求，使用者可大大减少了因采用分立器件所需的：l 西j l q - _ 业大学颊i ：学位论史 艺保证措施，降低了生产成本，简化了生产环节。 集成移相调控晶闸管模块可适用于阻性负载、感性负载和容性负载。三相 输入模块主电路交流输入无相序要求。移相调控电路与主电路、导热底板间相 互隔离，介电强度大于等于2 0 0 0 v a c 。 集成移相调控品闸管模块的主要性能有： 输入线电压范围：r m s = 3 0 4 5 0 v a c 输出电流范围：整流：2 5 a 1 0 0 0 a 分档可选 交流3 2 0 a 3 x 3 5 0 a 分档可选 控制信号电压：= 0 1 0 v d c 输出电压不对称度： 6 输出电压温度系数： 2 0 0 0 v 输出电压与输入电压比k 。 三相整流：1 3 5三相交流：1 0 3 集成移相调控晶闸模块的应用设计 ( 1 ) 连接控制方式的选择集成移相调控晶闸管模块除了输入、输出接线 端予外。还有一个采用c h 2 5 插头的控制端子。它是一个5 针端子。各引脚功 能为： 1 脚e c o n ：控制电压输出端。由模块内提供1 0 5 v d c 电压，用于外接电 位器手动控制。 2 脚c o n ：控制信号输入端，输入o 1 0 v d c 直流信号电压进行控制。 3 脚、4 脚g n d ：信号与供电电源直流参考地。 5 脚p o w e r ：模块内移相调控电路的直流1 2 v 电源输入端。要求外加直 流1 2 v 稳压电源输入。稳压电源输出电流应大于1 a ，滤波电容大于2 2 0 0 肛f 2 5 v 。 乜源极性不能接反，否则会烧坏模块。1 4 7 1 这在使用中应特别注意。 集成移棚调控品闸管模块由于仅需要在2 脚施加0 1 0 v d c 直流控制信号 西：l t i 业入学顿1j 学位论文 电压进行控制。因此设计应用比较简单。在器件产品手册上给出了几种控制方 式。如图( 2 一1 0 ) 所示。 手动控制图( 2 - t o )通过微机结口控制 ( 2 ) 输入、输出电压与控制信号电压的选择设计 器件产品手册上给出的模块输出特性曲线，它是我们设计时要采用的基本 曲线。如图( 2 一1 1 ) 所示。 两北工业大学硕士学位论文 根据输出和输入电压的要求，由模块输出特性曲线可以确定输出、输入要 求的直流控制信号幅度和范围。图中垂真坐标为输出电压与输入电压的比值。 水平坐标为控制信号电压值。当选定输入与输出电压比后，即可由图中曲线求 出所需施加的直流控制电压值。图中曲线给出的是阻性负载曲线。当采用感性 和容性负载时，也可以作为设计依据。在实际电路中稍做调整即可。 ( 3 ) 模块的保护设计 集成移相调控品闸管模块，在使用中应进行过压或过流保护设计，以保证 模块的安全。过压保护：集成移相调控晶闸管模块在出厂时已提供了阻容吸收 保护电路用的电阻和电容。在设计中，按说明书的要求进行连接即可。另外， 为保护模块的安全，在实际使用中还应在输入和输出端增加压敏电阻进行保护。 当负载为阻性负载时，可以仅在交流输入端加压敏电阻保护。当负载为感性或 容性负载时，输出和输入端都应加压敏电阻进行保护。压敏电阻通流比，应按 工作电流3 5 倍选取。过流保护：集成移相调控晶闸管模块过流保护可根据需 要选用快速过流继电器、过流反馈保护电路或快速熔断器进行过流保护。 快速熔断器是最简单的过流保护方式。它的选用原则是，熔断器的额定电 压应大于电路上的正常工作电压。熔断器的额定电流略大于模块交流输入端每 相的有效电流值，但最大不能超过模块输入端的额定电流值。器件手册给出具 体数值要求时，应按器件手册给出的数值选取。 ( 4 ) 散热方式的选择设计 集成移相调控晶闸管模块，由于将集成移相调控电路与大电流晶闸管电路 封装在一个模块中。因此，实际使用中对模块的散热要求较高。应按器件手册 给卜h 的要求选择散热器。在结构设计上还应考虑具有良好的散热空问和散热通 路。一般情况下应安装散热风机进行强迫风冷散热。当输出电流大于5 0 0 a 时， 最好采用水冷敞热方式。模块在使用中，散热的好坏将会影响到模块长时问工 作的可靠性。在敞热设计中，应使模块外壳的表面温度在热平衡后，连续工作 时不超过8 0 。c ，否则容易损坏模块。 笫2 0 页麸7 5 贝 西北t 业大学硕l 学位论文 2 5 本系统中直流电机的调速软件实现 比例+ 积分+ 微分调节即p i d ，是工业控制中很常用的d d c 调节方法，无论 是速度、位置等快过程，还是温度、化工合成等慢过程，都能达到满意的控制 效果。积分调节可以消除系统的静差，微分调节可以改善系统动态响应速度。 比例、积分、微分三者有效的结合起来就可以满足不同的控制要求。 本实验台要求系统有较好的动态品质和稳态精度，采用了p l 调节，而且根 据系统要求采用了双闭环调速系统，将两个p l 回路嵌套使用，实现对系统的双 闭环调节。下面介绍一下可编程序控制器中进行p i d 调节器软件程序设计的基 本原理和一般方法。 一、p i d 控制算法 可编程序控制器的设计是以连续系统的p i d 控制规律为基础，然后再将其 数字化，写成离散化的p i d 控制方程，根据离散方程再进行控制程序的设计。 连续系统的p i d 调节的微分方程一般可表示为： 2 3 1 川) = k g m ，) + 争脚) a t + 乃掣 ( 2 堋) 其中：y ( f ) _ p i d 调节器的输出量 e 0 ) 一调定值与反馈值的误差 e = 圪一 i 一积分时间常数乃一微分时i n 常数 k ，一系统增益系数 如果选采样周期为t ，初始时刻为零，将( 2 1 8 ) 离散化为1 2 6 】： y 咆似卅吾窆哪) + 争咖h ( ) ) ( 2 - - 1 9 ) j 0 改写成：y ( 胛) = k ，( ) + k ，8 ( _ ，) + k 。( n ) 一p 一1 ) 】( 2 2 0 ) 其中：e ( ) 一第n 次采样时的偏差值 西北工业大学 耐上学位论文 k 。一比例系数 e 一积分系数 k 。一微分系数 k p 2 k g 耻蜒； 耻k 争 这就是d d c 计算机实现的p 1 d 控制算法。但是用可编程序控制器来实现 这种算法时，由于它的周期扫描机制的限制，每个扫描周期的时间不尽相同， 并且在一个周期内各回路的处理时间也不是每个周期相同，因而机器每次实际 采样间隔t ( n ) 就或多或少的有所不同，因而就不能用固定的采样周期进行运算， 每次的控制输出调节量必须考虑采样时间的影响。其控制算法相应必写为： y ( ”) = k ，e ( 胛) + e e u ) + k d e ( n ) - e ( n - 1 ) + b ， ( 2 2 1 ) j = o 式中：e ( n ) 一偏差值 k ，一比例系数k ，= k 。 尺。一积分系数k 。：k g 娶生 l 髟一微分系数k 一2 k 责苦 丁( ”) 一每次采样时问b ，一系统偏移量 k 设定值圪一过程量反馈值 式( 2 2 1 ) 就是可编程序控制器作为d d c 系统时的p i d 控制算法公式。系 统的实际控制效果主要取决于k 。k 。k 。三个系数的选择合适与否：比例、 积分、微分三项中哪一项选择不合适都可能影响实际的控制效果。 时问常数t 、瓦的物理含义在一般的书中都有介绍，此处就不再赘述 下面重点介绍一下各参数的确定。 两北工业大学硕士学位论文 二、参数的确定 1 采样周期t 的确定 根据香农采样定理可知采样频率应大于或等于被采样函数所含频率的两 倍，才可能还原出原函数，即1 2 6 】： 珊，2 。( 2 2 2 ) 其中：c o ，一采样频率 国。一被采样连续函数中最高频率 这个定理只给出了理论上的频率关系，但实际中用这个定理是很难确定出 合适的采样周期t 。在本系统中采用一种通过系统的特征曲线来确定系统的采 样周期的经验公式。 这种方法实际上是通过描绘控制系统的开环单位阶跃曲线，来确定控制系 统的采样周期的。方法是将控制系统的反馈断开，在给定处加上一个单位阶跃 给定信号，描出被控对象的响应时间曲线，如图( 2 1 2 ) 所示。( a ) 为单位阶跃给 定，( b ) 为控制系统的开环响应曲线。在曲线上斜率最大处作一切线，找出系统 的死区时间，设系统的增益为k 。，当被控量上升到6 3 5 k 。，时所用时间为 0 1 r ，则系统最大采样周期t 应为： t = 0 1 t ( 一2 3 ) 个 这种方法适合：二_ = 1 2 1 0 的控制系统，本系统恰为这样的系统。 r 又因为可编程序控制器的周期扫描机制，如果当采样计时器被扫描时， 采样时间并没有达到，而刚刚开始着扫描其它程序时采样时间就到了，将错过 了次采样，降低了采样效率。为此，由可编程序控制器实现p i d 控制时应耽 t = 0 0 50 i t ，这样可保证采样效率1 2 引。 笫2 3 页共7 5 + 页 两北工业大学硕= i ：学位论文 给定 i 图( 2 一l2 ) 系矗穿环阶跃响应曲线 2 参数k 。、k ，、k d 的确定 通过前面的分析可知，控制系统三个参数的计算公式： k ，一比例系数k ，= k g 卜积分系数 弘k 掣、 心瑚分系数耻蜒高 这三个系数中，系数采样时间丁( n ) 可以通过程序的方法求得，系统增益k 。 可以通过控制系统的丌环特性测出，关键就是如何得到积分时问常数r 和微分 时间乃。这是工程控制人员非常关心但又是非常棘手的问题，在理论和实践中 已有多种公式。现在介绍一种简便易行而且行之有效的测算k 。，k 、k 。的工 程方法。这种方法的要点为： ( 1 ) 由系统丌环单位阶跃曲线确定系统增益k 。、死区时间t 和系统时间常数 ，： 一 一，一 一 一 么t 一 一 一 一 一 一 一 一 一 晌 驰 西北工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 计算出系统响应率：r = ； ( 3 ) 如果控制系统只采用比例环节时，则应取：足，= 百1 i ( 4 ) 如果控制系统只采用比例环节和积分环节时，则应取： g p = 而0 9足。= 百0 2 7 丁k p ( 5 ) 如果控制系统中比例、积分、微分三个环节都采时用，则应取 足，= ( 1 2 2 ) 而1 弘单髟扎5 k ， r 。 7 控制系统p i d 参数的确定也可以采用其他的工程方法，如扩充临界比例度 法和扩充响应曲线法，这两个方法在实际应用中也是很有效的，应该指出的不 论哪种方法获得的参数值，都只是实际调试时的一个参数值，都要在生产实践 中检验和修正，方能找出实用的最佳值。 3 参数的精整 在调试时对系统参数k ，、k ，、如的参考值的精整是最难而且最重要的环 节，它集理论知识与实际经验于一体。精整又称精调，就是系统在参考参数下 运行，根据实际控制状况对控制系统进行判断。修改参数，使系统达到最佳状 况。实际上系统总是在各种扰动下工作的，最佳状况就是指最佳响应特性和最 小误差。 扰动曲线精整参数就是在控制系统闭环按参考参数运行时，给系统加一定 的扰动量，记录被控量的时间曲线，根据曲线的状态来