控制技术课程设计指导书(10)朱

专业实习与综合课程设计指导书电子工程学院电气工程系2010年12月一、专业实习与综合课程设计的目的和要求专业实习与综合课程设计是根据“电气工程及其自动化专业培养计划”而制定的，是电气工程及其自动化教学计划中进行的实践性教学环节，也是《可编程控制器及其应用》、《电力电子技术》、《电气控制装置与设备》、《工厂供电》、《交直流调速系统》、《计算机控制技术》等专业理论课学完之后的一次综合实践教学。培养学生独立分析问题、解决问题的能力；协作的能力；严肃、认真的科学态度。专业实习其目的在于使学生在实习过程中能够理论联系实际，在实践中充分利用所学理论知识分析和研究实际生产过程中出现的各类技术问题，巩固和扩大所学知识面，为以后走向工作岗位打下一定的基础。在实习过程中，通过动手实践，使学生系统掌握电气控制系统、交流调速系统和计算机控制系统等方面的理论知识，并能对所学的专业基础知识进行建模和调试，了解现场主要设备的用途和电气线路的作用、原理和电气性能。综合课程设计是自动化专业的学生在学完所有专业课以后的进行综合训练的教学环节，是一次综合性实践教学。通过课程设计，使学生了解一般电气控制系统、自动控制系统和计算机控制系统设计的过程、步骤、要求、工作内容及设计方法。训练学生综合运用专业课的能力，提高学生电气工程设计的能力。二、专业实习与综合课程设计内容（一）综合课程设计设计任务一：调速系统部分综合运用《电机与拖动》、《电力电子技术》、《自动控制原理》、《调速系统》等基础知识，熟悉自动控制系统的组成、原理及工作方式，掌握自动控制系统的设计步骤与方法，增强学生分析系统、解决系统中出现问题的能力。1、题目名称：子课题（1）十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计子课题（2）4KW以下直流电动机不可逆无级调速系统设计2.技术数据：子课题（1），在冶金工业中，轧制过程是金属压力加工的一个主要工艺过程，连轧是一种可以提高劳动生产率和轧制质量的方法，连轧机则是冶金行业的大型设备。其主要特点是被轧金属同时处于若干机架之中，并沿着同一方向进行轧制，最终形成一定的断面形状。每个机架的上下轧辊共用一台电机实行集中拖动，不同机架采用不同电机实行部分传动，各机架轧辊之间的速度实现协调控制。本课题的十机架连轧机的每个机架对应一套直流调速系统，由此形成10个部分，各部分电动机参数如下表：（按学号顺序分十一组，见任务书）机架序号电机型号)(kWPn)(VUn)(AInmin)/(rnn)(aR)(22mNGDaIfn(A)1Z2-926723029114500.268.604.982Z2-914823020914500.358.023.773Z2-823523015214500.431.362.674Z2-812623011314500.527.442.7655Z2-721923082.5514500.711.763.056Z2-71142306114500.89.82.177Z2-621123047.814500.96.390.9568Z2-618.52303714501.05.491.149Z2-52623026.114501.13.921.1110Z2-514.223018.2514501.23.431.045（1）电枢回路总电阻取R=2aR；折合到电机轴上的总飞轮力矩225.2aGDGD，P极对数为1。（2）其它末尽参数可参阅教材中“双闭环调速系统调节器的工程设计举例”的有关数据。（3）要求：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%。（4）要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。（5）要求触发脉冲有故障封锁能力。（6）要求对拖动系统设置给定积分器。子课题（2），适用于4KW以下直流电动机不可逆无级调速。要求调速范围D=10，静差率S≤10%。（参考电机参数，如直流电动机：额定功率PN＝1.1KW，额定电压UN＝110V，额定电流IN＝13A，转速nN＝1500r/min电枢电阻Ra＝1欧，极数2P=2，励磁电压Uf＝110V，电流If＝0.8A）3、设计的内容：1.调速的方案选择（1）直流电动机的选择（根据上表按小组顺序选择电动机型号）。课题2只要是4KW以下电机即可。（2）电动机供电方案的选择（课题2可以采用单相交流电或三相交流电）。（3）系统的结构选择（建议课题1采用转速电流双闭环系统结构，课题2自定）。（4）确定直流调速系统的总体结构框图。2.主电路的计算（可参考“电力电子技术”中有关主电路计算的章节）（1）整流变压器计算：二次侧电压计算；一、二次侧电流的计算；容量的计算。（2）晶闸管元件的选择：晶闸管的额定电压、电流计算。（3）晶闸管保护环节的计算交流侧过电压保护措施；阻容保护、压敏电阻保护计算；直流侧过电压保护；晶闸管及整流二极管两端的过电压保护；过电流保护；交流侧快速熔断器的选择；与元件串联的快速熔断器的选择；直流侧快速熔断器的选择；电压和电流上升率的限制；（4）平波电抗器计算（5）励磁电路元件的选择3.触发电路的选择与校验（可参考“电力电子技术”中有关触发电路的章节）触发电路的种类较多，可直接选用，触发电路中元件参数可参照有关电路进行选用，一般不用重新计算。最后只需要根据主电路选用的晶闸管对脉冲输出级进行校验，只要输出脉冲功率能满足要求即可（建议课题1选用集成触发电路）。4.控制电路设计计算(1)给定电源和给定环节的设计计算；(2)转速检测环节和电流检测环节的设计与计算、调速系统的静态参数计算（可参考本教材第一章有关内容）等。5.双闭环直流调速系统的动态设计（当采用双闭环控制时）。主要设计转速调节器和电流调节器，可参阅教材第二章中“双闭环调速系统调节器的工程设计举例”的有关内容。6、继电器—接触器控制电路设计7、系统的计算机仿真（要求至少给出开环仿真曲线）。对所设计的系统进行计算机仿真实验，用面向电气系统原理结构图的MATLAB仿真方法进行仿真。分别给出开环、闭环、双闭环的仿真参数及仿真曲线，仿真模型。设计任务2：计算机控制技术部分综合运用《微机原理及应用》、《单片机原理及应用》、《计算机控制技术》和《检测技术与自动化仪表》的知识，掌握计算机控制系统的组成、原理及工作方式，了解计算机控制系统的设计步骤与方法，特别是要了解计算机系统开发的整个过程，完成系统的软、硬件设计。课题1：对温控系统进行建模及Matlab仿真（全体同学选做！）利用MATLAB语言的界面设计功能及其提供的控制系统工具箱进行温度控制系统的仿真验证，实现对温度控制的时域性能分析、频域性能分析等等功能。温控曲线要求：上升时间短，无静差，超调小，稳定。温控系统简介1.系统的基本工作原理系统结构图如图1所示，图中)1/(1)(/)1()()/1()(TssGsesGsKsKKsGpTshdipc图1系统结构图整个炉温控制系统由两大部分组成。一部分由计算机和A/D和D/A转换电路组成。主要完成温度采集，PID运算，产生可控硅的触发脉冲。另外一部分由传感器信号放大，同步脉冲形成，以及触发脉冲放大等组成。炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压可在0～140V内变化。可控硅的导通角为0～5bH。温度传感器是通过一只热敏电阻及其放大电路组成，温度越高其输出电压越小。外部LED灯的亮灭表示可控硅的导通与关断的占空比时间，如果炉温低于设定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。温度控制电路原理图如图2所示。图2温度控制电路原理图2.PID递推算法：如果PID调节器输入信号为)(te，输送信号)(tu，则离散的递推算法如下：))1()(()2()()(kekekkekkekkudip,其中)2(ke是误差累积和。3.试凑法确定PID参数：在试凑时，对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤。参数的影响趋势：增大比例系数pK一般将加快系统的相应速度，在有静差的情况下有利于减小静差，但过大的比例系数会使系统有较大的超调，产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间有利于减小静差，使系统更加稳定，但积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。增大微分时间可以减小超调量，克服振荡，使系统稳定性提高，同时有利于加快系统动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能，但是系统对抗扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。具体步骤如下：（1）首先只整定比例部分，即将比例系数由小变大，并观察响应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。（2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。（3）若使用比例积分调节器消除了静差，但是动态过程反复调整仍不能满足要求，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。4．设计软件部分：温度软件控制流程图如图3所示。图中ek为误差，ek1为上一次的误差，ek2为误差的累计和，uk是控制量，可控硅控制角α＝0～5bH，α＝0导通角最大，α＝5bH导通角为零。初始化控制步数、采样点数Point初始化ek,ek1,ek2,uk,求q0,q1,q2初始化系统，输出希望值start画希望值曲线采集硬件被控对象的输出inputfinputf浮点化求ek=start-inputf判断积分分离项uk=KP*ek+KI*ek2+KD*(ek-ek1)uk=KP*ek+KD*(ek-ek1)输出ukek1=ekek2=ek2+ek画被控对象第J点输出inputfJ+1Jpoint结束YNNY图3温度软件控制流程图课题2：设计一个以MCS-51系列单片机为核心的计算机控制系统子课题1：要求：1.32KRAM和32KROM；2.数字量I/O，要求驱动微型继电器；3.具有键盘扫描和数码显示；4.一片DAC0832和一片ADC0809。子课题2：要求：1.扩展一片2764；2.一片8255、一片8155；3.一片DAC0832和一片ADC0809；4.外接一个键盘和数码显示器。设计要求：①发挥独立工作能力和钻研精神。并确保实验过程中的设备和人身安全。②画出单片机外部电路原理图③编制程序，并调试运行④设计电气控制原理图（用protel软件绘制）。⑤根据电气原理图选择电器元件及导线参数。⑥编写使用及技术说明书。（注：单号同学选做子课题1，双号同学选做子课题2。）（二）专业实习电气控制与PLC部分1、任务及要求（1）掌握电气控制与可编程控制器硬件电路的设计方法。（2）熟练使用小型可编程控制器的编程软件，掌握可编程控制器软件程序的设计思路和梯形图的设计方法。（3）掌握可编程控制器程序的应用系统的调试、监控、运行方法。（4）掌握电气控制柜电气控制原理图的原理设计，熟练应用导线二维设计法，掌握电气控制接线图和互连图等工艺设计方法。（5）使学生能熟练掌握资料的查询（图书、网络），将电气控制与PLC课程所获知识在工程设计工作中综合地加以应用，使理论知识和实践结合起来。2、题目①设计某台交流异步电动机正反转、两地控制电气控制柜。已知电动机参数为1.5KW，4极。②设计某台交流异步电动机Ｙ-△起动控制柜。已知电动机参数为22KW，4极。（注：单号同学选做①题，双号同学选做②题。）3、要求（1）发挥独立工作能力和钻研精神。并确保实验过程中的设备和人身安全。（2）画出PLC外部电路原理图（3）编制程序，并调试运行（4）根据题目要求，查找电动机型号及参数。（5）设计电气控制原理图（用CAD软件绘制）。（6）根据电气原理图选择电器元件及导线参数。（7）用CAD软件画出电气接线图和电气互连图。（8）编写使用及技术说明书。4、时间进度安排（！）查阅资料、设计电气控制柜原理和工艺接线图1.5天（2）可编程控制器外部电路设计和程序设计1天（3）可编程控制器应用系统的调试、监控、运行1.5天（4）写设计报告和说明书1天交流调速系统部分1．任务及要求：（1）熟悉交、直流调速系统之间的内在联系与区别。（2）掌握交流调速系统