酒精浓度自动监测系统设计

虚拟仪器系统设计报告设计名称：酒精浓度自动监测系统设计姓名：学号：专业班级：自动化14-01指导教师：系（院）：信息工程学院设计时间：2017.05.08~2017.05.19课程设计成绩评定表（在相应栏目打√）评价项目评价质量优秀良好一般及格不及格工作量和态度实验、计算可靠性文字和图表质量总体评价2目录1绪论1.1绪论………………………………………………………………………....31.2技术数据…………………………………………………………………..41.3设计任务…………………………………………………………………..42带电流截止负反馈单闭环调速系统的工作原理………………………………..52.1单闭环调速系统的组成与原理……………………………………….......52.2单闭环调速系统的静特性分析…………………………………………....52.3单闭环调速系统的电流截止的分析………………………………………62.4单闭环调速系统电路原理图………………………………………………73参数设计………………………………..………………………………………….93.1整体分析…………………………………………….……………………..93.2稳定性参数计算和判断…………………………………………………....93.3调节器的选择和结构……………………………………………………..104MATLAB仿真……………………………………………...……………………115电气总图………………………………………………………..……………….126设计心得体会……………………………………………………………………15参考文献…………………………………………………………………………….1631绪论1.1系统概述为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常采用闭环控制系统（主要包括单闭环、双闭环）。而在对调速指标要求不高的场合，采用单闭环即可。闭环系统较之开环系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端，与输入信号相比较，其差值作为实际的输入信号；能自动调节输入量，能提高系统稳定性。在对调速系统性能有较高要求的领域常利用直流电动机，但直流电动机开环系统稳定性不能够满足要求，可利用转速单闭环提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统静差，可采用积分调节器代替比例调节器。41.2技术数据电枢额定电压220V电枢额定电流136A额定励磁电流If=1.5A额定励磁电压Uf=220V功率因0.85整流器内阻Rrec=1.3Ω电枢电阻0.21Ω平波电抗器电感lOOmH电枢允许过载系数1.5额定转速l460r/min(1)该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围(D10)，系统在工作范围内能稳定工作(2)根据指标要求进行动态校正，选择调节器的参数，并确定电流截止负反馈环节的相关参数(3)系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续1.3设计任务(1)根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图(2)根据带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统原理图，分析转速调节器和电流截止负反馈的作用(3)通过对调节器参数设计，利用MATLAB仿真得到转速和电流的仿真波形52带电流截止负反馈单闭环调速系统的工作原理2.1单闭环调速系统的组成与原理将开环系统改为单闭环转速负反馈调速系统，并采用PI调节器，就既保证动态性能，又能做到转速的无静差，较好的解决开环系统的不足，此闭环系统的工作原理是：将直流电动机转速变化信号反馈到触发环节，来自动增大或减小触发角a来自动调节整流输出电压Uds，即可达到稳定，其系统结构框图与系统原理图如下图所示转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经速度变换后接到速度调节器的输入端，与给定的电压相比较经放大后，得到移相控制电压UCL,用作控制整流桥的触发电路，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变三相全控整流的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用比例调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI（比例积分）调节。这时当给定恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。2.2单闭环调速系统的静特性分析系统两段静特性方程式：(1)当Id≤Idcr时，电流负反馈被截止，静特性与转速负反馈相同6)1()1(*KCeRKCeKpKsnIUdn(2)当Id≥Idcr时引入电流负反馈静特性变为)1()()1()(*KCeKpKsRsRKCeKpKsnIUUdcomn静特性的几个特点：（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻KpKsPs，因而稳态速降极大，使特性急剧下垂。（2）比较电压Ucom与给定电压Un*的作用一致。（3）两段静特性常被称作下垂特性。（4）最大截止电流应小于电机允许的最大电流。2.3单闭环调速系统的电流截止的分析1.电流截止负反馈的提出（1）起动的冲击电流,直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电子器件来说，更是不能允许的。（2）闭环调速系统突加给定起动的冲击电流一采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的1+K倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。（3）堵转电流有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如：由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。7为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。2.电流截止负反馈的建立通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减，采用电流截止负反馈的方法，则当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。用独立的直流电源作为比较电压，其大小可用电位器调节，相当于调节截止电流用稳压管VS的击穿电压Ubr作比较电压，线路要简单的多但是不能平滑的调节截止电流。下图是反馈环节的连接电路和I/O特性2.4单闭环调速系统的电路原理图带电流截止负反馈单闭环直流调速系统的主电路图8图中的电动机的电枢回路由晶闸管组成的三相桥式整流电路供电，通过与电动机同轴刚性连接的测速发电机TG检测电动机的转速，并经转速反馈环节分压后取出合适的转速反馈信号Un，此电压与转速给定信号Un*经速度调节器ASR综合调节，ASR的输出作为移相触发器的控制电压Uc，由此组成转速负反馈单闭环直流调速系统。改变Un*即可调节电动机的转速。在本系统中ASR采用比例积分调节器，属于无静差调速系统。为了防止在起动和运行过程中出现过大的电流冲击，系统引入了电流截止负反馈以限止电流超过其允许的最大值。93参数设计3.1整体分析本题目要求设计带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统，为满足以上技术要求和性能指标的要求，选择以下方案设计系统1.系统要求平滑调速，可采用调压调速方式。因为调压调速系统是在保持他励直流电动机的磁通为额定值的情况下，将电枢两端的电压（电源电压）降低为不同的值时，可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基速以下，属于恒转矩调速方法。只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级调速，调速范围可以达到很宽。2.系统静特性良好，无静差。在参数设置合理的情况下，带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统本身可以做到系统的稳定运行。3.本设计中的电力电子变换装置采用三相桥式控制的晶闸管整流装置，应用题目要求中给定的参数进行设计，其Rrec=1.3Ω。4.在带电流截止负反馈环中，截止电流的上限选择需要根据电机的品牌和参数论证，以保证电机不至于因电流过大而烧毁。3.2稳定性参数计算和判断根据老师提供的技术参数，基本数据如下：电枢额定电压220V电枢额定电流136A额定励磁电流If=1.5A额定励磁电压Uf=220V功率因0.85整流器内阻Rrec=1.3Ω电枢电阻0.21Ω平波电抗器电感lOOmH电枢允许过载系数1.5额定转速l460r/min总飞轮惯量GD2=22.5n*m^2103.3调节器的选择和结构动态校正的方法很多，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。在控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。其结构图如下PID调节器中有PD、PI和PID三种类型。由于PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳定精度可能受到影响；由Pl调节器构成的滞后校正，可以保证稳定精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的。一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性要求差一些，所以采用PI调节器。现在我们采用PI调节器来调节，其传递函数如下：)1)(1()(2SSKsWTSTTTmtms114MATLAB仿真MATLAB仿真的原理框图其仿真结果如下图所示：125电气总图电气总图三相桥式全控整流电路集成触发控制电路13V-M系统14三相全控整流电路156设计心得体会通过本次课程设计，我学到了很多东西。我巩固了软件MATLAB的运用，对一些理论知识的实际运用有了更深的理解，特别是晶闸管、变压器等元件的综合运用。我锻炼了自己独立思考的能力，对自动化的基础知识和综合运用有了深层的理解，尤其是对带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统的设计。思路即出路，课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，于是重拾教材与实骑手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思更想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解的但是却相当有实际作用的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计灵感。总之每一次的实践课实习都是在给我们将来积累经验，锻炼自主学习，独立思考，综合运用所学知识的能力，让我们能够在将来的工作中能够少一点手足无措多一点从容不迫。让我最深的体会便是学以致用，要把所学的知识联系起来，综合运用。通过知识的总结，实际的运用，设计出能够为人们所用的智能系统，这让我有一种满足感。16参考文献阮毅陈维钧《运动控制系统》清华大学出版社孙洪程李大宇《过程控制系统》高等教育出版社薛山《MATLAB基本教程》（网络节选版）清华大学出版社