四辊压延机的前辊(开卷机)直流调速系统设计.doc
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四辊压延机的前辊(开卷机)直流调速系统设计.doc
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中南大学
运动控制课程设计与综合实验报告
题目:
四辊压延机的前辊(开卷机)直流调速系统的设计
姓名:
学号:
班级:
指导教师:
完成日期:
2015年1月22日星期四
目录
前言 3
第一章:
绪论 4
1.1四辊压延机的前辊(开卷机)直流调速系统生产流程以及控制设计要求 4
第二章:
四辊开卷机直流调速系统方案选择 5
2.1直流调速原理 5
2.2开环直流调速系统 5
2.3转速负反馈直流调速系统 6
2.4带电流截止负反馈的直流调速系统 8
2.5双闭环直流调速系统 9
2.6四辊压延机开卷机直流调速系统调速方案的选择 9
2.6.1直流电动机调速方法 9
2.6.2开环直流调速系统 10
2.6.3开环直流调速系统 10
2.6.4直流双闭环调速系统 11
第三章:
双闭环直流调速系统结构及各功能模块概述 15
3.1双闭环直流可逆电力拖动系统概述 15
3.2各功能模块概述 16
3.2.1速度调节单元 16
3.2.2电流调节器 17
3.2.3电流反馈与过流保护 17
3.2.4速度反馈与系数整定 19
3.2.5逻辑控制单元 20
3.2.6零速封锁单元 22
3.2.7给定积分单元 22
第四章:
恒张力控制系统的设计 23
4.1卷曲开卷冲动张力控制系统 23
4.1.1张力控制系统的一般工作原理 23
4.1.2间接张力控制和直接张力控制 25
4.1.3轧机卷取机张力控制系统的应用实例 26
第五章:
双闭环调速系统的常规工程设计 29
5.1设计准备 29
5.2电流调节器的设计 31
5.3转速调节器的设计 33
第六章:
逻辑无环流直流调速系统的调试 36
6.1系统实验调试概述 36
6.2触发器的整定 37
6.3系统开环运行及特性测试 38
6.4系统各单元的调试与参数整定 40
6.5小结 44
第七章:
基于Simulink环境下对系统进行MATLAB仿真 44
7.1直流电动机的数学建模及其仿真 44
7.2直流调速系统的建模与仿真 50
7.2.1开环直流调速系统仿真 50
7.2.2单闭环有静差转速负反馈调速系统仿真 53
7.2.3单闭环直流无静差调速系统的仿真 54
7.2.4双闭环直流调速系统的建模与仿真 55
第八章:
设计心得与总结 57
参考文献 58
前言
此次课程设计针是对我们所学《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》而安排的,所以目的明确,即学以致用。
作为一名大四学生,大学期间课程已基本修完,基础知识和专业知识有了一定基础,所以此次课程设计又是自己大学四年所学的综合体现,是毕业设计前的一次“练兵”。
课程设计的内容是四辊压延机前辊(开卷机)直流调速系统设计。
本文对直流电动机调速系统进行了设计。
尽管近年来,在电力电子变换器中以晶闸管为主的可控器件已经基本被功率开关器件所取代,因而变换技术也由相位控制转变成脉宽调制(PWM);交流可调拖动系统正逐步取代直流拖动系统。
然而,直流拖动控制毕竟在理论上和实践上都比较成熟,而且我国早期的许多工业生产机械都是采用直流拖动控制系统,所以它在工业生产中还占有相当大的比重,短时间内不可能完全被交流拖动系统所取代。
从生产机械要求控制的物理量来看,电力拖动系统包括调速系统、位置随动系统(伺服系统)、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型,各种系统往往都是通过控制转速来实现的,因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。
直流电动机具有良好的起、制动性能,易于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
随着科技的发展,直流调速系统的控制方法不断创新,控制性能不断提高。
直流双闭环调速系统可谓直流调速经典方法,具有很好的控制性能,其实现方式也扩展到了全数字数字式。
本文首先提出了针对直流电机的多种调速系统,通过对比并结合设计要求最终确定了转速、电流双闭环直流调速系统,并根据工程设计方法对系统进行了设计。
通过在实验室对方案进行调试设计,获取了该电机的静态及动态性能,满足设计要求,且性能良好。
由于自己水平有限,时间有限,所以只是对压延机开卷机的直流调速系统进行了单方面设计,未对其它方面做深入考虑和涉及。
在设计过程中参考了一些文献资料,对其作者表示衷心感谢。
第一章:
绪论
1.1四辊压延机的前辊(开卷机)直流调速系统生产流程以及控制设计要求
四辊压延机的前辊(开卷机)直流调速系统的设计
压延生产线主要是生产飞机轮胎生产线,四辊压延机是飞机轮胎生产家最关键的生产设计
(一)生产工艺流程及控制要求
1、生产工艺流程:
帘布放布机-接头硫化机-前三辊电机-贮步架-前四辊电机-干燥机-辊辊压延主机-(主机1和主机2)-后四辊电机-2台卷取机-仓库
2、控制要求:
(1)在压延前,必须给干燥辊加热60°~80°(使帘布烘干水分),给主辊加热至70°左右(不至于橡胶冷却硬化)。
(2)所有的直流电机可单动也可联动,并均要求电枢可逆。
(3)联动时,前四主机和后四主机不允许单动,而前三机可单独停(便于帘布的硫化接头,因有贮布架,也不影响后面的正常工作),卷取机也可单独停(便于2台卷取机换卷)。
(4)两台延压主机必须同时起、停或加减速,且控制要求和技术指标完全相同。
(5)前张力区的张力(最大为1000kg)通过前四电机来控制,后张力区的张力(1500kg)由后四电机来控制。
(6)在给定压延张力情况下,其压延速度由操作人员通过改变主机速度来达到。
压延速度↑→前张力↑→通过控制器使前四电机升速→使前张力维持不变;同理后张力↓→使后四电机升速→后张力维持不变。
从而在联动时使主机前后电机的速度达到协调。
(7)前四辊(开卷机)电动机工作情况:
当给定张力小于ZL1所检测的实际张力时,电动机做电动运行,当给定张力大于实际张力时,电动机做发电运行,当实际张力小于150kg时,系统为电流、速度环结构,当给定张力不小于150kg时,系统自动转入电流、张力环结构;断带时,实际张力为0,则自动转到电流、速度环双闭环结构。
(二)设计要求:
稳态无静差:
σi≤5%,空载起动至额定转速的超调量σn%≤10%,张力超调量≤10%。
(三)前四辊直流电动机参数:
Pnom=17kw,Unom=220v,Inom=92A,nnom=1500r/min,Ra=0.15Ω,GD2=10.5N.M2,R=0.28Ω,允许电流过载倍数λ=1.2
第二章:
四辊开卷机直流调速系统方案选择
2.1直流调速原理
根据直流电机转速方程:
(2-1)
式中—转速(r/min);
—电枢电压(V);
—电枢电流(A);
—电枢回路总电阻(W);
—励磁磁通(Wb);
—由电机结构决定的电动势常数。
由式(2-1)可以看出,电动机有三种调节转速的方法:
(1)、调节电枢供电电压U;
(2)、减弱励磁磁通F;
(3)、改变电枢回路电阻R。
三种调速方法的性能比较
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,以调节电枢供电电压的方式为最好。
改变电阻只能有级调速;减弱磁通虽然能够平滑调速,但调速范围不大,往往只是配合调压方案,在基速(即电机额定转速)以上作小范围的弱磁升速。
因此,自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。
直流调速系统的控制方案比较常用的有开环控制、转速负反馈闭环控制和双闭环控制。
2.2开环直流调速系统
系统原理图如图2-2-1所示。
图2-2-1开环控制直流调速系统(V-M系统)
图2-2-1中VT是晶闸管可控整流器,通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位,即可改变整流电压Ud,从而实现平滑调速。
这里对晶闸管可控整流器的移相控制是关键。
锯齿波同步移相触发电路将在第三章介绍。
其整流原理为三相桥式全控整流,基本原理见下图2-2-2。
通过改变触发角从而改变Ud以进行调速。
图2-2-2三相桥式全控整流电路
由图2-1-1所示是开环调速系统,调节控制电压就可以改变电动机的转速。
如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高,这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速,可以找到一些用途。
但是,龙门刨床常常对静差率有一定的要求。
由于毛坯表面粗糙不平,加工时负载大小有波动,但是,为了保证工件的加工精度和加工后的表面光洁度,加工过程中的速度必须是基本稳定,也就是说静差率不能太大。
又如热连轧机,各机架轧辊分别由单独的电机拖动,钢材在几个架内连续轧制,要求各机架出口速度保持严格比例关系,使被轧金属的每秒流量相等,才不致造成钢材起拱或拉断。
在这些情况下,开环调速系统往往不能满足要求。
2.3转速负反馈直流调速系统
为了提高直流调速系统的动静态性能指标,通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。
对调速指标要求不高的场合,采用单闭环系统,而对调速指标较高的则采用多闭环系统。
按反馈的方式不同可分为转速反馈,电流反馈,电压反馈等。
在单闭环系统中,转速单闭环使用较多。
转速单闭环系统原理图如下图2-3-1:
图2-3-1转速单闭环系统原理图
图2-3-2转速单闭环系统结构框图
由上述系统结构框图可以得到转速负反馈闭环直流调速系统的静差率特性方程:
n=KpKsUn*/(Ce(1+K))--RId/(Ce(1+K));K=Kp*Ks*a/Ce;
式中:
Kp—放大器的电压放大系数;
Ks—电力电子变换器的电压放大系数;
α—转速反馈系数
Un*—给定电压
如果断开反馈回路,则上述系统的开环机械特性方程为:
n=KpKsUn*/Ce--RId/Ce;
则:
开环系统和闭环系统的转速降落分别设为Δnop,Δncl
Δnop=RId/Ce;Δncl=RId/(Ce(1+K))
由此可以得出闭环系统和开环系统的静差率之比为:
scl=sop/(1+K);即闭环系统的静差率要比开环小的多,当K趋于无穷大时,闭环系统的静差率接近于0,但不为0。
调速范围:
Dcl=Nn*s/(ΔNcl*(1-s));Nn为电动机的额定转速即最大转速;
可见经过适当调节Kp、Ks,可以使系统的特性更硬,调速范围更宽。
上述控制速度的控制器单一采用P控制,P=R1/R0,可以提高系统的响应速率,减小系统的静差率,与开环系统相比,要比开环系统的静差率小的多。
如果要想消除静差则可以采用PI调节器,PI调节器对快速性的要求可以差一些,而在随动系统中,快速性是主要要求,须采用PD或者PID控制器。
图2-3-3PI(比例-积分)调节器
2.4带电流截止负反馈的直流调速系统
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,这不仅对电动机换向不利,对过载能力低的电力电子器件来说,更是不能允许的。
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△Un=Un*,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Ud一下子就达到它的最高值,对电动机来说,相当于全压起动
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- 压延机 开卷 直流 调速 系统 设计