【文章內容簡介】 （26）其中，代入J=可得 機電時間常數(shù)由公式 （27）將以上計算結果代入?yún)?shù)計算得= 電磁時間常數(shù) （28）其中計算得 雙閉環(huán)穩(wěn)態(tài)工作時靜特性雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關系： （29） （210） （211） 上述關系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉速n是由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由負載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決于和，或者說，同時取決于和。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調節(jié)器的給定與反饋值計算轉速反饋系數(shù)：電流反饋系數(shù)：有關的反饋系數(shù)：兩個給定電壓的最大值和是受運算放大器的允許輸入電壓限制的。 得晶閘管裝置放大系數(shù) 電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的設計一、電流調節(jié)器ACR的參數(shù)設計設計要求穩(wěn)態(tài)電流無靜差，動態(tài)指標：電流超調量5%，系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，于是電流環(huán)應以跟隨性能為主[11]。設計時可按典型I型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，要校正成I型系統(tǒng)，顯然要用PI型電流調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 Ki — 電流調節(jié)器的比例系數(shù)； — 電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。（1）確定時間常數(shù)，查表得單相全波電路的平均失控時間=（2）電流濾波時間常數(shù)，（3）電流環(huán)小時間常數(shù)按小時間常數(shù)近似處理（4）電磁時間常數(shù) 選擇電流調節(jié)器結構根據(jù)設計要求5%，而且，于是典型I系統(tǒng)的抗擾恢復時間還是可以接受的。 電流調節(jié)器的參數(shù)包括和，是超前時間常數(shù)，為了讓調節(jié)器零點對消掉控制對象的大時間常數(shù)極點，取=。按二階最佳系統(tǒng)效正，在一般情況下，希望超調量5%時，查表得阻尼比ζ=， =， 因此，于是電流調節(jié)器ACR的比例系數(shù)為電流環(huán)截止頻率（1） 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：，現(xiàn)在, 滿足近似條件。（2）忽略反電動勢對電流環(huán)的影響條件：現(xiàn)在，=，滿足近似條件。（3）小時間常數(shù)近似處理條件：現(xiàn)在，=，滿足近似條件。二、轉速調節(jié)器ASR的參數(shù)設計電流環(huán)經(jīng)過簡化之后可視作轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)， 整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖23中的a圖。用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替原來的電流環(huán)節(jié)后，把轉速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內，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=+ （212） 轉速環(huán)的結構框圖簡化為圖23中的b圖。為了實現(xiàn)轉速無靜差，ASR中必須包含一個積分環(huán)節(jié)，而在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，所以這個轉速環(huán)中有兩個積分環(huán)節(jié)，轉速環(huán)應該設計成典型的II型系統(tǒng)。眾所周知，典型的II型系統(tǒng)具有良好的動態(tài)抗擾動性能，但其階躍響應超調量會很大，但按照線性系統(tǒng)理論分析計算的數(shù)據(jù)，實際系統(tǒng)中轉速調節(jié)器的飽和非線性性質會使超調量大大降低，所以ASR也應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)可表示為Kn — 轉速調節(jié)器的比例系數(shù)； — 轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù)。轉速環(huán)的動態(tài)結構框圖簡化過程如圖23。圖23 雙閉環(huán)等效結構圖轉速環(huán)的設計步驟如下：（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)2=（2）轉速濾波時間常數(shù)，（3）轉速換小時間常數(shù)，按小時間常數(shù)近似處理=按跟隨和抗擾性能都好的原則，取h=5,則轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù)為=轉速開環(huán)增益 =（213） 于是ASR的比例系數(shù) = （214） 轉速環(huán)的截止頻率為：20/S(1)轉速環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：，現(xiàn)在=20，幾乎等于，滿足簡化條件。（2）小時間常數(shù)近似處理條件：，現(xiàn)在=，滿足近似條件。（3）轉速超調量的核算 當h=5時，查表得△能滿足設計要求。第3章 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)硬件電路設計本章作為整個設計最主要的一章，分析了整個系統(tǒng)的硬件選擇和硬件電路設計方案，并確定了各個模塊電路圖的連接方法。 傳感器選擇我們通常把自然界的非電信號通過傳感器轉換為電信號，并加以放大。然后將放大后的電壓經(jīng)過模數(shù)轉換后送到單片機中進行數(shù)據(jù)分析處理，通過編程達到自動控制的目的。本次設計是將重量信號通過傳感器轉化為電信號，然后通過單片機實現(xiàn)對物體重量的自動檢測，并顯示在LED屏幕上。要達到設計的性能要求，傳感器的精度起著決定性作用。常用的傳感器有：電阻應變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器。電阻應變式傳感器是將非電量的變化轉換成與之有一定關系的電阻值變化，其結構簡單，精度高，測量范圍廣,壽命長,結構簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。是目前應用在測量力、加速度、質量等參數(shù)最廣泛的應用傳感器之一。它的缺點是對于大應變有較大的非線性、輸出信號較弱，但可采取一定的補償措施。電容式傳感器是把被測的機械量，如位移、壓力等轉換為電容量變化的傳感器。電容器傳感器的優(yōu)點是結構簡單,價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強，動態(tài)響應特性良好和對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性強等。缺點是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復雜等。電感式傳感器是利用電磁感應把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉換。其結構簡單，工作可靠壽命長；靈敏度和分辨力高。傳感器的輸出信號強，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達數(shù)百毫伏的輸出；線性度和重復性都比較好。同時，這種傳感器能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中廣泛被采用。但不足的是，它有頻率響應較低，不宜快速動態(tài)測控等缺點。皮帶配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)需要具有很快的測量速度，而且輸出還要具有良好的線性性能，所以電容式傳感器和電感式傳感器都不能很好的適用于本次設計，固設計所需傳感器選用電阻應變式傳感器。 本設計的測量電路采用最常見的橋式測量電路，用到的是電阻應變傳感器半橋式測量電路。直流電橋的特點是信號不會受各元件和導線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強，但因機械應變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。它的兩只應變片和兩只電阻貼在彈性梁上，測量電阻隨重力變化導致彈性梁應變而產生的變化，電阻的變化使橋式測量電路的輸出電壓發(fā)生變化，即輸出電壓的變化反映出重力的變化，電路圖如圖31所示。圖31 重量信號采集電路當電橋輸出端接無窮大負載電阻時，可視輸出端為開路，此時直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。當忽略電源的內阻時，由分壓原理有： （31） 當滿足條件時，即 （32）=0，即電橋平衡。式（32）稱平衡條件。應變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時電橋輸出電壓只與應變片感受的應變所引起的電阻變化有關。 若差動工作，即,，,按式（31），則電橋輸出為 經(jīng)由電橋等電路變換后的信號比較微弱而且還有很多干擾信號，難以直接用來顯示、記錄、控制或進行信號轉換。為此，測量電路中常設有模擬放大環(huán)節(jié)和濾波電路。壓力傳感器輸出的電壓信號為毫伏級，其中伴隨著一些高頻干擾，低頻噪聲等。所以應該在電路中設置一對大的電解電容濾除低頻噪聲和一對普通小電容消除高頻干擾。另一方面，檢測電路對運算放大器要求很高。放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號不僅電平低，內阻高，還常伴有較高的共模電壓。因此，一般對放大器有如下一些要求：輸入阻抗應遠大于信號源內阻。否則，放大器的負載效應會使所測電壓造成偏差?？构材ｋ妷焊蓴_能力強。在預定的頻帶寬度內有穩(wěn)定準確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。能附加一些適應特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調整、方便準確的量程切換、極性自動變換等。本系統(tǒng)采用AD620芯片對檢測到的重量信號進行放大，此類芯片內部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單?？赏ㄟ^改變RG的大小來改變放大器的增益。且具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設置增益，增益范圍為1至10,000。此外，AD620功耗較低( mA)、較高精度(最大非線性度40 ppm)、低失調電壓(最50V)和低失調漂移(176。C)特性。AD620 為三運放集成的儀表放大器結構, 為保護增益控制的高精度, 其輸入端的三極管提供簡單的差分雙極輸入, 并采用β工藝獲得更低的輸入偏置電流, 通過輸入級內部運放的反饋, 保持輸入三極管的集電極電流恒定, 并使輸入電壓加到外部增益控制電阻Rg上。 kΩ ,因而增益方程式為 　 G = kΩ/Rg + 1 　 （33）對于所需的增益, 則外部控制電阻值為　Rg =（G 1）kΩ AD620構成的放大器及濾波電路如圖32所示。圖32 濾波電路及放大電路電阻R1R20和電容CCC1C12用于濾除前級的噪聲，CC11為普通小電容，可以濾除高頻干擾，CC12為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。，防止造成芯片損壞。 A/D轉換電路經(jīng)過放大電路的信號是一個模擬信號，要實現(xiàn)本次設計的目的必須把它變成數(shù)字量才能送入單片機控制系統(tǒng)受理，因此本系統(tǒng)需要用A/D轉換器將經(jīng)過AD620放大得到的模擬信號轉換為數(shù)字信號。經(jīng)過資料搜尋，我決定采用8位A/D轉換器ADC0809來完成本次設計的A/D轉換部分，ADC0809 是8位逐次逼近型A/D轉換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D 轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8 路模擬量分時輸入，共用A/D 轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D 轉換完的數(shù)字量，當OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數(shù)據(jù)[12]。對于單片機與ADC0809的接口電路，我使用或非門電路與單片機相連接作為控制信號。邏輯數(shù)據(jù)信號由AT89C52的數(shù)據(jù)口P0發(fā)出直接接到ADC0809的8根數(shù)據(jù)線上，ADC0809的地址輸入線A、B、 三個端口控制，經(jīng)譯碼后可選通IN0～IN7 八個通道中的任意一個進行AD轉換，用于控制AD0809模擬信號輸入通道。另一方面，由于ADC0809無內部時鐘，可利用單片機ALE管腳輸出時鐘信號經(jīng)D觸發(fā)器二分頻之后送給ADC0809的CLK管腳。重量采集信號經(jīng)過AD620放大以后接ADC0809的IN0口。中斷請求信號由ADC0809的EOC端接單片機INT0口輸入。單片機與ADC0809的接口電路圖如圖33。圖33 A/D轉換電路 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)AT89C52為8位通用為處理器，是一個低電壓，高性能的CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應用[13]。 系統(tǒng)采用ATM公司的AT89C52作為控制中心，負責接收數(shù)據(jù)和外接設備的信號，再處理數(shù)據(jù)，發(fā)出控制信號，以達到所需的要求。單片機的P0口與A/D轉換器的數(shù)據(jù)線、鎖存器74LS373相連。鍵盤、顯示器通過8279與單片機相接，單片機的P1口經(jīng)擴展后與8279的數(shù)據(jù)口相接，鍵盤的行線接8279的RL0—RL3， SL0—SL3經(jīng)74LS138譯碼輸出，連接鍵盤的列線， SL0—SL3又由74LS154譯碼輸出，經(jīng)7407驅動后到顯示器LED的各個位的公共陰極。輸出線OUTB0—OUTBOUTA0—OUTA3作為一個8位段選碼數(shù)據(jù)輸出端口，在連接32鍵以內的簡單鍵盤時，8279芯片的CNTL、SHIFT輸入端可接地。74LS07芯片是8279作為LED數(shù)碼管顯示器的段選碼輸出端口的同相驅動芯片。單片機的各個接口電路：XTAL1與XTAL2之間接一個12MHz晶振，并聯(lián)兩個30pF的小電容組成諧振電路； ，再由8155H數(shù)據(jù)端的PB0PB7接8279的DB0DB7來控制鍵盤/顯示模塊。，控制其選通工作。，控制其工作；；(WR)(RD)接或非門分別控制ADC0809的START、ALE和ENABLE端口。（INT0）用來接受ADC0809的中斷請求信號，使A/D轉換器能與單片機正常通信。、B、C口用來選擇所要轉換的通道；，來控制8253開始運行。、A1口，用來控制計數(shù)器的工作方式。(INT1）用來接受8253的中斷請求信號，控制計數(shù)器與單片機的正常通訊；GND接地，VSS接+5V電源。單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖34。圖34 單片機的最小系統(tǒng) 皮帶配料系統(tǒng)電