【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 6）其中，代入J=可得 機(jī)電時(shí)間常數(shù)由公式 （27）將以上計(jì)算結(jié)果代入?yún)?shù)計(jì)算得= 電磁時(shí)間常數(shù) （28）其中計(jì)算得 雙閉環(huán)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)靜特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系： （29） （210） （211） 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由負(fù)載電流決定的，而控制電壓的大小則同時(shí)取決于和，或者說，同時(shí)取決于和。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：電流反饋系數(shù)：有關(guān)的反饋系數(shù)：兩個(gè)給定電壓的最大值和是受運(yùn)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(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)一、電流調(diào)節(jié)器ACR的參數(shù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求穩(wěn)態(tài)電流無靜差，動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量5%，系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，于是電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主[11]。設(shè)計(jì)時(shí)可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)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(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 Ki — 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； — 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。（1）確定時(shí)間常數(shù)，查表得單相全波電路的平均失控時(shí)間=（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)，（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)按小時(shí)間常數(shù)近似處理（4）電磁時(shí)間常數(shù) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求5%，而且，于是典型I系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時(shí)間還是可以接受的。 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和，是超前時(shí)間常數(shù)，為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)對(duì)消掉控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，取=。按二階最佳系統(tǒng)效正，在一般情況下，希望超調(diào)量5%時(shí)，查表得阻尼比ζ=， =， 因此，于是電流調(diào)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(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)的影響條件：現(xiàn)在，=，滿足近似條件。（3）小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：現(xiàn)在，=，滿足近似條件。二、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的參數(shù)設(shè)計(jì)電流環(huán)經(jīng)過簡(jiǎn)化之后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)， 整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成，再把時(shí)間常數(shù)為和的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中=+ （212） 轉(zhuǎn)速環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖簡(jiǎn)化為圖23中的b圖。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，ASR中必須包含一個(gè)積分環(huán)節(jié)，而在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以這個(gè)轉(zhuǎn)速環(huán)中有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)該設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)抗擾動(dòng)性能，但其階躍響應(yīng)超調(diào)量會(huì)很大，但按照線性系統(tǒng)理論分析計(jì)算的數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低，所以ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可表示為Kn — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖簡(jiǎn)化過程如圖23。圖23 雙閉環(huán)等效結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)步驟如下：（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)2=（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，（3）轉(zhuǎn)速換小時(shí)間常數(shù)，按小時(shí)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為=轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 =（213） 于是ASR的比例系數(shù) = （214） 轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為：20/S(1)轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：，現(xiàn)在=20，幾乎等于，滿足簡(jiǎn)化條件。（2）小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：，現(xiàn)在=，滿足近似條件。（3）轉(zhuǎn)速超調(diào)量的核算 當(dāng)h=5時(shí)，查表得△能滿足設(shè)計(jì)要求。第3章 配料系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本章作為整個(gè)設(shè)計(jì)最主要的一章，分析了整個(gè)系統(tǒng)的硬件選擇和硬件電路設(shè)計(jì)方案，并確定了各個(gè)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(hào)通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并加以放大。然后將放大后的電壓經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，通過編程達(dá)到自動(dòng)控制的目的。本次設(shè)計(jì)是將重量信號(hào)通過傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體重量的自動(dòng)檢測(cè)，并顯示在LED屏幕上。要達(dá)到設(shè)計(jì)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(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器是將非電量的變化轉(zhuǎn)換成與之有一定關(guān)系的電阻值變化，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，測(cè)量范圍廣,壽命長(zhǎng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。是目前應(yīng)用在測(cè)量力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)最廣泛的應(yīng)用傳感器之一。它的缺點(diǎn)是對(duì)于大應(yīng)變有較大的非線性、輸出信號(hào)較弱，但可采取一定的補(bǔ)償措施。電容式傳感器是把被測(cè)的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。電容器傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性良好和對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點(diǎn)是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移，壓力，流量，振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠壽命長(zhǎng)；靈敏度和分辨力高。傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出；線性度和重復(fù)性都比較好。同時(shí)，這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛被采用。但不足的是，它有頻率響應(yīng)較低，不宜快速動(dòng)態(tài)測(cè)控等缺點(diǎn)。皮帶配料系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)需要具有很快的測(cè)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(shè)計(jì)，固設(shè)計(jì)所需傳感器選用電阻應(yīng)變式傳感器。 本設(shè)計(jì)的測(cè)量電路采用最常見的橋式測(cè)量電路，用到的是電阻應(yīng)變傳感器半橋式測(cè)量電路。直流電橋的特點(diǎn)是信號(hào)不會(huì)受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強(qiáng)，但因機(jī)械應(yīng)變的輸出信號(hào)小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。它的兩只應(yīng)變片和兩只電阻貼在彈性梁上，測(cè)量電阻隨重力變化導(dǎo)致彈性梁應(yīng)變而產(chǎn)生的變化，電阻的變化使橋式測(cè)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(hào)采集電路當(dāng)電橋輸出端接無窮大負(fù)載電阻時(shí)，可視輸出端為開路，此時(shí)直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。當(dāng)忽略電源的內(nèi)阻時(shí)，由分壓原理有： （31） 當(dāng)滿足條件時(shí)，即 （32）=0，即電橋平衡。式（32）稱平衡條件。應(yīng)變片測(cè)量電橋在測(cè)量前使電橋平衡，從而使測(cè)量時(shí)電橋輸出電壓只與應(yīng)變片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。 若差動(dòng)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(hào)比較微弱而且還有很多干擾信號(hào)，難以直接用來顯示、記錄、控制或進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。為此，測(cè)量電路中常設(shè)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(hào)為毫伏級(jí)，其中伴隨著一些高頻干擾，低頻噪聲等。所以應(yīng)該在電路中設(shè)置一對(duì)大的電解電容濾除低頻噪聲和一對(duì)普通小電容消除高頻干擾。另一方面，檢測(cè)電路對(duì)運(yùn)算放大器要求很高。放大器的輸入信號(hào)一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號(hào)不僅電平低，內(nèi)阻高，還常伴有較高的共模電壓。因此，一般對(duì)放大器有如下一些要求：輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)源內(nèi)阻。否則，放大器的負(fù)載效應(yīng)會(huì)使所測(cè)電壓造成偏差。抗共模電壓干擾能力強(qiáng)。在預(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準(zhǔn)確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應(yīng)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(yīng)特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調(diào)整、方便準(zhǔn)確的量程切換、極性自動(dòng)變換等。本系統(tǒng)采用AD620芯片對(duì)檢測(cè)到的重量信號(hào)進(jìn)行放大，此類芯片內(nèi)部采用差動(dòng)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(jiǎn)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(diǎn)。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電阻來設(shè)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(diào)電壓(最50V)和低失調(diào)漂移(176。C)特性。AD620 為三運(yùn)放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu), 為保護(hù)增益控制的高精度, 其輸入端的三極管提供簡(jiǎn)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(jí)內(nèi)部運(yùn)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(duì)于所需的增益, 則外部控制電阻值為　Rg =（G 1）kΩ AD620構(gòu)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(jí)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(zhuǎn)換電路經(jīng)過放大電路的信號(hào)是一個(gè)模擬信號(hào)，要實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的目的必須把它變成數(shù)字量才能送入單片機(jī)控制系統(tǒng)受理，因此本系統(tǒng)需要用A/D轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過AD620放大得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過資料搜尋，我決定采用8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809來完成本次設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換部分，ADC0809 是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8 路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE 端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)[12]。對(duì)于單片機(jī)與ADC0809的接口電路，我使用或非門電路與單片機(jī)相連接作為控制信號(hào)。邏輯數(shù)據(jù)信號(hào)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(gè)端口控制，經(jīng)譯碼后可選通IN0～I(xiàn)N7 八個(gè)通道中的任意一個(gè)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，用于控制AD0809模擬信號(hào)輸入通道。另一方面，由于ADC0809無內(nèi)部時(shí)鐘，可利用單片機(jī)ALE管腳輸出時(shí)鐘信號(hào)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(hào)經(jīng)過AD620放大以后接ADC0809的IN0口。中斷請(qǐng)求信號(hào)由ADC0809的EOC端接單片機(jī)INT0口輸入。單片機(jī)與ADC0809的接口電路圖如圖33。圖33 A/D轉(zhuǎn)換電路 配料系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)AT89C52為8位通用為處理器，是一個(gè)低電壓，高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用[13]。 系統(tǒng)采用ATM公司的AT89C52作為控制中心，負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)和外接設(shè)備的信號(hào)，再處理數(shù)據(jù)，發(fā)出控制信號(hào)，以達(dá)到所需的要求。單片機(jī)的P0口與A/D轉(zhuǎn)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(jī)相接，單片機(jī)的P1口經(jīng)擴(kuò)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(qū)動(dòng)后到顯示器LED的各個(gè)位的公共陰極。輸出線OUTB0—OUTBOUTA0—OUTA3作為一個(gè)8位段選碼數(shù)據(jù)輸出端口，在連接32鍵以內(nèi)的簡(jiǎn)單鍵盤時(shí)，8279芯片的CNTL、SHIFT輸入端可接地。74LS07芯片是8279作為L(zhǎng)ED數(shù)碼管顯示器的段選碼輸出端口的同相驅(qū)動(dòng)芯片。單片機(jī)的各個(gè)接口電路：XTAL1與XTAL2之間接一個(gè)12MHz晶振，并聯(lián)兩個(gè)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(qǐng)求信號(hào)，使A/D轉(zhuǎn)換器能與單片機(jī)正常通信。、B、C口用來選擇所要轉(zhuǎn)換的通道；，來控制8253開始運(yùn)行。、A1口，用來控制計(jì)數(shù)器的工作方式。(INT1）用來接受8253的中斷請(qǐng)求信號(hào)，控制計(jì)數(shù)器與單片機(jī)的正常通訊；GND接地，VSS接+5V電源。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如圖34。圖34 單片機(jī)的最小系統(tǒng) 皮帶配料系統(tǒng)電機(jī)回路保