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正文內(nèi)容

傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計論文正文(編輯修改稿)

2024-08-23 08:44 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 波器 ( 脈寬調(diào)制變換器 ) 。用恒定直流電源或不可控整流電源供電,利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。 旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機拖動直流電動機實現(xiàn)變流,由發(fā)電機給需要調(diào)速的直流電動機供電,調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流即可改變其輸出電壓,從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。改變勵磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機的轉(zhuǎn)向都隨著改變 ,所以 GM 系統(tǒng)的可逆運行是很容易實現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組,至少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相當?shù)男D(zhuǎn)電機,還要一臺勵磁發(fā)電機,設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護不方便等缺點。且技術(shù)落后,因此擱置不用。 VM 系統(tǒng)是當今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù),半波、全波、半控、全控等類型,可實現(xiàn)平滑調(diào)速。 VM 系統(tǒng)的缺點是晶閘管的單向?qū)щ娦?,它不允許電流反向,給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。它的另一個缺點是運行條件要求高,維護運行麻煩。最后,當系統(tǒng)處于低速運行時,系統(tǒng)的功率因數(shù)很低,并產(chǎn)生較大的 諧波電流危害附近的用電設(shè)備。 圖 23 晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)原理框圖( VM系統(tǒng)) 直流斬波器又稱直流調(diào)壓器,是利用開關(guān)器件來實現(xiàn)通斷控制,將直流電源電壓斷續(xù)加到負載上,通過通、斷時間的變化來改變負載上的直流電壓平均值,將固定電壓的直流電源變成平 均值可調(diào)的直流電源,亦稱直流-直流變換器。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點,現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機車、城市無軌電車以及電瓶搬運車等電力牽引設(shè)備的變速拖動中。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文:傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 6 頁 共 43 頁 圖 24 為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波型,圖中 VT 代表開關(guān)器件。當開關(guān) VT接通時,電源電壓 U。加到電動機上;當 VT 斷開時,直流電源與電動機斷開,電動機電樞端電壓為零。如此反復(fù),得電樞端電壓波形如圖 ( b)所示。 圖 24 直流斬波器原理電路及輸出電壓波型 ( a)原理圖 ( b)電壓波型 采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是,在這里晶閘管不受相位控制,而是工作在開關(guān)狀態(tài)。當晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時,電源電壓加到電動機上,當晶閘管關(guān)斷時,直流電源與電動機斷開,電動機經(jīng)二極管續(xù)流,兩端電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制( Pulse Width Modulation),簡稱 PWM。脈沖周期不變,只改變晶閘管的導(dǎo)通時間,即通過改變脈沖寬度來進行直流調(diào)速。 與 VM 系統(tǒng)相比, PWM 調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點: ( 1)由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高,僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流,電樞電流容易連續(xù),系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn),調(diào)速范圍較寬,可達 1: 10000左右。由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好,在相同的平均電流下,電動機的損耗和發(fā)熱都比較小。 ( 2)同樣由于開關(guān)頻率高,若與快速響應(yīng)的電機相配合,系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶,因此快速響應(yīng)性能好,動態(tài)抗擾能力強。 ( 3)由 于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài),主電路損耗較小,裝置效率較高。 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器,簡稱 PWM 變換器。脈寬調(diào)速也可通過單片機控制繼電器的閉合來實現(xiàn),但是驅(qū)動能力有限。 目前,受到器件容量的限制, PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng) 。 PWM 原理及其實現(xiàn)方法 PWM 基本原理 PWM 是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率,從而改變負載兩端的電壓,進而達到控湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文:傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 7 頁 共 43 頁 制要求的一種電壓調(diào)整方法。 PWM 可以應(yīng)用在許多方面,如電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在 PWM 驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中 ,按一個固定的頻率來接通和斷開電源,并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小,從而控制電動 機 的轉(zhuǎn)速。因此, PWM 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。 如圖 22 所示,在脈沖作用下,當電機通電時,速度增加;電機斷電時,速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律,改變通、斷電的時間,即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。 圖 25 電樞電壓“占空比”與平均電壓關(guān)系圖 設(shè)電機始終接通電源時,電機轉(zhuǎn)速最大為 maxV , 設(shè)占空比為 D=t1/T, 則電機的平均速度為 aV = DV ?max ( 22) 式中 , aV — 電機的平均速度 ; maxV — 電機全通電時的速度 (最大 ); D=t1/T— 占空比。 由公式( 22)可見,當我們改變占空比 D=t1/T 時,就可以得到不同的電機平均速度 aV ,從而達到調(diào)速的目的。嚴格來說,平均速度 aV 與占空比 D 并非嚴格的 線性關(guān)系,但是在一般的應(yīng)用中,我們可以將其近似的看成是線性關(guān)系。 PWM 脈寬調(diào)制方式 PWM 脈寬調(diào)制的方式有 3 種:定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式,因為采用這種方式,電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定;并且存采用單片機產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文:傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 8 頁 共 43 頁 實現(xiàn)上比較方便。 PWM 的一個優(yōu)點是從 AT89S52 到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的,無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯 1 改變?yōu)檫壿?0或?qū)⑦壿?0 改變?yōu)檫壿?1 時,才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。這也是 PWM 用于通信的主 要原因。 PID 算法簡介 PID 控制 在連續(xù)控制系統(tǒng)中, PID 控制算法得到了廣泛的應(yīng)用,是技術(shù)最成熟的控制規(guī)律。目前提出的控制算法有很多。根據(jù)偏差的比例( P)、積分( I)、微分( D)進行的控制,稱為 PID控制。實際經(jīng)驗和理論分析都表明, PID 控制能夠滿足相當多工業(yè)對象的控制要求,至今仍是一種應(yīng)用最為廣泛的控制算法之一。由于本文只用到數(shù)字 PID,所以只介紹數(shù)字 PID 算法。 數(shù)字 PID 算法 模擬 PID 控制器的基本算式為: 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tpDId e tu t K e t e t d t TT d t? ? ?? ( 23) 式中, pK 為比例系數(shù), IT 為積分時間常數(shù), DT 為微分時間常數(shù)。 簡單的說, PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是: ( 1)比例環(huán)節(jié):即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號 ()et ,偏差一旦產(chǎn)生,調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差; ( 2)積分環(huán)節(jié):主要用于消除靜差 ,提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) IT , IT 越大,積分作用越弱,反之則越強; ( 3)微分環(huán)節(jié):能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率),并能在偏差信號的值變得太大之前,在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的動作速度,減少調(diào)節(jié)時間。 為將模擬 PID 控制規(guī)律離散化,我們把 ()rt 、 ()et 、 ()ut 、 ()ct 在第 n 次采樣的數(shù)據(jù)分別用 ()rk 、 ()ek 、 ()uk 、 ()ck 表示,于是式( 23)變?yōu)椋? ( ) ( ) ( )e k r k c k?? (24) 當采樣周期 T 很小時 dt 可以用 T 近似代替, ()det 可用 ( ) ( 1)e k e k??近似代替, “ 積分 ” 用 “ 求和 ” 近似代替,即可作如下近似 ( ) ( ) ( 1)de t e k e kdt T??? (25) 0 1( ) ( )ntie t dt e i T???? (26) 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文:傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 9 頁 共 43 頁 這樣,式( 23)便可離散化以下差分方程 01( ) { ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ] }k DP iI TTu k K e k e i e k e k uTT?? ? ? ? ? ?? (27) 上式中 0u 是 偏差為零時的初值 ,上式中的第一項起比例控制作用 ,稱為比例( P)項()puk,即 ()puk= {( )PK ek (28) 第二項起積分控制作用 ,稱為積分 (I)項 ()Iuk即 1( ) ( )kIP iITu k K e iT ?? ? (29) 第三項起微分控制作用 ,稱為微分 (D)項 ()Duk即 ( ) [ ( ) ( 1 ) ]DDP Tu k K e k e kT? ? ? (210) 式( 27)的輸出量 nu 為全量輸出 ,它對于被控對象的執(zhí)行機構(gòu)每次采樣時刻應(yīng)達到的位置。因此 ,式( 27)又稱為位置型 PID 算式。工業(yè)應(yīng)用中,采用 PID 位置算法是不夠方便和有欠缺的。由于要累加誤差,占用內(nèi)存多,并且安全性較差,考慮到這種情況,在工業(yè)應(yīng)用中,還有一種增量式算法。 增量式算法是位置算法的一種改進。由式( 27)可以得到( k1)次的 PID 輸出表達式: 101( 1 ) { ( 1 ) ( ) [ ( 1 ) ( 2 ) ] }k DP iI TTu k K e k e i e k e k uTT??? ? ? ? ? ? ? ? ?? ( 211) 由式( 27)與式( 211)可得 ( ) ( ) ( 1)u k u k u k? ? ? ? [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2 ) ]P I DK e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ( 212) 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多,但可歸結(jié)為理論計算法和工程整定法兩種。用理論計算法設(shè)計調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對象準確的數(shù)學(xué)模型,這在工業(yè)過程中一般較難做到。因此,實際用得較多的還是工程整定法。下面簡單介紹兩種常用的簡易工程整定法。 ( 1)擴充 臨界比例度法。這種方法是對連續(xù)系統(tǒng)臨界比例度法的擴充,適用于有自平衡特性的被控對象,不需要準確知道對象的特性。 ( 2)經(jīng)驗法確定 PID 參數(shù)。經(jīng)驗法是靠工作人員的經(jīng)驗及對工藝的熟悉程度,參考測量值跟蹤與設(shè)定值曲線,來調(diào)整 P、 I、 D 三者參數(shù)的大小的 。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文:傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 10 頁 共 43 頁 圖 26 增量式 PID 框圖 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文:傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 11 頁 共 43 頁 3 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 調(diào)速系統(tǒng)的硬件原理方框圖如圖 31 所示,本系統(tǒng)由 6 個部分組成,單片機系統(tǒng)是核心,其外圍電路有五個部分:輸入電路,電源,驅(qū)動電路,顯示電路,測速 電路。 圖 31 系統(tǒng)的硬件原理方框圖 其中單片機負責控制運算、數(shù)據(jù)采集等任務(wù),輸入電路用于設(shè)定直流電機預(yù)期速度及控制直流電機的啟動、正反轉(zhuǎn)、停止,顯示電路用于顯示直流電機的當前轉(zhuǎn)速,測速電路用于測量直流電機的實際轉(zhuǎn)速,驅(qū)動電路用于驅(qū)動直流電機。 本控制系統(tǒng)中,直流電機的轉(zhuǎn)速是待檢測的參數(shù),也是反饋檢測量,通過測速電路將直流電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為反饋信號輸入單片機,通過 PID 算法來控制 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )輸出的占空比,進而對直流電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)閉環(huán)控制,使 其轉(zhuǎn)速達到預(yù)期設(shè)定值。 單片機設(shè)計方案 方案一:采用 AT89S51/AT89S52 作為系統(tǒng)控制的方案。 AT89S52 單片機是 AT89S51 的升級版,擁有更多功能,它的算術(shù)運算功能強,軟件編程靈活、自由度大,可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點,在各個領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。 方案二:采用傳統(tǒng)的 AT89C51 單片機作為運動物體的控制中心。它和 AT89S2 一樣都具有軟件編程靈活、體積小、成本低 ,使用簡單等特點,
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