【導(dǎo)讀】而安排的，所以目的明確，即學(xué)以致用。作為一名大四學(xué)生，大學(xué)期間課程已基。年所學(xué)的綜合體現(xiàn)，是畢業(yè)設(shè)計(jì)前的一次“練兵”。課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是四輥壓延。機(jī)前輥(開卷機(jī))直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文對直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。盡管近年來，在電力電子變換器中。位控制轉(zhuǎn)變成脈寬調(diào)制；交流可調(diào)拖動(dòng)系統(tǒng)正逐步取代直流拖動(dòng)系統(tǒng)。重，短時(shí)間內(nèi)不可能完全被交流拖動(dòng)系統(tǒng)所取代。往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)。要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法不斷創(chuàng)新，控制性能不斷提高。也擴(kuò)展到了全數(shù)字?jǐn)?shù)字式。設(shè)計(jì)要求，且性能良好。行了單方面設(shè)計(jì)，未對其它方面做深入考慮和涉及。獻(xiàn)資料，對其作者表示衷心感謝。

　　

【正文】 設(shè)取調(diào)節(jié)器的輸入電阻 R0=60 KΩ，則 Rn=KnR0= 60=524KΩ FFRC nnn ?? 63 ?????? ? FFRTC oonon ? 63 ??????? ? 至此，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)初步完成，但還需實(shí)際調(diào)試和修正。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 1)轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的建立及化簡 圖 431 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 （ 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)） 圖 432 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 （ 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) 和 小慣性環(huán)節(jié)近似處理 ） 運(yùn)控課程設(shè)計(jì)報(bào)告 32 圖 433 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 簡化 圖 （ 校正后成為典型 II 型系統(tǒng)） 電流環(huán)簡化后可視為轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此需求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)()cliWs。由 433 可得21()1 1cli iIIWs TssKK????，忽略高次項(xiàng)， ()cliWs可以降階近似成 1()1 1cliIWs sK? ?。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)該為 *()iUs，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 d c li*iI1( ) ( )1() 1I s W sUs sK???? ? 。 這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣 性環(huán)節(jié) ，如圖 431。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能。 速度環(huán)框圖如圖 432 所示，將非單位負(fù)反饋?zhàn)儞Q成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，并把兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并。 (2)速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 和電流環(huán)中一樣，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)將給定信號改成 *( )/nUs? ，再把時(shí)間常數(shù)為 1IK和 onT 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 nT? 的慣性環(huán)節(jié)，其中 11 0 . 0 1 0 . 0 1 7 41 3 5 . 1n o nIT T sK? ? ? ? ? ?，則速度換結(jié)構(gòu)框圖可簡化為圖 432。 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中 ， 見圖 432，現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。 顯然，欲校正成典運(yùn)控課程設(shè)計(jì)報(bào)告 33 II系統(tǒng)，速度調(diào)節(jié)器應(yīng)選用 PI 調(diào)節(jié)器 。其傳遞函數(shù)為： ( 1)() nnASRnKsWs s?? ?? (431) 式中， nK 表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n? 表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 這樣調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 2( 1 ) ( 1 )()( 1 ) ( 1 )n n n nn n e m n n e m nRK s K R sWss C T s T s C T s T s?? ? ??? ? ????????? (432) (2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選取 由圖 433與式 (421)比較可得： nN n e mKRK CT???? (433) 按 三階最佳系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 跟隨和抗擾動(dòng)性能都較好的原則，取 5h? ，則 ASR的超前時(shí)間常數(shù)為： 5 0. 01 74 0. 08 7nnhT s??? ? ? ?。 可求得轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： 222 2 2 21 5 1 3 9 6 . 42 2 5 0 . 0 1 7 4NnhK s shT ?????? ? ??? (434) 比較式 (422)與式 (423)進(jìn)而可得 ASR 的比例系數(shù)： ( 1 ) 6 0 . 0 1 3 1 0 . 1 2 6 3 0 . 3 4 1 1 8 . 2 52 2 5 0 . 0 0 5 3 3 0 . 2 0 . 0 1 7 4emnnh C TK h R T???? ? ? ?? ? ?? ? ? ? (435) (3)檢驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為： 11 3 9 6 .4 0 .0 8 7 3 4 .5Nc n N nKw K sw ? ?? ? ? ? ? 1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 ： 111 1 1 3 5 . 1 6 3 . 73 3 0 . 0 0 3 7I iK s s wT ???? ? ?，滿足簡化條件。 2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 ： 111 1 1 3 5 . 1 3 8 . 73 3 0 . 0 1I onK s s wT ??? ? ?，滿足簡化條件。 3)驗(yàn)證調(diào)速系統(tǒng)空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量： m a x * 4 8 2 . 9 8 0 . 0 1 7 42 ( ) 2 8 1 . 2 % 2 5 . 3 4 % 1 0 %1 5 0 0 0 . 3 4 1nNnbmTCn zC n T?? ?????? ? ? ? ? ? ? ? ?????，運(yùn)控課程設(shè)計(jì)報(bào)告 34 滿足設(shè)計(jì)要求。 (4)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 已知轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 器的輸入電阻 0 20Rk??，則 0 18. 25 20 365nnR K R k? ? ? ? ?，取 360nRk??。 730 . 0 8 7 2 . 4 2 1 0 0 . 2 4 23 6 0 1 0nnnC F FR? ??? ? ? ? ??，取 240nC pF? 。 634 4 0 . 0 1 2 1 0 22 0 1 0ononoTC F FR ???? ? ? ? ?? ，取 2onCF?? 至此，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)初步完成，但還需實(shí)際調(diào)試和修正。 運(yùn)控課程設(shè)計(jì)報(bào)告 35 第五章 恒張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 卷曲開卷沖動(dòng)張力控制系統(tǒng) 在各種金屬加工 .造紙 .塑料 .印染等連續(xù)加工生產(chǎn)線中，通常由卷取機(jī) .開卷機(jī)及兩者中間的一系列工藝設(shè)備如機(jī)架 .張力輥等組成。各部分由單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)分布傳動(dòng)，全線被帶材連為一體，形成一定的張力，進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。如對卷取機(jī) .開卷機(jī) .張力輥等電氣傳動(dòng)，需要采用張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。張力控制方法可分為間接法和直接法兩種，目前普遍采用間接法。 張力控制系統(tǒng)的一般工作原理 在帶張力工作的機(jī)械中，若忽略電動(dòng)機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)的空載損耗，張力力矩 與電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 之間有如下關(guān)系： 式中 －電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩； －張力力矩； －電動(dòng)機(jī)電樞電壓 .電動(dòng)勢和電樞電流； F－帶材張力； D－帶卷或張力輥的直徑； i－機(jī)械系統(tǒng)的減速比； －電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)； －電動(dòng)機(jī)磁通； P－電動(dòng)機(jī)輸入功率； v－帶材線速度； 得到 運(yùn)控課程設(shè)計(jì)報(bào)告 36 根據(jù)上式，要維持張力恒定有多種方法，可 以根據(jù)工藝要求選擇。 在對張力調(diào)節(jié)不高的場合，從式 (824)知，課采用調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電流并保持恒定的方法（此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的端電壓應(yīng)與帶材線速度成比例）。圖 85 是金屬加工線中卷取機(jī)和張力輥之間維持張力恒定的一種方法，其中卷取機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)控制線速度的作用，而張力控制由張力輥系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)采用在電流調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)上附加的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。當(dāng)引帶時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)都作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)而起作用，控制張力輥的傳帶速度和卷取機(jī)的線速度相一致。 當(dāng)帶材咬入卷筒時(shí)，張力輥被帶材拉住，線速度提高。張力自動(dòng)投入后，卷取 機(jī)與張力輥間建立張力，張力輥系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器飽和。電流給定值即為 ASR2 的輸出限幅值，將速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī) M2 工作在制動(dòng)狀態(tài)。因張力輥的直徑恒定，電動(dòng)機(jī)的磁場也不變，故也是一個(gè)恒張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 從式 (823)知，控制卷取機(jī)的功率（近似用其電壓和電流的乘積代替）與加工線的基準(zhǔn)速度成正比，就可以使張力維持恒定。按此原則構(gòu)成的張力系統(tǒng)見圖 86 。 此方案不需調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁。在電流調(diào)節(jié)器 ACR 前引入功率調(diào)節(jié)器 APR 。功率反饋信號用電壓和電流的乘積得到，功率給 定（即張力給定）信號由線速度檢測經(jīng)過張力給定點(diǎn)位器送到速度調(diào)節(jié)器 ASR 的限幅輸入中。當(dāng)卷取機(jī)工作于換卷引帶或斷帶時(shí)，系統(tǒng)外環(huán)即速度調(diào)節(jié)器投入工作，這是一個(gè)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 當(dāng)帶材咬入后，產(chǎn)生張力，使 ASR得反饋值小于給定值，處于飽和狀態(tài)，其限幅值就是功率（張力）給定值。系統(tǒng)作為一個(gè)恒功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)而工作，維持張力恒定。這種系統(tǒng)較為簡單，隨線速度或卷徑變化，調(diào)節(jié)電樞電壓。但由于電動(dòng)報(bào)告會(huì)的勵(lì)磁保持恒定，因而功率利用率低，只適用于小功率，卷徑變化比較小的場合。 I 恒定和 /D 恒定 按式 (825)的關(guān)系，分別控制電樞和勵(lì)磁?？刂葡到y(tǒng)通常由下述兩個(gè)獨(dú)立部分組成，見圖 87 。 （ 1） 電樞電流控制部分 用調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞電壓隨卷徑變化，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，維持電樞電流不變。電流大小由電流給定值決定。 （ 2） 磁場控制部分 調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流，使磁通隨著卷徑變化而變化，從而維持 /D 的比值不變。圖 87 所示是這種方案的調(diào)節(jié)圖。當(dāng)鋼帶咬入后，電流調(diào)節(jié)器進(jìn)入飽和，其飽和值由張力（電流）給定決定。通過電流調(diào)節(jié)器 ACR維持電流恒定。隨著卷徑的變化，為了維持張力恒定，要求電動(dòng)機(jī)磁通 隨著變化，并維持 /D 恒定，這是通過電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 AMR 來實(shí)現(xiàn)的。卷徑測量取自卷取機(jī)的線速度和卷取電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。卷徑計(jì)算，根據(jù) 關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，卷徑計(jì)算環(huán)節(jié)的輸出，就和卷徑 D 成比例。此輸出作為電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)的給定值。隨著帶卷直徑變化，淚如卷取工作時(shí)時(shí)從小到大，則勵(lì)磁電運(yùn)控課程設(shè)計(jì)報(bào)告 37 流輸出也相應(yīng)逐漸增大，電動(dòng)機(jī)的磁通也隨之增大，以維持 /D 恒定。 速度調(diào)節(jié)器的作用是實(shí)現(xiàn)卷取機(jī)的點(diǎn)動(dòng)工作和在斷帶時(shí)限制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種方案的缺 點(diǎn)是： 1） 不論在高速還是低速，卷取過程的調(diào)速全由磁場路來實(shí)現(xiàn)，因此在低速時(shí)電動(dòng)機(jī)的功率不能充分利用。 2） 由于 ，所以電動(dòng)機(jī)允許的弱磁倍速應(yīng)等于卷曲變化的倍速，當(dāng)卷取變化很大時(shí)，要求電動(dòng)機(jī)弱磁倍速也很大，故電動(dòng)機(jī)體積也很大。 3） 采用這種方式，電動(dòng)機(jī)容量要由最大張力和最大線速度的乘積來決定，但實(shí)際上，大張力僅在低速時(shí)需要，也使得電動(dòng)機(jī)的功率不能充分利用。 4） 按 I 正比與 調(diào)節(jié)電樞電流 I，由式 (825)知，如果維持 I 正比與 ，也可使張力不變，其原理可 見圖 88 。這種系統(tǒng)和通常的非獨(dú)立控制調(diào)速系統(tǒng)一樣，不管是卷取線速度升高還是卷徑減少，要求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著卷徑減少而升高，轉(zhuǎn)速變化按照在基速以下采用調(diào)壓和在基速以上采用弱磁的方法。和一般的速度閉環(huán)控制比較，其區(qū)別在于：在正常卷取工作時(shí)，速度調(diào)節(jié)器 ASR 是出于飽和狀態(tài)的，其限幅值等于 ，用電流調(diào)節(jié)器自動(dòng)維持電樞電流與 成正比來維持張力恒定。 由于這種系統(tǒng)無論是線速度是多少，卷徑多大，在基速以下調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)均在滿磁下工作。因此可以合理地利用電動(dòng)機(jī)的容量，而且弱磁 倍數(shù)與卷徑變化范圍無關(guān)，因而可選弱磁倍數(shù)小的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)。 間接張力控制和直接張力控制 間接張力控制 間接張力控制，不需要張力傳感器或張力測量裝置，控制系統(tǒng)中不用張力調(diào)節(jié)器，張力給定值乘以卷徑實(shí)際值，作為轉(zhuǎn)矩設(shè)定值作用于系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)電流隨著卷徑的增加而線性增加，張力保持恒定。這種控制方式，速度調(diào)節(jié)器通過輸入一個(gè)飽和設(shè)定而保持在限幅狀態(tài)， 間接張力控制的優(yōu)點(diǎn)是，不需要張力計(jì)檢測實(shí)際張力；靠控制電動(dòng)機(jī)電樞電流，并隨卷徑變化計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩來維持張力的恒定。其現(xiàn)實(shí)對張力調(diào)控的過程屬于開環(huán) 控制。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，如摩擦，速度動(dòng)態(tài)變化（ dn/dt）等因素對張力波動(dòng)的消除，靠系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的各種補(bǔ)償環(huán)節(jié)來調(diào)張力電流的給定值，因而對張力控制的精度低，不能實(shí)現(xiàn)反饋控制，適用于張力控制要求較低的系統(tǒng)。 直接張力控制 直接張力控制，需要張力傳感器直接測量卷徑張力，張力傳感器的輸出信號作為張力實(shí)際值信號反饋到張力調(diào)節(jié)器的輸入端。張力調(diào)節(jié)器輸出為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，并通過閉環(huán)使卷徑變化時(shí)的張力恒定，對于傳動(dòng)控制系統(tǒng)，該方式可以近似看成轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。其原理框圖見圖 810。其他部分的作 用原理，如卷徑測量計(jì)算，摩擦轉(zhuǎn)矩及加速轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，與間接張力控制工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)方法中