【正文】 ............................................................................................ 29 附錄 ...................................................................................................................................... 30 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁(yè) 第一章 緒論 選題的目的與意義 龍門刨床 因有一個(gè)由頂梁和立柱組成的龍門式框架結(jié)構(gòu)而得名，工作臺(tái)帶著工件通過(guò)龍門框架作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，多用于加工大平面工件 。應(yīng)用 PLC 的 PID 功能指令來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的閉環(huán)控制。 本文 針對(duì)傳統(tǒng)的 龍門刨床的控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化的改進(jìn)，主要研究了基于PLC 的直流電機(jī)雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)直流調(diào)速理論及自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論，介紹了PLC 控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成、工作原理和動(dòng)態(tài)性能。 西安文理學(xué)院 機(jī)械電子工程系 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 題 目 專業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 設(shè)計(jì)所在單位 年 月 龍門刨床 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 傳統(tǒng)的龍門刨床控制系統(tǒng)可靠性差，維護(hù)困難，成產(chǎn)效率低。如今 PLC 技術(shù)不斷發(fā)展。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行全數(shù)字化的改造 ,使電流環(huán)和速度環(huán)控制器都由 PLC 系統(tǒng) 來(lái)實(shí)現(xiàn)．重點(diǎn)討論了用 FX2N 系列 PLC 及其兩個(gè)擴(kuò)展模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)具有人機(jī)接口，系統(tǒng)易于擴(kuò)展，便于擴(kuò)展各種 I/O 模塊和功能模塊。選題目的在 于 通過(guò) PLC技術(shù)， 以直流電動(dòng)機(jī)為核心 對(duì) 龍門刨床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 進(jìn)行 設(shè)計(jì)， 采用 了 PLC 控制的 電流、速度雙閉環(huán)邏輯無(wú)環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 以 實(shí)現(xiàn) 刨床的無(wú)級(jí)調(diào)速 。 龍門刨床簡(jiǎn)介 龍門刨床是各類機(jī)加工廠中較為常見(jiàn)的設(shè)備，是具有門式框架和臥式長(zhǎng)床身的刨床。龍門刨床的工作臺(tái)帶著工件通過(guò)門式框架作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，空行程速度大于工作行程速度。一般在兩個(gè)立柱上還安裝可 沿立柱上下移動(dòng)的側(cè)刀架 ,以擴(kuò)大加工范圍工作臺(tái)回程時(shí)能機(jī)動(dòng)抬刀，以免劃傷工件表面。 龍門刨床 的發(fā)展趨勢(shì) 龍門刨床的電力傳動(dòng)系統(tǒng)由始至今一般有以下兩種方式： 1）工作臺(tái)主傳動(dòng)系統(tǒng)在歷史上曾經(jīng)采用電機(jī)擴(kuò)大機(jī) 直流發(fā)電機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱 KFD 系統(tǒng)。 2）隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，從上世紀(jì)七八十年代起，工作臺(tái)主傳動(dòng)系統(tǒng)是以可控硅 直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱 SCRD 系統(tǒng)為主。因可控硅電壓與電流過(guò)載能力小，在過(guò)壓、過(guò)流、電壓和電流上升率太大的情況下容易損壞，且受溫度影響，特性易變化，觸發(fā)部分用的半導(dǎo)體元件其特性受溫度影響也易發(fā)生變化，受外界干擾，易產(chǎn)生誤動(dòng)作。 龍門刨床的主拖動(dòng)系統(tǒng)在加工過(guò)程中起主要作用，而現(xiàn)有的龍門刨床主拖動(dòng)系統(tǒng)都存在著投資大、消耗量大、調(diào)節(jié)精度不高、換向沖擊大等一系列缺點(diǎn)，因此對(duì)龍門 刨床電控系統(tǒng)進(jìn)行改造勢(shì)在必行。 本課題主要討論問(wèn)題 利用 PLC 對(duì)龍門刨床的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。接著討論直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成、數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能。最后討論利用 PLC 的 PID 功能指令來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的閉環(huán)控制。其理想的速度運(yùn)行圖 [3~7]如圖 所示： 圖 工作臺(tái)理想速度運(yùn)行圖 圖中： LQ—— 工作行程； LH—— 返回行程； VQ—— 切削速度； VH—— 返回速度； 0t1—— 工作臺(tái)前進(jìn)加速至穩(wěn)定工作速度階段； t1t2—— 穩(wěn)定工作速度階段； t2t3—— 減速至零前進(jìn)換向； t3t4—— 后退加速階段； t4t5—— 后退穩(wěn)定速度階段； t5t6—— 減速至零后退換向。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) 實(shí)現(xiàn)理想速度運(yùn)行的方法 ：安裝直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。 ：限流保護(hù)是為了解決反饋閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題而采用的一種限流措施。過(guò)大的電流不僅對(duì)電機(jī)換向不利，對(duì)過(guò)載能力底的晶閘管來(lái)說(shuō)，更是不能允許的。因此，引入電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過(guò)允許值。這樣一 來(lái)，一旦電流超過(guò)某一規(guī)定值時(shí)，電流負(fù)反饋即投入運(yùn)行，使靜特性急劇地“軟化”。這種當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，簡(jiǎn)稱截流反饋。這是由于以下的原因： 對(duì)于龍門刨床這樣電機(jī)經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。如圖 所示。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端；到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再依靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 第三章 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 速系統(tǒng) 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接。 圖 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖 圖中： ASR 為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器， ACR 為電流調(diào)節(jié)器， Un*和 Un 為轉(zhuǎn)速給定（數(shù)字量）和轉(zhuǎn)速反饋（數(shù)字量）， Ui*和 Ui 為電流給定（數(shù)字量）和電流反饋（數(shù)字量），TG 為測(cè)速發(fā)電機(jī)。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào) 節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均為具有限幅輸出的 PI 調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸出達(dá)到飽和值時(shí)，輸出量的變化不再影響輸出，除非產(chǎn)生反向的輸入才能使調(diào)節(jié)器退出飽和。正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成總是不會(huì)飽和的，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有時(shí)運(yùn)行在飽和輸出狀態(tài)，有時(shí)運(yùn)行在不飽和狀態(tài)。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 圖 雙 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的核心，通常都采用 PI 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的主要作用是使轉(zhuǎn)速 n 跟隨給定電壓 Un*變化，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用，其輸出限幅值決定允許的最大電流。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。不論起動(dòng)或穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)、電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性可分為二段： （ 1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：系統(tǒng)處于正常負(fù)載運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不會(huì)飽和，依靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用達(dá)到轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差，保證系統(tǒng)具有很硬的特性。系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入偏差電壓都為零。在最大電流的給定電壓值下，依靠電流環(huán)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而獲得很好的下垂特性，起到了過(guò)流保護(hù)作用。由于突加給定的動(dòng)態(tài)過(guò)程是衡量系統(tǒng)性能的重要因素，對(duì)于所要設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)系統(tǒng)，在突加給定的啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓、電動(dòng)機(jī)電樞電流和轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程分為三個(gè)階段： 第一階段為電流上升階段。因?yàn)殡娏鞣答佇盘?hào)隨著電樞電流的上升迅速增大，使電流調(diào)節(jié)器的輸出偏差急劇減少，電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓還達(dá)不到飽和值。 第二階段為電流升速階段。這是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。此時(shí)由于基本上保持電流恒定，因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，使電樞電流略低于最大電樞電流值，反饋電壓也略有下降，出現(xiàn)偏差，電流調(diào)節(jié)器及時(shí)進(jìn)行恒流調(diào)節(jié)。在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，電流調(diào)節(jié)器的輸出是不應(yīng)該飽和的，這就決定了其時(shí)間常數(shù)的選擇，不應(yīng)當(dāng)讓電流調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)比調(diào)節(jié)對(duì)象的時(shí)間常數(shù) T1 小得太多，同時(shí)整流裝置的最大電壓也須留有余地，即可控硅裝置也不應(yīng)飽和，這些都是在設(shè)計(jì)中必須注意的。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓為零，但其輸出由于積分保持作用還維持在限幅值上，所以直流電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下繼續(xù)加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。但是，由于電樞電流仍大于負(fù)載電流，在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升，到電樞電流小于負(fù)載電流時(shí)，電機(jī)者開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，直到穩(wěn)定 (如果系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)不好，可能需要振動(dòng)幾次才能穩(wěn)定 )。 綜上所述可看出，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在突加階躍給定的起動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)路，系統(tǒng)巧妙地利用了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性，使系統(tǒng)成為一個(gè)恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這就是電流受限制條件下的最短時(shí)間控制，或稱“時(shí)間最優(yōu)控制”。在不同的情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。通過(guò)這種非線性控制，使系統(tǒng)在最大電流受限制的約束條件下，實(shí)現(xiàn)了“最短時(shí)間控制”或“時(shí)間最優(yōu)控制”的基本思想，因而充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使起動(dòng)過(guò)程盡可能短。 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)閉環(huán)的作用可歸納如下： 1）在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，使轉(zhuǎn)速跟隨給定電壓變化，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差。 3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一旦飽和，起著飽和非線性的控制作用，使電流環(huán)進(jìn)行恒流調(diào)節(jié)。 1）對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用。 3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中 (當(dāng)負(fù)載變化時(shí) )，使電流 跟隨給定電壓變化。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 如下圖 表示雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)框圖，圖中 ()ASRWs和 ()ACRWs分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，抗擾動(dòng)性能包括抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。當(dāng) ASR 飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng) ASR 不飽和時(shí) ，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。②準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制即恒流升速階段，電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電機(jī)的過(guò)載能力，是起動(dòng)過(guò)程盡可能的最快。按照 PI 調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓為負(fù)值，才能使 ASR 退出飽和。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 其中 oiT 為電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)， onT 為轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)。由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。 由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用 onT 表示。 晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在必要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)中，晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求： （ 1） 觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，三相全控橋式電路應(yīng)采用寬于60176。的雙窄脈沖。 （ 3） 所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過(guò)晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在IdL Ud0 Un + + Ui ACR 1/R Tl s+1 R Tms U*i Uc Ks Tss+1 Id 1 Ce + E ? T0is+1 1 T0is+1 ASR 1 T0ns+1 ? T0ns+1 U*n n 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 門極的伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。 在本設(shè)計(jì)中最主要的是第 2 條。 圖 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形 其中 12~tt為脈沖前沿上升時(shí)間（ 1s?? ）， 13~tt為強(qiáng)脈沖寬度， MI 為強(qiáng)脈沖幅值（ 3 ~ 5GT GTII）， 14~tt為脈沖寬度， I 為脈沖平頂