四辊压延机的前辊(开卷机)直流调速系统设计.doc

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中南大学

运动控制课程设计与综合实验报告

题目：

四辊压延机的前辊（开卷机）直流调速系统的设计

姓名：

学号：

班级：

指导教师：

完成日期：

2015年1月22日星期四

目录

前言 3

第一章：

绪论 4

1.1四辊压延机的前辊（开卷机）直流调速系统生产流程以及控制设计要求 4

第二章：

四辊开卷机直流调速系统方案选择 5

2.1直流调速原理 5

2.2开环直流调速系统 5

2.3转速负反馈直流调速系统 6

2.4带电流截止负反馈的直流调速系统 8

2.5双闭环直流调速系统 9

2.6四辊压延机开卷机直流调速系统调速方案的选择 9

2.6.1直流电动机调速方法 9

2.6.2开环直流调速系统 10

2.6.3开环直流调速系统 10

2.6.4直流双闭环调速系统 11

第三章：

双闭环直流调速系统结构及各功能模块概述 15

3.1双闭环直流可逆电力拖动系统概述 15

3.2各功能模块概述 16

3.2.1速度调节单元 16

3.2.2电流调节器 17

3.2.3电流反馈与过流保护 17

3.2.4速度反馈与系数整定 19

3.2.5逻辑控制单元 20

3.2.6零速封锁单元 22

3.2.7给定积分单元 22

第四章：

恒张力控制系统的设计 23

4.1卷曲开卷冲动张力控制系统 23

4.1.1张力控制系统的一般工作原理 23

4.1.2间接张力控制和直接张力控制 25

4.1.3轧机卷取机张力控制系统的应用实例 26

第五章：

双闭环调速系统的常规工程设计 29

5.1设计准备 29

5.2电流调节器的设计 31

5.3转速调节器的设计 33

第六章：

逻辑无环流直流调速系统的调试 36

6.1系统实验调试概述 36

6.2触发器的整定 37

6.3系统开环运行及特性测试 38

6.4系统各单元的调试与参数整定 40

6.5小结 44

第七章：

基于Simulink环境下对系统进行MATLAB仿真 44

7.1直流电动机的数学建模及其仿真 44

7.2直流调速系统的建模与仿真 50

7.2.1开环直流调速系统仿真 50

7.2.2单闭环有静差转速负反馈调速系统仿真 53

7.2.3单闭环直流无静差调速系统的仿真 54

7.2.4双闭环直流调速系统的建模与仿真 55

第八章：

设计心得与总结 57

参考文献 58

前言

此次课程设计针是对我们所学《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》而安排的，所以目的明确，即学以致用。

作为一名大四学生，大学期间课程已基本修完，基础知识和专业知识有了一定基础，所以此次课程设计又是自己大学四年所学的综合体现，是毕业设计前的一次“练兵”。

课程设计的内容是四辊压延机前辊（开卷机）直流调速系统设计。

本文对直流电动机调速系统进行了设计。

尽管近年来，在电力电子变换器中以晶闸管为主的可控器件已经基本被功率开关器件所取代，因而变换技术也由相位控制转变成脉宽调制（PWM）；交流可调拖动系统正逐步取代直流拖动系统。

然而，直流拖动控制毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且我国早期的许多工业生产机械都是采用直流拖动控制系统，所以它在工业生产中还占有相当大的比重，短时间内不可能完全被交流拖动系统所取代。

从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动系统包括调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。

直流电动机具有良好的起、制动性能，易于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

随着科技的发展，直流调速系统的控制方法不断创新，控制性能不断提高。

直流双闭环调速系统可谓直流调速经典方法，具有很好的控制性能，其实现方式也扩展到了全数字数字式。

本文首先提出了针对直流电机的多种调速系统，通过对比并结合设计要求最终确定了转速、电流双闭环直流调速系统，并根据工程设计方法对系统进行了设计。

通过在实验室对方案进行调试设计，获取了该电机的静态及动态性能，满足设计要求，且性能良好。

由于自己水平有限，时间有限，所以只是对压延机开卷机的直流调速系统进行了单方面设计，未对其它方面做深入考虑和涉及。

在设计过程中参考了一些文献资料，对其作者表示衷心感谢。

第一章：

绪论

1.1四辊压延机的前辊（开卷机）直流调速系统生产流程以及控制设计要求

四辊压延机的前辊（开卷机）直流调速系统的设计

压延生产线主要是生产飞机轮胎生产线，四辊压延机是飞机轮胎生产家最关键的生产设计

（一）生产工艺流程及控制要求

1、生产工艺流程：

帘布放布机-接头硫化机-前三辊电机-贮步架-前四辊电机-干燥机-辊辊压延主机-（主机1和主机2）-后四辊电机-2台卷取机-仓库

2、控制要求：

（1）在压延前，必须给干燥辊加热60°~80°（使帘布烘干水分），给主辊加热至70°左右（不至于橡胶冷却硬化）。

（2）所有的直流电机可单动也可联动，并均要求电枢可逆。

（3）联动时，前四主机和后四主机不允许单动，而前三机可单独停（便于帘布的硫化接头，因有贮布架，也不影响后面的正常工作），卷取机也可单独停（便于2台卷取机换卷）。

（4）两台延压主机必须同时起、停或加减速，且控制要求和技术指标完全相同。

（5）前张力区的张力（最大为1000kg）通过前四电机来控制，后张力区的张力（1500kg）由后四电机来控制。

（6）在给定压延张力情况下，其压延速度由操作人员通过改变主机速度来达到。

压延速度↑→前张力↑→通过控制器使前四电机升速→使前张力维持不变；同理后张力↓→使后四电机升速→后张力维持不变。

从而在联动时使主机前后电机的速度达到协调。

（7）前四辊（开卷机）电动机工作情况：

当给定张力小于ZL1所检测的实际张力时，电动机做电动运行，当给定张力大于实际张力时，电动机做发电运行，当实际张力小于150kg时，系统为电流、速度环结构，当给定张力不小于150kg时，系统自动转入电流、张力环结构；断带时，实际张力为0，则自动转到电流、速度环双闭环结构。

（二）设计要求：

稳态无静差：

σi≤5%，空载起动至额定转速的超调量σn%≤10%，张力超调量≤10%。

（三）前四辊直流电动机参数：

Pnom=17kw，Unom=220v，Inom=92A，nnom=1500r/min,Ra=0.15Ω,GD2=10.5N.M2,R=0.28Ω,允许电流过载倍数λ=1.2

第二章：

四辊开卷机直流调速系统方案选择

2.1直流调速原理

根据直流电机转速方程：

（2-1）

式中—转速（r/min）；

—电枢电压（V）；

—电枢电流（A）；

—电枢回路总电阻（W）；

—励磁磁通（Wb）；

—由电机结构决定的电动势常数。

由式（2-1）可以看出，电动机有三种调节转速的方法：

（1）、调节电枢供电电压U；

（2）、减弱励磁磁通F；

（3）、改变电枢回路电阻R。

三种调速方法的性能比较

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。

改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。

直流调速系统的控制方案比较常用的有开环控制、转速负反馈闭环控制和双闭环控制。

2.2开环直流调速系统

系统原理图如图2-2-1所示。

图2-2-1开环控制直流调速系统（V-M系统）

图2-2-1中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。

这里对晶闸管可控整流器的移相控制是关键。

锯齿波同步移相触发电路将在第三章介绍。

其整流原理为三相桥式全控整流，基本原理见下图2-2-2。

通过改变触发角从而改变Ud以进行调速。

图2-2-2三相桥式全控整流电路

由图2-1-1所示是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。

如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，可以找到一些用途。

但是，龙门刨床常常对静差率有一定的要求。

由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小有波动，但是，为了保证工件的加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度必须是基本稳定，也就是说静差率不能太大。

又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电机拖动，钢材在几个架内连续轧制，要求各机架出口速度保持严格比例关系，使被轧金属的每秒流量相等，才不致造成钢材起拱或拉断。

在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。

2.3转速负反馈直流调速系统

为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）。

对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。

按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。

在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。

转速单闭环系统原理图如下图2-3-1：

图2-3-1转速单闭环系统原理图

图2-3-2转速单闭环系统结构框图

由上述系统结构框图可以得到转速负反馈闭环直流调速系统的静差率特性方程：

n=KpKsUn*/（Ce（1+K））--RId/（Ce（1+K））;K=Kp*Ks*a/Ce；

式中：

Kp—放大器的电压放大系数;

Ks—电力电子变换器的电压放大系数;

α—转速反馈系数

Un*—给定电压

如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性方程为：

n=KpKsUn*/Ce--RId/Ce；

则：

开环系统和闭环系统的转速降落分别设为Δnop，Δncl

Δnop=RId/Ce;Δncl=RId/（Ce（1+K））

由此可以得出闭环系统和开环系统的静差率之比为：

scl=sop/（1+K）;即闭环系统的静差率要比开环小的多，当K趋于无穷大时，闭环系统的静差率接近于0，但不为0。

调速范围：

Dcl=Nn*s/（ΔNcl*（1-s））；Nn为电动机的额定转速即最大转速；

可见经过适当调节Kp、Ks，可以使系统的特性更硬，调速范围更宽。

上述控制速度的控制器单一采用P控制,P=R1/R0，可以提高系统的响应速率，减小系统的静差率，与开环系统相比，要比开环系统的静差率小的多。

如果要想消除静差则可以采用PI调节器，PI调节器对快速性的要求可以差一些，而在随动系统中，快速性是主要要求，须采用PD或者PID控制器。

图2-3-3PI（比例-积分）调节器

2.4带电流截止负反馈的直流调速系统

直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电动机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。

采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压△Un=Un*，差不多是其稳态工作值的1+K倍。

这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压Ud一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。

另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况，例如，由于故障使机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。

由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。

如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。

为了解决反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，引入电流截止负反馈，简称截流反馈，保持电流基本不变，使它不超过允许值。

带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构框图如下图2-4-1所示。

图2-4-1环直流调速系统稳态结构框图

这种电流负反馈作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时又得取消，让电流自由地随着负载增减。

它的静特性分为两段，当时，电流截止负反馈环节不起作用，静特性与只有转速负反馈系统的相同。

当后，引入了电流截止负反馈，静特性变为：

2.5双闭环直流调速系统

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如龙门刨床、可逆轧钢机等要求快速起制动，突加负载动态速降小的场合，尽量缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。

这时单闭环系统就难以满足需要。

这主要是因为单闭环系统不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。

于是产生了通过转速、电流双闭环来控制电流和转矩的双闭环控制直流调速系统。

在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。

带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动电流和转速波形如图2-5-1所示

2.6四辊压延机开卷机直流调速系统调速方案的选择

2.6.1直流电动机调速方法

根据直流电机转速方程：

（2-1）

式中—转速（r/min）；

—电枢电压（V）；

—电枢电流（A）；

—电枢回路总电阻（W）；

—励磁磁通（Wb）；

—由电机结构决定的电动势常数。

由式（2-1）可以看出，电动机有三种调节转速的方法：

（1）、调节电枢供电电压U；

（2）、减弱励磁磁通F；

（3）、改变电枢回路电阻R。

三种调速方法的性能比较

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。

改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。

直流调速系统的控制方案比较常用的有开环控制、转速负反馈闭环控制和双闭环控制。

2.6.2开环直流调速系统

系统原理图如图2-6-1所示。

图2-6-1开环直流调速系统原理图

如图2-6-1所示是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。

如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，可以找到一些用途。

但是，龙门刨床常常对静差率有一定的要求。

由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小有波动，但是，为了保证工件的加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度必须是基本稳定，也就是说静差率不能太大。

又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电机拖动，钢材在几个架内连续轧制，要求各机架出口速度保持严格比例关系，使被轧金属的每秒流量相等，才不致造成钢材起拱或拉断。

在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。

2.6.3开环直流调速系统

根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。

调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。

图2-6-2转速负反馈的闭环调速系统

转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式：

（2-2）

系统的精度依赖于给定和反馈检测精度

（9）给定精度——由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。

如果产生给定电压的电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。

因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。

n检测精度——反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出精度。

比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性

（1）、闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多；

（2）、如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多；

（3）、当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围；

（4）、要取得上述三项优势，K要足够大，因此闭环系统必须设置放大器。

闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。

2.6.4直流双闭环调速系统

转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2-3所示。

图2-6-3转速、电流双闭环直流调速系统结构

ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机

TA—电流互感器UPE—电力电子变换器

在图2-6-3中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图2-6-4单闭环直流调速系统起动电流和转速波形图

起动电流突破Idcr以后，受电流负反馈的作用，电流只能再升高一点，经过某一最大值Idm后，就降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。

为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

这样的理想起动过程波形示如图2-6-4：

图2-6-5系统理想起动过程波形

这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。

这是在最大电流转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图所示2-6-6。

图2-6-6转速、电流双闭环直流调速系统

ASR——转速调节器ACR——电流调节器TG——测速发电机

TA——电流互感器UPE——电力电子变换器

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环;转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

以下分别对双闭环调速系统的静态特性、动态特性以及抗扰性能进行分析。

为分析静特性我们参考如下的系统稳态结构框图：

图2-6-7双闭环调速系统的稳态结构图

——转速反馈系数——电流反馈系数

在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和的。

因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

①转速调节器不饱和：

CA段静特性从理想空载状态的=0一直延续到，而一般都是大于额定电流的。

这就是静特性的运行段。

②转速调节器ASR饱和：

这时ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。

双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环调节系统。

其静特性如下图2-6-8：

图2-6-8单闭环调节系统静特性图

为分析动态特性以及抗扰性能参考双闭环直流调速系统的动态结构图如下图：

图2-6-9双闭环直流调速系统的动态结构框图

双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：

（1）饱和非线性控制：

根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：

当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。

（2）转速超调：

由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，ASR的输入偏差电压△Un为负值，才能使ASR退出饱和。

这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。

（3）准时间最优控制：

起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。

一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。

这阶段属于有限制条件的最短时间控制。

因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。

对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能，主要是负载扰动和抗电网电压扰动的性能。

对于负载扰动，由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。

在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。

对于电网电压扰动，双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。

第三章：

双闭环直流调速系统结构及各功能模块概述

3.1双闭环直流可逆电力拖动系统概述

主电路的稳定安全运行直接影响整个系统的性能，为了保证可逆冷轧机的卷取机系统具有稳定的正反运行特性，则需要设计可逆的调速系统，采用六个晶闸管构成三相桥式整流电路的反并联装置可以解决电动机的正反转运行和回馈制动的问题。

其实现方式如图3-1-1所示。

图3-1-1配合控制的反并联连接的有环流可逆调速系统

两组晶闸管通过反并联的方式连接来实现电机正反转的切换，其两组整流桥VF,VR共同一个交流电源。

其具体三相半波整流电路的反并联可逆电路如下图3-1-2所示：

图3-1-2两组变流器的反并联可逆电路

其主要特征：

当VF工作时，VR要严格封锁；当VR导通时，然则VF一定要截止，以免产生环流，造成事故。

如果在任何一时刻，两组整流桥中只有一种投入工作，则可以根据电动机的运行状态决定哪一组变流器工作及其工作状态：

整流或逆变。

对应电动机四象限内运行时两组变流器（简称正组桥，反组桥）的工作情况。

第1象限：

正转，电动机作电动运行，正组桥工作在整流状态，α1<π/2，EM

第2象限：

正转，电动机作发电运行，反组桥工作在逆变状态，β2<π/2（α2>π/2），EM>Udb；第3象限：

正转，电动机作电动运行，反组桥工作在整流状态，α2<π/2，EM

第4象限：

反转，电动机作发电运行，正组桥工作在逆变状态，β1<π/2（α1>π/2），EM>Udb；

直流可逆拖动系统，除能方便地实现正反转外，还能实现电动机的回馈制动。

第1象限正转，电动机从正组桥取得电能——>先使电动机迅速制动，为此需切换到反组桥工作在逆变状态，此时电动机进入第2象限作正转发电运行，随着电动机转速的下降，不断地调节，使之由小变大直至（n=0），如继续增大，即α=β，反组桥将转入整流状态下工作——>电动机开始反转进入第3象限的电动运行。

3.2各功能模块概述

3.2.1速度调节单元

速度调节器主要用运算放大器，输入输出反馈环节，限幅电路以及反号器