1、中南大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)與綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：四輥壓延機(jī)的前輥（開卷機(jī)）直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化0801 班指導(dǎo)教師：廖國華目錄第一章：緒論41.1 四輥壓延機(jī)的前輥（開卷機(jī)）直流調(diào)速系統(tǒng)生產(chǎn)流程以及控制設(shè)計(jì)要求41.2 四輥壓延機(jī)及開卷機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀5第二章：四輥開卷機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)方案選擇62.1 直流調(diào)速原理62.2 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)72.3 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)82.4 帶電流截止負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)102.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)11第三章：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各功能模塊概述143.1雙閉環(huán)直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)概述143.2 各功能模塊概述153.2.1 速度調(diào)節(jié)

2、單元153.2.2 電流調(diào)節(jié)器163.2.3 電流反饋與過流保護(hù)173.2.4 速度反饋與系數(shù)整定183.2.5 邏輯控制單元193.2.6 零速封鎖單元223.2.7 給定積分單元22第四章：恒張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)234.1 卷曲開卷沖動(dòng)張力控制系統(tǒng)234.1.1 張力控制系統(tǒng)的一般工作原理234.1.2 間接張力控制和直接張力控制254.1.3 軋機(jī)卷取機(jī)張力控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例26第五章：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的常規(guī)工程設(shè)計(jì)295.1設(shè)計(jì)準(zhǔn)備295.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)305.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)32第六章：邏輯無環(huán)流直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試366.1系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試概述366.2觸發(fā)器的整定376.3系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)

3、行及特性測試376.4系統(tǒng)各單元的調(diào)試與參數(shù)整定396.5小結(jié)44第七章：基于Simulink環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB仿真447.1 直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)建模及其仿真447.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真507.2.1 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真507.2.2 單閉環(huán)有靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)仿真537.2.3 單閉環(huán)直流無靜差調(diào)速系統(tǒng)的仿真547.2.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真55第八章：設(shè)計(jì)心得與總結(jié)57參考文獻(xiàn)58第一章：緒論1.1 四輥壓延機(jī)的前輥（開卷機(jī)）直流調(diào)速系統(tǒng)生產(chǎn)流程以及控制設(shè)計(jì)要求 四輥壓延機(jī)的前輥（開卷機(jī)）直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓延生產(chǎn)線主要是生產(chǎn)飛機(jī)輪胎生產(chǎn)線，四輥壓延機(jī)是飛

4、機(jī)輪胎生產(chǎn)家最關(guān)鍵的生產(chǎn)設(shè)（一）生產(chǎn)工藝流程及控制要求1、生產(chǎn)工藝流程：簾布放布機(jī)-接頭硫化機(jī)-前三輥電機(jī)-貯步架-前四輥電機(jī)-干燥機(jī)-輥輥壓延主機(jī)-（主機(jī)1和主機(jī)2）-后四輥電機(jī)-2臺(tái)卷取機(jī)-倉庫2、控制要求：（1）在壓延前，必須給干燥輥加熱6080（使簾布烘干水分），給主輥加熱至70左右（不至于橡膠冷卻硬化）。（2）所有的直流電機(jī)可單動(dòng)也可聯(lián)動(dòng)，并均要求電樞可逆。（3）聯(lián)動(dòng)時(shí)，前四主機(jī)和后四主機(jī)不允許單動(dòng)，而前三機(jī)可單獨(dú)停（便于簾布的硫化接頭，因有貯布架，也不影響后面的正常工作），卷取機(jī)也可單獨(dú)停（便于2臺(tái)卷取機(jī)換卷）。（4）兩臺(tái)延壓主機(jī)必須同時(shí)起、?；蚣訙p速，且控制要求和技術(shù)指標(biāo)完全相同

5、。（5）前張力區(qū)的張力（最大為1000kg)通過前四電機(jī)來控制，后張力區(qū)的張力（1500kg）由后四電機(jī)來控制。（6）在給定壓延張力情況下，其壓延速度由操作人員通過改變主機(jī)速度來達(dá)到。壓延速度前張力通過控制器使前四電機(jī)升速使前張力維持不變；同理后張力使后四電機(jī)升速后張力維持不變。從而在聯(lián)動(dòng)時(shí)使主機(jī)前后電機(jī)的速度達(dá)到協(xié)調(diào)。（7）前四輥（開卷機(jī)）電動(dòng)機(jī)工作情況：當(dāng)給定張力小于ZL1所檢測的實(shí)際張力時(shí)，電動(dòng)機(jī)做電動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)給定張力大于實(shí)際張力時(shí)，電動(dòng)機(jī)做發(fā)電運(yùn)行，當(dāng)實(shí)際張力小于150kg時(shí)，系統(tǒng)為電流、速度環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)給定張力不小于150kg時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入電流、張力環(huán)結(jié)構(gòu)；斷帶時(shí)，實(shí)際張力為0，則自

6、動(dòng)轉(zhuǎn)到電流、速度環(huán)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。（二）設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)無靜差：i5%，空載起動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速的超調(diào)量n%10%，張力超調(diào)量10%。（三）前四輥直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)：Pnom=17kw，Unom=220v，Inom=92A，nnom=1500r /min,Ra=0.15,GD2=10.5N.M2,R=0.28,允許電流過載倍數(shù)=1.21.2 四輥壓延機(jī)及開卷機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀壓延機(jī)在橡膠工業(yè)中主要用于織物的貼膠、鋼絲簾布的貼膠、膠料的壓片、膠坯壓型、貼隔離膠片及多層膠片貼合等。 圖1-2-1 四棍壓延機(jī)實(shí)物圖壓延機(jī)具有效率高、精度高等特點(diǎn)。其中Z型輥筒排列合理，能減少輥筒的彈性變形，便于供料，因此應(yīng)用較廣

7、。壓延機(jī)的工作原理：壓延工藝的必要工作條件之一：膠料與輥筒的摩擦角必須大于接觸角，膠料才會(huì)被拉入輥距中去。四輥壓延機(jī)在壓延工作的過程中，輥筒是在一定的速比下工作的，使膠料進(jìn)一步捏合及增加可塑度，最后通過最小輥距，被壓延成具有一定的厚度和寬度的膠片；在輥筒擠壓力的作用下，把膠片擠壓在紡織物或鋼絲簾布上。有的需壓成一定花紋和形狀，有的需要將多層不同用途、顏色、及形狀的膠片聯(lián)合在一起。壓延機(jī)分兩種：1 .普通壓延機(jī)：國內(nèi)廣泛使用的是普通四輥壓延機(jī)是6101730型四輥壓延機(jī)。2.精密壓延機(jī)：除了具備普通壓延機(jī)的主要零部件外，還采用了一系列提高壓延機(jī)精度、壓延機(jī)速度及方便操作的措施。主要有：斜型、S型

8、（7001800）、Z型。中國四輥壓延機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的問題中，許多情況不容樂觀，如產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、產(chǎn)業(yè)集中于勞動(dòng)力密集型產(chǎn)品；技術(shù)密集型產(chǎn)品明顯落后于發(fā)達(dá)工業(yè)國家；生產(chǎn)要素決定性作用正在削弱；產(chǎn)業(yè)能源消耗大、產(chǎn)出率低、環(huán)境污染嚴(yán)重、對(duì)自然資源破壞力大；企業(yè)總體規(guī)模偏小、技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱、管理水平落后等。 從什么角度分析中國四輥壓延機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r？以什么方式評(píng)價(jià)中國四輥壓延機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展程度？中國四輥壓延機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展定位和前景是什么？中國四輥壓延機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與當(dāng)前經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)問題關(guān)聯(lián)度如何諸如此類，都是四輥壓延機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須面對(duì)和解決的問題中國四輥壓延機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展已到了岔口；中國四輥壓延機(jī)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)急

9、需選擇發(fā)展方向。開卷機(jī)是金屬板材校平的專用設(shè)備,用于校平線鋼板、不平整板可根據(jù)相關(guān)配置組成開卷、校平、剪切生產(chǎn)線和其它板材制品生產(chǎn)線。適用于機(jī)械、車輛、金屬制品家用電器、鋼構(gòu)、裝飾等行業(yè)。 圖1-2-2 四輥開卷機(jī)實(shí)物圖第二章：四輥開卷機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)方案選擇2.1 直流調(diào)速原理根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程： (2-1)式中 轉(zhuǎn)速（r/min）； 電樞電壓（V）； 電樞電流（A）； 電樞回路總電阻（ W ）； 勵(lì)磁磁通（Wb）； 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢常數(shù)。由式(2-1)可以看出，電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法： (1)、調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； (2)、減弱勵(lì)磁磁通 F； (3)、改變電樞回路電阻 R。三種

10、調(diào)速方法的性能比較對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方案比較常用的有開環(huán)控制、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制和雙閉環(huán)控制。2.2 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)原理圖如圖2-2-1所示。 圖2-2-1 開環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）圖2-2-1中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。這里對(duì)晶

11、閘管可控整流器的移相控制是關(guān)鍵。鋸齒波同步移相觸發(fā)電路將在第三章介紹。其整流原理為三相橋式全控整流，基本原理見下圖2-2-2。通過改變觸發(fā)角從而改變Ud以進(jìn)行調(diào)速。 圖2-2-2 三相橋式全控整流電路由圖2-1-1 所示是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速，可以找到一些用途。 但是，龍門刨床常常對(duì)靜差率有一定的要求。由于毛坯表面粗糙不平，加工時(shí)負(fù)載大小有波動(dòng)，但是，為了保證工件的加工精度和加工后的表面光潔度，加工過程中的速度必須是基本穩(wěn)定，也就是說靜差率不能太大。又如熱連軋機(jī)，各機(jī)架軋輥分

12、別由單獨(dú)的電機(jī)拖動(dòng)，鋼材在幾個(gè)架內(nèi)連續(xù)軋制，要求各機(jī)架出口速度保持嚴(yán)格比例關(guān)系，使被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材起拱或拉斷。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。2.3 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)(包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng))。對(duì)調(diào)速指標(biāo)要求不高的場合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對(duì)調(diào)速指標(biāo)較高的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋的方式不同可分為轉(zhuǎn)速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)使用較多。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖如下圖2-3-1： 圖2-3-1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖 圖2-3-2轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可以得到轉(zhuǎn)

13、速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜差率特性方程：n=KpKsUn*/(Ce(1+K)-RId/(Ce(1+K); K=Kp*Ks*a/Ce；式中：Kp放大器的電壓放大系數(shù);Ks電力電子變換器的電壓放大系數(shù);轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)Un*給定電壓 如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性方程為： n=KpKsUn*/Ce-RId/Ce；則：開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落分別設(shè)為nop，ncl nop=RId/Ce; ncl=RId/(Ce(1+K)由此可以得出閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率之比為：scl=sop/(1+K); 即閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)小的多，當(dāng)K趨于無窮大時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率接近于0，但不為0。調(diào)速

14、范圍：Dcl=Nn*s/( Ncl*(1-s)；Nn為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速即最大轉(zhuǎn)速；可見經(jīng)過適當(dāng)調(diào)節(jié)Kp、Ks，可以使系統(tǒng)的特性更硬，調(diào)速范圍更寬。 上述控制速度的控制器單一采用P控制,P=R1/R0，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率，減小系統(tǒng)的靜差率，與開環(huán)系統(tǒng)相比，要比開環(huán)系統(tǒng)的靜差率小的多。如果要想消除靜差則可以采用PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器對(duì)快速性的要求可以差一些，而在隨動(dòng)系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須采用PD或者PID控制器。 圖2-3-3 PI(比例-積分)調(diào)節(jié)器2.4 帶電流截止負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)，如果沒有限流措施，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對(duì)電動(dòng)機(jī)換向不利，對(duì)過載能力低

15、的電力電子器件來說，更是不能允許的。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時(shí)，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當(dāng)于偏差電壓Un= Un*，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的1+K倍。這時(shí)，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓Ud一下子就達(dá)到它的最高值，對(duì)電動(dòng)機(jī)來說，相當(dāng)于全壓起動(dòng)，當(dāng)然是不允許的。 另外，有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況，例如，由于故障使機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘，也會(huì)給正常工作帶來不便。 為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

16、起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，引入電流截止負(fù)反饋，簡稱截流反饋，保持電流基本不變，使它不超過允許值。帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖2-4-1所示。 圖2-4-1 環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖這種電流負(fù)反饋?zhàn)饔弥粦?yīng)在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，在正常運(yùn)行時(shí)又得取消，讓電流自由地隨著負(fù)載增減。它的靜特性分為兩段，當(dāng)時(shí)，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)不起作用，靜特性與只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)的相同。當(dāng)后，引入了電流截止負(fù)反饋，靜特性變?yōu)椋?.5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如龍門刨床、可逆軋

17、鋼機(jī)等要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小的場合，盡量縮短起、制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。這時(shí)單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這主要是因?yàn)閱伍]環(huán)系統(tǒng)不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。于是產(chǎn)生了通過轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)來控制電流和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-5-1所示圖2-5-1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速波形圖起動(dòng)電流突破Idcr以后，受電流負(fù)反饋的作用，電流只能

18、再升高一點(diǎn)，經(jīng)過某一最大值Idm后，就降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流轉(zhuǎn)矩為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過程波形示如圖2-5-2： 圖2-5-2系統(tǒng)理想起動(dòng)過程波形這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩)受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過程。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引

19、入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí))聯(lián)接，如圖所示2-5-3。 圖2-5-3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機(jī) TA電流互感器 UPE電力電子變換器把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。以下分別對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性以及抗擾性能進(jìn)行分析。為分析靜特性我們參考如下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖：圖2-5-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù)在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)

20、器是不會(huì)達(dá)到飽和的。因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的=0一直延續(xù)到，而一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和：這時(shí)ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其靜特性如下圖2-5-5：圖2-5-5 單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性圖為分析動(dòng)態(tài)特性以及抗擾性能參考雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下圖： 圖2-5-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)：（1）飽和非線性控制：根據(jù)ASR的飽和與不飽和

21、，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(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)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。（2） 轉(zhuǎn)速超調(diào)：由于ASR采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR 的輸入偏差電壓 Un 為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。這樣，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。（3） 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制：起動(dòng)過程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力，使起動(dòng)過程盡可能最快。這階段屬于有限制條

22、件的最短時(shí)間控制。因此，整個(gè)起動(dòng)過程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能，主要是負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。對(duì)于負(fù)載擾動(dòng)，由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。對(duì)于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)，雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。第三章：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各功能模塊概述3.1雙閉環(huán)直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)概述主電路的穩(wěn)定安全運(yùn)行直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，為了保證可逆冷軋機(jī)的

23、卷取機(jī)系統(tǒng)具有穩(wěn)定的正反運(yùn)行特性，則需要設(shè)計(jì)可逆的調(diào)速系統(tǒng)，采用六個(gè)晶閘管構(gòu)成三相橋式整流電路的反并聯(lián)裝置可以解決電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行和回饋制動(dòng)的問題。其實(shí)現(xiàn)方式如圖3-1-1所示。圖3-1-1 配合控制的反并聯(lián)連接的有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng) 兩組晶閘管通過反并聯(lián)的方式連接來實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的切換，其兩組整流橋VF,VR共同一個(gè)交流電源。其具體三相半波整流電路的反并聯(lián)可逆電路如下圖3-1-2所示：圖3-1-2 兩組變流器的反并聯(lián)可逆電路其主要特征：當(dāng)VF工作時(shí)，VR要嚴(yán)格封鎖；當(dāng)VR導(dǎo)通時(shí)，然則VF一定要截止，以免產(chǎn)生環(huán)流，造成事故。如果在任何一時(shí)刻，兩組整流橋中只有一種投入工作，則可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行

24、狀態(tài)決定哪一組變流器工作及其工作狀態(tài)：整流或逆變。圖3-1-3繪制了對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)四象限內(nèi)運(yùn)行時(shí)兩組變流器（簡稱正組橋，反組橋）的工作情況。圖3-1-3 電動(dòng)機(jī)在四象限內(nèi)的工作情況第1象限：正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，正組橋工作在整流狀態(tài)，1 /2，EMUda第2象限：正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，反組橋工作在逆變狀態(tài)，2/2），EMUdb；第3象限：正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，反組橋工作在整流狀態(tài)，2 /2，EMUda；第4象限：反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，正組橋工作在逆變狀態(tài)，1 /2），EMUdb；直流可逆拖動(dòng)系統(tǒng)，除能方便地實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)外，還能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的回饋制動(dòng)。第1象限正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)從正組橋取得電能 先使電

25、動(dòng)機(jī)迅速制動(dòng)，為此需切換到反組橋工作在逆變狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入第2象限作正轉(zhuǎn)發(fā)電運(yùn)行，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，不斷地調(diào)節(jié) ，使之由小變大直至（n=0），如繼續(xù)增大 ，即 =，反組橋?qū)⑥D(zhuǎn)入整流狀態(tài)下工作 電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn)進(jìn)入第3象限的電動(dòng)運(yùn)行。3.2 各功能模塊概述3.2.1速度調(diào)節(jié)單元速度調(diào)節(jié)器主要用運(yùn)算放大器，輸入輸出反饋環(huán)節(jié)，限幅電路以及反號(hào)器組成，用于對(duì)輸入反饋信號(hào)進(jìn)行放大，積分，微分，取反運(yùn)算從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的分析與處理。其原理如圖3-2-1所示： 圖3-2-1 速度調(diào)節(jié)單元原理圖 上述圖中Un*為速度給定輸入量，Un為速度反饋輸入量，C7，R12為反饋微分0環(huán)節(jié)，D4,D5用于保護(hù)放大器，

26、即限定放大器的最大輸入，D1,D2,R9,R10起到限幅的作用。SL零速封鎖信號(hào)控制晶閘管VT1的關(guān)閉。3.2.2電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器由運(yùn)算放大器、限幅電路、互補(bǔ)輸出、輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)及反饋?zhàn)杩咕W(wǎng)絡(luò)等環(huán)節(jié)組成，工作原理基本上與速度調(diào)節(jié)器相同，其原理圖如圖3-2-2所示。 圖3-2-2電流調(diào)節(jié)器單元原理圖電流調(diào)節(jié)器與速度調(diào)節(jié)器相比，增加了幾個(gè)輸入端，其中“U-1,U-2”端接推信號(hào)，當(dāng)主電路輸出過流時(shí)，電流反饋與過流保護(hù)的“”端輸出一個(gè)推信號(hào)（高電平）信號(hào)，擊穿穩(wěn)壓管，正電壓信號(hào)輸入運(yùn)放的反向輸入端，使調(diào)節(jié)器的輸出電壓下降，使角向180度方向移動(dòng)，使晶閘管從整流區(qū)移至逆變區(qū)，降低輸出電壓，保護(hù)主電路

27、?！癦K,ZL”端接邏輯控制器的相應(yīng)輸出端，當(dāng)有高電平輸入時(shí)，擊穿穩(wěn)壓管，三極管V1、V2導(dǎo)通，將相應(yīng)的輸入信號(hào)對(duì)地短接。在邏輯無環(huán)流實(shí)驗(yàn)中“Ui*，Ui*n”端同為輸入端，其輸入的值正好相反，如果兩路輸入都有效的話，兩個(gè)值正好抵消為零，這時(shí)就需要通過“ZK,ZL”端的電壓輸入來控制。在同一時(shí)刻，只有一路信號(hào)輸入起作用，另一路信號(hào)接地不起作用。3.2.3 電流反饋與過流保護(hù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，畫出電流反饋及其過電流保護(hù)單元原理圖如下所示： 圖3-2-3 電流反饋及其過電流保護(hù)單元電路本單元有兩個(gè)功能，一是檢測主電源輸出的電流反饋信號(hào)，二是當(dāng)主電源輸出電流超過某一設(shè)定值時(shí)發(fā)出過流信號(hào)切斷電源TA1,T

28、A2,TA3為電流互感器的輸出端，它的電壓高低反映三相主電路輸出的電流大小，面板上的三個(gè)園孔均為觀測孔，不需再外部進(jìn)行接線，只要將DJK04掛件的十芯電源線與插座相連接，那么TA1、TA2、TA3就與屏內(nèi)的電流互感器輸出端相連，當(dāng)打開掛件電源開關(guān)，過流保護(hù)即處于工作狀態(tài)。(1)電流反饋與過流保護(hù)的輸入端TA1、TA2、TA3，來自電流互感器的輸出端，反映負(fù)載電流大小的電壓信號(hào)經(jīng)三相橋式整流電路整流后加至R18，R4，R5,R6及R11，R12，D7組成的3條支路上，其中:R12與D7并聯(lián)后再與R11串聯(lián)，在其中點(diǎn)取零電流檢測信號(hào)從1腳輸出，供零電平檢測用。當(dāng)電流反饋的電壓比較低的時(shí)候，“I0”

29、端的輸出由R11、R12分壓所得，D7截止。當(dāng)電流反饋的電壓升高的時(shí)候，“I0”端的輸出也隨著升高，當(dāng)輸出電壓接接近0.6V左右時(shí)，D7導(dǎo)通，使輸出始終保持在0.6V左右。將R18的滑動(dòng)抽頭端輸出作為電流反饋信號(hào)，從“Ui”端輸出，電流反饋系數(shù)由R18進(jìn)行調(diào)節(jié)。R5,R6串聯(lián)后與過流保護(hù)電路相連，實(shí)驗(yàn)前先調(diào)試R5,R6阻值大小來調(diào)節(jié)過流動(dòng)作電流的大小，調(diào)試好后可以不用再次更改，以便實(shí)驗(yàn)操作。(2)當(dāng)電路開始工作時(shí)，由于電容C4的存在，V2比V1先導(dǎo)通，V2的集電極低電位，V3截止，同時(shí)通過R10、D8將V1基極電位拉低，保證V1一直處于截止?fàn)顟B(tài)。(3)當(dāng)主電路電流超過某一數(shù)值后，R5,R6分壓

30、的的過流電壓信號(hào)超過穩(wěn)壓管Z2的穩(wěn)壓值，擊穿穩(wěn)壓管，使三極管V1導(dǎo)通，從而V2截止，V3導(dǎo)通使繼電器K動(dòng)作，控制屏內(nèi)的主繼電器掉電，切斷主電源，掛件面板上的聲光報(bào)警器發(fā)出告警信號(hào)，提醒操作者實(shí)驗(yàn)裝置已過流跳閘。(4)過流的同時(shí)，V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗诩姌O產(chǎn)生一個(gè)高電平信號(hào)從“U-1”端輸出，作為推信號(hào)供電流調(diào)節(jié)器使用。(5)SB為解除過流記憶的復(fù)位按鈕，當(dāng)過流故障己經(jīng)排除，則須按下SB以解除記憶，才能恢復(fù)正常工作。當(dāng)過流動(dòng)作后，電源通過SB、R10、D8及C2維持V1導(dǎo)通，V1截止、V3導(dǎo)通、繼電器保持吸合，持續(xù)告警。只有當(dāng)按下SB后，V1基極失電進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，V2導(dǎo)通、V3截止，電路才恢復(fù)

31、正常。3.2.4 速度反饋與系數(shù)整定 轉(zhuǎn)速變換用于有轉(zhuǎn)速反饋的調(diào)速系統(tǒng)中，它將反映轉(zhuǎn)速變化并與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)變換成適用于控制單元的電壓信號(hào)。 圖3-2-4速度變換圖使用時(shí)，將電壓輸出端接至轉(zhuǎn)速變換的輸入端“1”和“2”。輸入電壓經(jīng)R1和RP1分壓，調(diào)節(jié)電位器RP1可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。給定 圖3-2-6電壓給定原理圖電壓給定由兩個(gè)電位器RP1、RP2及兩個(gè)鈕子開關(guān)S1、S2組成。S1為正、負(fù)極性切換開關(guān)，輸出的正、負(fù)電壓的大小分別由RP1、RP2來調(diào)節(jié)，其輸出電壓范圍為0士l5V，S2為輸出控制開關(guān)，打到“運(yùn)行”側(cè)，允許電壓輸出，打到“停止”側(cè)，則輸出為零。按以下步驟撥動(dòng)S1、S2，可獲得

32、以下信號(hào)：(1)將S2打到“運(yùn)行”側(cè)，S1打到“正給定”側(cè)，調(diào)節(jié)RP1使給定輸出一定的正電壓，撥動(dòng)S2到“停止”側(cè)，此時(shí)可獲得從正電壓突跳到0V的階躍信號(hào)，再撥動(dòng)S2到“運(yùn)行”側(cè)，此時(shí)可獲得從0V突跳到正電壓的階躍信號(hào)。(2)將S2打到“運(yùn)行”側(cè)，S1打到“負(fù)給定”側(cè)，調(diào)節(jié)RP2使給定輸出一定的負(fù)電壓，撥動(dòng)S2到“停止”側(cè)，此時(shí)可獲得從負(fù)電壓突跳到0V的階躍信號(hào)，再撥動(dòng)S2到“運(yùn)行”側(cè)，此時(shí)可獲得從0V突跳到負(fù)電壓的階躍信號(hào)。(3)將S2打到“運(yùn)行”側(cè)，撥動(dòng)S1，分別調(diào)節(jié)RP1和RP2使輸出一定的正負(fù)電壓，當(dāng)S1從“正給定”側(cè)打到“負(fù)給定”側(cè)，得到從正電壓到負(fù)電壓的跳變。當(dāng)S1從“負(fù)給定”側(cè)打

33、到“正給定”側(cè)，得到從負(fù)電壓到正電壓的跳變。元件RP1、RP2、S1及S2均安裝在掛件的面板上，方便操作。此外由一只3位半的直流數(shù)字電壓表指示輸出電壓值。要注意的是不允許長時(shí)間將輸出端接地，特別是輸出電壓比較高的時(shí)候，可能會(huì)將RP1、RP2損壞。3.2.5 邏輯控制單元進(jìn)行邏輯控制時(shí)，首先進(jìn)行DPT,DPZ的檢測，即轉(zhuǎn)矩極性檢測和零電流檢測。轉(zhuǎn)矩極性鑒別為一電平檢測器，用于檢測控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩極性的變化。它是一個(gè)由比較器組成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將控制系統(tǒng)中連續(xù)變化的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成邏輯運(yùn)算所需的“0”、“1”電平信號(hào)。其原理圖如圖圖3-2-5-1所示。 圖3-2-5-1 轉(zhuǎn)矩極性檢測轉(zhuǎn)矩極性鑒別器的輸

34、入輸出特性如下圖3-2-5-2所示，具有繼電特性。 圖3-2-5-2 轉(zhuǎn)矩極性輸入輸出特性調(diào)節(jié)運(yùn)放同相輸入端電位器RP1可以改變繼電特性相對(duì)于零點(diǎn)的位置。繼電特性的回環(huán)寬度為: Uk = Usr2一Usr1 = K1(Uscm2一Uscm1)式中，K1為正反饋系數(shù)，K1越大，則正反饋越強(qiáng)，回環(huán)寬度就越??；Usr2和Usr1分別為輸出由正翻轉(zhuǎn)到負(fù)及由負(fù)翻轉(zhuǎn)到正所需的最小輸入電壓； Uscm1和Uscm2分別為反向和正向輸出電壓。邏輯控制系統(tǒng)中的電平檢測環(huán)寬一般取0.20.6V，環(huán)寬大時(shí)能提高系統(tǒng)抗干擾能力，但環(huán)太寬時(shí)會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作遲鈍。零電平檢測器也是一個(gè)電平檢測器，其工作原理與轉(zhuǎn)矩極性鑒別器相同

35、，在控制系統(tǒng)中進(jìn)行零電流檢測，當(dāng)輸出主電路的電流接近零時(shí)，電平檢測器檢測到電流反饋的電壓值也接近零，輸出高電平。其原理圖和輸入輸出特性分別如圖3-2-5-3和圖3-2-5-4所示。 圖3-2-5-3 零電平檢測器 圖3-2-5-4零電平檢測器輸入輸出特性邏輯控制用于邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，其作用是對(duì)轉(zhuǎn)矩極性和主回路零電平信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，切換加于正橋或反橋晶閘管整流裝置上的觸發(fā)脈沖，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無環(huán)流運(yùn)行。其原理圖如圖3-2-5-5所示。其主要由邏輯判斷電路、延時(shí)電路、邏輯保護(hù)電路、推b電路和功放電路等環(huán)節(jié)組成。 圖3-2-5-5 邏輯控制單元邏輯控制環(huán)節(jié)由以下幾個(gè)部分組成：邏輯判斷環(huán)節(jié)，

36、延時(shí)環(huán)節(jié)，邏輯保護(hù)環(huán)節(jié)，推環(huán)節(jié)，功放電路。3.2.6零速封鎖單元零速封鎖器原理圖如圖3-2-6-1所示： 圖3-2-6-1 零速封鎖器零速封鎖器的作用是：當(dāng)給定電壓及速度反饋電壓均為零時(shí)（即調(diào)速系統(tǒng)在停車狀態(tài)），封鎖電壓調(diào)節(jié)器的輸出，保證電機(jī)不會(huì)低速爬行或者系統(tǒng)在零速時(shí)出現(xiàn)振蕩。3.2.7 給定積分單元積分單元原理圖如下圖3-2-7所示： 圖3-2-7 積分給定單元積分給定單元作用：突加給定將產(chǎn)生振蕩，對(duì)系統(tǒng)造成較大的沖擊，經(jīng)積分環(huán)節(jié)輸出的積分信號(hào)上升平緩，能減小系統(tǒng)的沖擊，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性。由來自面板上的給地1輸入，經(jīng)比例積分環(huán)節(jié)，跟隨器后，輸出積分Un*。 第四章：恒張力控制系統(tǒng)的

37、設(shè)計(jì)4.1 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(duì)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。4.1.1 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；U.E.I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

38、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 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。1.維持電樞電流的恒定 在對(duì)張力調(diào)節(jié)不高的場合，從式(8-24)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8-5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

39、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)。2.維持電動(dòng)機(jī)的功率恒定 從式(8-23)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8-6 。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(hào)用電壓和電流的乘積得到，功率給定（即張力給定）信號(hào)由線速度檢測經(jīng)過張力給定點(diǎn)位器送

40、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。3.維持I恒定和/D恒定 按式(8-25)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8-7 。 （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

41、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8-7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)磁電流輸出也相應(yīng)逐漸增大，電動(dòng)

42、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(8-25)知，如果維持I正比與，也可使張力不變，其原理可見圖8-8 。這種系統(tǒng)和通常的非獨(dú)立控制調(diào)

43、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)。4.1.2 間接張力控制和直接張力控制4.1.2.1 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

44、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(duì)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(duì)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(duì)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)。4.1.2.2 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

45、器的輸出信號(hào)作為張力實(shí)際值信號(hào)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(duì)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8-10。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)方法中所述相同。4.1.3 軋機(jī)卷取機(jī)張力控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例 卷取機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)，除基本傳動(dòng)裝置以外，另外配置一套帶卷取軟件的工藝模板或可編程序控制器，來實(shí)現(xiàn)卷取機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定計(jì)算，卷徑計(jì)算，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償計(jì)算和恒張力控制。以西門子公司產(chǎn)品為例，其張力控制系統(tǒng)典型配置見圖8-11。其中，基本傳動(dòng)裝置為該公司交值流通用控

46、制裝置，如6RA70直流傳動(dòng)裝置或通用變頻器，張力控制多用T400工藝控制模板和卷取軟件。 在卷取張力控制系統(tǒng)中，卷取機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算是該系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩由卷取張力力矩，慣性力矩補(bǔ)償，帶鋼彎曲力距補(bǔ)償和摩擦轉(zhuǎn)矩等部分組成。張力力矩，慣性力矩補(bǔ)償計(jì)算均與卷徑變量有關(guān)，卷徑計(jì)算和各部分力矩計(jì)算精度直接影響到卷取張力控制的效果。 根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩公式，可以計(jì)算出卷取機(jī)電動(dòng)機(jī)電樞電流給定值為并且 =+ 式中 -卷取電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 -張力力矩 -慣性力矩 -帶鋼彎曲力矩 -摩擦力矩 -電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù) -電動(dòng)機(jī)磁通 卷取電動(dòng)機(jī)電流給定值，送給卷取機(jī)傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，并通過卷取機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，控制電

47、動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流，在正常卷取過程中，速度調(diào)節(jié)器飽和使電動(dòng)機(jī)處于轉(zhuǎn)矩控制狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)卷取帶鋼過程的恒定張力控制。主要控制環(huán)節(jié)包括：1.線速度測量 線速度v是卷取過程中一個(gè)重要變量，通常是通過讀取卷取機(jī)前的偏導(dǎo)上脈沖編碼器輸出脈沖數(shù)并通過計(jì)算而獲得。設(shè)偏導(dǎo)輥直徑為D（m），每轉(zhuǎn)一周發(fā)出L個(gè)脈沖，速度采樣周期為T（ms），在一個(gè)采樣周期共讀取x個(gè)脈沖，則實(shí)際線速度速度（m/s）可由下式求的： V= DX/(1000TL)線速度測量精度與脈沖編碼器每轉(zhuǎn)給出的脈沖數(shù)及采樣時(shí)間有關(guān)，在轉(zhuǎn)速恒定的情況下，脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)越多，采樣時(shí)間越長，則測量精度越高。2. 卷徑計(jì)算 卷取機(jī)控制系統(tǒng)中卷徑信號(hào)準(zhǔn)確與否直

48、接影響張力控制的穩(wěn)定性和精確度。對(duì)于卷取機(jī)有下式： V=Dn/（60i）式中 v帶鋼線速度（m/s） D卷徑（m） 電機(jī)轉(zhuǎn)速 I機(jī)械減速比卷徑計(jì)算是通過帶鋼線速度和電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速按式（8-19）計(jì)算得出的，在整個(gè)卷取過程中，它是一個(gè)積分運(yùn)算量。因此，在程序中需要確定運(yùn)算周期t。卷徑變化率和卷取時(shí)間T。（1）運(yùn)算周期t的定義 在最小直徑=和最大線速度情況下，卷筒轉(zhuǎn)一周的時(shí)間，為一個(gè)運(yùn)算周期（s），即 T = (2)卷徑變化率p 卷徑變化率為單位時(shí)間內(nèi)的卷徑變化，即 P= 2d/t式中 d 帶材厚度，卷取機(jī)每轉(zhuǎn)一圈直徑的變化量為2d t 旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間（3）卷取時(shí)間T 帶材卷取過程是從卷筒直徑開始到

49、期望的卷徑 的過程，可得整個(gè)卷徑積分運(yùn)算時(shí)間為 T = t3 轉(zhuǎn)矩計(jì)算 由圖8-12 可知 卷取機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值由下列部分組成：（1）張力力矩在帶鋼卷取過程中，應(yīng)使鋼承受一定張力，張力控制的穩(wěn)定性和精度對(duì)鋼卷質(zhì)量影響很大。其卷取張力設(shè)定值決定于上位機(jī)給定的卷取單位張力，帶鋼寬度與厚度，在卷取過程中，根據(jù)卷取張力及鋼卷卷徑變化就可以計(jì)算出卷取張力力矩，張力力矩計(jì)算公式如下： F=WH 式中 F卷取帶鋼張力（N）； -卷取單位張力（）； W帶鋼寬度（mm）； H帶鋼厚度（mm）； D帶卷直徑（mm）； -卷取張力力矩（Nm）。（2）慣性力矩補(bǔ)償 在材料線速度恒定條件下，隨著卷徑的變化使卷取機(jī)卷筒轉(zhuǎn)速隨

50、著卷徑變化，為寶恒恒定的張力，必須根據(jù)卷筒連同鋼卷自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行慣性力矩補(bǔ)償。而在帶卷卷取過程中，卷筒和鋼卷總的飛輪力矩G隨著鋼卷直徑的增大而增大，G變化及慣性力矩補(bǔ)償計(jì)算公式如下： G 式中G-全部飛輪力矩； -固定部分的飛輪力矩（卷筒部分）； -鋼卷內(nèi)徑； 鋼的密度，; W帶鋼寬度； v軋制線速度； n卷筒電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。（3）帶鋼彎曲力矩補(bǔ)償 帶鋼彎曲力矩占電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的一定比重，它與帶鋼厚度的二次方、帶鋼寬度、帶鋼屈服強(qiáng)度正比，帶鋼屈服強(qiáng)度與鋼種、帶鋼材質(zhì)有關(guān)。帶鋼彎曲力矩補(bǔ)償量可按下式計(jì)算： 式中 -帶鋼屈服強(qiáng)度（）; H帶鋼厚度（mm）; W帶鋼寬度（mm）； -彎曲力矩（）.(4)摩

51、擦力矩補(bǔ)償 該補(bǔ)償值是用于修正卷筒驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)到卷筒之間的機(jī)械損耗，摩擦力矩補(bǔ)償量是和速度相關(guān)的，除減速比大的卷取機(jī)系統(tǒng)，摩擦力矩主要取決于減速機(jī)的溫度。較高的卷取速度，在某種程度上多少要導(dǎo)致減速箱的溫度升高，這一溫度升高將產(chǎn)生不同的摩擦力矩，對(duì)于間接張力控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)和速度相關(guān)的摩擦力矩特性，有利于提高卷取機(jī)的力矩補(bǔ)償。摩擦力矩補(bǔ)償值太高，將導(dǎo)致帶鋼的松弛，一般補(bǔ)償量為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的2%以下。卷取機(jī)力矩計(jì)算原理框圖。綜上所述，對(duì)于工程應(yīng)用的典型配置，張力控制和轉(zhuǎn)矩控制室靠工藝模板來實(shí)現(xiàn)的，所得的電樞電流或轉(zhuǎn)矩計(jì)算值，作為傳動(dòng)裝置閉環(huán)控制的設(shè)定值。第五章：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的常規(guī)工程設(shè)計(jì)5.1設(shè)計(jì)準(zhǔn)備 圖4-1-1 直流電動(dòng)機(jī)變流裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)直流電動(dòng)機(jī)的規(guī)格如下：PN=17KW，IN=92A，nN=1500r/min，Ra=0.15，R=0.28，允許的電流過載倍數(shù)=1.2，折算到直流電動(dòng)機(jī)軸的飛輪力矩慣量GD2=10.5Nm2。變流裝置采用三相橋式整流電路，晶閘管觸發(fā)整流裝置放大倍數(shù)Ks=40平均延遲時(shí)間D=0.0017s。平波電抗器電阻電感Ls=0.639*220/（0