南京工业大学生产实习报告十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计

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1、南京工业大学自动化与电气工程学院生产实习报告（20122013第2学期） 题 目： 十机架连轧机分部传动直流调速系统系（院）： 自动化学院班 级： 自动化姓 名：学 号： 第一章 调速技术部分1.1 设计要求(1)电枢回路总电阻取R=2Ra; 总分轮力矩GD2=2.5GD2=2.5*31.36 NM2，极对数P=1。（2）其它未尽参数可参阅教材中“双闭环调速系统调节器的工程设计举例”的有关数据。（3）要求：调速范围D=10,静差率S<=5%,稳态无静差，电流超调量I%<=5%,电流脉动系数SI<=10%;启动到额定转速时的转速退饱和超调量N<=10%.(4)要求系统具有

2、过流，过压，过载和缺相保护。（5）要求触发脉冲有故障封锁能力。(6)要求对拖动系统设置给定积分器。1.2 调速的方案选择1.2.1 直流电动机的选择根据设计要求，本次课程设计采用Z2-91型直流电动机。1.2.2 电动机供电方案的选择三相全控桥式整流器电路采用共阴极接法的三相半波和共阳极接法的三相半波的串联组合，由于共阴极组在正半周导电，流经变压器的是正向电流；共阳极组在负半周导电，流经变压器的是反向电流，因此变压器绕组中没有直流磁通，且每相绕组正负半周都有电流流过，提高了变压器的利用率，且直流侧脉动较小，元件利用率较好，无直流磁化同时波形畸变较小，故选择三相全控桥式整流电路可用来给直流电机供

3、电。1.2.3 系统的结构选择工业上，为了提高生产效率和加工质量，充分利用晶闸管元件及电动机的过载能力，要求实现理想启动，即要求在启动过程中，是启动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速迅速以直线规律上升，以缩短启动时间；启动结束后，电流从最大值迅速下降为负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变。又因调速精度要求较高，故采用转速电流双闭环负反馈调速系统。启动时，让转速外环饱和不起作用，电流 直流调速系统的总体结构框图采用双闭环调速系统，可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅

4、速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于IdN时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性

5、优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。1.3 主电路的计算1.3.1 整流变压器的计算（1）整流变压器二次侧电压计算整流变压器二次侧电压计算公式：U2=（11.2）UN 查表知，三KUVbcosamin相全控桥式整流电压的计算系数KUV=2.34，电网电压波动系数b=0.900.95，查表知角，考虑10裕量，故cos式计算出U2U2=(11.2)min=0.985,由电机参数可知UN=230V,代入公230V=110.9133.08V 2.34*0.9*0.985取U2=120V,变比K

6、=U12=1.83(2) 一次、二次侧电流计算一次侧电流：I1=KILIN 考虑变压器自身的励磁电流时，I1应乘以1.05左右的K系数，查表知，一次相电流计算系数KIL=0.816，由电机参数可知IN=209A,代入公式计算出I1I1=1.05*0.816*209/1.83=97.85A二次侧电流：I2=KIVIdN 查表知，二次相电流计算系数KIV=0.816，一般取整流器额定直流电流ID=IN，由电机参数知IN=209A,代入公式算出I2I2=0.816*209=170.544A(3)变压器容量的计算变压器一次、二次绕组相数m1=m2=3一次容量：S1=m1U1I1 =3*220*97.8

7、5=64.58KVA二次容量：S2=m2U2I2=3*120*170.54=61.39KVA平均电容：S=(64.58+61.39)/2=62.99KVA1.3.2 晶闸管元件的选择晶闸管的选择主要是根据整流器的运行条件，计算晶闸管电压、电流值，选出晶闸管的型号规格，在工频整流装置中一般选择KP型普通晶闸管，其主要参数为额定电压、额定电流值。(1)额定电压UTN的选择，应考虑下列因素。a 分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。b 考虑实际情况，系统应留有足够的裕量，通常可考虑23倍的安全裕量，按下列公式计算，即UTN=（23）KUTU2=(23)*2.45*120=588882V查表知，晶

8、闸管的电压计算系数KUT=2.45。(2)额定电流IT(AV)的选择，晶闸管是一种过载能力较小的元件，选择额定电流时，应留有足够的裕量，通常考虑选择1.52倍的安全裕量。按下列公式计算，即IT(AV)=2*KIT*Idmin=2*0.367*209*1.5=230.74A可知应选择型号为KP240-10的晶闸管 1.3.3 晶闸管保护环节的计算晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。（1）交流侧过电压保护措施A.阻容吸收保护 即在变压器二次侧并联电阻R

9、()和电容C（uf）的串联支路进行保护，对于大电容的的晶闸管装置，采用图1.2所示的接法 图1.2 交流侧阻容吸收保护 电容值 C>=6IemSU22(uf)=6*0.1*62.99/1202=2.625uf式中S-变压器容量（KVA）；U2-变压器二次相电压有效值（V）；Iem-变压器励磁电流百分数，对于10100KVA的变压器，一般为10%4%； 电阻值 RC=5U21/I21=5*120/170.544=3.518B.非线性电阻保护方式非线性电阻保护方式主要硒堆和压敏电阻的过电压保护。 压敏电阻的标称电压U1Ma=1.32U=1.3*2*120=220.6V 式中 U-压敏电阻两端

10、正常工作电压有效值（V）。C.直流侧过电压保护 直流侧过电压保护可以用阻容或压敏电阻保护，但采用阻容保护容易影响系统的快速性，并造成di/dt加大，一般只用压敏电阻作过压保护。压敏电阻的标称电压U1Ma>=2UDC=2*2.34U2=2*2.34*120=561.6V(2)晶闸管及整流二极管两端的过电压保护 为了抑制晶闸管的关断过电压，通常采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法，阻容保护元件参数可以根据查经验数据表得到。表1.1 阻容保护的原件参数 (3)过电流保护 快速熔断器是最简单有效的过电流保护器件，与普通熔断器相比，具有快速熔断的特性，在发生短路后，熔断时间小于20毫秒，能保证在

11、晶闸管损坏之前自身熔断，避免过电流损坏晶闸管，图1.3接法对过电流保护最有效。 图1.3 快速熔断器的安装方法 (4) 电压和电流上升率的限制 不同规格的晶闸管对最大的电压上升率及电流上升率有相应的规定，当超过其规定的值时，会使晶闸管误导通。限制电压及电流变化率的方法有A交流进线电抗器限制措施，交流进线电抗器LB的计算公式为LB=0.04U2=8.96H 2pf*0.816IdN式中 交流器输出额定电流IdN，电源频率f,变压器二次相电压U2B在桥臂上串联空心电感，电感值取2030H为宜。C在功率较大或频率较高的逆变电路中，接入桥臂电感后，会使换流时间增长，影响正常工作，而经常采用将几只铁氧磁

12、环套在桥臂导线上，使桥臂电感在小电流时磁环不饱和，电感量大，达到限制电压上升率和电流上升率的目的，还可以缩短晶闸管的关断时间。1.3.4 平波电抗器的计算晶闸管整流器的输出直流电压是脉动的，为了限制整流电流的脉动、保持电流连续，常在整流器的直流输出侧接入带有气隙的电抗器，称作平波电抗器。（1） 电动机电枢电感LDLD=KDUN*1000=8*220*1000/(2*2*1450*209)=2.9mH 2pnNIN对于快速无补偿电动机KD取8，磁极对数p=2。（2） 变压器电感LT为LT=KTUdl式中KT=3.9,Udl=0.05。 U2*1000=3.9*0.05*120/209=0.12m

13、H IN（3） 平波电抗器的选择。维持电流连续时的LP为LP=L1-(2LT+LD)=K1U2-(2LT+LD)=0.639*120/(0.05*209)-(2*0.12+2.Idmin9)=7.33-3.14=4.19(mH)式中，K1=0.693,Idmin=0.05IN。限制电流的脉动系数Si=5%时，LP值为LP=L1-(2LT+LD)=K23.14=5.48（mH） U2-(2LT+LD)=1.045*120/(0.05*291)-3.14=8.62-SiIN取两者中较大的，故选用平波电抗器的电感为5.48mH时，电流连续和脉动要求能同时满足。1.4 触发电路的选择与校验触发电路可选

14、择锯齿波同步触发电路，也可选择KC系列集成触发电路。 此系统选择集成触发电路，其优点是体积小，功耗低，调试方便，性能稳定可靠。其缺点是移相范围小于180，为保证触发脉冲对称度，要求交流电网波形畸变率小于5%。适用范围：广泛应用于各种晶闸管装置中。选用集成电路MC787组成的三相触发电路，如图2-5所示。该集成块由同步过零、锯齿波形成电路、比较电路、抗干扰锁定电路、调制脉冲发生器、脉冲形成电路、脉冲分配及驱动电路组成。 图1.4 MC787组成的三相触发电路原理接线图图1.4的三相触发电路原理接线图，可作为触发三相全控桥或三相交流调压晶闸管电路。其中三相电压的零线和电源共地，同步电压经RC组成的

15、T形网络滤波分压，并产生30相移，经电容耦合电路取得同步信号，电路输出端采用等值电阻进行1/2分压，以保证对称。输出端由大功率管驱动，可配接脉冲变压器触发晶闸管。1.5 控制电路的计算1.5.1 给定电源和给定环节的设计根据电路要求，选用稳压管、晶闸管、集成稳压管等组成，本设计采用集成稳压管的可调输出电路。由于放大器输出电压和输出电压极性相反，而触发器的移相控制电压VC又为正电压，故给定电压UG就为负电压，而一切反馈均取正值，为此给定电压与触发器共用一个15V的电源，用一个2.2K,1W电位器引出给定电压。1.5.2 转速检测环节和电流检测环节的设计与计算、调速系统的静态参数设计（1）测速发电

16、机的选择 有电机参数可知选用的直流测速发电机的参数有:额定电压ETG=40V,nTG=2000r/min 负载电阻RTG=2K的电位器。由于主电动机的额定转速为1450r/min ,因此，测速发电机发出最高电压为29V，给定电源15V,只要适当取反馈系数，即可满足系统要求。（2）转速负反馈环节 设转速反馈滤波时间常数：Ton=0.01s,则转速反馈系数=Un*/nN=15/1450=0.01Vmin/r（3）电流负反馈环节 设电流反馈滤波时间常数：Toi=0.02s,则电流反馈系数=0.05V/A(4)调速系统的静态参数电动机电动势常数 ： Ce=UN-INRa230-209*0.3=0.11

17、5 1450nNnNs1450*5%=7.63r/min D1-S10(1-5%)按要求调速系统的静态速降：nN=1.6 双闭环直流调速系统的动态设计(1)电流调节器的设计1）确定时间常数 在三相桥式全控电路有：已知Ts=0.0017s，Toi=0.002s，所以电流环小时间常数TSi=Ts+Toi=0.0017+0.002=0.0037S。2）选择电流调节器的结构因为电流超调量si5%，并保证稳态电流无静差，可按典型型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器 WACR(s)=Ki(tis+1)。 tisKi-电流调机器的比例系数ti-电流调节器的超前时间系数3）电

18、流调节器参数计算：电流调节器超前时间常数Ti=Tl=0.03s，又因为设计要求电流超调量si5%，查得有KITSi=0.5，所以KI=0.5TSi=0.5=135.1S-1，电枢回路总0.0037电阻R=2Ra=0.6，所以ACR的比例系数 Ki=KIRti135.10.030.63.24 =150.05Ksb4）校验近似条件电流环截止频率Wci=KI=135.1S。 晶闸管整流装置传递函数的近似条件：11=196.1S-1 > Wci，满足条件。 3Ts30.0017-1忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： 311=312.792S-1Wci3TsTi30.00170.002，满足条

19、件。5） 计算调节器的电阻和电容取运算放大器的R0=40kW，有Ri=KiRo=4.3240=511.68kW，取172.8kW,取180kW，Ci=tiRi=0.030.17mF180kW，取，取0.,2mF，Coi=4Toi40.002=0.2mFR040kW0.2mF。故WAKi(ti+1)3.24(0.03s+1)(s)=，其结构图如下所示：Ctis0.03s 图1.5 电流调节器 (2) 转速调节器的设计1） 确定时间常数：有KITSi=0.5,则1=2TSi=20.0037s=0.0074s，已知转速环滤波时间KI1+Ton=0.0074+0.01=0.0174s。 KI常数Ton

20、=0.01s，故转速环小时间常数TSn=2）选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器Kn(tns+1)WASR(s)= tnsKN-转速调节器的比例系数tn-转速调节器的超前时间常数3）计算转速调节器参数：按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR的超前时间常数为：tn=hTSn=40.0174=0.0696s，转速环开环增益 KN=h+15=516.1s-1。 22222hTSn240.0174ASR的比例系数为：Kn=4）检验近似条件 转速环截止频率为Wcn=(h+1)bCeTm2haRTSn=50.050.1151.84=67.86。 240.0070.80.0174KN=KN

21、tn=516.10.0696=35.92。 W1 电流环传递函数简化条件为1KI1135.1=63.7s-1Wcn，满足条件。 3TSi30.00371KI1135.1=38.7s-1Wcn，满足3Ton30.01转速环小时间常数近似处理条件为：近似条件。5）计算调节器电阻和电容：取R0=40kW，则Rn=KnR0=67.8640=2714.4kW，取3000kW。 Cn=tnRn=0.0696=0.0232mF，取0.1mF 3000kWCon=40.01=1mF，取1mF。 40kAW故WASR(s)=Kn(tns+1)67.86(0.0696s+1)=。其结构图如下：tns0.0696s

22、 图1.6 转速调节器校核转速超调量：由h=4，查得sn=43.6%10%，不满足设计要求，应使ASR 退饱和，重计算sn。设理想空载z=0，h=4时，查得DCmax=77.5%，所以 Cb18.250.8DCDnTsn=2(max)(l-z)*NSn=277.5%1.5 CbnTm1450=0.00264=0.264% < 10%满足设计要求.1.7 系统的计算机仿真1.7.1开环调速系统的建模与仿真从原理结构图可知，该系统由给定环节、脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机部分等组成。下图是采用面向电气原理结构图方法作的开环直流调速系统的仿真模型。A.系统的建模和模型参数设置

23、系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。1 主电路的建模和参数的设置开环直流调速系统的主电路由三相对称交流的电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机部分等组成。由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的两个环节通常作为一个组合体来讨论，所以将触发器归到主电路进行建模。（1）三相对称交流电压源的建模和参数设置为了得到三相对称交流电压源，其参数设置方法及参数设置如下。双击A相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框，A相交流电压源参数设置如下，幅值取220V、初相位设置为0、频率为50Hz、其他为默认值；B、C相交流电源参数设置方法同A相相同。初相位设置为互差120外，其他参数同A

24、.由此可得到三相对称交流电源，本模型的相序是A-C-B.（2）晶闸管整流桥的建模和参数设置采用三相整流桥，桥臂取3，；一般情况下，晶闸管的参数取默认值，仿真理想就为默认值，不理想再优化参数。(3)平波电抗器的建模和参数设置平波电抗器的类型直接选择为电感就可以了，其电感值可通过仿真进行优化。(4)直流电动机的建模和参数设置双击直流电动机的图标，打开电动机的参数设置对话框，对其参数有转速n、电枢电流In、激磁电流If、电磁转矩Te均按计算的实际值设置。(5)脉冲触发器的建模和参数设置通常，工程上将触发器和晶闸管整流桥作为一个整体来研究，同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分。同步脉冲触发器

25、如下图所示。2.控制电路的建模与仿真开环直流调速系统只有一个给定环节，双击给定环节模块，打开参数设置对话框，设置参数。（二）开环调速系统的仿真、仿真结果输出及结果分析。 图1.7 开环调速系统仿真模型1.7.2 单闭环有静差调速系统的建模与仿真从原理结构图可知，该系统由给定环节、速度调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节部分等组成。下图是采用面向电气原理结构图方法作的单闭环有静差调速系统的仿真模型。（一）系统的建模和模型参数设置系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。1.主电路的建模和参数的设置主电路与开环调速系统相同，只是平波电抗器的电感值设置不

26、同，具体不再叙述。2.控制电路的建模与仿真单闭环有静差调速系统由给定环节、速度调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节部分等组成。另增加了限幅器、偏置、反向器等模块。给定信号模块的建模和参数的设置方法与开环调速系统相同。速度调节器、限幅器、偏置、反向器等模块的建模和参数的设置方法很简单，找到相应的模块，进行相应参数的设置即可。（二）单闭环有静差调速系统的仿真、仿真结果输出及结果分析。 图1.8单闭环有静差调速系统的仿真模型1.7.3 转速、电流双闭环无静差调速系统的建模与仿真多环直流调速系统与开环、单闭环直流调速系统的主电路模型一样，主电路由交流电源、同步脉冲

27、触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节部分等组成。差别在控制电路上。（一）系统的建模和模型参数设置系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。1.主电路的建模和参数的设置转速、电流双闭环无静差调速系统主电路的建模和参数的设置与单闭环有静差调速系统大部分相同，只是平波电抗器的电感值设置不同，具体不再叙述。2.控制电路的建模与仿真转速、电流双闭环无静差调速系统的控制电路由给定环节、速度调节器、电流调节器、限幅器、偏置电路、反向器、电流反馈环节、速度反馈环节部分等组成。给定信号模块的建模和参数的设置方法与单闭环调速系统相同。（二）双闭环转速、电流调速系统的仿真、仿真结果输出

28、及结果分析。 图1.9 转速电流双闭环直流调速系统仿真模型 第二章 计算机控制技术部分2.1 对温控系统进行建模及MATLAB仿真2.1.1 单片机在炉温控制系统中的运用温度是工业对象中一个主要的被控参数，它是一种常见的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。温度控制是许多设备的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。一直以来，人们采用了各种方法来进行温度控制，都没有取得很好的控制效果。如今，随着以微机为核心的温度控

29、制技术不断发展，用微机取代常规控制已成必然，因为它确保了生产过程的正常进行，提高了产品的数量与质量，减轻了工人的劳动强度以及节约了能源，并且能够使加热对象的温度按照某种指定规律变化。实践证明，用于工业生产中的炉温控制的微机控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。单片机具有集成度高，运算快速快，体积小、运行可靠，价值低廉，因此在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，本设计以89C51单片机为核心控制器件，以ADC0809作为A/D转换器件，采用闭环直接数字控制算

30、法，通过控制可控硅来控制热电阻，进而控制电炉温度，最终设计了一个满足要求的电阻炉微型计算机温度控制系统。2.1.2 系统的基本工作原理整个炉温控制系统由两大部分组成。一部分由计算机和A/D和D/A转换电路组成。主要完成温度采集，PID运算，产生可控硅的触发脉冲。另外一部分由传感器信号放大，同步脉冲形成，以及触发脉冲放大等组成。炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压可在0140V内变化。可控硅的导通角为05bH。温度传感器是通过一只热敏电阻及其放大电路组成，温度越高其输出电压越小。外部LED灯的亮灭表示可控硅的导通与关断的占空比时间，如果炉温低于设定值

31、则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。温度控制电路原理图如图2.1所示。图2.1 温度控制电路原理图2.1.3 温控系统控制算法设计1. 温度控制算法的比较（1）.经典控制算法经典控制方法是指针对时滞系统控制问题提出并应用得最早的控制策略，主要包括PID控制、Smith预估控制、大林算法这几种方法。PID控制器由于具有算法简单，鲁棒性好和可靠性高等特点，因而在实际控制系统设计中得到了广泛的应用。PID控制的难点在于如何对控制参数进行整定，以求得到最佳控制效果。然而PID在时滞过程中的应用受到一定的限制,由于PID算法只有在系统模型参数为非时变的情况下,才能获得理想效果

32、。当一个调好参数PID控制器被应用到模型参数时变系统时,系统的性能会变差,甚至不稳定。Smith预估器是得到广泛应用的时滞系统控制方法，该方法是一个时滞预估补偿算法。它通过估计对象的动态特性,用一个预估模型进行补偿,从而得到一个没有时滞的被调节量反馈到控制器,使得整个系统的控制就如没有时滞环节,减小超调量,提高系统的稳定性并且加速调节过程,提高系统的快速性。理论上Smith预估器可以完全消除时滞的影响,但是在实际应用中却不尽人意,主要原因在于:Smith预估器需要确知被控对象的精确数学模型,当估计模型和实际对象有误差时,控制品质就会严重恶化,因而影响了Smith预估器在实际应用中的控制性能。大

33、林算法是由美国IBM公司的Dahlin于1968年针对工业过程控制中的纯滞后特性而提出的一种控制算法。该算法的目标是设计一个合适的数字调节器D(z)，使整个系统的闭环传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，而且要求闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间。大林算法方法比较简单，只要能设计出合适的且可以物理实现的数字调节器D(z)，就能够有效地克服纯滞后的不利影响，因而在工业生产中得到了广泛应用。但它的缺点是设计中存在振铃现象，且与Smith算法一样，需要一个准确的过程数字模型，当模型误差较大时，控制质量将大大恶化，甚至系统会变得不稳定。（2）.智能控制算法智能控制是一类无需人的干预就能

34、够独立地驱动智能机器实现其目标的自动控制，它包括模糊控制、神经网络控制、遗传算法等。模糊控制是智能控制较早的形式，它吸取了人的思维具有模糊性的特点，从广义上讲，模糊逻辑控制指的是应用模糊集合理论，统筹考虑系统的一种控制方式，模糊控制不需要精确的数学模型，是解决不确定性系统控制的一种有效途径。模糊控制是一种基于专家规则的控制方法。在时滞过程中,模糊控制一般是针对误差和误差变化率而进行的,将输入量的精确值模糊化,根据输入变量和模糊规则,按照模糊推理合成规则计算控制量,再将它清晰化,得到精确输出控制过程，其中模糊规则是最重要的。但是,模糊控制存在控制精度不高、算法复杂等缺点。神经网络控制是研究和利用

35、人脑的某些结构机理以及人的知识和经验对系统的控制。人们普遍认为，神经网络控制系统的智能性、鲁棒性均较好，能处理高维、非线性、强耦合和不确定性的复杂工业生产工程的控制问题，其显著特点是具有学习能力。神经网络的主要优势在于能够充分逼近任意复杂的非线性系统，且有很强的鲁棒性和容错性。一般来说，神经网络用于控制有两种方法，一种是用来实现建模，一种是直接作为控制器使用。与模糊控制一样，神经网络也存在算法复杂的缺点，同时神经网络学习和训练比较费时，对训练集的要求也很高。经典控制方法由于具有结构简单、可靠性及实用性强等特点，在实际生产过程中得到了广泛的应用。但它们都是基于参数模型的控制方法，因而自适应性和鲁

36、棒性差、对模型精确性要求高、抗干扰能力差。而智能控制是非参数模型的控制方法，因而在鲁棒性、抗干扰能力方面有很大的优势。但智能控制也有其不足之处，即理论性太强，算法过于复杂，大多数方法还仅局限于理论和仿真研究，能在试验装置上和工业生产中应用的并不多。根据这两类控制方法的特点，将它们结合起来进行复合控制是一种有效的时滞系统控制策略，成功的应用有模糊PID控制、模糊Smith控制、神经元Smith预估控制、Smith-NN预估控制等。这些方法既能利用经典控制方法结构简单、可靠性和实用性强的特点，又能发挥智能控制自适应性和鲁棒性好，抗干扰能力强的优势，弥补了各自的不足，在大时滞控制系统中具有很好的应用

37、前景。2. 控制算法的选择PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等。它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控制对象来说，数字PID完全可以代替模拟PID调节器，应用更加灵活，使用性更强。所以该系统采用PID控制算法。系统的结构框图如图2.2所示： 图2.2 系统结构框图该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的选择与设定，实现工业过程中PID控制。它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进

38、行A/D转换，再送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差按PID规律进行调整，得出对应的控制量来控制驱动电路，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。利用单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换、并进行PID控制和键盘终端处理（各参数数值的修正）及显示。在设计中应该注意，采样周期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，这样，不但执行机构不能反应，而且计算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长， 否则会使干扰无法及时消除，使调节品质下降。3. 数字PID算法（3）采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣

39、影响。2.1.4 最佳控制PID系统参数测定1.系统结构图如图2.3所示，图中Gc(s)=Kp(1+Ki/s+Kds)Gh(s)=(1-e-Ts)/sGp(s)=1/(Ts+1) 图2.3 系统结构图2、PID参数整定方法（1） Ziegler-Nichols整定方法Ziegler-Nichols整定方法是根据给定对象的瞬间响应特性来确定PID控制器的参数。Ziegler-Nichols法首先通过实验，获得控制对象单位阶跃响应，如果单位阶跃响应曲线看起来是一条S形的曲线，则可以用该方法，否则不能用。（2） 临界比例度法整定临界比例度法适用于已知对象传递函数的场合。在闭合的控制系统里，将调节器置

40、于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡周期Tk。采用临界比例度法时，系统产生临界振荡的条件是系统的阶数是3阶或3阶以上。（3）衰减曲线法整定衰减曲线法根据衰减频率特性整定控制器参数。先把控制系统中调节器置于纯比例作用下（Ti=,t=0），使系统投入运行，再把比例度从小到大逐渐改变调节器的比例度，得到4:1衰减过程曲线。3.试凑法确定PID参数：在试凑时，对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤。参数的影响趋势：增大比例系数Kp一般将加快系统的相应速度，在有静差的情况下有利于减小静差，但过大的比例系数会使系统有较大的超调，产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间有利于减小静差

41、，使系统更加稳定，但积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。增大微分时间可以减小超调量，克服振荡，使系统稳定性提高，同时有利于加快系统动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能，但是系统对抗扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。具体步骤如下：（1）首先只整定比例部分，即将比例系数由小变大，并观察响应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。（2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。（3）若使用比例积分调节器消除了静差，但是动态过程反复调整仍不能满足要求，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。2.1.5 设计软件部分（1）根据确定的

42、算法流程图，分别编写主程序和各模块程序。编程时尽量利用已有的子程序，以减少工作量。对于程序的编写，需要说明以下几点： 编程语言一般都采用汇编语言，汇编语言具有执行速度快、占用 对于程序中的指令应有必要的注释，以便于阅读与使用。 主程序和各模块程序的设计完成后，连接成为一个完整的程序。最后对于整个程序作详细的说明，内容包括占用内部资源情况、存储器分配情况、标志的定义以及程序启动方法等。（2）主程序和中断服务子程序的流程图和程序编制 图2.4 主程序和中断服务子程序的流程图主程序如下：TEMP1 EQU 50H ；当前检测温度（高位） TEMP2 EQU TEMQ1+1 ；当前检测温度（低位） S

43、T1 EQU 52H ；预置温度（高位）ST2 EQU 53H ；预置温度（低位）T100 EQU 54H ；温度BCD码显示缓冲区（百位） T10 EQU T100+1 ；温度BCD码显示缓冲区（十位） T EQU T100+2 ；温度BCD码显示缓冲区（个位） BT1 EQU 57H ；温度二进制码显示缓冲区（高位） BT2 EQU BT1+1 ；温度二进制码显示缓冲区（低位） ADIN0 EQU 7FF8H ；ADC 0809通道IN0的端口地址 F0 BIT PSW.5 ；报警允许标志TEMP1 DB 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00

44、H ；50H58H单元初始化(清零)ORG 0000HAJMP MAIN ；转主程序ORG 00BHAJMP PT0 ；转T0中断服务子程序ORG 0030HMAIN： MOV SP，#59H ；设堆栈标志CLR F0 ；报警标志清零MOV TMOD，#01H ；定时器0初始化（方式1） MOV TL0，#0B0H ；定时器100ms定时常数MOV TH0，#3CHMOV R7，#150 ；置15s软计数器初值SETB ET0 ；允许定时器0中断SETB EA ；开中断SETB TRO ；启动定时器0MAIN1：ACALL KIN ；调键盘管理子程序ACALL DISP ；调用显示子程序SJM

45、P MAIN1定时器0中断服务子程序PT0：PT0： MOV TL0，#0BOHMOV TH0，#3CH ；重置定时器0初值DJNZ R7，BACK ；15s到否，不到返回MOV R7，#150 ；重置软计数器初值ACALL TIN ；温度检测MOV BT1，TEMP1 ；当前温度送到显示缓冲区MOV BT0，TEMP0ACALL DISP ；显示当前温度ACALL CONT ；温度控制ACALL ALARM ；温度越限报警BACK：RETI（3） 温度软件控制流程图如图3-3所示。图中ek为误差，ek1为上一次的误差，ek2为误差的累计和，uk是控制量，可控硅控制角05bH，0导通角最大，5

46、bH导通角为零。控制电路采用可控硅来实现，双向可控硅SCR和电路电阻丝串接在交流220V市电回路中，单片机信号通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端，由端口的高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制电阻丝的通电加热时间。 图2.5 温度软件控制流程图 (4)Matlab仿真采用simulink仿真，通过simulink模块实现PID控制算示。设采样时间Ts=10s，被控对象为：e-10sG(s)= 1+30s建立的仿真 图2.6 模型 得到P、PI、PID控制的仿真曲线如下：1.510.50050100150200图2.7 P控制T=30,K=1,L=10,此时Kp=3 1.510.50

47、050100150200图2.8 PI控制T=30,K=1,L=10,此时Kpi=2.7积分时间Ti=33.3, 050100150200 图2.9 PID控制T=30,K=1,L=10,此时Kpid=3.6,积分时间为33.3，微分时间为32.2 设计一个以MCS-51系列单片机为核心的计算机控制系统2.2.1 课题要求利用下列元器件设计一个以MCS51系列单片机为核心的计算机系统1. 扩展一片2764； 2.一片8255、一片8155；3.一片DAC0832和一片ADC0809； 4.外接一个键盘和数码显示器。2.2.2 线路图 图3.1 计算机控制系统接线图 2.2.3各芯片的功能介绍D

48、AC0832是8位D/A转换集成芯片，能完成数字量输入模拟量（电流）输出的转换。单电源供电，从515V均可正常工作，基准电压的范围为-10+10v,电流建立时间为1us，CMOS工艺，低功耗20MW。ADC0809是8位A/D通道转换器，其分辨率是8位。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。 其各口功

49、能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。8155芯片内包含有256个字节RAM，2个8位、一个6位的可编程并行I/O口和1个14定时器/计数器。8155可以直接与MCS51单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。由于8155既有RAM又具有I/O借口，因而是MCS51单片机系列中最常用的外围

50、借口芯片之一。2764芯片是8K*8字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250nS，28脚双列直插式封装。键盘及显示电路中，键盘输出信号D、C、B、A（BCD）分别接到8255A的PA口PA3PA0,键选通信号KEYSTROBE（高电平有效），经反相器接到80C51的INT0引脚。当某个键按下时，KEYSTROBE为高电平，经反相后的下降沿向80C51申请中断。80C51响应后，读入BCD码值，作为给定值，并送显示。由于系统设计只有4位显示，所以最多只能给定9999。输入顺序从最高位开始。 第三章 总结在冶金工业中，轧制过

51、程是金属压力加工的一个主要工艺过程，连轧是一种可以提高劳动生产率和轧制质量的方法，连轧机则是冶金行业的大型设备。其主要特点是被扎金属同时处于若干机架之中，并沿着同一方向进行轧制，最终形成一定的断面形状，每个机架的上下扎昆之间的速度实现协调控制，十架机连轧机的每个机架对应一套直流调速系统。我们通过对电机参数的解读，完成了对直流电机，电机供电方案，系统结构的选择。同时根据电机以及系统的需要，对主电路和控制电路进行计算。最后，我们还对系统进行了仿真。分别进行了开环，单闭环，双闭环的仿真。随着计算机技术的迅猛发展，计算机在自动控制领域中的应用越来越广泛。如今，它在现代化的工农衣国防等领域发挥着越来越重

52、要的作用。因此，充分理解计算机控制系统是十分重要的作用。因此，充分理解计算机控制系统是十分重要的。温度是工业对象中一个主要的被控参数，它是一种常见的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。温度控制是许多设备的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。在计算机系统控制部分的设计中，我们对控制算法进行了梳理，对PID算法进行了深入的学习，并对软件设计有了一定的了解。同时，我们还设计了以MCS-51系列单片机为核心的计算机控

53、制系统，在这里了解了2764芯片，8155芯片，8255芯片等。本次课程设计内容丰富，涵盖了我们大学的很多专业课程，让我们在毕业之前有机会对之前所学知识有一个更好的复习机会。但是不足在于我们对MATLAB等课程并不是很熟悉，要求我们把仿真做到完善是有点花时间，如果学校能安排这些课程的学时就是比较妥当的了。 参考文献1 求是科技.单片机典型模块设计实例导航.第一版.北京：人民邮电出版社.20022 谢剑英，贾青.微型计算机控制技术.第三版. 北京：国防工业出版社,20013 潘新民.微型计算机与传感器技术. 北京：人民邮电出版社,19964 刘玉强，刘晓为等.高温扩散炉恒温区温度的自动控制.哈尔

54、滨工业大学学报,19995 黄胜军.微机控制应用实验与实例. 第一版. 北京：清华大学出版社,19996 曹天汗.单片机原理与接口技术.第一版.北京:电子工业出版社,20037 胡汉才.单片机原理及其接口技术.第二版.北京:清华大学出版社,20038 杨光友，朱宏辉.单片微型计算机原理及接口技术.第一版.北京:中国水利水电出版社,20029 陈伟人.MCS-51系列单片机实用子程序集锦.第一版.北京:清华大学出版社,199910 张俊漠.单片机中级教程-单片机原理及应用.北京:航空航天大学出版社,200111 黄忠霖编著.控制系统MATLAB计算及仿真.北京：国防工业出版社，200112 周渊

55、深.电力电子技术与MATLAB仿真. 北京:中国电力出版社，200713 周渊深.交直流调速与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社，201014 范立南，李雪飞.计算机控制技术.机械工业出版社 莄袄羇肁蚃袃聿莆薈袂膁腿蒄袁袁莄莀蒈羃膇芆薇肅莃薅薆螅膆蒁薅袇莁蒇薅肀膄莃薄膂肇蚂薃袂节薈薂羄肅蒄薁肆芀莀蚀螆肃芆虿袈艿薄虿羁肂薀蚈膃莇蒆蚇袃膀莂蚆羅莅芈蚅肇膈薇蚄螇莄蒃螃衿膆荿螃羁莂芅螂肄膅蚃螁袃羇蕿螀羆芃蒅蝿肈肆莁螈螈芁芇螇袀肄薆袇羂芀蒂袆肅肂莈袅螄芈莄袄羇肁蚃袃聿莆薈袂膁腿蒄袁袁莄莀蒈羃膇芆薇肅莃薅薆螅膆蒁薅袇莁蒇薅肀膄莃薄膂肇蚂薃袂节薈薂羄肅蒄薁肆芀莀蚀螆肃芆虿袈艿薄虿羁肂薀蚈膃莇蒆蚇袃膀莂蚆

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58、肀膄莃薄膂肇蚂薃袂节薈薂羄肅蒄薁肆芀莀蚀螆肃芆虿袈艿薄虿羁肂薀蚈膃莇蒆蚇袃膀莂蚆羅莅芈蚅肇膈薇蚄螇莄蒃螃衿膆荿螃羁莂芅螂肄膅蚃螁袃羇蕿螀羆芃蒅蝿肈肆莁螈螈芁芇螇袀肄薆袇羂芀蒂袆肅肂莈袅螄芈莄袄羇肁蚃袃聿莆薈袂膁腿蒄袁袁莄莀蒈羃膇芆薇肅莃薅薆螅膆蒁薅袇莁蒇薅肀膄莃薄膂肇蚂薃袂节薈薂羄肅蒄薁肆芀莀蚀螆肃芆虿袈艿薄虿羁肂薀蚈膃莇蒆蚇袃膀莂蚆羅莅芈蚅肇膈薇蚄螇莄蒃螃衿膆荿螃羁莂芅螂肄膅蚃螁袃羇蕿螀羆芃蒅蝿肈肆莁螈螈芁芇螇袀肄薆袇羂芀蒂袆肅肂莈袅螄芈莄袄羇肁蚃袃聿莆薈袂膁腿蒄袁袁莄莀蒈羃膇芆薇肅莃薅薆螅膆蒁薅袇莁蒇薅肀膄莃薄膂肇蚂薃袂节薈薂羄肅蒄薁肆芀莀蚀螆肃芆虿袈艿薄虿羁肂薀蚈膃莇蒆蚇袃膀莂蚆羅莅芈蚅

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