闭环调速控制系统.docx-资料库

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课程设计报告 ( 2017—2018 年度第二学期) 名题院班学称：控制装置与仪表目：闭环调速控制系统系：控制与计算机工程学院自动化 1505 级：号：学生姓名：指导教师：张文彪设计周数：同组同学：成绩： 1 周无日期：2018 年 6 月 22 日

目录一、控制装置与仪表课程设计主要内容........................................................................................ 3 二、控制装置与仪表课程设计基本要求........................................................................................ 3 三、控制装置基本介绍及使用方法................................................................................................ 3 1. 调节器/操作器（即控制器） ............................................................................................ 3 2. 记录仪 .................................................................................................................................. 4 3. 变频器 .................................................................................................................................. 5 4. 交流电机 .............................................................................................................................. 6 5. 霍尔元件及数字记录仪 ...................................................................................................... 6 四、闭环变频调速系统设计实验 .................................................................................................... 7 1. 实验目的 .............................................................................................................................. 7 2. 实验器材 .............................................................................................................................. 7 3. 实验原理 .............................................................................................................................. 7 4. 实验步骤与内容 .................................................................................................................. 8 五、测试实验 .................................................................................................................................. 13 1. PID 参数调节实验 ............................................................................................................. 13 2. 阶跃响应实验 .................................................................................................................... 14 六、数字记仪分析 .......................................................................................................................... 14 1. 实验现象 ............................................................................................................................ 14 2. 分析说明 ............................................................................................................................ 14 七、pwm 调速原理 ........................................................................................................................... 15 八、课程设计总结分析 .................................................................................................................. 16 1. 闭环控制的理解 ................................................................................错误！未定义书签。 2. 掌握了控制仪表的使用方法 ............................................................................................16 3. 懂得了应对问题的方法 .................................................................................................... 16 九、参考文献 .................................................................................................................................. 16

一、控制装置与仪表课程设计主要内容 1. 调节器/操作器工作原理及使用及配置方法； 2. 变频器工作原理及使用及配置方法； 3. 交流电机PWM调速工作原理及应用方法； 4. 数据记录仪工作原理及使用及配置方法； 5. 完成闭环控制系统自动控制运行测试验证，完成手动自动控制无扰切换运行测试，验证系统跟踪过程。二、控制装置与仪表课程设计基本要求 1. 掌握调节器/操作器使用及配置方法； 2. 掌握变频器使用及配置方法； 3. 掌握交流电机PWM调速应用方法； 4. 掌握数据记录仪使用及配置方法； 5. 掌握闭环控制系统自动控制运行测试验证方法，掌握手动自动控制无扰切换运行测试及验证系统跟踪过程方法。三、控制装置基本介绍及使用方法 1. 调节器/操作器（即控制器） 1）基本介绍本实验采用AI-519型人工智能调节器，该调节器输入可自由选择热电偶、热电阻、电压及电流，内含非线性校正表格，无需外部校正，测量精确稳定。采用先进的 AI人工智能PID调节算法，无超调，具有自整定（AT）功能、手自动无扰切换功能及电软启动功能。采用X3高精度电流输出模块，精度可达 0.2%，提高调节器的输出精度。仪表使用前应该根据其输入、输出规格及功能要求来设置正确的参数。配置好参数才可以投入使用。控制器输入类型有热电偶，热电阻，线性电压，线性电流（需外接精密电阻分流），A/D转换器每秒采样8次，控制周期 0.5-120s可调。 2）控制器的接线端子图一控制器接线端子

3）仪器面板按键介绍图二调节器的操作面板 ①上显示窗:显示测量值PV、参数名称等内容。 ②下显示窗:显示设定值SV、报警信号、参数值等内容。 ③设置键:用于进入参数设置状态，确认参数修改等。 ④数据移位键（兼手动/自动切换控制操作）。 ⑤数据减少键（兼运行/暂停操作）。 ⑥数据增加键（兼停止操作）。 ⑦10个LED指示灯：MAN灯表示处于手动输出状态；PRG灯本型号不用；MIO、 OP1、OP2、AL1、AL2、AU1、AU2灯分别对应模块输入输出动作；COM灯亮，表示仪表正与上位机进行通讯。仪表上电后进入基本显示状态，此时仪表上显示窗显示测量值（PV）、下显示窗显示给定值（SV）或者输出值。 2. 记录仪 1）基本介绍该实验中所用到的KH200型记录仪具有多通道输入，支持多种输入类型，图形化界面，画面直观，可同时记录4个通道数据，具有上限下限报警功能。控制器输入类型有热电偶，热电阻，线性电压，线性电流（需外接精密电阻分流），线性输入量程最大为-20000到20000。 2) 端子接线 3）记录仪按键面板介绍图三记录仪接线端

图四记录仪按键面板（1）LCD显示屏（2）参数加，或系统组态时菜单上移（3）参数减，或系统组态时菜单下移（4）光标右移或移动小数点（5）界面翻页/确定（6）USB口，用于U盘导出数据（7）仪表工作状态指示灯（8）通道报警指示，红灯亮表示上限报警，绿灯亮表示下限报警（9）报警输出指示，报警灯亮，表示输出继电器有动作 3. 变频器 1)基本介绍 ABB ACS150是一种控制交流电机的变频器，可安装在墙上或者柜体中。它具有固定式控制盘和固定式电位器，面板操作简单，速度可直观设定。同时，其内部集成 EMC滤波器，无需外接滤波器。 2）变频器端子接线图五变频器的接线端子

3）变频器按键面板图六变频器的按键面板 4. 交流电机 1）基本介绍该实验中所使用的被控对象为ABB三相交流电动机，其定子绕组基本上是三个相互隔开120度的线圈，作三角形或星形联结。通入三相电流时，在每个线圈中产生磁场，这三个磁场合成得到一个旋转磁场。电流完成一次全振动，旋转磁场正好旋转一周。其控制性能好，方便用于验证系统。 2）接线端子 50Hz交流电源经过变频器变频之后，由变频器的输出线直接接到电机的工作电源端子上。 5. 霍尔元件及数字记录仪 1）基本介绍 Hal-12霍尔转速传感器,是一种采用霍尔原理的转速传感器。它的感应对象为磁钢。当被测体上嵌入磁钢，随着被测物体转动时，传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号，达到测速或位移检测的发讯目的。由于安装使用方便，通用性好，已被广泛应用于各种领域。 2）数字记录仪接线端子图七霍尔元件接线端子

3）数字记录仪的按键面板图八数字记录仪的按键面板四、闭环变频调速系统设计实验 1. 实验目的了解闭环调速信号流向。 2. 实验器材 ABB三相交流电动机一台，ABB_ACS150变频器一台，PID控制器，记录仪，霍尔转速传感器，转换数字显示仪，万用表，电工工具，导线若干。 3. 实验原理 1) 单回路闭环系统运作机理图九单回路闭环系统当系统的设定值r作为输入进入系统后，与系统的反馈量y相减得到偏差e，该偏差量e作为控制器调节的依据，经过其比例积分微分作用，输出了被控对象的控制量u，通过调节被控对象，使得系统的实际输出 y不断逼近设定值r，即让偏差量e不断减小直至趋于0。这时系统的输出便跟踪了设定值。 2) 单回路闭环控制系统控制器在单回路控制系统中，PID控制器是整个系统最核心的部分。由于其原理简单、易于实现，因而在工业领域得到广泛应用。控制器的PID模块对应的表达式：注：Kp、Ti、Td的值分别为参数设定中P、I、D对应的值。 PID＝Kp+Ti/S+TdS

在本实验中，由于控制对象的模型尚未确定，PID参数需使用经验法进行整定。鉴于经验法整定PID参数需要反复试验，要在短时间内找到一组较好的参数。使用推荐参数：Kp为118，Ti为1，Td为0.5。 4）单回路闭环控制系统手自动无扰切换原理控制器后备手操器执行机构图十手自动原理图如上图所示，在控制系统中，后备手动操作器一般是串联在自动控制器后（往往集成在一个PID模块之内），再与执行机构相连。系统从计算机实现的自动状态（包括软手动）切换到硬手动状态时，由于后备手动操作器在自动状态时实际起一个跟随器的作用，这时手动操作器跟踪自动挡的输出，这样在切换的瞬间由于手动操作器内部硬件电路（主要是其中的电容）的保持作用，使得切换没有扰动产生。也就是说，自动到手动的无扰切换主要是由手动操作器的硬件实现的。相反地，手动状态到自动状态的无扰切换，计算机需要采样获得手动操作器或者执行机构输出的所谓阀位值。但是仅仅这样是不够的，因为这只是使u(k-1) 能够跟踪阀位。所以还需要同时对控制算法的软件进行处理，由数字PID的向后差分形式的差分方程算式： u[k]-u[k-1] =Kp*((1+T/Ti+Td/T)*e[k]-(1+2*Td/T)*e[k-1]+Td/T*e[k-2]) 可知，要实现手动到自动的无扰切换就是要使 △u[k]=u[k]-u[k-1]=0 这样在手动状态下，就必须使算法中e[k-1],e[k-2]等历史状态清零，同时使切换时偏差e[k]也为0。为使e[k]=0，就要求手动状态时的设定值跟踪过程的反馈量（即SP跟踪PV）。这样处理后，就可以保证 △u[k]=0。但是这样做会有一定的问题，就是由手动切换到自动后还需要由运行人员调整设定值。 4. 实验步骤与内容

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