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1、北 京 航 空 航 天 大 学专业课程设计报告专业名称 专业方向 班 级 学生姓名 指导教师 年 月 日目录1系统设计任务及技术指标32课程设计的意义43系统的组成和工作原理43.1 系统的组成43.2 工作原理54元部件性能测试及数据处理54.1 直流力矩电机特性测试54.2 测速机特性测试104.3 电位计特性测试114.4 A/D D/A轮板性能测试125建立数学模型145.1 吊车数学模型的建立145.2 吊车电机数学模型的建立155.3 广义对象数学模型的建立166 系统设计与仿真176.1 系统静态设计176.2 系统动态设计186.3 控制系统仿真与调试196.4 设计结论207
2、仿真结果及分析218 收获和体会239 参考资料23图表 1 机电常数测量8图表 2 转动惯量测量9图表 3 电机调速特性10图表 4 测速机梯度拟合11图表 5 单圈电位计梯度梯度拟合11图表 6 多圈电位计梯度梯度拟合12图表 7 AD 转换拟合曲线13图表 8 DA 转换拟合曲线13图表 9 仿真结果20图 1 数字式桥式吊车系统的结构原理4图 2 Digital Crane数字式桥式吊车控制系统框图5图 3 吊车受力分析14图 4 吊车电机框图15图 5 静态放大倍数分配18图 6 引入速度反馈的系统结构18图 7 Simulink模型20 表格 1 电枢电阻值6表格 2 电枢电感值7
3、表格 3 带载下死区电压值7表格 4 反势系数与力矩系数8表格 5 电机调速特性10表格 6 测速机梯度数据11表格 7 单圈电位计梯度数据12表格 8 多圈电位计梯度数据13表格 9 转换测试数据13表格 10 转换测试数据141系统设计任务及技术指标北京航空航天大学本科生课程设计任务书、课程设计题目： 数控式桥式吊车控制系统 、课程设计技术要求： 1摆角稳定时间小于5秒，摆动次数小于3次； 2吊车启动时最大摆角小于10； 3吊车最大速度为0.5米/秒； 4D/A输出 100mv电机起动，D/A输出5 v时对应电机最大速度 、课程设计工作内容： 1系统方案设计和主要部选择； 2系统元部件测试
4、； 3建立系统数学模型； 4系统设计（静态设计、动态设计）； 5数字控制系统和仿真； 6调试与结果分析；7. 撰写课程设计报告。 2课程设计的意义通过课程设计，总结以前学习的理论知识，灵活地运用到实际中去，提高理论联系实际，用所学的知识解决实际问题的能力。为以后的毕业设计打好基础。3系统的组成和工作原理3.1 系统的组成图 1 数字式桥式吊车系统的结构原理数字式桥式吊车系统的结构原理如图所示，计算机作为数字控制器实现对系统的实时控制，同时也为操作者提供人机界面，完成对系统的监督管理功能，如实时画图、采集数据等。A/D、D/A接口板插在计算机内，完成模数、数模转换。小功率随动系统用于电压和功率的
5、放大。电机、测速机是系统的执行元件和速度反馈元件，电位计1和2分别是车位置反馈元件和摆角度反馈元件。吊车系统的整套机械部件安装在一块底板上。底板上固定着导轨、皮带轮、电机、测速机、车位置反馈电位计，底板开槽，使吊摆垂下去。吊车轨道的有效长度约为0.7米，吊车组件包围在轨道外，四个车轮在导轨上方运动，吊车板下面连着小车板支架和角位置电位计支架，两支架之间安装吊摆，在角位置电位计支架上装有测量吊摆角度的单圈电位计。计算机、A/D、D/A板，小功率随动系统、电机、测速机、桥式吊车装置通过机械或电气手段连接成一个整体。其中电气连接通过控制盒实现。3.2 工作原理 图 2 Digital Crane数字
6、式桥式吊车控制系统框图吊车（下装吊摆）在电机的拖动下沿固定的直线导轨进行运动，相应地，产生了吊车的直线位移和吊摆的转角。线速度、线位移由与皮带轮同轴安装的多圈电位计测得，角位移由安装在吊摆轴上的单圈电位计测得，这三个物理量通过A/D转换送入计算机，经过机内的实时控制程序运算产生控制指令，该指令经D/A变换送入小功率随动系统，经过功率放大再输出给电机，产生相应的控制作用，从而实现对吊车线位移和吊摆角位移的控制。4元部件性能测试及数据处理4.1 直流力矩电机特性测试(1) 电枢电阻的测量直接用欧姆表测量，由于电刷与电枢在不同位置的接触电阻不同，故测量时应在电刷处于不同位置时多测几次，取其平均值。测
7、量结果见表1。02040608010012014016012.314.614.614.313.7141414.613.60-20-40-60-80-100-120-140-16012.313.613.714.614.614.215.412.814.3平均值表格 1 电枢电阻值 (2) 电感的测量用电感表直接测试电机电枢的电感，并且在测试时电刷与电枢处于不同接触位置时多测几次，取平均值。 测量结果见表2。020406080100120140160212121212120.820.719.821.10-20-40-60-80-100-120-140-1602121.62121.12120.920.
8、822.322.3平均值表格 2 电枢电感值(3) 死区电压将电压加至电机两端，将稳压电源置于最小档，电压接近0；合上开关K 后，慢慢增大电压到电机刚好开始转动，读下这时的u，即为死区电压。测量时将电机的起始位置放在几个不同位置，重复实验。然后再将电压反极性重复上述实验，带载下的死区电压测量结果见表3。计算时取带载死区电压平均值为1.3V。空载死区电压为1.342(正转)，1.22(反转)。 1.351.471.431.181.28平均值 U =1.342 V 最大值 U = 1.47 V-0.95-1.31-1.08-1.39-1.37平均值 U = 1.22 V 最大值 U = -1.39
9、 V表格 3 带载下死区电压值(4) 反势系数 和力矩系数根据电机的电压平衡方程可得通过测量电枢电压、电枢电流、及转速、即可求得。为使测量准确，可测量不同 时的 及值，求出 的平均值。电机的转速用光电转速表测量。求出 后，利用反电势系数与力矩系数的关系，即可求得力矩系数测量与计算结果见表 4。正转死区（1.09）3.785.278.39.8312）72.6122117123126129n(rpm)048.281.8157.5194.8246.3n(rad/s)05.04758.566116.493420.399425.7925)0.41050.42400.39880.39540.3952)0.
10、04240.04380.04120.04080.0371反转死区（1.18）4.16.137.969.8912.3）79115118121129136n(rpm)055.699.9144.2191.4251.8n(rad/s)05.822410.461515.100620.043726.3684)0.42770.42800.41500.40330.3943)0.04410.04420.04280.04160.0407表格 4 反势系数与力矩系数计算时取平均值)(5) 机电常数Tm 和电磁常数Te用过渡过程测试法进行电机机电时间常数的测量。实际测得的时间常数T包含机电常数和电磁常数，但是电磁时间
11、常数相对机电常数要小得多，可近似认为得到的是机电常数Tm，电机的阶跃电压响应曲线见图表1。机电常数Tm 近似为0.035s电磁常数 Te = La / Ra=1.55图表 1 机电常数测量 (6) 转动惯量计算第一步测出电机的阻力矩在电枢两端加上一定的控制电压，点击带动负载做等速运动，平衡后有，电机的电磁力矩 与阻力矩平衡，即，测量此时的电枢电流，即可得到 同时需要测出电机等速运行的角速度。第二步测量制动时间。突然打开电枢回路的开关K，于是，故式中的 和转动惯量J 均为常数，利用计算机测出速度变化曲线，求出角速度由 降到0 的变化时间，则实验中测得制动曲线中 (见图表2)计算得到 。图表 2 转动惯量测量(7) 电机调速特性正转梯度2.4132死区（1.09）3.785.278.39.8312n(rpm)048.281.8157.5194.8246.3n(rad/s)05.04758.566116.493420.399425.7925反转梯度2.3876死区（-1.18）-4.1-6.13-7.96-9.89-12.3n(rpm)0-55.6-99.9-144.2-191.4-251.8n(rad/s)0-5.8224-10.4615-15.1006-20.0437-26.3684表格 5 电机调速特性最小二乘调速拟合曲线如图表3图表 3 电机调速特性计算时电机调速斜率平均
