运动控制课程设计文档综述

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1、 本次的课程设计为时两周，是对本学期所学的电力拖动自动控制系统运动控制系统进行一次全面的总结，是从理论到实际的升华，也是毕业设计前的一次重要练兵。课程设计的内容是三机架冷连轧机直流调速系统的设计，此说明书是根据三机架冷连轧机可逆调速系统编写的。冷连轧机是供冷轧铝板带、铜板带等带材之用，在工业现代化进程中，钢铁工业一直是基础产业，地位重要，而冷板带的生产又是钢铁工业发展中的重要方向之一。冷连轧机即生产板带的生产设备，其性能的好坏直接决定板带的质量，进而影响我国工业化 ，所以冷连轧机的发展十分重要。冷连轧机控制系统的核心就是电机的控制，可将其视为一个复杂的电力拖动系统。目前在许多需要调速或快速正反

2、转的电力拖动领域中广泛应用的是直流调速设计方法，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，其优点是简单方便，但设计的系统性能指标是相同的，实际系统所要求的指标往往是不同的，所以采用双闭环调速系统的设计方法不一定都能得到满意的结果。如果我们在按上述设计法确定调节器形式的基础上，再找出调节器参数改变时对应系统性能指标的变化趋势，那么在实际系统的设计和调速时就可以根据得到的变换趋势，按系统性能指标的要求来调整和选择调节器参数，从而获得实际系统要求的动态响应。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，

3、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。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式。本次设计采用的是全模拟器件搭建的电路，设计较为复杂，但物理意义较强，有利于我们对运动控制系统的深入理解。由于本人学识有限，有错误或不当之处，请指出并批评。 、第1章 绪论1.1 课程设计的背景、目的和要求 1.1.1设计的背景三机架冷连轧机是供冷轧紫铜及其合金条材之用，为了提高其生产效率，冷连轧机将带材原料经过一个次轧制过程轧成所需厚度、平整度和表面光洁度的冷轧带

4、卷。在冷轧铜板带的控制系统中，为了保证产品质量和工艺过程的稳定，冷连轧机的轧制速度需要进行严格的控制，冷连轧机的轧制速度一般指轧件出口处的速度，三机架冷连轧机布置图如图1.1，在本设计中指3#主工作架工作辊出口处的速度，轧制速度作为轧机的一项重要工艺指标，与连轧机本身的结构、生产能力、轧件的工艺特性以及轧制时的操作条件都有很大的关系。为了控制连轧机的轧制速度，要求冷连轧机左边的开卷机工作在发电状态，最右边的卷取机工作在电动状态。 图1.1 三机架冷连轧机布置图 1.1.2 设计目的运动控制系统是自动化专业的主干专业课，具有很强的系统性、实践性和工程背景，运动控制系统课程设计的目的在于培养学生综

5、合运用运动控制系统的知识和理论分析以及解决运动控制系统设计问题，使学生建立正确的设计思路，掌握工程设计的一般程序、规范和方法，提高学生调查研究、查阅文献及正确使用技术资料、标准、手册等工具书的能力，理解分析、制定设计方案的能力、设计计算和绘图能力，实验研究及系统调试能力，编写设计说明书的能力。 1.1.3 设计要求 1)三台主工作机架的主电动机参数要求均一样，只设计一台控制系统就行。 2)设计指标：稳态无静差，电流超调量，空载起动到额定转速时的速度超调量。 1.1.4 直流电动机参数： ，允许电流过载倍数。1.2 冷连轧机简介及其工艺流程 1.2.1 冷连轧机的简介轧制方式主要有可逆式轧制方式

6、和连续式轧制方式，小规模的冷轧厂，应首先选择可逆式轧制方式。如果可逆式轧制方式不能覆盖设计产量的话，那就应该考虑选择连续式轧制方式。特别是对于年生产规模大于80万吨，产品品种和规格并不是很复杂时，则优先考虑多机架的连轧方式。连续式轧制的主体设备是连轧机，由多个机架组成，三个到六个机架不等，视带钢最终厚度、带钢总压下量要求而定（在本次设计中机架数已规定为3个）。冷连轧机一般选用4辊或6辊机型。对于那些难轧制的金属，如果选用直径较大的4辊轧机，由于所需的轧制力大，轧制将变得十分困难，甚至不可能获得最终厚度。减小工作辊直径，也就是减小了轧辊与带钢的接触弧长度，降低单位宽度轧制力，是解决这个问题的有效

7、途径，因此，带钢的材料特性决定了选用何种机型。一般说来，在普通4辊轧机或6辊轧机中，考虑到轧辊允许的挤压应力以及工作辊水平稳定问题，4辊轧机支撑辊与工作辊直径比在2.52.8范围内，6辊轧机支撑辊直径与工作辊直径比可大些，在3.33.7范围。在本次设计中我们采用4辊轧机机型。连续式轧制最大的特点是产量高，年轧制量一般在80250万吨，甚至还可以更高。连续式轧制是一种高效率的生产方式，轧制速度比可逆式要高，目前最高轧制速度已达到2500m/min水平，可逆式轧制速度一般在1400m/min以下。成材率高是连续轧制的另一特点。由于连续轧制避免了一卷带钢反复开卷和卷取，大大地降低了带钢表面被擦伤划伤

8、的可能性。如果带钢最终表面要求有一定粗糙度时，在可逆式轧制时最后道次必须更换上经毛化的工作辊，而连续轧制就很容易实现，只要在最末机架使用毛化工作辊即可。大多数的宽带钢冷连轧机的设计最薄可轧厚度都在0.25mm以上，但出于提高机组生产效率的考虑，实际上生产的厚度往往在0.3mm以上，因为带钢厚度越薄，可轧的宽度就越窄。在本设计中，来料厚度为2.56.0mm，成品厚度为1.02.5mm，根据上述的经验值，完全是可实现的。 1.2.2 工艺流程 钢卷由吊车放至步进梁，步进梁传送，将钢卷送至钢卷小车，由钢卷小车将其运至开卷机，开卷后经矫头机矫直带头，送至双切剪（用于切头、切尾），经过焊机将之与前一卷带

9、钢的带尾焊接，进入入口活套，然后经过拉伸矫直（使表面的氧化皮易于剥落），进入酸洗槽，去除钢材表面的氧化铁皮，进入中间活套，进入中间活套，经开槽机，圆盘剪进行切边，然后进入出口活套及三机架冷轧机，经飞剪，去卷取机。在出口步进梁上进行称重、打捆、入库堆放。 综上，可将上述的工艺流程简要概括为以下所示： 板材加热 酸洗 三机架冷连轧机 退火 平整机 成卷。1.3 三机架冷连轧机生产工艺对电力拖动的要求及其控制原理 1.3.1 生产工艺对电力拖动的要求 1)起动到给料速度 到规定速度 制动到给料速度 停止。 2)机架速度自动保持不变，机架间张力自动保持不变。 3)各机架可单独起、制动和联合起制动。 4

10、)可以用任何轧制速度，知道电动机的极限值。 5)连轧机除正常停机外，还应有快速停车。 6)在连轧过程中或在过渡过程中，卷取机和第三机架的条材的张力应自动保持不变。 7)当断带时，能自动限制卷取机的速度。 8)轧机因事故停止时，卷取机也应停止。 1.3.2 三机架冷连轧机的控制三机架轧机主要由以下几个部分构成：开卷箱、1-3#冷轧机和卷取机等主要机械设备。三机架的工作过程为：1-3#冷轧机的主驱动电机牵引带钢从辊缝中穿过，通过下压电机或液压系统对辊系产生压力，从而使带钢产生形变，使出口的带钢变薄，左边开卷机的放卷电机和右边卷取机的收卷电机产生足够的延伸应力（张力）以绷紧钢带。系统启动后，收放卷电

11、机以设定的张力在主驱动电机的带动下运动，为了不使钢带“松弛”或“拉断”，必须确保系统每一点钢带的线速度（秒流量）都相等，即张力恒定。由上述可知，要对冷轧机进行控制，除了要对其各电机进行调速外，还要在冷轧带钢控制系统中，为保证产品质量和工艺过程稳定，无论是冷连轧机还是可逆轧机均需恒张力轧制。在可逆轧机张力控制系统中，开卷机、卷取机张力控制精度直接影响成品的板形及厚度公差。因此，生产线最突出的问题是轧制过程中要求开卷、卷取控制系统不仅在稳速轧制过程中维持张力恒定，而且在加速度动态过程中也要保持张力恒定，要求系统能准确地补偿加、减速等因素引起的动态力矩。按照不同的工艺要求，较典型的张力控制方法有间接

12、张力控制和直接张力控制。本次设计中采用间接张力控制这种方法。1.4 说明书的构成考虑到说明书的完整性和工程应用价值，整个说明书分为七大部分，分别是:绪论，对三机架冷连轧机进行一个全面的概述；调速方案的选择，对比多种直流电机的调速系统，以选择最佳方案；系统是对原理的设计；参数的整定，主要是电流环和转速环的设计；恒张力控制；系统的调试，针对逻辑无环流调速系统进行完整的调试；结束语，总结设计的收获。 说明书所写内容都是理论与实际紧密结合的，并通过了实验的论证，写说明书的目的在于通过报告的内容便可设计出实际的直流可逆的调速系统。第二章 调速方案的选择 冷连轧机是冶金行业控制系统中最复杂、自动化程度最高

13、、精度要求最严 的装备之一。而直流传动系统是高水平现代化连轧机的核心，是保证连轧机可靠运行、高效优质生产的关键，因此，对直流调速系统的选择显得尤为重要。2.1 概述直流电动机转速和其它参量之间的稳态关系可表示为：式中：n转速（r/min）； U电枢电压（V）； I电枢电流（A）； R电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）； Ke由电机结构决定的电动势常数；在上式中，Ke是常数，电流I是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以有三种方法： 1)调节电枢供电电压U； 2)减弱励磁磁通； 3)改变电枢回路电阻R。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。改变电阻只能实

14、现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但是调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。2.2 可控直流电源选择 调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有： 1)旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还需要一台励磁发电机，因此设备多、体积大、费用高、效率低。 2)静止式可控整流器。用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。如晶闸管电动机调速系统（简称VM系统，又称静止的WardLeonard系统），

15、克服了旋转变流机组的许多缺点还大大缩短了响应时间。但由于晶闸管的单向导电性，在可逆系统中须采用两组晶闸管，且晶闸管整流造成的谐波和无功功率造成“电力公害”。 3)直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。方案选择： 由第一章分析可看出，系统的功率较大，对于较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管电动机系统，因而以下中采用VM系统进行设计。2.3 直流电机调速方法 从调速方案来说，主要分开环调速系统，带转速负反馈的闭环调速系统和转速电流双闭环调速系统三大类。以下进行这三大类调速控制方案比较。 2.3.1 开环直流调速系统 图2.1 开环直流调速系统原理图 如图2.1所示是开环直流调速系统，调节给定电压从而调节出发脉冲的相位，即可改变平均直流整流电压，从而实现平滑调速。它的稳态机构框图如图2.2所示，系统的机械特性：图2.2 开环直流调速系统稳态结构框图如果负载的