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1、自动控制综合设计 指导老师：殷时蓉/杜军 一、X-Y数控工作台控制器设计 X-Y数控工作台是许多机电一体化系统的基本部 件，如数控车床的纵-横向进刀机构，数控铣床和 数控钻床的X-Y工作台，激光加工设备的工作台 ，电子元件表面贴装设备等。 模块化的X-Y数控工作台，通常有导轨坐、移动 滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电 动机等部件构成。其外观如图所示。 伺服电动机作为执行机构来驱动滚珠丝杠，滚珠 丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动， 完成工作台在X、Y方向的直线运动。 一、X-Y数控工作台控制器设计 设计任务： 设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台的控制器 ，执行电 机为
2、步进电机。工作台主要参数如下： （1）立铣刀最大直径 d=15mm （2）立铣刀齿数 z=3 （3）最大铣削宽度为ae=15mm （4）最大背吃刀量ap=8m （5）加工材料为碳素钢或有色金属 （6）X、Y方向的脉冲当量为x=y=0.005mm/脉冲 （7） X、Y方向的定位精度均为0.01mm （8）工作台面尺寸为230mm230mm，加工范围为250mm250mm; （9）工作台空载最快移动速度vxmax=vymax=3000mm/min （10）工作台进给最快移动速度vxmaxf=vymaxf=400mm/min 一、X-Y数控工作台控制器设计 根据工作台的参数和机械传动部件，最后计算得
3、到所选 步进电机为 110BF003，电机参数为: 相数：3 步距角：0.75/1.5o 输入电压：80V 电流：6A 最大静转矩7.84N.m 空载起动频率：1800Hz 空载运行频率：20000Hz 转动惯量：5.5kg.cm2 步进电机工作方式为三相六拍 一、X-Y数控工作台控制器设计 设计要求： 画出控制系统的电路图，用汇编或Keil C 写出控制程序 二、PWM波直流电机速度调节系统 二、PWM波直流电机速度调节系统 设计任务： 1.假设直流电机和PWM控制与变换器传递函数如图 所示，用最少拍方法设计直流电机调速系统的数 字控制器D(z),并用程序实现。 2.用8051系列单片机实现
4、数字控制器。要求画出控 制电路图，用汇编或Keil C写出控制程序。 三、Bode 图法控制系统设计-串联 滞后校正 设计任务： 设被控对象的传递函数为 设计要求： （1）开环增益Kv=20 （2）频率裕量=70o， （3）对此控制器进行离散化，并用计算机程序实 现（划出流程图） （4）用Matlab对系统进行仿真，分析系统的阶跃 响应 四、锅炉设备加工系统 锅炉设备加工系统是用来为锅炉锅筒钻孔的设备 ，用于在焊接成锅筒前的钢板上按规定的位置和 孔径自动钻孔。加工过程为：钻孔加工，刀架移 动，锅筒旋转三个部分。钻孔加工由动力头实现 ，分快进、工进、快退三种工况。 （1）刀架移动的脉冲当量为x=
5、50mm/脉冲 （2）锅筒旋转的脉冲当量为y=15o/脉冲 （3）锅筒长为2300mm， （4）刀架移动最快移动速度vxmax=300mm/min 四、锅炉设备加工系统 设计任务： 1.要求可进行手动和自动两种操作方式。每加工完 一个孔，做累加计数。 2. 刀架移动实现钻孔定位（X轴方向），由步进电 机驱动，分左移、右移两种运动方向。锅筒旋转 由独立的驱动系统驱动，以实现孔位的Y轴方向 定位。用8051系列单片机控制步进电机。要求画 出控制电路图，用汇编或Keil C写出控制程序。 3.每次加工，要求动力装置从零位开始进入工作位 置，依次钻孔加工。每完成一排的钻削工作，锅 筒转动一个角度。依次
6、类推，直到加工结束。 四、锅炉设备加工系统 4. 此系统中根据机械结构，选择的步进电机为：90BF001， 电机参数为: 相数：4 步距角：0.9o 输入电压：180V 电流：7A 最大静转矩3.92N.m 空载起动频率：2000Hz 空载运行频率：8000Hz 步进电机工作方式为四相八拍 五、晶闸管直流电机速度调节系统 典型直流伺服电动机控制数学模型 直流电机的调速方式 由于直流伺服电机的机械特性方程为： 式中，UC 电枢控制电压；R 电枢回路电阻 ； 每极磁通；Ce、Ct分别为电动机 的结构常数。 由此，直流伺服电机的控制方式如下： （1 1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）调压调速（变
7、电枢电压，恒转矩调速） （2 2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）（）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）（ 3 3）改变电枢回路电阻调速）改变电枢回路电阻调速 五、晶闸管直流电机速度调节系统 五、晶闸管直流电机速度调节系统 设计任务： 1.假设直流电机和晶闸管整流装置的传递函数如图 所示，用最少差拍方法设计直流电机调速系统的 数字控制器D(z),并用程序实现。 2.用8051系列单片机实现数字控制器。要求画出控 制电路图，用汇编或Keil C写出控制程序。 六、Bode 图法控制系统设计-串联 超前校正 设计任务： 设被控对象的传递函数为 设计要求： （1）开环增益Kv=1000 （2）频率
8、裕量=45o， （3）截止频率c=165rad/s，20lgKg15dB （4）对此控制器进行离散化，并用计算机程序实现（划出 流程图） （5）用Matlab对系统进行仿真，分析系统的阶跃响应 七 立体仓库存储系统控制器设计 自动化立体仓库也称立库，是在不直接进行人工参与的情况下 自动地存储和取出物料的系统，采用高层货架存储货物，用专 门的仓储作业设备进行货物出入库作业。其具体功能是：在接 收工位接收送料单元送来的工件，按照工件信息而自动运送至 相应仓位，并将工件推入立体仓库指定位置存储。控制器每发 出一个脉冲，步进电机转动一个步距角度，X轴步进电机带动 X轴丝杆做左右直线运动或Z轴步进电机带
9、动Z轴丝杆做上下直 线运动，实现载物台的上、下、左、右运动。通过控制X轴、 Z轴步进电机的脉冲个数，就可以控制载物台在X轴、Z轴上移 动的距离，实现载物台在XZ轴平面的精确定位，从而把物 体放到仓库的指定位置。 七 立体仓库存储系统控制器设计 设计任务： 设计一种立体仓库存储系统控制器，执行电机为步进电 机，控制器采用单片机或者PLC。仓库主要参数 如下： （1）X、Z方向的脉冲当量为x=z=0.5mm/脉冲 （2）仓库尺寸为230mm230mm， （3）工作台空载最快移动速度 vxmax=vzmax=3000mm/min 选用四相步进电机42J1834-810，42J1834-810 步进电
10、机步距角为1.8o，即在无细分的条件下， 200个脉冲使步进电机转一圈（2001.8=360o） 八八 他励直流电动机开环调速系统仿真他励直流电动机开环调速系统仿真 设计任务： 仿真晶闸管仿真晶闸管- -整流电动机开环调速系统，采用三整流电动机开环调速系统，采用三 相桥式整流电路相桥式整流电路, , 分析电动机在全压起动和启动后分析电动机在全压起动和启动后 加载额定负载时电动机的转速、转矩和电流的变加载额定负载时电动机的转速、转矩和电流的变 化。系统参数如下：化。系统参数如下： （1 1）整流器内阻）整流器内阻R Rrec = 1.3rec = 1.3。 （2 2）平波电抗器）平波电抗器L L
11、p = 200mHp = 200mH。 （3 3）直流电动机额定参数）直流电动机额定参数U U N N = 220V = 220V，I IN N = 136A = 136A ，n n N N = 1460r/min = 1460r/min，p p = 2 = 2，R Ra = 0.21a = 0.21，GDGD 2 2 = = 22.5Nm22.5Nm 2 2 （4 4）励磁电压）励磁电压U U f f = 220V = 220V，励磁电流，励磁电流I I f f = 1.5A= 1.5A。 八八 他励直流电动机开环调速系统仿真他励直流电动机开环调速系统仿真 系系统电统电 气原理气原理图图。
12、在matlab的窗口输入命令powerlib，进入电力 系统simulink 九、根轨迹法控制系统设计-串联 超前校正 设计任务： 设被控对象的传递函数为 设计超前校正环节，要求： （1）校正后的系统的静态速度误差系数为Kv4.6， （2）闭环主导极点满足阻尼比0.2 （3）自然振荡角频率n=12.0rad/s （4）对此控制器进行离散化，并用计算机程序实现（划出 流程图） （5）用Matlab对系统进行仿真，绘制校正前后系统的单位 阶跃响应曲线、单位脉冲响应曲线和根轨迹 十、退火炉温度控制系统 被控对象为退火炉温度（系统输出y）。燃 料为煤气。改变煤气阀门的位置改变煤气 的流量，从而改变炉内的温度。炉温由热 电偶检测，热电偶的输出信号为0-10mA。 单片机根据系统的给定温度和炉内的实际 温度求出系统偏差e，再利用PID算法或达 林算法求出控制器的输出uk，uk经D/A变换 器后变为模拟量控制阀门的开度，从而控 制炉内温度。 十、退火炉温度控制系统 十、退火炉温度控制系统 设计任务 1.退火炉温的控制范围400-1000oC 2.如果被控对象（包括放大器、调节阀和加热炉）的 传递函数为 ， 采样周期T=0.5s，请设计PID算法或达林算法实现 对系统的控制。要求超调小于10%，稳态误差为0 。 3.画出控制系统的电路图，用汇编或Keil C写出控制 程序
