中国矿业大学（北京）成人高等教育 2013届专科生毕业设计（论文1绪论1.1直流电动机简介直流电动机调速系统在当前的工业生产中应用相当广泛比如轧钢分 厂的可逆轧钢机、机修分厂的龙门创床那样需要经常正、反转运行的调速 系统，尽可能地缩短直流电动机的起动，制动过程的时间是提高生产率的 一个重要因素最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机 电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速这种方法简单易行， 设备制造方便，价格低廉但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范 围内平滑调速50年代末出现的晶闸管，它具有体积小、响应快、工作可 靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速 系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优 越性因而，晶闸管直流调速系统迅速发展，晶闸管变流技术也日益成熟， 直流调速系统更加完善直流电动机和交流电动机相比，其制造工艺复杂，生产成本高、维修 困难，需备有直流电源才能使用但因直流电动机具有宽广的调速范围， 平滑的调速特性，较高的过载能力和较大的起动、制动转矩，因此被广泛 地应用于调速性能要求较高的场合在工业生产中，需要高性能速度控制 的电力拖动场合，直流调速系统发挥着极为重要的作用，高精度金属切削 机床，大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直 流电动机拖动。
特别是晶闸管与直流电动机拖动系统具有自动化程度高、 控制性能好、起动转矩大、易于实现无级调速等优点而被广泛应用直流调速系统具有调速性能优良、可靠性高等优点，被广泛的应用 直流调速系统是弱电控制与强电控制相结合的系统系统弱电部分检测系 统工作时的转速、电枢电流、电机温度、晶闸管温度等信号，根据检测到 的信号发出控制信号1.2双闭环调速系统直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最 广的电气传动装置之一广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机 床等许多领域的自动控制系统中它通常采用三相全控桥式整流电路对电 动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件， 如晶体管、各种线性运算电路等，在一定程度上满足了生产要求由于调速系统的主要被控量是转速，故把转速负反馈组成的环作为外 环，以保证电动机的转速准确跟随给定电压，把由电流负反馈组成的环作 为内环，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输 出去控制电力电子变换器UPE,这就形成了转速、电流双闭环调速系统直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集 成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主 电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发 热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。
双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统， 在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个 调节器的作用，获得了良好的静、动态品质1.3 PLC在电机调速中的应用可编程控制器PLC是通用的自动化控制装置，是船舶实现自动化、智能 化控制的核心控制元件它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯 技术融为一体，采用模块式组合设计，具有控制功能强，可靠性高、使用 灵活方便，易于扩展而且PLC系统开发简单、编程容易、抗干扰能力强、适 合在工业环境下工作，故而只要合理设计，降低成本，它将会受到现场技 术人员的欢迎在船舶主机遥控系统、锅炉控制系统中央冷却控制系统 等重要设备上得到了广泛应用在本课题所进行的双闭环调速系统设计中，采用PLC作为系统的主控器件之所以选择用PLC来实现系统的控制思想，是因为PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点除上述优点外， PLC具有超强的稳定性和长时间连续工作的能力，因而，PLC是为工业生产过程 控制化专业设计的控制装置，具有比通用计算机控制更简单的编程语言和 更可靠的硬件采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低。
本文首先详细的介绍了大功率直流调速系统的基本原理，分析了调速系统的基本组成以及基本调速方法；然后系统地论述了现代 PLC控制技术，介绍了 PLC控制系统的基本设计方法；接着本文以经济性好、可靠性高的大 功率晶闸管为调速系统可控整流电源，根据现代控制理论，采用转速 一电流双闭环调速方法对大功率直流调速系统的主电路、转速控制电路以及信 号检测电路进行设计，结合现代PLC控制技术对调速系统运行进行控制中国矿业大学(北京)成人高等教育 2013届专科生毕业设计(论文2系统总体设计及算法模型确定2.1系统总体设计系统总体设计根据前述，采用 PLC及其外部接口设备对电机进行检测 和控制对于经常正、反转运行的调速系统，利用双闭环调速系统具有十分明 显的优势它能充分利用电机的过载能力，在过渡过程中保持电流（转矩） 为允许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，到达稳定转速后， 又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行这 时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的转速、电流双闭环直流调 速系统如图2-1所示图2-1转速、电流双闭环直流调速系统框图为实现转速和电流两种负反馈分别作用,可在系统中设置两个调节器， 分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。
二者之间实 行嵌套连接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节 器的输出去控制电力电子变换器 UPE从闭环结构上看，电流环在里面， 称作内环；转速环在外边，称作外环这就形成了转速、电流双闭环调速 系统PLC要从外部输入电流反馈和转速反馈信号，输出触发脉冲信号， 其余工作均在PLC内部完成，数字给定也是用软件方法在 PLC内部设定 2.2双闭环调速系统常用控制方法介绍双闭环调速系统采用矩形逼近离散化方法时，这种算法分析简单，转 速调节器和限幅器的作用是分开的， 由于转速调节器有积分饱和作用，c(k)值将会变得很大，转速将会出现较大的超调量，使速度调节时间变得很长 在此，限幅器并没有限制c(k)的值，而只是限制了 u(k)的值采用双PI调节器，动静态性能好，抗扰性能佳速度调节及抗负载和 电网扰动，可获得良好的动静态效果电流环校正成典型I型为使系统 在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型U 型系统双闭环调速系统采用PID算法可实现直流电动机软起动，而且时间可 调模块内有积分环节，可实现直流电机软起动根据用户实际需要，可 调起动时间，给用户预留了 2个端口，调节2个电位器，可改变积分时间长 短，从而改变电机起动时间。
积分环节适用于起动过渡过程平稳的场合 如果用户要求在负载一定的条件下，电机以最短的时间起动，即以最大的 等加速度起动，可把积分环节去掉，模块所留出的 2个端口作为电流环和速 度环的输出限幅，调节电流的输出限幅，改变电机的最大起动电流，获得 理想的过度过程1、调速方式的选择直流电动机电枢回路的电压平衡方程为U = E+ a R （2.1）电枢反电势为E 二 Ce「n （2.2）由此得到转速特性方程如下n =（U -laR）/Ce：：」n （2.3）由转速特征方程可以看出，调节直流电动机的调速方法有如下 3种：（1） 调节电枢电压调速改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转 速向下变速，属恒转矩调速方法对于要求在一定范围内无级平滑调速的 系统来说，这种方法最好la变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是 需要大容量可调直流电源2） 改变电动机励磁调速改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速，从电机 额定转速向上调速，属于恒功率调速方法 If变化时间遇到的时间常数同la变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，所需电源容量较小3） 改变电枢电阻调速在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。
但只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软，空载时几乎没什么 调速作用还会在调速电阻上消耗大量电能中国矿业大学（北京）成人高等教育 2013届专科生毕业设计（论文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，其机械特性如图2-2所示改变电阻时，转速n随电枢电压 的降低而降低，但机械特性的斜率保持不变；改变电阻只能有级调速；弱 磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压调速方案， 在基速以上作小范围的升速所以本次设计采用调压调速2.3控制方法的确定算法是对特定问题求解步骤的一种描述，它是指令的有限序列，其中 每一条指令表示一个或多个操作算法分析的任务是对设计出的每一个具体的算法，利用数学工具，讨 论各种复杂度，以探讨某种具体算法适用于哪类问题，或某类问题宜采用 哪种算法算法设计技术有很多，例如：贪心法、分之策略、动态规划、网络流、 近似算法、随机算法等算法设计的正确选择为从事实际问题的算法设计 与分析工作提供了清晰的、整体的思路和方法算法设计与算法分析是不 可分割的，算法分析是对于设计出的每一个具体的算法，利用数字作为工 具讨论它的各种复杂度，就是算法分析的主要任务。
2.3.1 PID控制的结构在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制， 简称PID控制，又称PID调节PID控制器问世至今已有近60年的历史了， 它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要和 可靠的技术工具当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确 的数学模型时，控制理论的其它设计技术难以使用，系统的控制器结构和 参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID控制技术最为方便即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来 获得系统的参数的时候，便最适合用 PID控制技术PID控制包含比例、积分、微分三部分，实际中也有 PI和PD控制器PID控制器就是根据系统的误差利用比例、积分、微分计算出控制量，图2-3中给出了一个PID控制的结构图：给定量被控对象被控制量(输入)反馈信号传感器图2-3 PID控制的结构图控制器输出和控制器输入(误差)之间的关系在时域中可用公式 (2.4)表示如下：u(t)二 Kp[e(t) Td 学 占.e(t)dt]dt Ti(2.4)#公式中，e(t)表示误差，也是控制器的输入，u(t)是控制器的输出，Kp、Tp与Ti分别为比例系数、 积分时间常数及微分时间常数。
式(2.4)又可表示为：K・(2.5)U(s) = (Kp KdS l)e(s)公式中，U(s)和E(s)分别为u(t)和e(t)的拉氏变换，Kp、Kd二KpTd、Ki二 分别为控制器的比例、积分、微分系数1、比例(P)控制比例控制是一种最简单的控制方式其控制器的输出与输入误差信号 成比例关系当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差2、 积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控 制系统是有稳态误差的或简称有差系统为了消除稳态误差，在控制器中 必须引入我分项1|0积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加， 积分项会增大这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大， 它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零 因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差3、 微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即。