自动控制原理课程设计#40;电缆卷线机线速控制#41;.docxVIP

上海电力学院课程设计报告

Ie.课名：控制原理应用实践

Ie.

题目：电缆卷线机线速控制

院系：自动化工程学院

专业：自动化

班级：2010032班

姓名：··法衰变

学号：2010*%￥

时间：2013年1月7号——10号

。

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一、控制系统分析

(一)控制系统分析：

电缆卷线机线速控制系统如图1-1-1所示。

转矩

转矩

放大器

V(t)

实测速度

测速计

期望速度

R(t)

转轴动态特性

实际的绳索速

图1-1-1电缆卷线机控制系统

(二)控制过程分析：

电缆卷线机控制系统中，一个测速计用来测量电缆离开卷线筒的速度，转速计的输出用来控制卷轴驱动电机的速度。当电缆绕满时，电缆卷筒的半径R为4m。当没有卷绕电缆时，卷轴的半径R=2m。若电缆卷筒的转动惯量为

I=18.5R?-221,则半径变化率为：

式中：W为卷轴厚度；D为电缆直径。

Rw为电缆的实际速度，卷轴角速度矩积分的1/I倍。放大器的传

递函数是K,电机的传递函数.测速计：

二、控制系统建模

(一)转轴动态特性变量关系：

电缆卷线机速度控制系统中，与电缆卷线机线速度变化相关的主要变量都集

中在系统动态特性环节，系统内部各变量和参数定义如下：

R——卷筒半径

I——转动惯量

D——电缆直径

W——卷轴厚度

M——转矩

w——卷轴角速度

在电缆卷线机工作的过程当中，根据动力传动关系和刚体力学基本工作原

2

×小

×小

理，各变量之间的变量关系如下：

I=18.5R?-221

dR/dt=-(D^2w)/2πW

W=1/I*?M

①

②

③

(二)控制系统仿真模型

卷轴松开时，卷轴转动惯量是随时间变化的仿真过程中应将这个变化考虑在内。根据(一)中式子①②③变量之间的关系，若电缆的期望速度为50m/s,W=2,D=0.1,以及t=0时R=3.5的情况下，选取增益K的取值分别为0.01、0.1、0.5等不同取值，在Simulink中搭建仿真模型对系统进行Simulink仿真，系统仿真

图如下图2-2-1所示。

WR

WR×

du/dt

ProdudR

Derivative

-D^2/2piW

3.5

Prsdu

Constant1

Gain2

185

TtansferFon

0.6s+1

y

wakspac

constant

Integsstt

TransterFon

Worspace1

0.89

Divide

Integra

Scope

R0

Gain1

Gain3

Step

211

Clax

R^4

To

×

M

W

t

图2-2-1Simulink仿真模型

三、系统特性研究和最佳控制策略确定

(一)单纯的比例控制调节：

当增益K=0.01、0.1、0.5、1时，分别计算系统在20s内的速度响应。选择

增益K的取值，使系统的超调量小于20%并保证最快的响应速度。

调节K=0.01、0.1、0.5、1时响应曲线如下图3-1-1、图3-1-2、图3-1-3、

图3-1-4所示：

3

x轴

图3-1-1K=0.01

0

图3-1-3K=0.5

x轴

图3-1-2K=0.1

图3-1-4K=1

由以上四幅图，可见K分别取值0.01、0.1、0.5、1时，随着系统比例增益的增加，被控量的稳态偏差减小，但也因为控制量变化过大而造成控制过程的震荡加剧。随着K增大，由于系统的稳态偏差减小开始系统的响应速度有大变小，但是当K大于一定值时，系统的超调量增加，因为震荡加剧，稳定时间又增大，响应时间再变大，不能取到最优。经过多次试探，当K=0.69时，系统的超调量

控制在了20%以内，同时保证响应速度最快为8.915s。响应曲线如图3-1-5所示：

40

图3-1-5K=0.69系统响应曲线

4

s-1

s-1

(二)比例—积分—微分(PID)控制器调节：

比例—积分—微分(PID)控制器是在工业过程控制中最常见的一种控制装置，广泛的应用于化工、冶金、机械、热工和电力等工业过程控制系统中。PID的