多變量運動控制系統(tǒng)(天津大學自動化系)

1、多變量運動控制系統(tǒng)多變量運動控制系統(tǒng)天津大學自動化系 吳愛國學習的方法與步驟問題的了解問題的了解1問題的深入問題的深入2現有的手段現有的手段3解決與驗證解決與驗證3主要內容主要內容v1、多電機工業(yè)應用實例、多電機工業(yè)應用實例v2、技術要求和性能指標、技術要求和性能指標v3、單電機拖動系統(tǒng)數學模型、單電機拖動系統(tǒng)數學模型v4、多分部連拔機系統(tǒng)數學模型、多分部連拔機系統(tǒng)數學模型v5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計v6、控制系統(tǒng)的仿真與軟件編程、控制系統(tǒng)的仿真與軟件編程v7、拉絲機控制系統(tǒng)調試與驗收、拉絲機控制系統(tǒng)調試與驗收v8、拉絲機控制系統(tǒng)發(fā)展與展望、拉絲機控制系統(tǒng)發(fā)展與展望1、多電

2、機工業(yè)應用實例v冶金材料加工制造冶金材料加工制造 各類金屬材料的線材、板材制品需要冷、熱連各類金屬材料的線材、板材制品需要冷、熱連軋機、連拔機和成型機。軋機、連拔機和成型機。v機器人的運動系統(tǒng)機器人的運動系統(tǒng) 工業(yè)機器人、醫(yī)用機器人、家庭機器人、水下工業(yè)機器人、醫(yī)用機器人、家庭機器人、水下機器人、航空機器人、軍用機器人等機器人、航空機器人、軍用機器人等v裝備制造與生產線裝備制造與生產線 數控機床、鍛壓機床、礦山設備、運輸生產線數控機床、鍛壓機床、礦山設備、運輸生產線、汽車生產線、汽車生產線v航空航天裝備航空航天裝備 月球車、登陸設備、空間運動系統(tǒng)等月球車、登陸設備、空間運動系統(tǒng)等v 運動控制與

3、系統(tǒng)定義運動控制與系統(tǒng)定義 運動控制就是對機械運動部件的位置、速度等進行實運動控制就是對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，使其按照預期的運動軌跡和規(guī)定的運動參時的控制管理，使其按照預期的運動軌跡和規(guī)定的運動參數進行運動。運動控制系統(tǒng)是針對控制對象采用控制器、數進行運動。運動控制系統(tǒng)是針對控制對象采用控制器、傳感器和執(zhí)行器，集成的信息處理系統(tǒng)。傳感器和執(zhí)行器，集成的信息處理系統(tǒng)。v 總體要求：工藝性能，如運行的速度范圍、定位精度、運總體要求：工藝性能，如運行的速度范圍、定位精度、運動的軌跡特性、動態(tài)響應時間。動的軌跡特性、動態(tài)響應時間。v 基本的控制要求是什么？基本的控制要求是什么？

4、 每個單元或分布、執(zhí)行機構的動靜態(tài)性能指標和技術要每個單元或分布、執(zhí)行機構的動靜態(tài)性能指標和技術要求求 各個單元或分布、執(zhí)行機構相互連接性能指標和技術要各個單元或分布、執(zhí)行機構相互連接性能指標和技術要求求v 綜合要求是什么？綜合要求是什么？ 設備投資、可靠性、運行環(huán)境、運行費用、維護費用設備投資、可靠性、運行環(huán)境、運行費用、維護費用1、多電機工業(yè)應用實例連軋機視頻觀看連軋機視頻觀看v1、首鋼熱連軋系統(tǒng)、首鋼熱連軋系統(tǒng)v2、不銹鋼熱連軋系統(tǒng)、不銹鋼熱連軋系統(tǒng)數控機床數控機床v1、數控橋式龍門銑床、數控橋式龍門銑床v2、懸臂式數控銑床、懸臂式數控銑床機器人機器人v1、家庭機器人、家庭機器人v2、裝

5、卸機器人、裝卸機器人1、多電機工業(yè)應用實例2、技術要求和性能指標以連軋機為例：中國二重制造的武鋼以連軋機為例：中國二重制造的武鋼2250mm熱連軋機熱連軋機 v從煉鋼廠出來的鋼坯還僅僅是半成品，必須到軋從煉鋼廠出來的鋼坯還僅僅是半成品，必須到軋鋼廠去進行軋制以后，才能成為合格的產品。熱鋼廠去進行軋制以后，才能成為合格的產品。熱軋后的成品分為鋼卷和錠式板兩種，經過熱軋后軋后的成品分為鋼卷和錠式板兩種，經過熱軋后的鋼材厚度一般在幾個毫米的鋼材厚度一般在幾個毫米,如果用戶要求鋼板更如果用戶要求鋼板更薄的話，還要經過冷軋。薄的話，還要經過冷軋。 v熱軋生產工藝流程熱軋生產工藝流程板坯由煉鋼連鑄車間的連

6、鑄機出坯輥道直接送板坯由煉鋼連鑄車間的連鑄機出坯輥道直接送到熱軋車間板坯庫，直接熱裝的鋼坯送至加熱爐到熱軋車間板坯庫，直接熱裝的鋼坯送至加熱爐的裝爐輥道裝爐加熱，不能直接熱裝的鋼坯由吊的裝爐輥道裝爐加熱，不能直接熱裝的鋼坯由吊車吊入保溫坑，保溫后由吊車吊運至上料臺架，車吊入保溫坑，保溫后由吊車吊運至上料臺架，然后經加熱爐裝爐輥道裝爐加熱，并留有直接軋然后經加熱爐裝爐輥道裝爐加熱，并留有直接軋制的可能。制的可能。2、技術要求和性能指標v冷軋的工藝冷軋的工藝冷軋的工藝，簡單地說就是將熱軋來的原料板冷軋的工藝，簡單地說就是將熱軋來的原料板軋制成用戶所要求的尺寸（板凸度）與形狀（板軋制成用戶所要求的尺

7、寸（板凸度）與形狀（板形），同時滿足性能（熱處理）與表面質量（涂形），同時滿足性能（熱處理）與表面質量（涂鍍、精整）要求，是冶金行業(yè)的深加工工序，要鍍、精整）要求，是冶金行業(yè)的深加工工序，要求很高。求很高。 冷軋工藝包括幾部分：一般講，主要分為酸洗冷軋工藝包括幾部分：一般講，主要分為酸洗、多機架連軋機、熱處理線（包括罩式爐和連退、多機架連軋機、熱處理線（包括罩式爐和連退），單機架和雙機架平整線，表面防腐處理的鍍），單機架和雙機架平整線，表面防腐處理的鍍鋅線、彩涂線，及精整線等，此外依據生產的產鋅線、彩涂線，及精整線等，此外依據生產的產品不同還會有：鍍鋅線、冷軋硅鋼和彩涂線，冷品不同還會有：鍍鋅

8、線、冷軋硅鋼和彩涂線，冷軋是把熱軋的板卷再次加工成具有高附加值的產軋是把熱軋的板卷再次加工成具有高附加值的產品。品。 2、技術要求和性能指標v每個分部的性能要求每個分部的性能要求1、電機及其驅動方式：直流、交流、電機及其驅動方式：直流、交流2、調速性能指標：、調速性能指標： 調速范圍調速范圍D、靜差率、靜差率% %、v總體的性能要求總體的性能要求1、最高運行速度（、最高運行速度（058米米/秒）秒）2、張力波動范圍（最大張力、張力波動范圍（最大張力1%5%）3、啟動和停止曲線、啟動和停止曲線(線性、斜率可變）線性、斜率可變）4、抗擾動性能（電源波動、材料波動）、抗擾動性能（電源波動、材料波動）

9、2、技術要求和性能指標v 1 電機技術參數電機技術參數v 額定功率額定功率6 000kWv 額定電壓額定電壓10 000Vv 額定電流額定電流397Av 相數相數3v 極數極數16pv 額定頻率額定頻率50Hzv 額定轉速額定轉速375rminv 功率因數功率因數c0s=09(超超前前)v 絕緣等極絕緣等極FF(定子轉定子轉子子)v 勵磁電流勵磁電流340Av 冷卻方式冷卻方式ICW37A97v 勵磁電壓勵磁電壓151Vv 結構型式結構型式IM7312v防護型式防護型式iP44(IP23集電環(huán)集電環(huán))v工作制連續(xù)工作制連續(xù)v2 過載性能過載性能v能承受能承受600經常重復出現經常重復出現的機械

10、沖擊力矩的機械沖擊力矩v頻繁過載能力頻繁過載能力l15額定功額定功率連續(xù)率連續(xù)v225額定功率額定功率60seev250額定功率電流限值額定功率電流限值v275額定功率切斷額定功率切斷v溫升極限值溫升極限值100105K(定定轉子轉子)(115額定負載下額定負載下)v冷卻風量冷卻風量800mmin2、技術要求和性能指標四輥精軋機技術參數四輥精軋機技術參數2、技術要求和性能指標2、技術要求和性能指標2、技術要求和性能指標2、技術要求和性能指標v整個生產線分成三個部分整個生產線分成三個部分,分別是開卷區(qū)域、分別是開卷區(qū)域、軋機區(qū)域和卷取區(qū)域。由于采用了六層活套軋機區(qū)域和卷取區(qū)域。由于采用了六層活套

11、可以存儲帶鋼可以存儲帶鋼320 m ,所以在全連續(xù)生產過所以在全連續(xù)生產過程中程中,開卷區(qū)域和軋機區(qū)域的控制相對獨立開卷區(qū)域和軋機區(qū)域的控制相對獨立;而由于卷取張力的存在而由于卷取張力的存在,軋機區(qū)和卷取區(qū)以整軋機區(qū)和卷取區(qū)以整體形式進行控制。體形式進行控制。v熱軋原料鋼卷酸洗后熱軋原料鋼卷酸洗后,經開卷確認經開卷確認,兩臺開卷兩臺開卷機輪流開卷機輪流開卷,以人工方式對中上卷。帶頭經過以人工方式對中上卷。帶頭經過矯直、切頭后矯直、切頭后,和上一卷帶鋼的尾部焊接在一和上一卷帶鋼的尾部焊接在一起起,進入活套?；钐仔≤嚫鶕钐滋琢亢蛙垯C進入活套?；钐仔≤嚫鶕钐滋琢亢蛙垯C段運行情況決定放套或者充套段

12、運行情況決定放套或者充套,保證軋機的連保證軋機的連續(xù)軋制。續(xù)軋制。v帶鋼離開活套后帶鋼離開活套后,進入軋機區(qū)進入軋機區(qū),按照設定的軋制參按照設定的軋制參數對帶鋼進行軋制數對帶鋼進行軋制,使出口帶鋼達到產品要求。其使出口帶鋼達到產品要求。其中中,在在S1 的入口、出口和的入口、出口和S5 的出口配有測厚儀的出口配有測厚儀,用于用于AGC 自動厚度控制系統(tǒng)自動厚度控制系統(tǒng),每一機架后都有張每一機架后都有張力儀力儀,用于自動張力控制。另外用于自動張力控制。另外,在各架軋機上均在各架軋機上均可實施工作輥彎輥、交叉和竄輥以改善帶鋼的板可實施工作輥彎輥、交叉和竄輥以改善帶鋼的板形。形。v帶鋼從帶鋼從S5

13、軋出軋出,經過飛剪適時分卷經過飛剪適時分卷,由兩臺卷取機由兩臺卷取機交替卷取形成冷軋帶鋼卷。交替卷取形成冷軋帶鋼卷。2、技術要求和性能指標2、技術要求和性能指標全連續(xù)冷連軋計算機自動控制系統(tǒng)是冶金工全連續(xù)冷連軋計算機自動控制系統(tǒng)是冶金工業(yè)自動控制系統(tǒng)中比較復雜、性能要求很高的系業(yè)自動控制系統(tǒng)中比較復雜、性能要求很高的系統(tǒng)之一。自動控制系統(tǒng)的主要功能包括：統(tǒng)之一。自動控制系統(tǒng)的主要功能包括：v質量控制系統(tǒng)質量控制系統(tǒng)(板形控制、厚度控制、成品表面質板形控制、厚度控制、成品表面質量控制等量控制等) ;v工藝控制系統(tǒng)工藝控制系統(tǒng)(張力控制、速度控制、輥縫控制、張力控制、速度控制、輥縫控制、料流跟蹤、

14、動態(tài)變規(guī)格、彎輥、竄輥、交叉等料流跟蹤、動態(tài)變規(guī)格、彎輥、竄輥、交叉等) ;v軋機運行控制系統(tǒng)等。軋機運行控制系統(tǒng)等。v這些功能程序必須有序地、彼此協(xié)調地運行這些功能程序必須有序地、彼此協(xié)調地運行,才能才能完成整個生產過程的自動控制功能。完成整個生產過程的自動控制功能。2、技術要求和性能指標2、技術要求和性能指標v每個分部的性能要求每個分部的性能要求1 1、電機及其驅動方式：、電機及其驅動方式：直流電機及調速方式、交流電機極其調速方式直流電機及調速方式、交流電機極其調速方式2 2、調速性能指標：、調速性能指標： 調速范圍調速范圍D D、靜差率、靜差率% %、上升時間、調節(jié)時間、上升時間、調節(jié)時

15、間、超調量、啟動時間、制動時間、超調量、啟動時間、制動時間、抗擾性指標：、抗擾性指標：動態(tài)速降、恢復時間、過載能力動態(tài)速降、恢復時間、過載能力2、技術要求和性能指標v總體的性能要求總體的性能要求1 1、最高運行速度（、最高運行速度（0 05 58 8米米/ /秒）秒）2 2、張力檢測方法及波動范圍（最大張力、張力檢測方法及波動范圍（最大張力1%1%5%5%）3 3、啟動和停止曲線、啟動和停止曲線(線性、斜率可變）線性、斜率可變）4 4、抗擾動性能（電源波動、負載力矩波、抗擾動性能（電源波動、負載力矩波動動、人機交互和數據記錄能力、人機交互和數據記錄能力2、技術要求和性能指標v 熱連軋機綜合分析

16、需要采用以下范疇的數學方程：熱連軋機綜合分析需要采用以下范疇的數學方程：v (1) 表征連軋過程物理特性的方程。表征連軋過程物理特表征連軋過程物理特性的方程。表征連軋過程物理特性的方程主要是指彈跳方程、流量方程、溫降方程、板形性的方程主要是指彈跳方程、流量方程、溫降方程、板形方程方程,以及包含主要軋制參數的計算公式以及包含主要軋制參數的計算公式,如軋制力、軋制如軋制力、軋制力矩、前滑及功率公式等。力矩、前滑及功率公式等。v (2) 表征控制系統(tǒng)動態(tài)特性的方程。例如表征控制系統(tǒng)動態(tài)特性的方程。例如,電機電機- 機械系機械系統(tǒng)統(tǒng)(或者液壓系統(tǒng)或者液壓系統(tǒng))及控制系統(tǒng)的傳遞函數及控制系統(tǒng)的傳遞函數,

17、包括檢測儀表包括檢測儀表的響應性等。的響應性等。v 因此因此,比較合理的方法是采用理論分析和實驗驗證相結合比較合理的方法是采用理論分析和實驗驗證相結合的方法的方法,大量分析工作可以應用數學仿真從理論上進行大量分析工作可以應用數學仿真從理論上進行,最最后對其結論進行實驗驗證或者在理論分析基礎上找到較合后對其結論進行實驗驗證或者在理論分析基礎上找到較合理的方案后理的方案后,在中試軋機及生產軋機上試用。在中試軋機及生產軋機上試用。2、技術要求和性能指標v數學仿真研究法數學仿真研究法,實質上是將連軋工藝設備實質上是將連軋工藝設備(包括包括控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)) ,使用數學方程來進行描述和模擬使用數學方程來

18、進行描述和模擬,通通過改變軋制過程條件而進行分析研究。在數學仿過改變軋制過程條件而進行分析研究。在數學仿真研究法中引入智能控制的理論研究。真研究法中引入智能控制的理論研究。v智能控制實際上是對自動控制理論與技術發(fā)展到智能控制實際上是對自動控制理論與技術發(fā)展到一個新階段的綜合一個新階段的綜合,自自20世紀世紀60年代誕生以來就年代誕生以來就一直是人們高度關注的焦點。一直是人們高度關注的焦點。1966年年J. M. Mendel首先主張將人工智能用于飛船控制系統(tǒng)首先主張將人工智能用于飛船控制系統(tǒng)的設計的設計 9 , 1984年小園東雄將人工智能引入年小園東雄將人工智能引入軋制領域軋制領域 10 ,

19、實現了對型鋼的最優(yōu)剪切控制實現了對型鋼的最優(yōu)剪切控制。 2、技術要求和性能指標v熱軋生產是一個十分復雜的動態(tài)過程熱軋生產是一個十分復雜的動態(tài)過程,蘊含大量不蘊含大量不確定偶發(fā)因素確定偶發(fā)因素,具有多變量、非線性、強耦合的特具有多變量、非線性、強耦合的特性。單純依靠傳統(tǒng)的控制理論已無法滿足其控制性。單純依靠傳統(tǒng)的控制理論已無法滿足其控制精度的要求。精度的要求。v由于熱連軋生產的復雜性和高技術性由于熱連軋生產的復雜性和高技術性,使現代控制使現代控制理論也得到了相應的發(fā)展和應。主要表現在理論也得到了相應的發(fā)展和應。主要表現在:復雜復雜系統(tǒng)的建模、機電耦合系統(tǒng)的力學行為、非線性系統(tǒng)的建模、機電耦合系統(tǒng)

20、的力學行為、非線性系統(tǒng)模型辨識、網絡控制理論的研究、智能控制系統(tǒng)模型辨識、網絡控制理論的研究、智能控制理論與現代控制理論融合統(tǒng)一和計算機信息系統(tǒng)理論與現代控制理論融合統(tǒng)一和計算機信息系統(tǒng)與現代控制理論的相互滲透。與現代控制理論的相互滲透。 2、技術要求和性能指標討論的問題討論的問題v1、連軋機對控制系統(tǒng)提出了那、連軋機對控制系統(tǒng)提出了那些要求？些要求？v2、被控對象有那些？我們知道、被控對象有那些？我們知道他們的那些特性？他們的那些特性？v3、怎樣確保系統(tǒng)的性能指標？、怎樣確保系統(tǒng)的性能指標？v4、我們能有那些手段實現自動、我們能有那些手段實現自動化？化？2、技術要求和性能指標3、單電機拖動系

21、統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型v1、直流他勵電動機調速系統(tǒng)數學模型、直流他勵電動機調速系統(tǒng)數學模型v速度閉環(huán)系統(tǒng)的等效模型速度閉環(huán)系統(tǒng)的等效模型3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型v直流電機調速器直流電機調速器3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型v1、異步電動機變頻調

22、速系統(tǒng)數學模型、異步電動機變頻調速系統(tǒng)數學模型模型具有高階（模型具有高階（8階）、多變量（電壓、電流、磁鏈）階）、多變量（電壓、電流、磁鏈）、非線性（變量乘積）、強耦合（變量交叉）特性、非線性（變量乘積）、強耦合（變量交叉）特性3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型v 2、三相轉變到二相旋轉坐標系下的等效電路、三相轉變到二相旋轉坐標系下的等效電路3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型2、三相轉變到二相旋轉坐標系下的等效電路、三相轉變到二相旋轉坐標系下的等效電路3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型3、單電機拖

23、動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型v 矢量控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)3、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型v交流調速系統(tǒng)等效模型交流調速系統(tǒng)等效模型v 輸出為電角速度輸出為電角速度v np為電機極對數為電機極對數各類變頻器各類變頻器3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型v電壓及功率范圍電壓及功率范圍 三相，三相，208至至480 V 0.75至至110 kW 頻率頻率 48至至63 Hz 功率因數功率因數 0.98 連續(xù)

24、負載能力連續(xù)負載能力 1.1 x I2N 一般應用一般應用,1.5 x I2hd 重載應用重載應用1.8 x I2hd for 2 /60 seconds 啟動過載啟動過載 過載能力過載能力(最高環(huán)境溫度最高環(huán)境溫度40oC時時) 每十分鐘允許一分鐘的每十分鐘允許一分鐘的 1.5 x I2N重載應用重載應用允許允許2秒鐘的秒鐘的 1.8 x I2N啟動應用。啟動應用。 開關頻率開關頻率 1kHz 4 kHz，8 kHz，12 kHz 制動制動 R1,R2內置制動斬波器標配內置制動斬波器標配 加速時間加速時間 /減速時間減速時間 0.1至至1800秒秒 控制方式控制方式 矢量控制，標量控制。矢量

25、控制，標量控制。 防護等級防護等級 IP 21/IP54 2路模擬輸入路模擬輸入 電壓信號電壓信號 電流信號電流信號 2路模擬輸出路模擬輸出 0 (4)至至20 mA，負載，負載 500 ? 6路數字輸入路數字輸入 12至至24 V DC由內部或外部供電，由內部或外部供電， 3路繼電器輸出路繼電器輸出 型號型號 NO + NC 相關特點相關特點 內置內置MODBUS協(xié)議協(xié)議標配標配RFI體積小，重量輕，電感量大體積小，重量輕，電感量大適應力矩變化大的離心機負載適應力矩變化大的離心機負載ACS550電抗器飽和點遠離額定電流范圍電抗器飽和點遠離額定電流范圍 直流側采用變感電抗器直流側采用變感電抗器

26、 風機受軟件控制風機受軟件控制兩套兩套PID參數參數3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型電氣控制柜電氣控制柜3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型v變頻器控制柜變頻器控制柜3、單電機拖動系統(tǒng)數學模、單電機拖動系統(tǒng)數學模型型4、多分部連拔機系統(tǒng)數學模型、多分部連拔機系統(tǒng)數學模型v 連軋機系統(tǒng)實例連軋機系統(tǒng)實例4、多分部連拔機系統(tǒng)數學模型、多分部連拔機系統(tǒng)數學模型4、多分部連拔機系統(tǒng)數學模型、多分部連拔機系統(tǒng)數學模型4、多分部連拔機系統(tǒng)數學模型、多分部連拔機系統(tǒng)數學模型4、多分部連拔機系統(tǒng)數學模型、多分部連拔機系統(tǒng)數學模型v 連拔機設計實例連拔機設計實例5、控制系統(tǒng)的分析

27、與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計設計依據：1、電機參數： 1.1KW/380V2、工藝要求： 分部數量：4分部 直線速度：1米/秒 張力調節(jié)方法： 直線調節(jié)式 啟動特性：等加速 停止特性：等減速 張力波動：1毫米 緊急制動：機械抱閘要求：1、選擇：接近式張力傳感器 變頻調速器 工業(yè)控制器2、設計：控制系統(tǒng)原理圖 電氣控制柜安裝圖 控制系統(tǒng)接線圖3、編制：全部控制程序 人機顯示界面4、調試：寫出調試步驟 完成整機調試v 視頻演示視頻演示(1)轉子磁鏈的單機架數學模型1bgdbKfUt S(2)異步電動機的單變量數學模型可由下式確定： 2375elGD dnTTdt4、多分部連拔機系統(tǒng)數學模型、多分部

28、連拔機系統(tǒng)數學模型5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計注意到到注意到到T T與與f f成正比成正比5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計 T T與與f f成正比，可以依據成正比，可以依據TeTe調整調整KbKb， 如果加入調節(jié)器，可依據特性曲線調如果加入調節(jié)器，可依據特性曲線調節(jié)節(jié)Kb。 【此圖有問題！應在比較點后加入調節(jié)器！此圖有問題！應在比較點后加入調節(jié)器！】v給定信號為給定信號為05V直流電壓，要求最大轉速為額直流電壓，要求最大轉速為額定轉速，另外，變頻器放大系數定轉速，另外，變頻器放大系數=2。PWM開關開關頻率為頻率為4K時，最大失控時間為時，即時，最大失控時間為時

29、，即0.00025S，考慮實際系統(tǒng)速度內環(huán)內，仍有許多濾波環(huán)節(jié)，考慮實際系統(tǒng)速度內環(huán)內，仍有許多濾波環(huán)節(jié)，因此取為，因此取為0.0008S。v1.1KW電機的飛輪轉矩取為電機的飛輪轉矩取為1.5倍的電機轉動慣倍的電機轉動慣量為：量為： v因此按轉子磁鏈定向的單機架變頻器因此按轉子磁鏈定向的單機架變頻器+異步電動機異步電動機開環(huán)模型近似為：開環(huán)模型近似為：2221.50.400.6GDkgmkgm2375 1263.8127.6( )11 0.0008(1 0.0008 )bbKG St SGD SSSSS5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計實測速度跟蹤實際波形實測速度跟蹤實際波形時間

30、為5S，開始時使電機升至600r/min，3S時突減速度給定，得到電機的實際速度跟蹤波形：上升峰值時間為2S，下降峰值時間為4S5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計三種磁鏈定向的仿真波形氣隙磁鏈定向的仿真波形定子磁鏈定向的仿真波形只有按轉子磁鏈定向的仿真波形的上升峰值時間為2S，下降峰值時間為4S，與實際波形趨勢一致。5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計v結論：按轉子磁鏈定向建立的單機架數學模型是結論：按轉子磁鏈定向建立的單機架數學模型是準確的。準確的。轉子磁鏈定向的仿真波形5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計直線調節(jié)器的原理圖：上一機架速度超過下一機架時直線調節(jié)

31、器的調節(jié)方向，否則，相反5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計直線調節(jié)器工作原理：v 系統(tǒng)采用直線調節(jié)器控制系統(tǒng)，通過對直線調節(jié)器系統(tǒng)采用直線調節(jié)器控制系統(tǒng)，通過對直線調節(jié)器的調節(jié)來微調金屬絲張力的大小進而微調各機架速的調節(jié)來微調金屬絲張力的大小進而微調各機架速度比例關系。用線性接近式位置傳感器來檢測直線度比例關系。用線性接近式位置傳感器來檢測直線調節(jié)器的實際位置，并與設定位置比較后，反饋給調節(jié)器的實際位置，并與設定位置比較后，反饋給主傳動，形成閉環(huán)控制。主傳動，形成閉環(huán)控制。v 根據拉制理論可得：系統(tǒng)正常運行的條件是通過每根據拉制理論可得：系統(tǒng)正常運行的條件是通過每臺機架的金屬秒流量

32、相等，即：臺機架的金屬秒流量相等，即： QAVC1 12211.nnnnAVAVA VAVC 或 5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計直線調節(jié)器數學模型分析 LVdt1LVS1HHVLS22201144LHL將式(4-2)取全微分，得： 4dHLdLH(4-2) 把式(4-2)代入則得:2011124()HHLL1LhvT S規(guī)范化 5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計設計與選型設計與選型v 圖爾克公司圖爾克公司WIM系列磁感式線性位移傳感器采用一種全新系列磁感式線性位移傳感器采用一種全新感應功能原理，輸出的模擬量電流或電壓信號與永久磁塊感應功能原理，輸出的模擬量電流或電壓

33、信號與永久磁塊位置成比例。這種傳感器采用緊湊外形設計，具有對位置位置成比例。這種傳感器采用緊湊外形設計，具有對位置磁塊的微小側向偏移進行補償的功能。其重復精確度為測磁塊的微小側向偏移進行補償的功能。其重復精確度為測量范圍的量范圍的0.5%，溫度漂移為，溫度漂移為0.09%/。v 這種新的傳感器系列不僅可簡單經濟解決各種常規(guī)工程應這種新的傳感器系列不僅可簡單經濟解決各種常規(guī)工程應用用(如在夾緊汽缸中如在夾緊汽缸中)，也可完成機器人和裝卸機構中的許，也可完成機器人和裝卸機構中的許多位置或位移檢測任務。多位置或位移檢測任務。v 由于位置磁塊的軸向磁化，因此傳感器對于磁塊位置的橫由于位置磁塊的軸向磁化

34、，因此傳感器對于磁塊位置的橫向偏移不敏感。這種產品適用于在檢測方向上有被磁化的向偏移不敏感。這種產品適用于在檢測方向上有被磁化的特殊定位磁塊的許多應用特殊定位磁塊的許多應用(如通過旋轉式流量計或球閥的監(jiān)如通過旋轉式流量計或球閥的監(jiān)控控)。v WIM系列結構堅固，并具有系列結構堅固，并具有3種不同測量長度種不同測量長度(30、70、110mm)和多種不同位置磁塊。這種非接觸和無摩擦和多種不同位置磁塊。這種非接觸和無摩擦的傳感器應用非常廣泛。的傳感器應用非常廣泛。5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計設計與選型設計與選型5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計5、控制系統(tǒng)的分析與設計

35、、控制系統(tǒng)的分析與設計整機數學模型整機數學模型 系統(tǒng)狀態(tài)列寫狀態(tài)方程如下： XAXBUYCX10000100001000010000000000000000000000000000B00001000000000001000000000001000000000001000C0000127.600000000000127.600100000000127.601100000000127.6111127.6000127.60000000127.6000127.60000000127.6000127.60000000127.6000127.60000000220000000000220000000000

36、22000A5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計張力最優(yōu)調節(jié)器選擇工程數據處理帶常值輸入的最優(yōu)調節(jié)器無限時間狀態(tài)調節(jié)器線性二次型最優(yōu)調節(jié)器最優(yōu)理論最優(yōu)理論5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計構造帶常值擾動的最優(yōu)調節(jié)器：構造帶常值擾動的最優(yōu)調節(jié)器：v 受控系統(tǒng)系統(tǒng)有常值干擾時，組成閉環(huán)反饋控制后，直接加給受控系受控系統(tǒng)系統(tǒng)有常值干擾時，組成閉環(huán)反饋控制后，直接加給受控系統(tǒng)的控制作用，穩(wěn)態(tài)時必定是一個常值。這個常值是用來維持系統(tǒng)有統(tǒng)的控制作用，穩(wěn)態(tài)時必定是一個常值。這個常值是用來維持系統(tǒng)有一定的輸出，用以克服常值干擾造成的誤差。對于

37、這種情況，設計最一定的輸出，用以克服常值干擾造成的誤差。對于這種情況，設計最優(yōu)控制系統(tǒng)仍使用通常的二次型指標函數，是不可能得到實用結果的優(yōu)控制系統(tǒng)仍使用通常的二次型指標函數，是不可能得到實用結果的，因為積分號下有常值時，無限積分值將趨于無窮大。因此，必須修，因為積分號下有常值時，無限積分值將趨于無窮大。因此，必須修改性能指標函數。選用如下式的指標函數形式是合適的，即選用：改性能指標函數。選用如下式的指標函數形式是合適的，即選用：v 因為因為u1是趨向于是趨向于0的衰減函數，這就保證了它是有限值。這樣處理的的衰減函數，這就保證了它是有限值。這樣處理的結果相當于在原受控系統(tǒng)上增加了一個積分環(huán)節(jié)。這

38、種增加了一個附結果相當于在原受控系統(tǒng)上增加了一個積分環(huán)節(jié)。這種增加了一個附加環(huán)節(jié)的系統(tǒng)相對于原系統(tǒng)叫增廣系統(tǒng)。加環(huán)節(jié)的系統(tǒng)相對于原系統(tǒng)叫增廣系統(tǒng)。v 對于有外輸入作用和干擾作用的調節(jié)器問題，就可以通過增廣系統(tǒng)將對于有外輸入作用和干擾作用的調節(jié)器問題，就可以通過增廣系統(tǒng)將其歸一化為標準調節(jié)器問題來處理。其歸一化為標準調節(jié)器問題來處理。110( )( )( )( )TTJxt Qx tut Ru t dt5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計v 考慮完全可控系統(tǒng)：考慮完全可控系統(tǒng)： 式中式中 是某一恒值擾動。是某一恒值擾動。我們要設計一種線性最優(yōu)調節(jié)器，使得我們要設計一種線性最優(yōu)調節(jié)器，使

39、得當時間當時間t趨于無限長時，狀態(tài)矢量趨于無限長時，狀態(tài)矢量 及其導數及其導數 都趨近于零。顯然都趨近于零。顯然，這就意味著要求：，這就意味著要求： 如果存在一個矩陣如果存在一個矩陣M，使，使 = M，那么，就可以選取，那么，就可以選取 使條件得到滿足。使條件得到滿足。 現假設存在這樣一個矩陣現假設存在這樣一個矩陣M。于是，上述方程可以寫成：。于是，上述方程可以寫成： 性能指標性能指標:12( )( )( )( )x tAx tBu tB w t( )w t( )x t( )x t12( )( )BuB w 2B1B( )( )uM w ( )( ) ( )( )x tAx tB u tw t

40、0( )( )( )( )( )( )( )( )TTTtJxt Qx tu tw tR u tw tut Su t dt5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計v 令：令： 則：則：v 定義新的狀態(tài)矢量：定義新的狀態(tài)矢量： 新的控制矢量新的控制矢量：v 新矩陣新矩陣 ：v 可建立增廣系統(tǒng)：可建立增廣系統(tǒng)： v 性能指標：性能指標： 1( )( )( )u tu tw t1( )( )( )( )u tu tw tu t1( )( )( )x tx tu t1( )( )( )v tu tu t00ABA0BI RS00QQR( )( )( )x tAx tBv t0( )( )( )(

41、 )TTtJxt Qx tvt Rv t dt5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計 增廣系統(tǒng)結構圖 ：5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計v 假設陣對假設陣對 完全可控，那么，基于系統(tǒng)和性能指標的最優(yōu)控制完全可控，那么，基于系統(tǒng)和性能指標的最優(yōu)控制存在、唯一，且為：存在、唯一，且為：v 或或v 令：令：v 上式可寫成：上式可寫成：v 令：令： (1)v 如果對于任一滿足的如果對于任一滿足的 和和 的的 和和 ， 陣對陣對 完全可觀測，那么閉環(huán)系統(tǒng)：完全可觀測，那么閉環(huán)系統(tǒng)：v 是漸進穩(wěn)定的是漸進穩(wěn)定的.,A B 1( )( )( )v tu tR BPx t 12122(

42、)( )( )( )u tRP x tPu tw t 1121KR P1222KR P12( )( )( )( )u tK x tKu tw t 112200DDD1111TD DQ2222TD DR12( )( )( )( )( )( )ABx tx tKKu tw tu tw t000( )0( )( )x tu tw tw ,A D 11D22D5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計 因此有：因此有： 在這里假設初始條件在這里假設初始條件 和和 ，是為了突出擾動，是為了突出擾動 對系統(tǒng)的影響對系統(tǒng)的影響，如果必要，如果必要， 和和 也可以不為零。也可以不為零。v 利用原系統(tǒng)方程，

43、輸入利用原系統(tǒng)方程，輸入 可以利用狀態(tài)矢量可以利用狀態(tài)矢量 及其導數及其導數 表示成：表示成：v 滿秩，因此，滿秩，因此， 存在。將上式代入式存在。將上式代入式(1)，得到：，得到：v 令：令：v 則代入上式可得：則代入上式可得：v 對上式兩邊積分，得到：對上式兩邊積分，得到：( )0 x ( )0 x ( )( )uw 0( )0 x t0( )0u tw0( )x t0( )u t( )( )u tw t( )x t( )x t1( )( )( )( )TTu tw tB BBx tAx tTB B1TB B112( )( )( )( )TTu tK x tKB BBx tAx t 132

44、TTKKB BB1412TTKKKB BB A34( )( )( )u tK x tK x t 034300( )( )( )( )( )ttu tK x tKxdK x tu t 5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計v結論：結論： 由上式可以看出，由上式可以看出， 最優(yōu)控制可用一比例加積分狀態(tài)反饋控制最優(yōu)控制可用一比例加積分狀態(tài)反饋控制來實現。來實現。 5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計工程實用數據處理： 下面從工程實用角度出發(fā)對數據做出處理。以下面從工程實用角度出發(fā)對數據做出處理。以2號機架為例，忽略小號機架為例，忽略小系數項系數項 v 其中：其中：3K 0.0006

45、0.00030.00030.00020.22020.68010.49300.27850.00040.00020.00020.00030.00070.00020.00020.68010.40930.34230.36770.00010.00020.00020.00030.00020.00080.00010.49300.34230.53460.35800.00030.00020.00030.00020.00020.00010.00090.27850.36770.35800.81590.00030.00020.00024K 0.43130.33910.15640.10161.31591.30750.3

46、0220.14892.88260.28210.13410.33910.69660.24580.11151.30012.63741.07580.23691.08152.49780.42230.15640.24580.74280.23250.29841.07782.70631.11581.02531.88212.43780.10160.11150.23250.66720.14440.23751.11382.04541.21310.36901.3630*222abuuu*2567( 1.30012.63741.0758)auXXXdt*2910(1.08152.4978)buXXdt 5、控制系統(tǒng)的

47、分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計v參見狀態(tài)方程，注意到：參見狀態(tài)方程，注意到：v于是于是 :v于是于是 : v每臺最優(yōu)調節(jié)器近似為相鄰幾臺張力調節(jié)器的張力信號的每臺最優(yōu)調節(jié)器近似為相鄰幾臺張力調節(jié)器的張力信號的PI量與本機架轉速信號積分的量與本機架轉速信號積分的加權和。加權和。也因為最優(yōu)結果與所取性能指標有關，對此，作者取不同的性能指標進行大量的也因為最優(yōu)結果與所取性能指標有關，對此，作者取不同的性能指標進行大量的實驗研究，均能發(fā)現與上述相同的最優(yōu)調節(jié)器控制規(guī)律。不同的性能指標只影響加權和中實驗研究，均能發(fā)現與上述相同的最優(yōu)調節(jié)器控制規(guī)律。不同的性能指標只影響加權和中的加權系數，整個控制規(guī)律與

48、上述是一樣的。的加權系數，整個控制規(guī)律與上述是一樣的。 *2657661.30011.07582()2()0.261522auXXXXXdt 91060.650050.53790.2615XXX dt *291069100.650050.53790.2615(1.08152.4978)uXXX dtXXdt 10762 ()XXX9652 ()XXX5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計6、控制系統(tǒng)的仿真與軟件編程、控制系統(tǒng)的仿真與軟件編程速度標準：速度標準：v 系統(tǒng)若要進行正常運行，各機架間必須有一個適當的匹配系統(tǒng)若要進行正常運行，各機架間必須有一個適當的匹配速度，也就是出于相鄰機架

49、的金屬絲頭尾速度必須相同，速度，也就是出于相鄰機架的金屬絲頭尾速度必須相同，此時金屬絲所受的張力才是我們預先設定好的張力值。此時金屬絲所受的張力才是我們預先設定好的張力值。v 要滿足上述條件，我們必須定制一個可靠的速度標準，然要滿足上述條件，我們必須定制一個可靠的速度標準，然后順序調節(jié)其他機架。在工程上，通常選擇第一機架或最后順序調節(jié)其他機架。在工程上，通常選擇第一機架或最后一個機架，這里我們選擇最后一個機架作為速度調節(jié)的后一個機架，這里我們選擇最后一個機架作為速度調節(jié)的標準，然后順序調節(jié)前面機架的速度。標準，然后順序調節(jié)前面機架的速度。 5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計6、控制

50、系統(tǒng)的仿真與軟件編程、控制系統(tǒng)的仿真與軟件編程階躍輸入時的張力信號波動波形：1、2號機架之間的張力波動仿真波形2、3號機架之間的張力波動仿真波形3、4號機架之間的張力波動仿真波形越靠近標準機架的張力波動越小5、控制系統(tǒng)的分析與設計、控制系統(tǒng)的分析與設計6、控制系統(tǒng)的仿真與軟件編程、控制系統(tǒng)的仿真與軟件編程系統(tǒng)動態(tài)特性6、控制系統(tǒng)的仿真與軟件編程、控制系統(tǒng)的仿真與軟件編程6、控制系統(tǒng)的仿真與軟件編程、控制系統(tǒng)的仿真與軟件編程v 根據工程中用到的控制鈕運行、停止、升速、降速、復位根據工程中用到的控制鈕運行、停止、升速、降速、復位、急停等進行邏輯程序的編寫。其中運行按鈕按下后，電、急停等進行邏輯程序

51、的編寫。其中運行按鈕按下后，電磁抱閘打開，同時變頻器接受給速信號，然后給電機初始磁抱閘打開，同時變頻器接受給速信號，然后給電機初始速度。速度。 停止鈕按下后，電機減速，當到達某個速度值時停止鈕按下后，電機減速，當到達某個速度值時，電磁抱閘抱死，同時關閉變頻器給速信號。升速、降速，電磁抱閘抱死，同時關閉變頻器給速信號。升速、降速只是加一個積分環(huán)節(jié)。急停鈕按下時，電磁抱閘立刻抱死只是加一個積分環(huán)節(jié)。急停鈕按下時，電磁抱閘立刻抱死，同時關閉變頻器給速信號。系統(tǒng)產生報警時，復位鈕沒，同時關閉變頻器給速信號。系統(tǒng)產生報警時，復位鈕沒有按下前，其他控制鈕將失去作用，只有復位鈕按下，系有按下前，其他控制鈕將失去作用，只