内容发布更新时间 : 2024/11/17 12:55:29星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
利用小型过程控制装置结合计算机控制技术，在组态软件下编程并通过调整和改进控制算法，从而实现单闭环控制系统设计要求。通过利用调节器的工程整定方法，最后得到一组能稳定、准确、快速的达到控制要求的PID参数。
通过本设计掌握分程控制系统的基本概念，了解分程控制系统的组成结构。掌握分程控制系统的特点、分程控制系统的设计思想。掌握分程控制参数整定方法，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用计算机进行PID参数的调整和自动控制的投运。
2 系统的总体设计
2.1试验系统简介 2.1.1直流电动机概述
直流电动机是指通过直流电流而产生机械运动的电动机。
在工业生产中，常需要利用电动机的轴上转矩拖动生产机械，对产品进行加工。根据工艺要求，生产机械需要各种不同的速度，因而要求电动机能够在所需要的范围内进行进度调节。和交流电动机比较，直流电动机具有更好的调速性能，不但调速范围广，且易于平滑调节；起、制动转矩大，易于快速起、停车；易于控制， 因而直接流电动机被广泛应用于深调速和高精度，特别是快速可逆电力拖动系统中。例如，用来作为轧钢机、金属切削机床等生产机械的拖动电动机。电子技术的发展和现代控制理论的应用，使直流电机拖动系统更能适应高精度、高指标的生产机械的要求。此外，小容量直流电机大多在自动控制系统中以伺服电动机、测速发电机等形式作为测
量、执行元件使用。
半导体技术的发展，促使直流电机也有所发展，同时也扩大了直流电机的应用范围。但是，和交流电动机比较，直流电动机有结构较复杂、制造成本较高、维修较为困难等缺点，出而直流电功机的应用也受到一定的限制。
目前，虽然由晶闸管整流元件组成的静止固态直流电源设备已基本上取代了直流发电机，但直流电动机仍以其良好调速性能的优势在许多传动性能要求高的场合占据一定地位。 2.1.2直流电动机的结构
直流电机在结构上是由固定部分(定子)和旋转部分(转子)组成的。定子主要用来产生磁通和作电机的机械支撑；转子通常称为电枢，用来产生感应电势和电磁转矩[1]。下面分别介绍定、转子的主要部件。 (一)定子
1、主磁极 主磁极的作用是产生主磁通建立气隙磁场，并使电枢表面的气隙磁通密度按一定的波形沿空间分布。它由磁极铁心和励磁绕组两部分组成，如图2-1所示。磁极铁心一般由1～1.5mm的低碳钢板冲片叠装而成。
图2-1直流电机结构示意图
1—主磁极；2—励磁绕组；3—机座；4—端盖；5—轴承；6—电刷；7—电枢铁心；
8—电枢绕组；9—换向器；10—轴；11—风扇；12—极靴；13—换向极；
14—换向绕组；15—电枢齿；16—电枢槽；17—底座
励磁绕组用圆截面或矩形截面的绝缘导体绕制、浸漆烘干而成。磁极铁心套上励磁绕组后用螺钉固定在机座上。主磁极数总数是偶数，各磁极上励磁绕组通常都串联连接，连接时要保证相邻磁极的极性按N、S依次排列。
2、换向极 换向极的作用是改善换向，消除或减小电刷与换向器之间的火花。换向极的结构与主磁极相似，由铁心和励磁绕组组成，如图2-1所
示。铁心由薄钢板或整块钢制成。换向磁极安装在两个主磁极之间的几何中性线上，并用螺钉固定在机座上。换向磁极的数目一般与主磁极相等；个别小电机，换向极数目也可以少于主磁极的数目。
3、机座 机座既作为电机的机械支撑，又是磁极间磁通的通路，称为定子磁轭。机座由铸钢铸成或由厚钢板焊接而成。
4、电刷装置 电刷装置由电刷、刷握、握杆、握杆座及铜丝辫等零部件组成。电刷装置的作用是把转动的电抠电路与不转的外电路接通，它是固定不动的。电刷的数目一般等于主磁极数目，各电刷在换向器表面的分布应是等距的。
(二)转子 1、电抠铁心 电枢铁心是主磁路的一部分。当电枢在磁场中旋转时，铁心个的磁通方向不断变化，因而会产生涡流及磁滞损耗。为了减少磁损耗，铁心通常用0.5mm硅钢片叠成。
2、电枢绕组 电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机实现机电能量转换的关银部件。当电枢在磁场中旋转时，电枢绕组中产生感应电动势；当电枢绕组中流过电流时，它在磁场中受力产生电磁转矩。电枢绕组由一个一个的线圈元件组成，嵌放在电枢铁心的槽中。
3、换向器 换向器是直流电机员重要的部件之一。对于电动机是将输入的直流电流转换为电枢绕组元件中的交变电流，产生恒定方向的电磁转矩。根据电机的容量和转速的不同，换向器有多种结构形式。 2.1.3直流电动机的机械特性
电动机的机械特性是指U=UN=常值，If=IfN =常值，电枢回路电阻(Ra+Rc)=常值条件下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即n=f（Tem）。它是选用电动机和评价电动机性能时的主要依据之一。本论文重点介绍他励直流电动机的机械特性。
他励直流电动机的机械特性方程为：
n?R?RcU?aTem Ce?CeCT?2nn02n0n014132（2-1）
当电动机外加电压为额定值UN，气隙磁通也为额定值ΦN，且电枢回路不外串电阻Rc,即Rc=0时，电动机的机械特性称为固有机械特性（也称自然机械特性），如图2-2中直线1所示。它是一条略微向下倾斜的直线。
oTem图2?2他励直流电动机的机械特性当改变电动机的外加电压U、主磁通φ或电枢外串电阻Rc三个参数中的一个时，就可得到人工机械特性。图2-6中直线2为电枢电阻人工机械特性、直线3为改变电动机外加电压人工机械特性、直线4为减小磁通的人工机械特性。
（一）固有机械特性的绘制
忽略电枢反应的去磁通效应时，他励直流电动机的固有机械特性是一直线，只要知道机械特性上的两个点，就可以绘出固有机械特性。取理想空载点和额定运行点计算比较方便。在理想空载点：
n?n0?Tem?0在额定运行点：
UNCe?N
n?nNTem?TN?C?TI
N计算出额定电磁转矩：
TemN?CT?NIN?9.55Ce?NIN （2-2） 在电动机的名牌上可以查到UN、IN及nN三个数据，只要知道电枢回路
电阻Ra，就能算出n0及TN。电动机名牌上是不标出Ra的。为了求出Ra的值，对效率电机可以采用伏安法实测，如果没有实际电机，则可以根据名牌数据估算Ra的值。估算的依据是，普通直流电动机在额定状态下运行时，其电枢铜耗约占总铜耗的1/2～2/3。
电动机的总损耗为：
?pN N （2-3） ?UNIN?Pa额定电枢铜耗为： pCuaN?I2NR 因此，电枢电阻Ra为：
12UNIN?PN?103 Ra=(?) （2-4） 223IN式中，PN为电动机的额定功率，单位为KW。
综上所述，根据名牌计算电动机固有机械特性的步骤是： 1、根据UN、PN、IN按式（2-4）估算Ra； 2、按式（2-2）计算CeΦN；求n0=UN/CeΦN；
3、计算TemN=9.55CeΦNIN。在坐标纸上标出（n0，0）、（nN，TN）两点，
过这两点连成一直线，即得到固有机械特性。
（二）人为机械特性的绘制
求出Ra、CeΦN后，人为机械特性就容易计算了。计算电枢串电阻的人为机械特性时，首先计算理想空载转速n0=UN/CeΦN，得出理想空载点（n= n0，Tem=0），再根据已知的电枢外串电阻Rc以及额定电磁转矩TemN=9.55CeΦNIN，计算在额定负载转矩下电动机的转速nRN： nRN=n0-
Ra?Rc T （2-5）2N9.55(Ce?n)得到额定负载下的运行点（n=nRN，Tem=TN）。过这两点连一直线，即得到电枢外串电阻Rc的人为机械特性。
2.2 S7-200 PLC概述
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成，PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。目前PLC已经广泛引用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中。
西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型PLC，可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统，由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。
S7-200的可靠性高，可以用梯形图、语句表、和功能图三种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便，内置有高速计数器、高速输出、PID控制、RS-485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由端口模式通信功能，最大的可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多KB程序和数据存储空间。
西门子公司在2004年推出了升级产品CPU 224和CPU 226，本设计所用的是CPU 224，新产品CPU 224除具备升级CPU特性外，还集成有2路模拟量输入，1路模拟量输出，有2个RS-485通信口，高速脉冲输出频率提高到100 kHz，2相高速计数器频率提高到100kHz，有PID自整定功能。这种新型CPU增强了S7-200在运动控制、过程控制、位置控制、数据监视和采集（远程终端应用）以及通信方面的功能。
STEP 7-Micro/WIN V4.0 是S7-200 PLC系列产品的最新版编程软件，本设计编程就是用STEP 7-Micro/WIN V4.0 编程软件来完成的。STEP 7-Micro/WIN V4.0 的兼容性极强，支持所有S7-200 CPU 22x 系列产品，增