位置随动系统设计

基于PLC的三相异步电动机能耗制动系统设计

DESIGN OF ENERGY CONSUMPTION

BRAKING SYSTEN FOR THREE PHASE ASYNCHRONOUS MOTOR BASED ON PLC 学生姓名王华伟

学院名称信电工程学院

学号20120501155

班级12电气 1

专业名称电气工程及其自动化

指导教师曹言敬

2015年7月10日

摘要

位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统，在数控机床的定位控制和加工轨迹控制，船舵的自动操纵，火炮方位的自动追踪等等方面应用广泛。本设计是基于8051单片机为主控制器，选用积分分离PID算法来调节参数，使用伺服电机为广义被控对象的位置随动系统。整个系统设计采用方案比较的方法确定为位置环、电流环、速度环三环结构，查找参考文献确定各调节器的参数，并在MATLAB环境下对所设计的系统进行了仿真。

关键词8051单片机；积分分离PID；三环结构；MATLAB

目录

1 绪论 (1)

1.1 位置随动系统 ...................................................................................... 错误!未定义书签。

1.1.1 位置随动系统的概念................................................................... 错误!未定义书签。

1.1.2 位置随动系统的特点及品质指标 (2)

1.1.3 位置随动系统的结构组成........................................................... 错误!未定义书签。

1.1.4 位置随动系统的控制要求 (2)

1.2课程设计 (2)

1.2.1 课程设计的要求 (2)

1.2.2 课程设计的目的 (2)

1.2.3 课程设计指导 (3)

2 位置控制系统总体设计方案 (4)

2.1 随动系统控制方案的选择 (4)

2.1.1 方案一 (4)

2.1.2 方案二 (4)

2.1.3 两个方案比较 (5)

2.2 位移检测装置的选择 (6)

2.3 PID算法的选择 (7)

3 控制系统的硬件设计 (9)

3.1 电流检测电路 (9)

3.2 速度检测电路 (9)

3.3 位置检测电路 (9)

3.4 MCS-51系列单片机内部结构和引脚说明 (10)

3.5 系统时钟电路设计 (12)

3.6 复位电路 (13)

3.7 电机驱动电路的芯片 (15)

4 SIMULINK仿真 (18)

结论 (20)

致谢 (21)

参考文献 (22)

附录 (23)

1 绪论

1.1位置随动系统

1.1.1位置随动系统的概念

位置随动系统也称伺服系统，是输出量对于给定输入量的跟踪系统，它实现的是执行机构对于位置指令的准确跟踪。位置随动系统的被控量（输出量）是负载机械空间位置的线位移和角位移，当位置给定量（输入量）作任意变化时，该系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化，所以位置随动系统必定是一个反馈控制系统。

位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统。它属于自动控制系统中的一类反馈闭环控制系统。随着科学技术的发展，在实际中位置随动系统的应用领域非常广泛。例如，数控机床的定位控制和加工轨迹控制，船舵的自动操纵，火炮方位的自动追踪，宇航设备的自动驾驶，机器人的动作控制等等，随着机电一体化技术的发展，位置随动系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不可或缺少的设备，是电力拖动自动控制系统的一个重要分支。

1.1.2位置随动系统的特点及品质指标

位置随动系统与拖动控制系统相比都是闭环反馈控制系统，即通过对输出量和给定量的比较，组成闭环控制，这两个系统的控制原理是相同的，对于拖动调速系统而言，给定量是恒值，要求系统维持输出量恒定，所以抗扰性能成为主要技术指标。对于随动系统闻言，给定量即位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟随给定量的变化，因而跟随性能指标即系统输出响应的快速性、灵敏性与准确性成为它的主要主要性能指标。位置随动系统需要实现位置反馈，所以系统结构上必定要有位置环。位置环是随动系统重要的组成部分，位置随动系统的基本特征体现在位置环上。根据给定信号与位置检测反馈信号综合比较的不同原理，位置随动系统分为模拟与数字式两类。总结后可得位置随动系统的主要特征如下：

1. 位置随动系统的主要功能是使输出位移快速而准确地复现给定位移。

2. 必须具备一定精度的位置传感器，能准确地给出反映位移误差的电信号。

3. 电压和功率放大器以及拖动系统都必须是可逆的。

4. 控制系统应能满足稳态精度和动态快速响应的要求，其中快速响应中，更强调快速跟随性能。

1.1.3位置随动系统的结构组成

机电一体化的随动控制系统的结构,类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。

1. 比较环节：是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。

2. 控制器：通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。

3. 执行环节：作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压，气动伺服机构等。

4. 被控对象：机械参数量包括位移、速度、加速度、力和力矩为被控对象。

5. 检测环节：是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。

1.1.4随动系统的控制要求

1. 系统精度

随动系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度,以误差的形式表现,可概括为动态误差,稳态误差和静态误差三个方面组成。

2. 稳定性

随动系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。随动系统正常运行的最基本条件是系统必须是稳定的，否则其他性能指标都是毫无意义的。随动系统的稳定性包括两方面的含义：一是通常意义的稳定性；另一方面是系统的稳定程度，或者说系统震荡的程度，指系统的相对稳定性。例如，一个系统虽然是稳定的，但在收到扰动作用后，震荡倾向很强烈，而震荡的衰减却很慢，这种系统的稳定度就很差。

必须注意的是，稳定性只表示系统本身的一种特性，它决定系统结构与元件参数，与外部输入指令或扰动信号无关。

3. 响应特性

响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度,运动系统的阻尼和质量等。

4. 工作频率

工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。

1.2课程设计

1.2.1课程设计目的

利用位置传感器和直流电动机的位置随动系统，见图1-1。该系统是利用位置传感器形成位置环，由所选定的单片机来完成数字控制器。

1.2.2课程设计要求

1.定位精度0.4°。

2.定位过程超调量＜10%。