電氣專業“計算機控制系統”課程設計

許 勝，顧冬霞，周蓉蓉

(泰州師范高等專科學校，江蘇泰州225300)

0 引言

“計算機控制系統”課程是自動化、電氣工程以及機電一體化等相關專業的必修課程，是一門集控制原理、計算機以及通訊等相關專業知識的綜合性應用課程，對實際生產過程具有重要的實踐指導意義。因此，在系統的理論學習后，應該結合具體的專業方向來確定課程設計方案。本文突出電氣工程及其自動化專業特色，給出了一種針對鍍錫帶鋼電阻軟熔控制系統的綜合性課程設計方案。該方案將計算機控制系統的基本原理和電氣自動化生產實際相結合。在運用計算機控制技術進行系統設計的基礎上，重點對AC-DC-AC變流器特性以及電壓穩定控制策略進行了分析設計，以便培養學生綜合運用電氣工程和計算機控制技術解決實際系統問題的能力。

1 課程設計背景

鍍錫板由于在冷軋低碳薄鋼板兩面鍍有純錫層，不僅具有良好的強度、成型性、耐蝕性及錫鍍層無毒等優點，且其表面富有光澤，易著色印刷，因而被廣泛用于食品工業制罐、制盒及各種容器和包裝材料上。

電鍍錫軟熔系統是電鍍錫表面處理工藝的關鍵環節，其實質是對錫層進行加熱，使鋼體與錫層之間產生一層薄薄的合金層。以期增強錫層附著能力，形成光亮的表面，提高鍍錫板的焊接性能和耐蝕性。目前，世界上主要存在三種軟熔技術:直接法(氣體或電熱輻射)、電阻加熱以及感應加熱。

本文將應用較為廣泛高效的電阻加熱軟熔技術作為課程設計的主要內容。電阻加熱軟熔技術的基本工作原理如圖1所示［1]。該技術通過導電輥在帶鋼兩端施加交流電壓，從而在帶鋼內部形成交流電流，利用帶鋼本身的電阻產生熱量，對錫層進行加熱。在實際生產過程中，為滿足工藝要求，在帶鋼動態處理過程中，根據鋼板材質、鍍錫量和機組速度控制通過鋼板的電流大小，使鋼板所產生的溫度保持恒定。

圖1 鍍錫板電阻加熱軟熔原理

圖中，遠方控制器為電鍍錫軟熔系統后臺監控系統，完成對鋼帶速度、電壓、電流、溫度等數據的實時檢測和處理，并將軟熔指令電壓(或電壓給定，設為Ug)下發給本地控制器;本地控制器完成對加熱電氣設備的輸出電壓u控制，讓u實現對Ug的實時穩定的跟蹤。為了簡化設計，這里取圖1中加熱電氣設備拓撲結構為基于IGBT的AC-DC-AC變流器，網側三相不控整流橋結合直流電容C充當H橋逆變器的直流供電電源，將電網電壓us整流為直流電壓Udc;H橋逆變器輸出軟熔電壓u。該結構與傳統的可控硅整流器相比，具有輸出軟熔電壓頻率可調及網側諧波小等特點。此時，電阻軟熔不但具備感應加熱軟熔鍍錫層質量高的特點，還具有較高的生產工作效率。

2 課程設計方案

根據上述鍍錫帶鋼電阻加熱軟熔工藝原理和控制要求，分析制定本課程設計方案。

由上述分析可知，導電輥兩端電壓控制是軟熔系統的關鍵，如控制不當容易引起欠軟熔、過燒，甚至燒斷斷帶。這里，電壓控制分為兩個部分:一是電源電壓給定值Ug的確定，由遠方控制器根據電阻軟熔工藝要求計算獲得;另外一部分是電源電壓u的穩定控制，由本地控制器完成。

下面結合AC-DC-AC變流器的特性來分析電壓u的生成原理。當H橋逆變器取單極性SPWM調制方式，且開關頻率—遠大于調制波頻率時(忽略高頻諧波分量)，可得對帶鋼加熱的H橋逆變器輸出電壓［2]:

式中，Udc為直流電壓，ω和θ分別為調制波的角頻率和初相角。SPWM的調制系數為

由于電網電壓us的波動，通過三相不控整流器提供的直流電壓Udc也會隨之波動，輸出交流電壓u亦會處于波動狀態，最終引起鋼帶溫度的變化。而當系統檢測出溫度變化時，實際上已經產生了延時，必然會影響鍍錫鋼板軟熔的質量。

根據上述分析，我們制定了針對鍍錫帶鋼電阻軟熔加熱電源電壓控制系統的課程設計方案，如圖2所示。圖中，sinωt為電壓同步正弦信號，UC為電壓調節器，um為SPWM調制波，與載波比較生成觸發脈沖。這里的加熱電源控制系統增加了一個電壓反饋控制回路，用來控制電源輸出電壓u跟蹤Ug，以抑制us的擾動，提高控制系統的動態品質。

圖2 鍍錫帶鋼電阻加熱控制系統

課程設計方案主要包括以下具體步驟:

(1)遠方給定電壓Ug的計算方法設計;

(2)電源輸出電壓u的穩定控制算法設計，即電壓調節器UC的設計;

(3)控制系統硬件電路的設計與調試;

(4)控制系統軟件設計與編程;

(5)實驗平臺的搭建、實驗調試;

(6)實驗數據的采集，實驗報告的撰寫。

3 控制算法設計

1)電壓給定Ug獲取算法

這里通過軟熔功率來建立軟熔電壓與帶鋼軟熔溫度關系，現設軟熔電壓有效值為U，則導電輥之間加熱帶鋼的有功功率為

式中，l為導電輥之間的帶鋼長度，b為帶鋼寬度，d為帶鋼厚度，y為電阻率。

輸入帶鋼的能量為

式中，v為帶鋼速度，t為在導電輥之間帶鋼停留的時間。

單位體積(V=lbd)的能量為

另外，設鋼的比熱為C，密度為ρ，則單位體積帶鋼從T0度加熱到T1度所需要的熱量為

上式對應于溫升(T1－T0)時單位體積帶鋼需要吸收的熱量，應該等于式(5)對應變流器輸出的能量，故存在下面關系:

對于給定材料帶鋼，令K=槡Cρ(T1－T0)ly，則有

由上式可知，為了保證帶鋼溫度的恒定，需要根據鋼帶速度v實時調整軟熔電壓U。這樣，由式(8)即可確定變流器輸出電壓給定值Ug，實際工程中可通過查表實現。

2)電壓控制回路算法

對于H橋逆變器來說，忽略高頻諧波分量后的輸出電壓為

式中，da和db為逆變器左、右SPWM占空比。

當采用單極性SPWM調制方式時，H橋左右橋臂調制波互差180°，于是

式中，UT為載波幅值。

將上式代入到式(9)，可得

在本方案的電壓控制系統中，選擇PI控制算法即可達到控制要求，如圖3所示。同時，將電壓信號采樣延時和PWM控制的小慣性特性綜合起來用一階慣性環節表示［3]。此時的控制結構如圖3所示。

圖3 電壓控制結構圖

圖中，kuP、kuI為PI調節器的比例和積分常數，而Ts為采樣周期，kPWM為H橋PWM電壓控制的等效增益。由式(11)可知

4 控制系統設計與實驗

控制系統采用數字化嵌入式控制平臺，主CPU采用運算速度快、控制功能強大的DSP芯片TMS320F2812，具體控制框圖如圖4所示。

圖4 控制系統原理框圖

圖中的控制系統主要由主控制系統、觸發監控系統、遠方控制系統、數據采集系統以及人機界面等幾個部分組成:①數據采集系統—負責信號的采集、隔離、調理、AD轉換以及數據存儲等任務;②主控制系統—完成全部控制算法的運算，還承擔與遠方控制系統的通訊任務以及系統保護(如過壓、過流)等;③觸發監控系統—根據主控制系統下發的PWM占空比數據，完成PWM觸發脈沖的生成以及對IGBT運行的實時監控和保護;④遠方控制系統—根據式(8)完成控制指令電壓Ug的計算并下發至主控制系統，且包括帶鋼速度v檢測、溫度檢測輔助控制等環節;⑤人機界面—顯示系統實時電壓、電流等電氣量數據、運行狀態、故障信息以及設置下發系統及裝置各種參數及控制系數。

按照電阻加熱軟熔設備搭建的實驗平臺，相關實驗的參數設置為:網側電壓us取380V，電容C取4700μF，器件IGBT的開關頻率為6.4kHz。

(1)實驗1:變流器合閘啟動實驗

實驗目的是觀測電容電壓在合閘啟動階段的動態狀況。實驗波形如圖6所示，圖中直流電壓udc經過一個大約1.5s的緩慢上升的過程后保持穩定。

圖5 變流器合閘啟動時直流電壓波形

在三相不控整流電路與電網合閘瞬間，由于此時電容電壓不能突變，初始值為0，整流橋會通過電容短路并形成較大的短路沖擊電流。為此，必須增加軟充電環節，本設計中在整流橋直流側與電容之間串入一個晶閘管與電阻并聯的機構。合閘上電初始階段晶閘管截止，整流器通過電阻對電容充電，充電結束直流側電壓穩定后，觸發晶閘管導通，旁路軟充電電阻。

(2)實驗2:逆變實驗

實驗目的是驗證SPWM觸發脈沖形成精度和實時性。實驗波形如圖6所示。圖中包括SPWM調制參考正弦波電壓um和逆變器輸出電壓u兩種波形，這里取調制比m=0.8。

圖6 調制參考電壓與逆變器輸出電壓波形

如圖所示，逆變器輸出電壓u與調制正弦波基本同步，且PWM波形按照正弦規律變化，說明了SPWM脈沖生成準確基本同步。

(3)實驗3:電壓跟蹤控制實驗

實驗目的是驗證電壓PI跟蹤控制的效果，實驗波形如圖7所示。試驗中，給定電壓Ug從200V突變到340V。為了清晰的觀測電壓跟蹤情況，在逆變器交流側設置RC濾波電路，濾除高頻開關分量。由圖可見，大約經過1-2個周波的過渡過程，電壓即能達到穩定狀態。可見，電壓跟蹤動態性能較好，響應速度較快。此外，由于Ug由遠方控制器給定，無法直觀的用波形表示出來，可通過觀測逆變器輸出電壓的有效值并與給定電壓相比較。實驗表明，電壓穩態跟蹤誤差很小。

圖7 逆變器輸出電壓跟蹤控制波形

5 結語

本文介紹了一種針對電氣工程專業的“計算機控制系統”課程設計方案。一方面，我們將計算機控制系統相關知識運用到鍍錫帶鋼電阻軟熔的實際生產過程中，通過對電阻軟熔生產工藝和電阻軟熔控制原理的分析，來解決鍍錫帶鋼電阻軟熔控制的實際問題;另一方面，通過分析研究電阻軟熔加熱電氣設備電壓穩定控制，進一步加強了對電力電子變流器的電氣特性和相關控制知識的理解和應用。最后，通過實驗硬件平臺的搭建和軟件程序的編寫，以及相關實驗的完成，培養了學生綜合運用電氣工程和計算機控制技術分析和解決實際系統問題的能力。

［1] 黃正芳，李東江，錢鋼.電鍍錫機組軟熔控制分析及改進［C] .2005中國鋼鐵年會論文集，pp.273-277

［2] 許勝，趙劍鋒，倪喜軍，等.SPWM－2H橋逆變器直流側等效模型研究［J] .北京:電工技術學報，2009，24(8):4-8

［2] 張崇巍，張興.PWM整流器及其控制［M] .北京:機械工業出版社，2003