Курсовая работа (т): Анализ и синтез автоматизированной электромеханической системы

*Здесь: - токовая компенсация;

- компенсация ЭДС электродвигателя;

- отрицательная обратная связь по току (моменту);

- отрицательная обратная связь по скорости;

- отрицательная обратная связь по положению;

- ошибка стабилизации скорости;

- ошибка стабилизации перемещения.

·    Параметры структурной схемы:

Таблица 2.2 Вариант параметров структурной схемы

*Здесь: - электромагнитная постоянная времени (мс);

- электромеханическая постоянная времени (мс);

- время переходного процесса;

- коэффициент усиления по напряжению (безразмерная величина);

 и - постоянные времени фильтров обратных связей по моменту и скорости соответственно;

- постоянная времени, определяющая инерционность преобразователя.

·    Номинальные данные двигателя:

Таблица 2.3 Вариант параметров двигателя

*Здесь: - номинальная мощность двигателя;

- номинальное количество оборотов;

- номинальное значение тока;

- активное сопротивление двигателя;

- активное сопротивление цепи якоря двигателя;

- момент инерции системы.

 (номинальное напряжение якоря двигателя).

Параметры, свойственные только обратной связи по положению, взяты для всех вариантов заданий одинаковыми:  (передаточное число редуктора от двигателя к механизму);

Ряд параметров, необходимых для анализа, преобразования и расчетов (прямых, косвенных и промежуточных) необходимо рассчитать дополнительно:

скорость двигателя,

- номинальное количество оборотов (об/мин);

машинная постоянная,

- номинальное значение тока (А);

- активное сопротивление двигателя (Ом);

номинальный момент двигателя;

скорость холостого хода для двигателей постоянного тока;

снижение скорости двигателя при номинальном моменте нагрузки относительно скорости холостого хода (без нагрузки);

добротность механической характеристики двигателя;

жесткость механической характеристики;

электромеханическая постоянная времени,

- активное сопротивление цепи якоря двигателя (Ом);

электромагнитная постоянная времени в цепи якоря;

коэффициент обратной связи по току;

коэффициент обратной связи по скорости;

Произведем преобразования заданной обобщенной структурной схемы автоматизированной электромеханической системы (ЭМС). Данная система широко применяется на практике для обеспечения всех видов движения. Частных вариантов такой ЭМС в зависимости от ее назначения очень много: можно плавно регулировать скорость, изменяя ее в десятки тысяч раз и стабилизируя на любом выбранном уровне с требуемой точностью; управлять крутящим моментом, усилиями и мощностью рабочего механизма; отслеживать любые заданные траектории; перемещать механизмы с микронной точностью и т.д. Схемотехническое исполнение ЭМС включает большой перечень устройств и блоков: электрические двигатели, трансформаторы и управляющие устройства промышленной электроники, элементы логики, датчики, микропроцессорные устройства, измерительные приборы и т.д.

Учеными и инженерами затрачено много усилий на то, чтобы всю сложнейшую схемотехнику ЭМС, которая совершенствуется вместе с элементной базой, подчинить строгим законам фундаментальных знаний.

Структура системы рассматриваемой системы является линейной и представляет класс систем трехконтурного подчиненного регулирования. Первый (внутренний) контур охвачен отрицательной обратной связью по моменту ОСМ, второй - отрицательной обратной связью по скорости ООС, третий - отрицательной обратной связью по положению ОСП.

Каждый контур имеет свой регулятор: РМ (момента), РС (скорости), РП (положения). Работают эти контуры в строгой подчиненности от внутреннего к внешнему. Когда один из них выполняет свои функции, другие ему не мешают, ожидая своей очереди. В каждом контуре можно обеспечить необходимые режимы статики и динамики.

Главная задача системы - обеспечить для рабочего механизма требуемые движения через скорость , перемещения L и движущие силы от момента двигателя М с заданной точностью и быстродействием [1].

Итак, произведем пошаговое упрощение исходной обобщенной структурной схемы автоматизированной электромеханической системы с учетом всех необходимых норм и правил, а также специфики параметров и данных, содержащихся в индивидуальном варианте курсового проекта: С учётом варианта, структурная схема имеет вид рис. 2.1.

Рис. 2.1. Исходная структурная схема

Учитывая, что типы регуляторов РС, РМ, а следовательно, их передаточные функции остаются неизвестными до результатов синтеза, поэтому на этапе анализа передаточные функции фильтров Ф 1, Ф 2 и регуляторов РС, РМ можно принять равными единице. Вследствие этого структурная схема примет вид изображённый на Рис. 2.1.

;

Рис. 2.2. Схема для преобразования без фильтров и регуляторов

;

Рис. 2.3.

Рис. 2.4.

3. Определение передаточных функций системы для управляющего и возмущающего воздействий

Сформулируем основные определения, принципы, методы и правила по упрощению и работе со структурными схемами:

Система - совокупность связанных друг с другом объектов, называемых элементами, или отдельных частей, действующих как одно целое и обусловливающих ее существование и функционирование.

Элемент системы - объект, описание которого, достаточное для рассматриваемой решаемой задачи, не требует учета внутренних переменных или зависимостей, а определяется только внешними характеристиками, связывающими входные и выходные переменные.

Внешняя среда - множество объектов, которые оказывают воздействие на систему.

Сложная система - система, состоящая из большого числа элементов и взаимных связей.

Система разомкнута, если имеется прямая связь между входом и выходом. Если же в системе существует не только прямая связь между входом и выходом, но и обратная связь между выходом и входом (для сравнения этих величин), то это замкнутая система. Принцип обратной связи позволяет обеспечить точность регулирования, т.е. точность поддержания требуемой функциональной связи между входом и выходом.

В зависимости от метода математического описания различают линейные и нелинейные системы. Линейные системы описываются линейными уравнениями, а нелинейные системы - нелинейными. Оба вида таких систем могут быть детерминированными или статическими [2].

Управляющее воздействие - воздействие на объект управления, предназначенное для достижения цели управления.

Устройство управления (УУ) или регулятор - совокупность устройств, с помощью которых осуществляется управление главным технологическим параметром.

Внешние воздействия - задающие воздействия , определяющие требуемый закон (алгоритм) регулирования выходной величины объектов управления (ОУ), и возмущающие воздействия , нарушающие требуемую функциональную связь между выходной величиной ОУ и задающим воздействием.

Возмущение - внешнее воздействие на любое звено (элемент, подсистему) САУ, затрудняющее, как правило, достижение цели управления.

Задающее воздействие  - воздействие на устройство управления, предназначенное для достижения цели управления [3].

Структурная схема - графическое представление математической модели системы в виде соединений типовых динамических звеньев с указанием входных и выходных величин, передаточных функций звеньев.

Одноконтурная система - это система, при размыкании которой получается цепь из последовательно соединенных звеньев.

Замкнутая система называется многоконтурной, если при ее размыкании получается цепь, содержащая параллельные или обратные связи.

Многоконтурная система не имеет перекрестных связей, если любые два контура, образованные параллельными или обратными связями, не имеют общих участков, или один участок находится внутри другого.

Многоконтурная система имеет перекрещивающиеся связи, если два каких-либо контура, образованных параллельными или обратными связями, имеют общий участок, причем ни один из них не вложен внутрь другого.

Передаточной функцией непрерывной линейной динамической системы называется отношение преобразования Лапласа переменой  на выходе системы к преобразованию Лапласа переменной  на входе:

 (3.1)

Эта зависимость позволяет записать важное соотношение:

 (3.2)

Т.е. изображение выходного сигнала равно изображению входного воздействия, умноженному на передаточную функцию (ПФ) системы. ПФ системы полностью характеризует ее динамические свойства. Зная , можно определить переходный процесс на выходе системы [2].

Заданная система является линейной, замкнутой, многоконтурной, с наличием обратных и перекрестных связей. В процессе ее упрощения и определения передаточной функции использовались следующие правила и замечания по преобразованию, расчету и нахождению ПФ:

·        При переносе сумматора против хода сигнала необходимо добавить звено с такой ПФ, равной обратной ПФ звена, через которое происходит перенос.

·        При переносе узла по ходу сигнала необходимо добавить звено с такой ПФ, равной обратной ПФ звена, через которое осуществляется перенос.

·        При переносе узла против хода сигнала необходимо добавить звено с такой ПФ, равной ПФ звена, через которое осуществляется перенос узла.

·        Узлы и сумматоры можно менять местами.

·        Чтобы определить ПФ многоконтурной системы с перекрестными связями, необходимо:

1)освободиться от перекрестных связей, используя правило переноса сумматора или узла;

) преобразовать параллельные и обратные соединения для получения одноконтурной системы;

)найти передаточную функцию полученной одноконтурной системы [4].

Для определения ПФ исходной системы, запишем ПФ отдельных звеньев, входящих в нее:

передаточная функция первого звена электродвигателя (описывается апериодическим звеном первого порядка),

где  добротность механической характеристики двигателя,

 электромагнитная постоянная времени в цепи якоря;

передаточная функция второго звена электродвигателя (описывается интегрирующим звеном),

где жесткость механической характеристики,

электромеханическая постоянная времени;

передаточная функция преобразователя электрической энергии (описывается апериодическим звеном первого порядка),