Курсовая работа (т): Проектирование и расчет систем автоматического регулирования частоты вращения электродвигателя постоянного тока привода вращающегося механизма

Проектирование и расчет систем автоматического регулирования частоты вращения электродвигателя постоянного тока привода вращающегося механизма

Аннотация

Объектом исследования является система автоматическая регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока.

Целью курсового проекта является - приобретение и закрепление практических навыков для использования современного программного обеспечения для анализа и синтеза относительно простых систем на примере исследования замкнутой системы автоматического регулирования, стабилизации, оценки устойчивости оптимизации и коррекции типичной линейной САР с использованием в основном программного обеспечения пакета моделирования системы VisSim.

В процессе работы проводились экспериментальные исследования стабилизации, оценки устойчивости оптимизации и коррекции САР ЧВ ДПТ путем изменения коэффициентов усиления усилителя и постоянной времени ОСН а также в введения в контур управления П - регулятора и ПИ - регулятора.

В результате исследования получили устойчивую, оптимизированную и скорректированную САР ЧВ ДПТ путем изменения коэффициентов усиления усилителя и постоянной времени СОН, а так же введения в контур управления ПИ - регулятора.

Содержание

Введение

Исходные данные

. Определение передаточных функций элементов САР ЧВ ДПТ

. Моделирование структурной схемы САР

.1 Моделирование структурной схемы замкнутой САР

.2 Моделирование структурной схемы замкнутой САР

. Оценка устойчивости разомкнутой контура САР

. Стабилизация разомкнутого контура САР

.1 Изменение коэффициента усиления усилителя

.2 Изменение постоянной времени контура ОСН

.3 Изменение коэффициента усиления усилителя и постоянной

времени контура обратной связи по напряжению

. Оценка устойчивости замкнутой САР

. Коррекция замкнутой САР

.1 Введение в контур управления П - регулятора

.2 Введение в контур управления ПИ - регулятора

. Оценка качества САР

. Определение области устойчивости разомкнутой САР

Заключение

Библиографический список

Введение

Элементы применения автоматических, т.е. работающих без непосредственного участия человека, устройств наблюдаются еще в ёглубокой древности. Они создавались на основе интуиции. Методом проб и ошибок отбирались наиболее приспособленные к практике устройства. Прежде всего если речь идет об управлении, то имеется объект управления, т.е. некий механизм, агрегат или устройство, некий технологический, энергетический или транспортный процесс, желаемое поведение или протекание которого должно быть обеспечено. Поведение объекта управления, результат его действия определяется некоторыми показателями. Чаще всего ими являются значения каких- то физических величин, которые называют выходными величинами или выходными координатами объекта управления. В реальных условиях на каждое устройство или процесс многочисленные воздействия оказывает внешняя среда. Все воздействия, с точки зрения их влияния на действие объекта, на его выходные величины, разделяются на две принципиально отличительные группы. Некоторые из воздействий обеспечивают желаемое изменение поведения объекта, достижение поставленных целей. Такие воздействия называют управляющими, при их отсутствии задача управления вообще не имеет решения. Другие воздействия, напротив, мешают достижению цели, и изменить их, как правило, невозможно. Такие воздействия называют возмущающими (или просто возмущениями). Задача управления, по существу, заключается в формировании такого закона изменения управляющих воздействий, при котором достигается желаемое поведение объекта независимо от наличия возмущений. Сложная и разносторонняя задача управления включает более узкую задачу регулирования, которую главным образом и будем рассматривать в дальнейшем. Задача регулирования заключается в поддержании выходных величин объекта равными (или пропорциональными) некоторым эталонным функциям времени- задающим воздействиям. Последние могут быть постоянными или изменяющимися как по заданному, так и по заранее неизвестному закону. Объект управления может принадлежать как к неживой природе, в частности, быть техническим устройством, так и к живой природе (коллектив людей). В свою очередь, само управление также может осуществляться как человеком (пилот управляет самолетом), так и техническим устройством (самолетом управляет автопилот). Управление, осуществляемое без участия человека, называется автоматическим управлением. Предметом настоящей дисциплины является теория автоматического управления техническими объектами. Общая теория управления, охватывающая как неживую, так и живую природу, является предметом науки кибернетики. Теория автоматического управления- часть кибернетики. Для осуществления автоматического управления создается система, состоящая из объекта управления и управляющего устройства, или регулятора. Такая система соответственно называется системой автоматического управления. Впервые с необходимостью построения регуляторов столкнулись создатели высокоточных механизмов, в первую очередь - часов. Крупный вклад в теорию регулирования внесен Н.Е. Жуковским, автором труда «О прочности движения» и первого учебника «Теория регулирования хода машин»(1909). В первые десятилетия XX в. Теория автоматического управления, вышедшем из рамок прикладной механики, формируется как общетехническая дисциплина. В этот период появляется целый ряд работ, рассматривающих приложение теории и распространяющих ее выводы на самые разнообразные технические процессы: на регулирование электрических машин и систем, двигателей внутреннего сгорания; тепловых и паросиловых устройств; турбин; различных производственных процессов. Исключительно интенсивным и многогранным было развитие теории автоматического управления в послевоенный период. Это обусловлено в первую очередь развитием военной и космической техники, бурным прогрессом вычислительной техники и электроники. В настоящее время буквально все окружающие нас технические устройства содержат в своем составе то или иное число автоматических регуляторов. Ограничиваясь для примера бытовой электроникой, перечислим лишь некоторые характерные термины: автоматическая регулировка усиления; автоподстройка частоты; стабилизация напряжения и т. д. Системы автоматического управления (САУ) различной физической природы и совершенно различного функционального назначения могут иметь одинаковое математическое описание, то есть описываться одинаковыми уравнениями (отличаться будут лишь размерности величин). Но в САУ с одинаковым математическим описанием и процессы при управлении будут протекать одинаково, хотя действовать в них будут различные физические величины. В результате приложения конечного по величине воздействия САУ должна перейти из одного равновесного состояния в другое (в противном случае она будет неустойчивой). Переход из одного состояние в новое осуществляется за некоторое определенное время, на протяжении которого величина (или величины), характеризующая состояние САУ, изменяется по какому - либо закону. Переход САУ в новое равновесное состояние осуществляется с какой-либо точностью. Необходимо отметить, что составление математического описания отдельных элементов или систем в целом может быть произведено лишь на основе четкого понимания физических процессов, протекающих в этих объектах и алгоритмах их функционирования. Поэтому задача получения исходного математического описания относится к предмету специальных дисциплин, в которых эти элементы изучаются. В теории автоматического управления указанные выше вопросы изучения САУ решаются с помощью специальных методов с использованием математического описания. Отсюда следует, что возможность успешного освоения настоящей дисциплины основывается, в первую очередь, на знании высшей математики и, с учетом профиля специальности «Промышленная электроника», основ теории цепей. Совокупность элементов любой физической природы и процессы, наблюдаемые в них, обладающие свойствами целеустремленности, называется системой. Наличие цели управления (целеустремленности) является фундаментальным признаком системы. Цели природных систем чаще всего неизвестны, но цели искусственных систем известны всегда.

Исходные данные

Тема курсового проекта - анализ системы автоматического регулирования частоты вращения вала двигателя постоянного тока (САР ЧВ ДПТ)

Исходные данные: функциональная схема САР ЧВ ДПТ и параметры ее элементов показана на рис.1.

Рис. 1 Функциональная схема САР ЧВ ДПТ (Вариант-43)

1. Определение передаточных функций элементов САР частоты вращения вала двигателя постоянного тока

Передаточные функции элементов определяются с целью построения структурно-алгоритмической модели САР ЧВ ДПТ посредством вычисления параметров передаточных функций по заданным формулам и подстановки их в формулы передаточных функций.

В данном курсовом проекте и формулы передаточных функций элементов, и формулы для вычисления их параметров заданы, и поэтому требуют только подтверждения.

Определение передаточных функций элементов. Для построения структурно-алгоритмической схемы необходимо определить передаточные функции каждого звена САР. В курсовом проекте заданием определены модели элементов САР и общий вид передаточных функций. В данном разделе производится расчет уже определенных заданием передаточных функций моделей элементов САР

Усилитель (У) моделируется как инерционное звено первого порядка (апериодическое звено) с передаточной функцией

где  - коэффициент усилителя,

- постоянная времени усилителя,

При N=43

Тиристорный преобразователь (ТП) моделируется как инерционное звено первого порядка (апериодическое звено) с передаточной функцией

где  - коэффициент усиления тиристорного преобразователя,

Ттп - постоянная времени тиристорного преобразователя ,

При N=43

Генератор (Г) - инерционное звено первого порядка (апериодическое звено) с передаточной функцией.

где  - коэффициент усиления генератора,

 - постоянная времени генератора,

При N=43

Гибкая обратная связь по напряжения (ОСН) - моделируется как инерционное (дифференцирующее) звено.

где  - коэффициент обратной связи,

 - постоянная времени,

При N=43

Тахогенератор (ТГ) - усилительное (пропорциональное) звено. Входящая величина n - частота вращения вала, об/сек, выходная , В. Передаточный коэффициент - это отношение выходной величины к входной.

где  - коэффициент усиления тахогенератора,

При N=43

Двигатель постоянного тока (ДПТ) с независимым возбуждением является инерционным звеном второго порядка (колебательное звено). Его передаточная функция по каналу управления определяется по выражению

а по каналу возмущения (по управляющему воздействию напряжению генератора)

где  - коэффициент усиления двигателя,

 - коэффициент усиления двигателя,

 - постоянная времени якоря,

 - постоянная времени колебательного звена

При N=43

Передаточная функция  определяет влияние момента сопротивления на валу двигателя на его частоту вращения. Момент сопротивления на валу прикладывается той машиной, которую приводит в движение двигатель.

Совокупность передаточных функций элементов и функциональной схемы позволяет построить структурно-алгоритмическую модель САР, а также аналитическую модель, представляющую собой передаточную функцию всей САР. В рассматриваемом примере используется аналитический инструмент - программа VisSim, что избавляет от необходимости проведения громоздких выкладок по получению аналитической модели САР.

2. Моделирование структурной схемы САР

САР представляет собой замкнутый контур главной обратной связи, который осуществляет управление по отклонению. В контуре имеется гибкая местная обратная связь, которая предназначена для стабилизации САР, способствует тому, чтобы САР была достаточно устойчивой. Наличие обратных связей в САР свидетельствует о том, что система может быть и неустойчивой, поэтому анализ САР должен включать оценку ее устойчивости и, при необходимости, выбор мер и средств по ее стабилизации.

Объект управления - двигатель постоянного тока, управляемая величина - частота вращения вала ДПТ. Система содержит контуры обратной связи. САР может быть неустойчивой. Следует отметить, что предлагаемой схеме фактически изменять можно только параметры усилителя и звена местной обратной связи. Эти элементы введены в схему как раз для того чтобы обеспечить возможность ее коррекции. Не исключено, что параметры звена обратной связи по напряжению (ОСН) заданы неудачно и потребуют существенной коррекции.

Работа САР ЧВ ДПТ в статике. В статике входные и выходные сигналы САР постоянны. На первый левый сумматор контура главной обратной связи, его сравнивающее устройство, подается задающая величина и величина с выхода тахогенератора, пропорциональная частоте вращения вала, усиливается усилителем тиристорным преобразователем и генератором в результате чего получается входной, управляющий сигнал ДПТ ( двигателя постоянного тока, объекта управления), т.е. напряжения на якоре. Вследствие наличия этого напряжения вал двигателя вращается. Поскольку произведение коэффициентов усиления усилителя, тиристорного преобразователя и генератора велико, то получить некоторое конкретное управляющее напряжение на якоре двигателя можно только в том случае если разностный сигнал мал. Это значит что частота вращения вала с некоторой точностью пропорциональна заданию, звено боратной связи инерционно-дифференцирующее поскольку обратная связь по напряжению гибкая, и поэтому не влияет на работу САР в статике.

Следовательно, САР выполняет свои функции обеспечивает слежение в статике, поддерживая частоту вращения вала пропорциональной заданию.

Работа САР ЧВ ДПТ в динамике. Изменение задания в первый момент времени приводит к соответствующему росту отклонения, поскольку звенья перед объектом и сам объект обладают инерционностью и поэтому частота вращения вала не может измениться мгновенно. Изменение отклонения, будучи усиленным усилителем, тиристорным преобразователем и генератором с учетом их инерционности приводит к постепенному изменению управляющей величины - напряжение на якоре, которое плавно изменяет частоту вращения вала так, что ошибка слежения т.е. отклонение устремляется к нулю. Обратная связь по напряжению стабилизирует САР и повышает ее быстродействие. Таким образом, осуществляется слежение.

Изменение возмущения, момента на валу двигателя, приводит к изменению частоты вращения, которое, вследствие наличия главной обратной связи приводит к соответствующему изменению отклонения. Это изменение отклонения усиливается и тем самым изменяет величину напряжения на якоре так, что отклонение частоты, вызванное изменением возмущения, компенсируется. Таким образом, осуществляется стабилизация частоты вращения вала двигателя.

Итак САР ЧВ ДПТ обеспечивает как стабилизацию так и слежение.

Начинаем моделирование структурной схемы САР в VisSim

 - Генератор ступенчатой единичной функции 10(t) задается командой