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

 - Сумматор задается командой  . Чтобы задать отрицательную обратную связь в сумматоре нужно подвести курсор мыши ко входу зажать клавишу Ctrl и кликнуть правой кнопкой мыши. Сумматор - устройство, преобразующее информационные сигналы (аналоговые или цифровые) в сигнал, эквивалентный сумме этих сигналов

 - Усилитель задается командой.

Усилитель - элемент системы управления (или регистрации и контроля), предназначенный для усиления входного сигнала <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%B3%D0%BD%D0%B0%D0%BB> до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D1%81%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B5%D1%85%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%BC> (или регистрирующих элементов <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B3%D0%B8%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%80%D1%83%D1%8E%D1%89%D0%B5%D0%B5_%D1%83%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE>), за счёт энергии <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8F> вспомогательного источника <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%BA_%D0%BF%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F>, или за счёт уменьшения других характеристик входного сигнала (под термином «сигнал» здесь и далее понимается любое явление (или процесс), характеристики которого необходимо увеличить).

 - Тиристорный преобразователь задается командой

.

Тиристорным преобразователем постоянного тока (ТП) является устройство для преобразования переменного тока в постоянный с регулированием по заданному закону выходных параметров (тока и напряжения). Тиристорные преобразователи предназначаются для питания якорных цепей двигателей и их обмоток возбуждения.

Тиристорные преобразователи состоят из следующих основных узлов:

трансформатора или токоограничивающего реактора на стороне переменного тока,

выпрямительных блоков,

сглаживающих реакторов,

элементов системы управления, защиты и сигнализации.

 - Генератор задается командой

Генератор (от лат. generator - производитель) - устройство, аппарат или машина: - производящие какие-либо продукты (генератор ацетиленовый, ледогенератор,парогенератор,газогенератор), - вырабатывающие электрическую энергию (электрический генератор) (генератор электромашинный, паротурбинный, гидротурбинный, ламповый, импульсный, радиосигналов и др. )

преобразующие один вид энергии в другой (генератор ультразвуковых колебаний) .

вырабатывающие сигнал (в произвольной энергетической форме) с опредеделенными математическими свойствами (генератор синусоидальных колебаний, генератор импульсов, генератор случайной величины и т. д.). Генератор - это прибор, генерирующий электрические колебания малой мощности для испытания и настройки радиотехнических устройств и применяющийся главным образом в качестве источника переменного тока широкого диапазона частот. Основные требования к генератору: стабильность (постоянство) частоты и амплитуды генерируемых колебаний, постоянство формы выходных сигналов во всём диапазоне частот, тщательное экранирование прибора для исключения воздействия его внутренних электромагнитных полей на настраиваемую (проверяемую) аппаратуру (сигналы с Г. и. чаще всего подаются по коаксиальному или экранированному кабелю, а также по волноводу).

 - Обратная связь задается командой . Чтобы развернуть блок transferfunction, который моделирует функцию ОСН нужно каждый изэтих блоков выделить и выбрать команду мен.

Обратная связь в технике <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0> - это процесс, приводящий к тому, что результат функционирования какой-либо системы влияет на параметры, от которых зависит функционирование этой системы. Другими словами, на вход системы подаётся сигнал, пропорциональный <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%BF%D0%BE%D1%80%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C> её выходному сигналу (или, в общем случае, являющийся функцией <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D1%83%D0%BD%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F_%28%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0%29> этого сигнала). Часто это делается преднамеренно, чтобы повлиять на динамику функционирования системы.

Различают положительную <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B6%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B2%D1%8F%D0%B7%D1%8C> и отрицательную <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%86%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B2%D1%8F%D0%B7%D1%8C> обратную связь.

Отрицательная обратная связь изменяет входной сигнал таким образом, чтобы противодействовать изменению выходного сигнала. Это делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров. Положительная обратная связь, наоборот, усиливает изменение выходного сигнала. Системы с сильной положительной обратной связью проявляют тенденцию к неустойчивости, в них могут возникать незатухающие колебания <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B1%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F>, то есть система становится генератором.

 - тахогенератор задается командой. Чтобы развернуть блок gain, который моделирует функцию тахогенератора нужно каждый из этих блоков выделить и выбрать команду мен.

Тахогенератор (от др.-греч. <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%BD%D0%B5%D0%B3%D1%80%D0%B5%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA> τάχος- быстрейший, скорость и генератор) - измерительный генератор <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80> постоянного <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA> или переменного <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA> тока, предназначенный для преобразования мгновенного значения частоты (угловой скорости <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B3%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C>) вращения вала в пропорциональный электрический сигнал. Величина (ЭДС <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B6%D1%83%D1%89%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B8%D0%BB%D0%B0>), а в некоторых типах ТГ и частота, сигнала прямо пропорциональны частоте вращения. Сгенерированный сигнал подаётся для непосредственного отображения на специально проградуированный вольтметр <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%82%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80> (тахометр <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B0%D1%85%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80>), либо на вход автоматических устройств, отслеживающих частоту вращения.

 - Двигатель постоянного тока задается командой

Электродвигатель постоянного тока (ДПТ)- электрическая машина постоянного тока <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0_%D0%BF%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D1%82%D0%BE%D0%BA%D0%B0>, преобразующая электрическую энергию постоянного тока <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA> в механическую энергию.

 - Осциллограф задается командой

Осциллограф (лат. <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA>oscillo- качаюсь + греч. <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B5%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA> γραφω - пишу) - прибор, предназначенный для исследования (наблюдения <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%B1%D0%BB%D1%8E%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5>, записи <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BF%D0%B8%D1%81%D1%8C>; измерения <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5>) амплитудных <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BC%D0%BF%D0%BB%D0%B8%D1%82%D1%83%D0%B4%D0%B0> и временных <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%80%D0%B5%D0%BC%D1%8F> параметров электрического сигнала <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%81%D0%B8%D0%B3%D0%BD%D0%B0%D0%BB>, подаваемого на его вход, либо непосредственно на экране.

Чтобы увеличить длительность моделирования необходимо выполнить команду меню.

.1 Моделирование структурной схемы замкнутой САР

Рис. 2. - Исходно замкнутая САР

Моделируем исходную замкнутую САР подключая последовательно ступенчатый генератор, 2 сумматора, усилитель, тиристорный преобразователь, генератор и ДПТ, далее на выход двигателя постоянного тока подключаем вход тахогенератора, а выход подключаем на отрицательный вход первого сумматора, далее на выход генератора подключаем вход контура обратной связи (ОСН), а выход подключаем на отрицательный вход второго сумматора, вследствие чего получаем исходную замкнутую САР рис.2.

2.2 Моделирование структурной схемы разомкнутой САР

Моделируем исходную разомкнутую САР подключая последовательно ступенчатый генератор, 2 сумматора, усилитель, тиристорный преобразователь, генератор и ДПТ, далее на выход генератора подключаем вход контура обратной связи (ОСН), а выход подключаем на отрицательный вход второго сумматора далее на выход двигателя постоянного тока подключаем вход тахогенератора, а выход подключаем к осциллографу, вследствие чего получаем исходную разомкнутую САР рис. 2.1

Рис.2.1 - Исходно разомкнутая САР

Выполнено моделирование исходно замкнутой и разомкнутой САР для проверки оценки качества САР.

3. Оценка устойчивости разомкнутого контура САР

Разомкнутый контур САР состоит из устойчивых элементов, но в свою очередь содержит контур обратной связи (ОСН). Следовательно, САР может выть неустойчивой в разомкнутом состоянии. Оценка устойчивости разомкнутой САР осуществляется с целью проверки выполнения необходимого условия практического применения критерия Нейквиста: разомкнутый контур должен быть устойчивым. Критерий Нейквиста выбран для оценки устойчивости САР потому что инструменты этого критерия (логарифмические частотные характеристики) будут применены при структурно-параметрической оптимизации САР. Последнее является определяющим в выборе Нейквиста для оценки устойчивости замкнутой САР. Частотные характеристики разомкнутого контура САР не только позволяют судить о степени устойчивости замкнутой САР и, косвенно, о ее качестве, но и вырабатывать меры и средства оптимизации САР. Традиционно, устойчивость разомкнутого контура определяется с помощью критериев Михайлова и Гурвица. Однако, имея в своем распоряжении моделирующую программу VisSim, можно непосредственно по виду переходной характеритики определить, устойчива ли система. Более того, по виду переходной характеристики качественно можно оценить и степень устойчивости.

Вводим исходные параметры. Блок transferfunction является важнейшим при моделировании САУ. Рассмотрим задание параметров данного блока. Открытие окна свойств данного блока осуществляется двойным нажатием левой клавиши мыши. Свойства блока показаны на рисунке 3.

Рис.3 - Окно свойств, блока TransferFunction

Задание свойств блока передаточной функции осуществляется следующим образом. Допустим, задана передаточная функция ДПТ в виде

Для задания в VisSim необходимо соблюдать следующие правила. В поле Gain (коэффициент усиления системы) вводится значения коэффициента усиления k. В поле Numerator вводятся через пробел коэффициенты полинома числителя передаточной функции в направления убывания степени p. В нашем случае в данное поле вводятся коэффициенты: Тя, Тм и 1. В поле Denominator вводятся через пробел коэффициенты полинома знаменателя передаточной функции в направлении убывания степени p. В нашем случае это 1. В поле Initial Value заполняется в случае, если заданы ненулевые начальные условия. В нашем случае условия не заданы, поэтому оставляем значение по умолчанию равное 0. Рассмотрим задание параметров блока тахогенератора.

Открытие окна свойств данного блока осуществляется двойным нажатием левой клавиши мыши. Свойства блока показаны на рисунке 3.1.

В поле Gain вводим исходные параметры для тахогенератора.

Рис.3.1- Окно свойств, блока gain

После того как ввели исходные параметры для каждого блока запускаем программу нажав клавишу  (Go) или F5 и определяем по виду переходной характеристике, устойчив ли контур рисунок 3.2.

Рис 3.2 - Определение устойчивости разомкнутой САР

На данной переходной характеристике видно что разомкнутый контур неустойчив.

4. Стабилизация разомкнутого контура САР.

Стабилизация разомкнутой САР осуществляется с целью обеспечения выполнения необходимого условия практического применения критерия Найквиста: разомкнутый контур должен быть устойчивым с запасом по амплитуде в диапазоне 20 дБ (в 10 раз)

Изменяя параметры элементов контура местной обратной связи: коэффициенты усиления усилителя и тиристорного преобразователя, а возможно и постоянной времени звена ОСН, добиться чтобы переходный процесс стал апериодическим с перерегулированием не более 520 %. Целесообразным окажется выполнить стабилизацию в два этапа: на первом изменять только коэффициенты усиления и если результаты окажутся недостаточно качественными то на втором этапе можно уменьшить и постоянную времени звена ОСН.

Стабилизация контура уменьшением коэффициента усиления усилителя. Стабилизация САР требует некоторого практического опыта, на основании которого можно определить в каких звеньях следует провести изменения параметров Осуществить стабилизацию разомкнутого контура в данном случае можно меняя параметры двух элементов: усилителя и звена обратной связи по напряжению (ОСН). Для начала попробуем просто уменьшать (увеличивать) коэффициент усиления усилителя до тех пор пока разомкнутый контур не будет переведен в состояние близкое к граничному между устойчивым и неустойчивым режимами.