Курсовая работа (т): Система автоматического регулирования соотношения скоростей двигателей
Система автоматического регулирования соотношения скоростей двигателей
Министерство образования Российской Федерации
Тульский государственный университет
Кафедра
автоматики и телемеханики
Пояснительная записка к курсовой работе
по дисциплине
«Моделирование систем»
Система автоматического регулирования соотношения скоростей
двигателей
Выполнил: студент группы 220611
Кирьяков И.В.
Проверил: ассистент кафедры АТМ
Лесин В.О.
Тула 2003
Содержание
Введение
Принцип действия САР соотношения скоростей вращения двигателей
Построение сигнального графа САР соотношения скоростей вращения двигателей
Система дифференциальных уравнений
Линеаризация системы дифференциальных уравнений
Взвешенный сигнальный граф и структурная схема линейной математической модели САР соотношения скоростей вращения двигателей
Передаточные функции САР соотношения скоростей вращения двигателей
Заключение
Список использованных источников
Введение
Нормальный ход различных технологических и производственных процессов может быть обеспечен лишь тогда, когда те или иные величины, характеризующие эти процессы, удовлетворяют определенным условиям.
Так, например производство химических продуктов требует постоянства количества и концентрации их компонентов. При термической обработке изделий нужно, чтобы температура печи изменялась по определенному закону с течением времени и т.п.
Необходимость поддержания той или иной величины или изменения её в соответствии с каким-либо законом возникает в самых разнообразных отраслях техники. В энергосистемах должно поддерживаться постоянство напряжения и частоты, активной и реактивной мощностей, в атомной энергетике - постоянство мощности энергетического ядерного реактора, в радиосвязи - постоянство усиления, напряжения, частоты, тока, в космонавтике необходимо обеспечение движения космического корабля по заданной траектории и т.д. Сами по себе объекты, в которых протекают те или иные рабочие процессы, часто не обеспечивают нормального их хода, иначе говоря, сами по себе объекты не могут устранить отклонения в режиме работы, вызываемого различными причинами. Поэтому такие объекты снабжаются управляющим или регулирующим органом, воздействием на который можно изменить режим их работы, а значит нужным образом управлять процессом.
Создание условий, обеспечивающих требуемое протекание процесса, т.е. подержание необходимого режима работы, называется управлением.
Управление может быть ручным и автоматическим. При ручном управлении воздействие на управляющий орган осуществляет человек, наблюдающий за ходом процесса и за отклонением этого процесса от требуемого, и воздействующий в зависимости от этого отклонения на управляющий орган так, чтобы процесс удовлетворял заданным требованиям.
При автоматическом управлении воздействие на управляющий орган осуществляет специальное управляющее устройство. В простейшем случае задача управления может состоять в поддержании постоянства тех или иных величин, характеризующих рабочий процесс. В этом случае процесс управления называют регулированием, а управляющее устройство - автоматическим регулятором.
В данной работе описывается принцип работы системы
автоматического регулирования (САР) соотношения скоростей вращения двигателей,
строится её линейная математическая модель, а также рассматривается ряд
параметров, характеризующих систему, и зависимость их друг от друга.
Принцип действия системы автоматического
регулирования соотношения скоростей вращения двигателей
Системы автоматического управления отличаются друг от друга объектами управления, физической природой управляемых и регулируемых величин, конструкциями элементов управляющих устройств. Тем не менее, вне зависимости от этих различий можно выделить несколько типов элементов, каждый из которых характеризуется определенной функцией в составе автоматической системы:
1) объект управления или регулирования (ОУ0;
2) измерительное устройство (ИЗУ);
3) задающее устройство (ЗУ);
4) сравнивающее устройство (СУ);
5) усилительное устройство (УУ);
6) исполнительное устройство (ИУ);
7) корректирующее устройство (КУ).
Элементы 2-7 образуют управляющее устройство или в простейшем случае - регулятор. В ряде управляющих устройств некоторые из этих элементов могут отсутствовать, а другие быть объединены.
Взаимосвязь элементов САУ отражает ее функциональная схема. Общая функциональная схема САУ изображена на рис. 15. Отдельные функциональные элементы изображаются на схеме в виде прямоугольников, а стрелки указывают направление передачи сигналов между элементами. Отдельный функциональный элемент на схеме может иметь несколько входов (входящих стрелок), но выход всегда только один.
автоматический регулирование вращение двигатель
Рисунок 1 - Общая принципиальная схема САР
На функциональной схеме каждый прямоугольник изображает конкретное техническое устройство, а стрелки соответствуют конкретным физическим величинам, играющим в данной системе роль сигналов, передающих информацию между элементами схемы.
Рассмотрим назначение и особенности элементов функциональной схемы.
. Объект управления ОУ. Вследствие большого разнообразия объектов управления физическая природа управляемых величин различна. Она может представлять собой напряжение, скорость вращения, угловое положение, курс, мощность, и так далее. Изменение режима работы осуществляет управляющий орган. представляющий собой часть объекта (обмотки возбуждения генератора, руль корабля. стержни ядерного реактора, вентиль в паросиловых установках и т. д.).
Объекты управления по своим общим свойствам могут быть устойчивыми (с самовыравниванием), нейтральными и неустойчивыми (без самовыравнивания). В зависимости от того, какая величина является управляемой, один и тот же объект может быть устойчивым или нейтральным.
Для осуществления автоматического управления необходимо хорошо знать свойства и особенности объектов. Для изучения конкретных объектов и их свойств привлекаются сведения из специальных дисциплин соответствующей отрасли техники (электротехники, энергетики, ядерной техники, химической технологии, авиации и т. п.).
. Измерительное устройство ИЗУ. Назначением измерительного устройства является измерение действительного значения управляемой величины. В зависимости от природы управляемой величины измерительные устройства могут быть самыми разнообразными. Всякое измерительное устройство является преобразователем управляемой величины в величину, вообще говоря, иной физической природы, удобную для дальнейшего использования.
. Задающее устройство ЗУ. Предназначено для установления необходимого значения управляемой величины. Усилие, необходимое для установки заданного значения или закона изменения регулируемой величины, как правило, весьма мало. Как и измерительное устройство, задающее устройство часто является преобразователем. Величина на выходе задающего устройства должна быть одинаковой природы с величиной на выходе измерительного устройства.
. Сравнивающее устройство СУ. Назначением сравнивающего устройства является сопоставление значения управляемой величины с ее заданным значением и, следовательно, выявление отклонение отклонения управляемой величины от заданного значения. Сравнивающее устройство обычно осуществляет операцию вычитания двух величин. Сравнивающее устройство называют также датчиком ошибок, отклонения или рассогласования.
. Усилительное устройство УУ предназначено для усиления мощности сигналов ошибки. Оно управляет энергией, поступающей от постороннего источника. В управляющих устройствах широко используются электронные, магнитные, гидравлические, пневматические усилители. В простейших устройствах усилительное устройство может отсутствовать.
. Исполнительное устройство ИУ. Назначением исполнительного устройства является воздействие на управляющий орган объекта.
. Корректирующее устройство КУ применяется для изменения свойств САУ в нужном направлении. Корректирующие устройства образуют внутренние связи в системе. Часто корректирующие устройства используются для формирования управляющих воздействий, зависящих от задающих и возмущающих воздействий, что позволяет существенно повысить динамические свойства автоматических систем.
Принцип действия системы автоматического регулирования соотношения скоростей вращения двигателей
Принципиальная схема данной САР приведена на рис. 2
Прежде
всего найдём объект управления, управляемую величину и управляющее воздействие.
В данной системе объектом управления является двигатель Д1,
управляемой величиной - скорость вращения этого двигателя 
д1, а
управляющим воздействием является напряжение Uз, подаваемое на клеммы усилителя У.
1. Измерительным устройством в данной САР являются тахогенераторы ТГ1 и ТГ2.
. Задающее устройство в данной системе - это напряжение питания усилителя Uз.
В данной САР нет независимого сравнивающего устройства: оно встроено в усилитель У.
. САР соотношения скоростей вращения двигателей имеет два усилительных устройства: электронный усилитель У и электронно-машинный усилитель ЭМУ.
. Выявим возмущающие воздействия, связывающие систему с внешней средой. К таковым относятся: напряжение возбуждения двигателей UВД1 и UВД2, напряжение возбуждения тахогенераторов UВТ1 и UВТ2, напряжение питания двигателя UДВ2 и момент сопротивления нагрузки на валу двигателя MC1.
Кратко
опишем принцип функционирования системы автоматического регулирования
соотношения скоростей вращения двигателей. Задача регулятора состоит в том,
чтобы поддерживать число оборотов Д1 двигателя Д1 в заданных пределах
при изменении нагрузки. Нагрузкой двигателя является момент сопротивления на
его валу МС1. Для измерения скорости вращения двигателя Д1
применяется тахогенератор ТГ1, создающий напряжение UТГ1, и,
пропорциональное числу оборотов. Скорость вращения двигателя Д2
измеряется тахогенератором ТГ2, создающем напряжение UТГ2, и,
пропорциональное числу оборотов. Напряжение Uз, определяет максимальное напряжение UУ на выходе усилителя.
Электронно-машинный усилитель ЭМУ, входящий в состав системы
представляет собой усилитель мощности. При неравенстве напряжений UTГ1 и UТГ2 появляется
напряжение U на входе электронного усилителя У. В
результате число оборотов двигателя Д1 изменяется так, чтобы
рассогласование U уменьшилось.
Анализ
поведения системы при скачкообразном изменении возмущающего воздействия
Рассмотрим
поведение системы при скачкообразном изменении возмущающего воздействия момента
сопротивления нагрузки MC1.
Пусть задающее напряжение UЗ постоянно,
а величина сопротивления меняется по закону, изображённому на графике (рис.
2,а).
Если
напряжение UДВ1
останется неизменным, то скорость вращения Д1 неизменно упадёт в соответствии с нагрузочной
характеристикой двигателя. Для того чтобы скомпенсировать увеличение момента
сопротивления необходимо увеличить напряжение UДВ1. Такое увеличение действительно происходит в системе
вследствие увеличения сигнала ошибки U и
напряжения возбуждения генератора UОВУ. Но компенсация увеличения момента сопротивления не
будет полной и скорость вращения двигателя всё же уменьшится. Действительно
напряжение на якоре двигателя UДВ1
может увеличиться только за счёт увеличения сигала ошибки U,
равного разности напряжения задания UR и
напряжения тахогенератора UЗ,
т.е. в конечном итоге только за счёт уменьшения скорости вращения двигателя Д1.
Очевидно, что уменьшение будет тем меньше, чем выше коэффициент усиления
напряжения ошибки усилителем У и электромашинным усилителем ЭМУ.
Таким
образом, в данной САР, скорость вращения двигателя Д1 Д1 в
установившемся режиме зависит от величины нагрузки МС1, т.е.
САР соотношения скоростей вращения двигателей является статической системой со
статическим отклонением 
(рис. 2,б).
Составим функциональную схему САР соотношения
скоростей вращения двигателей (рис.3):
Построение сигнального графа САР соотношения скоростей вращения двигателей
Вид математической модели САУ (системы её дифференциальных уравнений) зависит прежде всего от того, совместное изменение во времени каких переменных отражает данная модель и какова качественная структура взаимосвязи этих переменных. Структуру взаимосвязи переменных в системе отражает сигнальный граф САУ.
Сигнальный граф является направленным графом и как таковой представляет собой совокупность множества элементов (множества вершин) и некоторого множества упорядоченных пар этих элементов (множества направленных рёбер). В сигнальном графе роль множества вершин играет множество сигналов в САУ, совместное изменение которых во времени описывается данной математической моделью.
Составление списков сигналов,
соответствующих вершинам сигнального графа
Прежде всего необходимо составить список сигналов, играющих роль внешних вершин графа. В него входят задающее и возмущающие воздействия:
) напряжение задания UЗ [В], подаваемое на электронный усилитель
2) скорость
привода ЭМУ 
[
]
) момент
сопротивления нагрузки на валу двигателя Д1 МC1 
) момент
сопротивления нагрузки на валу двигателя Д2 МC2
) напряжение возбуждения двигателя Д1 UВД1 [B]
) напряжение возбуждения двигателя Д2 UВД2 [B]
) напряжение возбуждения тахогенератора ТГ1 UВТ1 [B]
) напряжение возбуждения тахогенератора ТГ2 UВТ2 [B]
В список внутренних вершин заносим прежде всего управляемую величину и все другие оставшиеся величины, действующие на выходах функциональных элементов.
Теперь для каждого элемента функциональной схемы дополняем список внутренних переменных физическими величинами, отражающими механизм передачи сигналов от входа к выходу данного функционального элемента.
Для ЭМУ постоянного тока с напряжением UУ на входе таковыми являются:
§ ток якоря IУ [A];