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

Определение области устойчивости разомкнутой САРНа 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. 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. 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.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. 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.Разомкнутый контур САР состоит из устойчивых элементов, но в свою очередь содержит контур обратной связи (ОСН). Оценка устойчивости разомкнутой САР осуществляется с целью проверки выполнения необходимого условия практического применения критерия Нейквиста: разомкнутый контур должен быть устойчивым. 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. Открытие окна свойств данного блока осуществляется двойным нажатием левой клавиши мыши. В поле Gain (коэффициент усиления системы) вводится значения коэффициента усиления k.Коэффициент усиления усилителя уменьшен до 63, рис. Переходная характеристика имеет колебательную компоненту, амплитуда которой со временем увеличивается. Коэффициент усиления усилителя уменьшен с 29.5 до 7.735 рис. Переходная характеристика имеет колебательную компоненту, амплитуда которой со временем увеличивается. Рис 4.4 - Изменения постоянной времени ОСН, увеличиваем в 10 раз Увеличиваем постоянную времени контура обратной связи по напряжению в 100 раз k=48сек рис 4.5Оценка степени устойчивости замкнутой САР проводится с целью определения необходимых мер и средств оптимизации САР. Оценка осуществляется с помощью логарифмического варианта критерия Найквиста. Это позволяет не только косвенно, по запасам устойчивости, судить о степени устойчивости САР, но и численно определить необходимые для предварительной стабилизации изменения значений параметров элементов. Определить запасы по фазе и амплитуде. Поэтому устойчивость замкнутой САР можно анализировать с помощью критерия Найквиста.Коррекция осуществляется с целью получения работоспособной САР путем оптимизации коэффициента усиления контура управления. Формально, подбор наилучшего значения коэффициента усиления следует называть параметрической оптимизацией системы, в то время как введение ПИ-регулятора и определение его наилучших настроечных параметров является простым случаем структурно-параметрической оптимизации САР, поскольку во втором случае изменяется структурная схема. Прежде чем непосредственно строить ЛАЧХ и ЛФЧХ (логарифмические амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики) необходимо задать пределы частотного диапазона, в котором будут построены характеристики. Для этого в программе VISSIM следует выбрать Analyze - Frequency Range и в появившемся окне задать начало и конец диапазона. Значения концов диапазона следует подбирать так, чтобы на графиках были видны все их характерные особенности.Опускать нужно настолько, чтобы запас по фазе сделать 70 . Из рис 6.2 видно, что ЛАЧХ пришл

Содержание

Введение

Исходные данные

1. Определение передаточных функций элементов САР ЧВ ДПТ

2. Моделирование структурной схемы САР

2.1 Моделирование структурной схемы замкнутой САР

2.2 Моделирование структурной схемы замкнутой САР

3. Оценка устойчивости разомкнутой контура САР

4. Стабилизация разомкнутого контура САР

4.1 Изменение коэффициента усиления усилителя

4.2 Изменение постоянной времени контура ОСН

4.3 Изменение коэффициента усиления усилителя и постоянной времени контура обратной связи по напряжению

5. Оценка устойчивости замкнутой САР

6. Коррекция замкнутой САР

7. Оценка качества САР

8. Определение области устойчивости разомкнутой САР

Введение

Элементы применения автоматических, т.е. работающих без непосредственного участия человека, устройств наблюдаются еще в еглубокой 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.