Система автоматической стабилизации скорости вращения планшайбы токарно-карусельного одностоечного станка 1512Ф3

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Курс теории автоматического управления ставит своей целью ознакомить с общими принципами построения систем автоматического управления, с процессами в этих системах и методами их исследования. Принципы построения систем автоматического управления связаны с общими законами управления, значение которых выходит далеко за пределы технических задач.

Теория автоматического управления сформировалась в самостоятельную науку, в первую очередь на основе изучения процессов управления техническими устройствами. Изучение принципов построения и исследования систем автоматического управления в курсе ТАУ проводится на основе рассмотрения управления различными техническими устройствами, и первое понятие, которое конкретизирует довольно широкое поле деятельности этого курса является автоматическое регулирование. Под автоматическим регулированием понимают поддержание на определенном уровне или изменение по закону некоторых переменных характеристик (регулируемых величин) в машинах и агрегатах без участия человека с помощью различного рода технических средств.

Рассматриваемые принципы управления имеют более широкий общий смысл и могут быть применены при изучении процессов управления в совершенно иных системах, например, в биологических, экономических, социальных и др.

РАЗДЕЛ 1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ТРЕБОВАНИЙ К САУ

Станок 1512Ф3 предназначен для токарной обработки деталей сложной конфигурации, на нем можно производить обтачивание и растачивание поверхностей с криволинейными и прямолинейными образующими; сверление, зенкерование и развертывание центральных отверстий; прорезание кольцевых канавок, нарезание различных резьб резцами. Класс точности станка Н. моделирование управление датчик

Станок главным образом предназначен для обработки больших цилиндрических деталей. Деталь устанавливается вертикально на стол, резец подводится сбоку.

Важные технические характеристики станка:

Число частот вращения планшайбы 18;

Минимальная частота вращения планшайбы 5 мин^-1;

Максимальная частота вращения планшайбы 25 мин^-1.

Кинематика станка:

Главное движение осуществляется от трехфазного асинхронного двигателя номинальной мощностью 30 кВт и номинальной частотой вращения 1460 мин^-1.

Необходимость автоматического управления вращением стола.

Отказавшись от механической ступенчатой коробки передач мы получим ряд преимуществ:

- Отпадает необходимость в громоздком редукторе;

- Требуется гораздо меньшее число колес;

- Упрощается ремонт и обслуживание;

- Повышается точность обработки;

- Появляется возможность плавного регулирования частоты вращения стола.

В итоге технологическая схема станка будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 1 - Технологическая схема САР

Теперь главное движение будет осуществляться от двигателя постоянного тока той же мощности, через ту же ременную передачу, как и в базовом варианте станка, уменьшенный редуктор и пару конических колес.

РАЗДЕЛ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ САУ

2.1 Анализ технологического процесса как объекта управления

Объектом управления будет являться двигатель постоянного тока. Схематично это можно представить следующим образом:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 - ДПТ как объект управления

Управляющие воздействия:

U_я - напряжение якорной обмотки;

i_ов - ток в обмотке возбуждения;

Ф - магнитный поток.

Управляемые параметры:

w - частота вращения.

Возмущающие воздействия:

М_н - момент нагрузки;

F_ТР - сила трения механизмов.

Помехи:

dU_сети - перебои сетевого напряжения;

Износ подшипников и механизмов.

2.2 Выбор канала управления

Наиболее важным выходным параметром в данном технологическом процессе будет являться частота вращения вала двигателя. Управление этой величиной задается изменением напряжения на якоре (U_я). Изменение напряжения будет осуществляться посредством двухкомплектного тиристорного преобразователя и СИФУ (системы импульсно-фазового управления).

Получаем следующую структурную схему:

Рисунок 3 - Структурная схема САУ

На рисунке:

ДПТ - двигатель постоянного тока;

Д - датчик;

ТП - тиристорный преобразователь;

СИФУ - система импульсно-фазового управления;

УЧ - управляющая часть.

УЧ данной системы включает в себя элемент сравнения, фильтры и регуляторы (с токовым выходным сигналом).

Сигнал с УЧ поступает в СИФУ, которая, в свою очередь, изменяет угол управления тиристорами и подает управляющие импульсы на них.

ТП предназначен для управления частотой вращения вала двигателя и преобразует трехфазное выходное напряжение в однофазное напряжение питания ДПТ.

РАЗДЕЛ 3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ САУ

3.1 Выбор датчика

В качестве датчика будет использоваться тахогенератор.

Рисунок 4 - Измерение частоты вращения вала двигателя

Вал двигателя жестко соединен с валом тахогенератора. На выходе тахогенератора создается напряжение, пропорциональное скорости вращения вала.

Выбираем тахогенератор ТГП-3А. Тахогенератор представляет собой генератор постоянного тока с возбуждением от постоянных кольцевых магнитов. Предназначен для получения напряжения, линейно изменяющегося в зависимости от частоты вращения якоря. Максимальная частота вращения якоря 2500 об/мин. Крутизна характеристики выходного напряжения тахогенератора на каждые 1000 об/мин якоря при нагрузке внешним сопротивлением 4-4,5 В. Масса 70 г. В нашем случае будет 8,48 В, т.к. номинальная частота вращения двигателя будет составлять 2120 об/мин.

3.2 Выбор исполнительного устройства

Как было сказано выше, в качестве исполнительного устройства будет использоваться двигатель постоянного тока. По справочникам и прайс-листам различных заводов-изготовителей был выбран следующий двигатель:

Тип 4ПНМ180LО4;

Мощность 30 кВт;

Номинальный момент 135 Н*м;

Номинальная частота вращения 2120 об/мин;

Максимальная частота вращения 3700 об/мин;

Напряжение якоря 440 В;

Ток якоря 74,8 А.

3.3 Выбор задающего устройства

Управляющее устройство и задающее устройство поставляются в комплекте с промышленным регулятором Р17.

Некоторые технические характеристики:

Напряжение питания 220 В промышленной частоты 50 Гц;

Потребляемая мощность не более 15 ВА;

Входные сигналы:

- индуктивности0..10 мГн

- токовые0..5 мА

- напряжения0..10 В (будет использоваться именно этот вход)

Выходные сигналы:

- токовые 0..5 мА, 0..20 мА, 4..20 мА

- напряжения 0..10 В.

4. АНАЛИЗ ТОЧНОЧТИ И РАБОТОСПОСОБНОСТИ СИСТЕМЫ

4.1 Оценка точности системы в установившемся режиме

Структурная схема системы будет иметь вид:

Рисунок 5 - Структурная схема САУ

На рисунке ЗУ - задающее устройство;

Ф - фильтр, апериодическое звено;

Р - регулятор (Р17), работает по пропорционально-интегрально-дифференцирующему закону;

ТП - тиристорный преобразователь, пропорциональное звено;

ОУ - объект управления (двигатель), колебательное звено;

Д - датчик (тахогенератор), пропорциональное звено.

Передаточные функции звеньев:

Wф(P) = Kф/(ТфР+1)Kф=1, Тф=0,5

Wр(P) = Кр(1+Тр₁Р/(0,1Тр₁Р+1)+1(Тр₂Р))Кр=2, Тр₁=1, Тр₂=1,5

Wтп(P) = КтпКтп=3

Wоу(P) = Коу/((Тоу₁Р+1)(Тоу₂Р+1))Коу=1,5, Тоу₁=3, Тоу₂=2,5

Wд(P) = КдКд=1,5

Параметры системы:

t_n = 20время переругулирвания;

у = 25перерегулирование;

M = 1,3колебательность;

е = 0,2статическая ошибка.

Запишем уравнение разомкнутого контура:

Wpk(P) = Wф(P)*Wтп(P)*Wоу(P)*Wд(P) =

= Кф*Ктп*Коу*Кд/((ТфР+1)(Тоу₁Р+1)(Тоу₂Р+1))

Ф_хз-е(Р) = 1/(1+Wpk(P)) = 1/(1+6,75/((0,5Р+1)(9Р+1)(2,5Р+1))) =

= ((0,5Р+1)(9Р+1)(2,5Р+1))/((0,5Р+1)(9Р+1)(2,5Р+1)+6,75)

Находим статическую ошибку:

Вывод: в соответствии с заданным значением статической ошибки система является точной.

4.2 Оценка устойчивости системы по заданному методу

Был выбран метод проверки устойчивости по Михайлову. Проверка производилась на ЭВМ в программном пакете MatLab.

Сначала записываем уравнение разомкнутого контура:

Wpk(P) = Wф(P)*Wтп(P)*Wоу(P)*Wд(P) =

= Кф*Ктп*Коу*Кд/((ТфР+1)(Тоу₁Р+1)(Тоу₂Р+1))

Составим характеристическое уравнение:

1 + Wpk(P) = 0

1 + Кф*Ктп*Коу*Кд/((ТфР+1)(Тоу₁Р+1)(Тоу₂Р+1)) = 0

1,875Р³ + 10,25Р² + 5,5Р + 6,75 = 0

Годограф Михайлова удалось вывести на экран следующим образом:

>w=[0:0.1:5];

>q=-1.875.*w.^3+5.5.*w;

>p=-10.25.*w.^2+6.75;

>plot(p, q)

>grid

>plot(ScopeData(:,1), ScopeData(:,2))

Рисунок 5 - Годограф Михайлова

Годограф Михайлова проходит последовательно через первый, второй и третий квадранты, следовательно смоделированная система является устойчивой.

4.3 Определение структуры и параметров корректирующего устройства

Запишем уравнение разомкнутого контура:

Wpk(P) = Wф(P)*Wтп(P)*Wоу(P)*Wд(P) =

= Кф*Ктп*Коу*Кд/((ТфР+1)(Тоу₁²Р²+Тоу₂Р+1)) =

= 1*3*1,5*1,5/((0,5Р+1)(9Р²+2,5Р+1)) =

= 6,75/((0,5Р+1)(9Р+1)(2,5Р+1))

КТ₁Т₂Т₃

К = 6,7520lgK = 16,59

Т₁ = 0,5w₁ = 1/Т₁ = 1/0,5 = 2

Т₂ = 9w₂ = 1/Т₂ = 0,11

Т₃ = 2,5w₃ = 1/Т₃ = 0,6

Рисунок 6 - ЛАЧХ разомкнутого контура и скорректированной системы и ЛФЧХ

Lky(w) = Lck(w)-Lнс(w)

T₁ = 1/w₂ = 1/0,11 = 9.09

T₂ = 1/w₁ = 1/2 = 0,5

Wky(P) = (T₁P+1)/(T₂P+1)

Построение ЛФЧХ:

Уравнение разомкнутого контура:

Wpk(P) = 6,75/((0,5Р+1)(9Р+1)(2,5Р+1))

ц(w) = arctg(k)-arctg(T₁P+1)-arctg(T₂P+1)-arctg(T₃P+1)

ц(w) = -arctg(T₁w/1)-arctg(T₂w/1)-arctg(T₃w/1)

Таблица 1 - Координаты точек для построения ЛФЧХ

w	0	0,1	1	5	8	10
ц(w)	0	-58,9	-178,4	-242,35	-252,3	-255,76

По графику было определено, что запас системы по фазе равен Дц=20є, по амплитуде ДL=3 дБ.

РАЗДЕЛ 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ САУ

5.1 Получение графика переходного процесса на ЭВМ

Сначала в пакете MatLab была смоделирована система, при помощи библиотек Simulink и Toolbox. Конечная система имела вид:

Рисунок 7 - Математическая модель системы

5.2. Оценка качества системы по графику переходного процесса

В пакете MatLab был получен график переходного процесса следующего вида:



Рисунок 8 - График переходного процесса.

По заданию время перерегулирования было равно 20 (t_n=20). Судя по графику, оно составляет 0,8.

Перерегулирование было задано значением 25. По графику получаем:

у = (Х_мах-Х)/Х = (0,8-0,65)/0,65 = 0,246 или 24,6%

Колебательность системы была задана М=1,3, по графику переходного процесса получаем:

М = А₁/А₃ = 0,15/0,06 = 0,83 < M_зад=1,3

РАЗДЕЛ 6. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ САУ

С задающего устройства подается сигнал на сумматор, который сравнивает сигнал задания и сигнал обратной связи, получая при этом сигнал рассогласования. Сигнал рассогласования поступает на регулятор. На основании сигнала рассогласования по ПИД - закону регулирования формируется управляющее воздействие. Сигнал с регулятора поступает в СИФУ, которая, в свою очередь, изменяет угол управления тиристоров и подает управляющие импульсы на них. Поступивший сигнал в ТП, который управляет частотой вращения вала двигателя и преобразуем трехфазное входное напряжение питания ДПТ. ДПТ соединен с валом ТГ, который измеряет частоту вращения вала ДПТ и преобразует его в электрический выходной сигнал, который, в свою очередь, поступает через фильтр на сумматор в качестве сигнала обратной связи.

На следующем рисунке представлена принципиальная схема САР.

Рисунок 9 - Принципиальная схема САР

Размещено на Allbest.ru

...