Проектирование регулятора выходного давления насоса
Разработка системы управления электродвигателем насоса для стабилизации давления на выходе за счет изменения скорости вращения двигателя. Составление математической модели объекта. Определение передаточной функции системы. Линеаризация выбранного режима.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 26.08.2017 |
| Размер файла | 364,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования Российской Федерации
Казанский государственный технический университет им. А.Н.Туполева
Кафедра автоматики и управления
Пояснительная записка
к курсовому проекту по курсу «Системы автоматического управления»
Проектирование регулятора выходного давления насоса
Выполнил студент группы 3410_________________ Илюшин А.Ю.
Руководитель _________________ Маханько А.В.
Оценка ______________________ Маханько А.В.
Содержание
- Введение
- 1. Техническое задание
- 2. Технические требования
- 3. Выбор насоса
- 4. Выбор электродвигателя
- 5. Выбор датчика
- 6. Составление математической модели объекта с приводом
- 7. Определение передаточной функции системы
- 8. Линеаризация в окрестностях выбранного режима
- 9. Синтез регулятора
- 10. Разработка электрической схемы регулирующего устройства
- Заключение
- Список использованной литературы
Введение
На сегодняшний день существует очень много систем автоматического регулирования. Эти системы необходимо исследовать. Исследование дает возможность получить количественную и качественную характеристики действительного процесса.
Моделирование - исследование на лабораторных моделях физических процессов, протекающих в отдельных телах, машинах, сооружениях и других устройствах. Оно позволяет иногда заменить исследование действительного процесса изучением иного процесса, подчиненного тем же закономерностям.
Регулятор-устройство, автоматически поддерживающее в машинах или установках постоянство какого-либо заданного параметра или меняющее его величину по определенному закону. В данном курсовом проекте проектируется и исследуется регулятор давления на выходе насоса. Давление регулируется посредством изменения частоты вращения силового двигателя, приводящего во вращение ротор насоса.
Регулирование скорости электродвигателей - применяемое в электроприводе регулирование скорости вращения. Оно просто осуществляется для электродвигателей постоянного тока и несколько сложнее для электродвигателей переменного тока. В нашем проекте используется способ регулирования частоты вращения, основанный на изменении подводимого к двигателю напряжения при постоянных значениях потока возбуждения и сопротивления в цепи якоря двигателя. Этот способ обеспечивает широкую и удобную регулировку скорости при достаточной экономичности, особенно в мощном электроприводе.
1. Техническое задание
При изменении расхода Q давление на выходе центробежного насоса изменяется (рис.1). Необходимо разработать систему управления электродвигателем насоса для стабилизации давления на выходе (Pст) за счет изменения скорости вращения двигателя.
Рис.1
2. Технические требования
Pст =0,5 Мпа,
Q=200ч1000 л/мин.,
tпп=0,25 с,
б=10 %,
где tпп- время переходного процесса,
б - динамическая ошибка.
3. Выбор насоса
Из справочника [1. с.19.] был выбран центробежный насос марки 3К-6, обеспечивающий заданные характеристики по P и Q, со следующими параметрами:
мощность на валу насоса
Nн=12,5 кВт,
необходимая мощность на валу электродвигателя
Nд=20 кВт,
полный напор
Н=50м=Р=0,5 мПа=500Дж/кг.,
подача
Q=60 м3/час=16,7 л/сек=1002л/мин=0,016м3/сек.,
число оборотов в минуту
n=2900 об/мин=303,5 рад/сек.,
к.п.д. насоса
з=66,3 %.
4. Выбор электродвигателя
Из справочника [2. с.382] был выбран двигатель постоянного тока марки 2ПО180LГУХЛ4, обеспечивающий технические данные насоса. Двигатель имеет следующие параметры:
мощность на валу
Nд=20 кВт,
напряжение питания
Uпит=220 в,
номинальная частота вращения
nном=3000 об/мин=314рад/сек.,
максимальная частота вращения
nном=3500 об/мин=366,3рад/сек.,
к.п.д. двигателя
з=90 %,
сопротивление обмотки якоря при 15оС
Rя=0,025 Ом,
индуктивность цепи якоря
Lя=0,92 мГн,
момент инерции якоря двигателя
Iя=0,23 кг·м2.
5. Выбор датчика
Из справочных данных [2. с.39]был выбран датчик давления модели Метран-22-ДА-АС со следующими техническими характеристиками:
выходной аналоговый сигнал 0-20 мА,
наличие выносного индикатора,
давление на выходе датчика
Рд=0,6 Мпа.,
Uпит=24 В.
Датчик имеет линейно-возрастающую характеристику выходного сигнала.
6. Составление математической модели объекта с приводом
Рис.2
Используем уравнение Лагранжа:
, где
ТУ = УТкин - сумма кинетических энергий всех тел,
qi - обобщенная координата,
Qi - обобщенная сила.
В нашей системе присутствует допущение - связь абсолютно жесткая.
Итак,
Перейдем к преобразованиям Лапласа:
По этому уравнению можно составить следующую схему:
Для простоты произведем замену:
IД+IН=I0
Теперь нам необходимы моменты инерций двигателя и насоса:
Из табличных значений [2. с.393] момент инерции якоря двигателя IД=0,23кг·м2.
По рекомендации руководителя общий момент инерции возьмем на 30% больше момента инерции якоря двигателя, т.е. (0,23·30)/100= 0,069 кг·м2.
=> I0 = 0.23+0.069 ?0,3кг·м2.
7. Определение передаточной функции системы
Двигатель постоянного тока независимого возбуждения:
Рис.3
Здесь имеется допущение: на самом деле индуктивность может быть непостоянной. Найдем неизвестные:
wmax=wхх=366,3рад/сек.
- рассматривается как одно целое значение ТЭ.
LЯ, RЯ - индуктивность и сопротивление цепи якоря соответственно. Из справочника [2. с.382]:
LЯ = 0,92МГн=0,00092Гн.
RЯ = 0,025Ом.
Следовательно:
Момент управления
Напряжение управления
Противо ЭДС
Значение номинального пускового момента можно найти из зависимости момента двигателя от частоты его вращения (рис.4).
При помощи номинального значения частоты вращения и момента нашли точку А. Точка В является значением максимальной частоты вращения. Тогда точка С будет являться значением пускового момента.
Структурная схема ДПТ выглядит следующим образом:
Структурная схема ДПТ с насосом выглядит так:
Данную схему можно преобразовать следующим образом:
Имеется в виду следующая замена:
Таким образом, получилось колебательное звено 2-го порядка. Разложим его на пару апериодических звеньев
Эту систему уравнений решим в пакете MathCad. Постоянные времени получились комплексными. Значит, данное колебательное звено невозможно разложить на апериодические звенья.
Структурная схема регулирования скорости вращения двигателя выглядит следующим образом:
где
- КУ - коэффициент усиления электронного усилителя. Он находится путем подбора в виду того, что Uзад=5В, а напряжение питания двигателя Uпит=220В.
- КД-КА - коэффициент передачи датчика. Он находится из соотношения
Выведем характеристику потребителя статическую характеристику насоса.
Характеристика потребителя представляет собой зависимость давления на выходе насоса от расхода потребителя.
где с- плотность жидкости (воды),
N - мощность на валу насоса, Вт,
Q - расход потребителя, м3/сек.,
P - давление в напорной магистрали насоса, Дж/кг.,
з - к.п.д. насоса.
Отсюда можно вывести следующую формулу:
Варьируя давлением, получим характеристику потребителя (рис.5).
Теперь выведем статическую характеристику насоса.
Вычислим рабочий объем насоса:
где QH -подача насоса,
n-частота вращения ротора двигателя.
Скорость потока жидкости вычисляется по формуле:
где S - площадь поперечного сечения потока жидкости в нашем случае - напорного патрубка).
Давление на выходе насоса
Таким образом, варьируя параметром n, получим статическую характеристику насоса (рис.6). Площадь сечения подберем такую, чтобы номинальному значению частоты вращения двигателя n=3000об/мин. соответствовало номинальное значение давления на выходе насоса P=0.5 Мпа. В данном случае диаметр выходного патрубка равен D=2·r=25,4мм.
Для наглядности системы изобразим графические характеристики зависимостей в пакете MathCad:
Здесь имеется существенный недостаток - обе характеристики насоса нелинейные. Ее необходимо линеаризовать.
Рис.5
Рис.6
8. Линеаризация в окрестностях выбранного режима
.
Тогда система будет выглядеть следующим образом:
где КУ =44 - коэффициент усиления усилителя.
К=10,8 - коэффициент, найденный путем линеаризации статической характеристики.
- коэффициент, найденный путем линеаризации характеристики потребителя.
По принципу суперпозиции:
-в операторной форме,
тогда выход насоса в операторной форме запишется следующим образом:
- уравнение в отклонениях.
Определим передаточную функцию замкнутой системы по задающему воздействию:
Тогда передаточная функция замкнутой системы будет выглядеть следующим образом:
Определим передаточную функцию системы для ошибки д по возмущению f=Q:
д=UЗ-UОС.
Построим логарифмические характеристики системы по возмущению с использованием пакета MatLab (рис.10.).
9. Синтез регулятора
Рассмотрим нашу систему с типовыми П, ПД и ПИД регуляторами соответственно с использованием MatLab (рис.7,8,9.).
Система с П-регулятором:
Система с ПД-регулятором:
Система с ПИД-регулятором:
Построив ЛАХ и ЛФХ разомкнутых систем с этими регуляторами, мы увидели, что наиболее приемлим ПД-регулятор. Однако я использовал метод желаемых ЛАХ и применил корректирующие звенья (последовательность интегрирующего и интегро-дифференцирующего звеньев, см. ниже).
Синтез регулятора реализуется выбором желаемых частотных характеристик, которые находятся по требованиям устойчивости, качества и точности, а также заданной неизменяемой части системы.
Наряду с желаемыми характеристиками проектировщик должен располагать логарифмическими амплитудными и фазовыми частотными характеристиками неизменяемой части системы.
Передаточная функция разомкнутой системы выглядит следующим образом:
Построим логарифмические характеристики разомкнутой системы с использованием пакета MatLab (рис.11).В области положительных значений фазовая характеристика не пересекает ось -180, но она бесконечно к ней приближается. Значит, запас по фазе очень мал. Необходимо построить желаемую характеристику, которая строится следующим образом:
Сначала необходимо определить желаемую частоту среза [4. с.353]. Исходя из заданных параметров системы время переходного процесса
tпп=0,25 с, а показатель перерегулирования б=10 %.
Следовательно:
Проведем через току прямую с наклоном -20 дб/дек, слева и справа обеспечиваем запас по амплитуде 15дб. В области низких частот проводим сопряжение желаемой и нескорректированной ЛАХ с наклоном -40 дб/дек. В области высоких частот строим желаемую ЛАХ параллельно нескорректированной, т.е. -40 дб/дек. Желаемая ЛАХ изображена на рис.12.
Найдем сопрягающие частоты в точках, где желаемая ЛАХ принимает значение -15,1 дб, и где происходит сопряжение желаемой и нескорректированной ЛАХ:
Постоянные времени, соответствующие этим частотам:
Тогда передаточная желаемой ЛАХ будет иметь вид:
Теперь можно найти ЛАХ коррекции по формуле:
Корректирующая ЛАХ изображена на рис.13. По ней видно, что запас по фазе достаточно высок 160.
Передаточная функция корректирующей цепи выглядит следующим образом:
Теперь в систему включен регулятор:
Найдем передаточную функцию желаемой замкнутой системы с помощью пакета Matlab:
Построим переходной процесс желаемой замкнутой системы в Matlab (рис.14).
Судя по переходному процессу можно сделать вывод о соответствии разработанной системы заданным требованиям.
После проведения синтеза системы получим, что электрическая схема корректирующей цепи будет состоять из интегрирующего и интегро-дифференцирующего звеньев.
Расчет интегрирующего звена:
Т1=1,58 сек.
Т2=0,16 сек.
Тогда Возьмем С2=30 мкФ=0,00003 Ф,
Тогда
Из справочной литературы [6. c.62.] выберем резисторы следующих марок:
R1 - МЛТ-0,25 - 47,5кОм 5%,
R2 - МЛТ-0,125 - 5,1кОм2%.
Из справочной литературы [7. c.169] выберем конденсатор марки:
С1 - К10-23-М47-33мкФ.
-конденсатор монолитный керамический.
Расчет интегро-дифференцирующего звена:
T1=0,0256 сек,
Т2=0,0256 сек,
Т3=1,58 сек,
Т4=0,009 сек.
Возьмем С2=10 мкФ,
Тогда
Из справочной литературы [6. c.62.] выберем резисторы следующих марок:
R1 - МЛТ-0,25 - 51кОм 1%,
R2 - C2-29В-0,125 - 853Ом 0,1%.
Из справочной литературы [7. c.169] выберем конденсаторы марки:
С1 - К10-47-Н30-33мкФ.
С2 - К10-23-М47-30мкФ.
-конденсаторы керамические монолитные.
После выбора номиналов резисторов и конденсаторов, строится электрическая схема корректирующей цепи (регулятора).
10. Разработка электрической схемы регулирующего устройства
Разработанная электрическая схема регулирующего устройства находится в чертежах курсового проекта.
Текст программы регулирующего устройства выглядит следующим образом:
#include <ioavr.h>
#include <inavr.h>
#define FCLK 11059000
#define MAX_ADC 0xFF
#define MAX_P 1000
#define NOM_P 500
#define OFFSET_DAC 100
#define DOPUSK_MIN 5
#define DOPUSK_MAX 5
#define STEP_DAC 2
#define DAC_CS(val) \
PORTD_Bit5 = val
#define DAC_WR(val) \
PORTD_Bit4 = val
void init_ports(void);
void watchdog_on(void);
void delay_ms(unsigned int);
void delay_mks(unsigned int);
void upr_dac(unsigned char);
unsigned char adc_code(void);
const unsigned char min = NOM_P * (1 - DOPUSK_MIN / 100.0) * MAX_ADC / MAX_P;
const unsigned char max = NOM_P * (1 + DOPUSK_MAX / 100.0) * MAX_ADC / MAX_P;
void main(void)
{
unsigned char dac;
init_ports();
watchdog_on();
while (1)
{
__watchdog_reset();
dac = adc_code();
upr_dac(dac);
delay_ms(50);
}
}
void init_ports(void)
{
/* Направление разрядов порта: 0 - Вход; 1 - Выход */
DDRA = 0x00;
PORTA = 0x00;
DDRB = 0xFF;
PORTB = 0x00;
DDRC = 0xFF;
PORTC = 0x00;
DDRD = 0xFE;
PORTD = 0xFF;
ACSR = (1 << ACD);
ADMUX = MUX0;
ADCSRA = ((1 << ADEN) | (1 << ADSC) | (1 << ADPS1) | (1 << ADPS2));
}
void watchdog_on(void)
{
__watchdog_reset();
WDTCR |= (1 << WDTOE) | (1 << WDE);
WDTCR = (1 << WDP0) | (1 << WDP1) | (1 << WDP2) | (1 << WDE);
}
void delay_ms(unsigned int wt)
{
do {
__delay_cycles((FCLK / 1000));
} while (--wt);
}
void delay_mks(unsigned int wt)
{
do {
__delay_cycles((FCLK / 1000000));
} while (--wt);
}
void upr_dac(unsigned char code)
{
DAC_CS(0);
delay_mks(5);
PORTB = code;
delay_mks(5);
DAC_WR(0);
delay_mks(5);
DAC_WR(1);
DAC_CS(1);
}
unsigned char adc_code(void)
{
static unsigned char count;
static unsigned char dac;
static unsigned int dt_current_code_adc;
static unsigned int zd_current_code_adc;
static unsigned int dt_release_code_adc;
static unsigned int zd_release_code_adc;
if (!(ADCSRA & (1 << ADSC)))
{
if (ADMUX == MUX0)
{
dt_current_code_adc += ADC;
ADMUX = MUX1;
}
else
{
zd_current_code_adc += ADC;
ADMUX = MUX0;
count++;
}
ADCSRA = ((1 << ADEN) | (1 << ADSC) | (1 << ADPS1) | (1 << ADPS2));
if (count >= 10)
{
dt_release_code_adc = (dt_current_code_adc / count);
dt_current_code_adc = 0;
zd_release_code_adc = (zd_current_code_adc / count);
zd_current_code_adc = 0;
count = 0;
dt_release_code_adc >>= 2;
if (dt_release_code_adc < min)
dac = zd_release_code_adc - dt_release_code_adc + STEP_DAC;
zd_release_code_adc >>= 2;
if (dt_release_code_adc > max)
dac = zd_release_code_adc - dt_release_code_adc - STEP_DAC;
}
}
return dac;
}
Заключение
Целью данного проекта была разработка регулятора выходного давления насоса. В процессе разработки регулятора были частично закреплены знания по теории автоматического управления, разработке электрических схем, разводке и изготовлению печатных плат, графической проектировке нашей системы и программированию микроконтроллеров.
Разработанная система удовлетворяет заданным требованиям по времени переходного процесса и по динамической ошибке. Система устойчива. В целом можно сказать, что проделана довольно сложная работа. Курсовое проектирование на этом завершено.
регулятор давление насос
Список использованной литературы
1. Насосы. Каталог-справочник, 3-е изд., испр. М.-Л., Машгиз, 1960.
2. Справочник по электрическим машинам п/р. П.И. Копылова.
3. Датчики давления. Сведения из интернета.
4. Теория систем автоматического регулирования. В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. Издание второе, исправленное. Москва, 1972.
5. Электротехнические чертежи и схемы. К.К. Александров, Е.Г. Кузьмина. Москва Энергоатомиздат, 1990.
6. Справочник по резисторам. В.В. Дубравский, Д.М. Иванов, п/р И.И. Четверткова и В.М. Терехова, 1991-528 с.
7. Справочник по по электрическим конденсаторам. М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И. Пресняков, 1983-376 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Принцип работы системы автоматической стабилизации давления центробежным насосом с асинхронным двигателем. Электрическая схема автоматической стабилизации давления. Построение ЛАХ и ЛФХ разомкнутой скорректированной системы с учётом нелинейности.
курсовая работа [10,6 M], добавлен 19.05.2016Проектирование и конструирование пьезоэлектрического насоса для микрожидкостного устройства. Моделирование перистальтического пьезонасоса. Создание действующего макета. Испытание элементов насоса. Измерение резонансных частот, выходного давления.
дипломная работа [3,9 M], добавлен 22.10.2016Система автоматического регулирования температуры печи на базе промышленного регулятора Р-111. Поиск математической модели объекта управления в виде передаточной функции, выбор удовлетворительных по точности и качеству параметров настройки регулятора.
курсовая работа [594,8 K], добавлен 25.04.2012Техническое состояние механизмов и узлов системы питания двигателя, его влияние на мощность, экономичность и динамические качества автомобиля. Диагностика топливного насоса высокого давления НД-22 автокрана 3577, регулировочные и структурные параметры.
курсовая работа [4,0 M], добавлен 02.09.2012Обоснование выбора компоновки ШСНУ. Расчет коэффициента сепарации газа у приема насоса. Определение давления на выходе насоса, потерь в клапанных узлах. Расчет утечек в зазоре плунжерной пары. Расчет коэффициента наполнения насоса, усадки нефти.
контрольная работа [99,8 K], добавлен 19.05.2011Составление структурной схемы и определение передаточной функции объекта управления. Построение логарифмических, переходных характеристик и составление уравнения состояния непрерывного объекта. Определение периода квантования управляющей цифровой системы.
контрольная работа [205,5 K], добавлен 25.01.2015Расчёт рабочих, геометрических параметров и выбор насоса, типоразмеров элементов гидропривода. Определение расхода рабочей жидкости проходящей через гидромотор. Характеристика перепада и потерь давления, фактического давления насоса и КПД гидропривода.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 17.06.2011Функциональные возможности системы управления. Контроль температуры цилиндра и формующего инструмента (фильеры) экструдера. Датчик давления расплава на выходе насоса для расплава. Приводы регулировки зазора валков. Тепловые характеристики системы.
контрольная работа [883,8 K], добавлен 02.11.2014Описание работы гидропривода и назначение его элементов. Выбор рабочей жидкости, скорости движения при рабочем и холостом ходе. Определение расчетного диаметра гидроцилиндра, выбор его типа и размеров. Вычисление подачи насоса, давления на выходе.
курсовая работа [232,2 K], добавлен 20.01.2015Анализ система электропривода и выбор рациональной системы для типа ТПМ. Расчет основных параметров насоса и двигателя. Построение технологических характеристик механизма. Проектирование типовой схемы силовых цепей управления системы электропривода.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 18.05.2012Расчет основных параметров объемного гидропривода: выбор трубопровода, рабочей жидкости и давления в системе; определение загрузочного момента на валах, скорости их вращения и перемещения, рабочего усилия на штоках; подбор насоса и гидродвигателя.
курсовая работа [454,5 K], добавлен 26.10.2011Описание технологического процесса и принцип работы системы регулирования. Составление и описание функциональной структуры САР. Свойства объекта регулирования по каналам управления и возмущения по его математической модели в виде передаточной функции.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 17.07.2012Принцип действия исследуемой системы автоматического управления давления в химическом реакторе, построение сигнального графа и разработка математической модели. Определение, анализ параметров главного оператора, контурных и сквозных передаточных функций.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 01.10.2016Проектирование автоматизированной системы для стабилизации давления сокового пара корпусов I и II выпарной станции. Описание используемых средств: Контроль температуры, давления, уровня. Исследование структуры и схемы системы автоматизации, компоненты.
курсовая работа [398,2 K], добавлен 16.03.2016Общая характеристика схемы аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком цилиндров и диском. Анализ основных этапов расчета и проектирования аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком. Рассмотрение конструкции универсального регулятора скорости.
курсовая работа [4,1 M], добавлен 10.01.2014Описание работы схемы объемного гидропривода. Расчет и выбор насоса. Основные требования при выборе параметров гидроаппаратов и кондиционеров рабочей жидкости. Потери давления в гидролиниях и гидроаппаратах. Усилия и скорости рабочих органов насоса.
курсовая работа [337,0 K], добавлен 12.01.2016Расчет ступени центробежного насоса с осевым входом жидкости, с назад загнутыми лопатками. Построение треугольников скоростей на входе и выходе из рабочего колеса, параметры и основные размеры ступени. Переход на другую частоту вращения ротора насоса.
контрольная работа [205,6 K], добавлен 15.02.2012Анализ технологического процесса как объекта управления. Определение структуры основного контура системы. Определение математической модели ОУ. Выбор класса и алгоритма адаптивной системы управления. Разработка структурной и функциональной схемы АдСУ.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 25.04.2010Напорная характеристика насоса (напор, подача, мощность на валу). График потребного напора гидравлической сети. Расчет стандартного гидроцилиндра, диаметра трубопровода и потери давления в гидроприводе. Выбор насоса по расходу жидкости и данному давлению.
контрольная работа [609,4 K], добавлен 08.12.2010Агрегаты электронасосные ЦНС63-1800 для нагнетания воды в скважины системы поддержания пластового давления нефтяных месторождений. Обслуживание оборудования, измерение параметров. Порядок разборки и сборки насоса, его вибродиагностика и центровка.
курсовая работа [317,7 K], добавлен 05.12.2010
