Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОМИИТ)

Кафедра «Автоматика и системы управления»

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «Автоматизированные информационно-управляющие системы»

Проектирование локальных регуляторов в автоматизированных системах управления

Студентка гр. 23-И

Л.А. Чернякова

Руководитель -

А.А. Лаврухин

Омск 2016



Задание

1 Построение модели объекта управления

Вычислить по паспортным данным двигателя необходимые параметры объекта управления ? системы «двигатель ? генератор» и построить его модель в среде Simulink. Следует учитывать, что при вычислениях размерность всех величин следует переводить в СИ. Паспортные данные электродвигателя приведены в таблице 1.

тяговый двигатель управление программный

Таблица 1 - Паспортные данные тягового двигателя постоянного тока

Параметр	Значение для варианта №10
Наименование двигателя	AL4846eT
Номинальное напряжение, В	1500
Номинальная мощность, кВт	700
Частота вращения, об/мин	680
КПД, %	94,3
Сопротивление якорной обмотки, Ом	0,0362
Сопротивление обмотки возбуждения, Ом	0,0408
Число пар полюсов p	6

Промоделировать работу объекта при программном управлении, построить временные диаграммы управляющих напряжений U₁ и U₂, скорости вращения ? и токов i_д и i_г.

2 Анализ устойчивости

Провести линеаризацию объекта. Выполнить анализ устойчивости в случаях, когда входными воздействиями являются и . Построить зависимости степеней устойчивости и колебательности от тока в цепи двигателя .

3 Синтез регулятора системы управления

Выполнить синтез регулятора замкнутой системы управления корневым методом, исходя из обеспечения заданной степени устойчивости. Промоделировать работу замкнутой системы, построить временные зависимости управляющих напряжений и , скорости вращения Щ и токов и .

Построить систему с адаптивным управлением. Промоделировать работу замкнутой системы, построить временные зависимости управляющих напряжений и , скорости вращения Щ и токов и .

Выполнить синтез регулятора замкнутой системы управления путем оптимизации ограничения динамической ошибки. Промоделировать работу замкнутой системы, построить временные зависимости управляющих напряжений и , скорости вращения Щ и токов и .

Сделать обоснованный выбор регулятора.



Реферат

Курсовой проект содержит страниц, рисунков, таблиц, формул, источника.

Автоматизированная система управления, нелинейная система, генератор, регулятор, устойчивость, скорость вращения, линеаризованная система, напряжение, динамическая ошибка.

Объектом разработки является регулятор для диагностического стенда испытания тяговых двигателей.

Пояснительная записка выполнена в программе MicrosoftWord 2010, расчеты выполнены в среде Matlab R2010а, моделирование произведено в пакете Simulink.



Введение

Автоматизированные системы, осуществляющие процесс управления с участием человека, представляют большой класс технических систем от простейших диспетчерских пунктов до сложных комплексов управления технологическими агрегатами, цехами и промышленными предприятиями. Изучение автоматизированных систем является одним из основных элементов подготовки современных специалистов в области автоматизации и управления.

Автоматизированные информационно-управляющие системы, которые организуют целенаправленное управление техническими объектами на основе обработки информации, нашли широкое применение в управлении технологическими режимами и процессами (АСУТП), при проведении экспериментальных научных исследований (АСНИ), а также в автоматизированных комплексах контроля и технической диагностики.

По мере развития автоматического управления определились его основные направления: автоматическое регулирование (стабилизация), программное управление, следящие системы, экстремальное регулирование, поисковые системы, оптимальное управление, самонастраивающиеся системы. Однако внедрение автоматических систем управления не позволило исключить человека из контура управления, а тенденции развития общественного производства наоборот усложнили функции, выполняемые человеком. Эти причины, а также появление ЭВМ способствовали быстрому развитию автоматизированного управления, отличительными чертами которого являются автоматизация комплексов процессов или объектов, включение человека в контур управления, информационный и вероятностный подходы к процессу управления, применение ЭВМ как основного технического средства, реализующего функции управления.

Если проектируемая система в основном предназначена для обработки информации, то выделяют информационно-поисковые и информационно-советующие системы, где применяются как простейшие базы данных, так и достаточно сложный математический аппарат интеллектуальных систем. Другим классом являются автоматизированные информационно-управляющие системы (АИУС), когда основными функциями является управление и при синтезе широко применяются известные методы теории сложных систем и автоматического управления.



1. Построение модели объекта автоматизации

1.1 Диагностический стенд испытания тяговых двигателей

Испытания электродвигателей проводятся для проверки пригодности их к работе и для контроля правильности технологического процесса изготовления или ремонта. Существует несколько видов испытаний (приемочные, приемосдаточные, периодические, типовые и на надежность), каждый из которых определен государственным стандартом.

Приемосдаточным испытаниям подвергается каждая электрическая машина, поэтому объем испытаний должен быть ограниченным, но в то же время должен гарантировать соответствие электрической машины ее паспортным данным. Один из методов приемосдаточных испытаний - метод непосредственной нагрузки - может быть реализован тремя способами: без отдачи и с отдачей энергии в сеть, а также путем взаимной нагрузки. Наиболее экономичный способ, при котором используется взаимная нагрузка, применяется при испытаниях тяговых электродвигателей (ТЭД) на диагностическом стенде.

Две одинаковые машины соединяют между собой механически и электрически и подключаются к внешнему источнику энергии. Одна из машин работает в режиме генератора и отдает всю вырабатываемую электрическую энергию другой машине, которая работает в режиме двигателя и расходует всю свою механическую энергию на вращение первой машины. Расход энергии при испытаниях по методу взаимной нагрузки определяется суммарными потерями в обеих машинах. Если учесть, что КПД тяговых электродвигателей превышает 90%, то оказывается, что для испытаний требуется источник мощности, составляющий всего 10 - 20% мощности каждой испытуемой машины, в этом и заключается экономичность метода.

Для введения энергии в систему применяется способ параллельного включения источника, когда якорные обмотки машин включаются параллельно и когда подключаемый к ним линейный преобразователь (ЛП) обеспечивает необходимый режим напряжения. Компенсацию электрических потерь выполняет вольтодобавочный преобразователь (ВДП) путем регулирования тока в контуре «двигатель ? генератор». Схемы испытательной станции приведены на рисунке 1.

В общем случае возбуждение двигателей может выполняться разными методами, но в связи со спецификой тяговых двигателей (большая мощность, большой пусковой момент) на станции применяется только последовательное возбуждение.

Рисунок 1 - Структурная (а) и принципиальная (б) схемы испытательной станции

1.2 Динамическая модель объекта

Электрическая схема замещения системы «двигатель - генератор» представлена на рисунке 2.



Рисунок 2 - Электрическая схема замещения

В цепи двигателя включены последовательно обе обмотки двигателя (Д): якорная с сопротивлением и индуктивностью и обмотка возбуждения с сопротивлением и индуктивностью , а также обмотка возбуждения генератора (Г) с сопротивлением и индуктивностью . В цепи генератора включена только якорная обмотка генератора с сопротивлением и индуктивностью ЭДС и действуют в якорных цепях двигателя и генератора, в которых также протекают токи и соответственно. На основании второго закона Кирхгофа, записанного для контура К1, выполняется уравнение электрического баланса:



Уравнение электрического баланса для контура К2 записывается аналогично:

В уравнения (1) и (2) входят следующие величины: напряжения линейного u₁ и вольтодобавочного u₂ преобразователей, В; ЭДС двигателя и генератора , В; ток в цепи двигателя , А; сопротивления , , , Ом; индуктивности , , , Гн.

Уравнение механического баланса получается на основе второго закона Ньютона и имеет вид:

где Щ - угловая скорость вращения валов электромеханической системы, рад/с; - момент двигателя, Н•м; - момент генератора, Н•м; - суммарный механический момент внешних сил, действующих на вал двигателя и генератора, Н•м; J - момент инерции системы,

Введем обозначения:

и перепишем уравнения (1) - (3) для изображений сигналов:



Значения вращающих моментов двигателя и генератора зависят от токов в их якорных обмотках и рассчитываются по формулам:

а связь ЭДС двигателя и генератора с угловой скоростью вращения вала описывается соотношениями:

Коэффициенты и зависят от конструктивных параметров электрических машин и тока , который протекает в их обмотках возбуждения. Качественный вид зависимостей этих коэффициентов от тока показан на рисунке 3 и может быть описан нелинейной функцией .

Рисунок 3 - Качественный вид кривой намагничивания



В курсовой работе такие нелинейные функциональные зависимости будем задавать функцией гиперболического тангенса:

где - ток насыщения; б - параметр нелинейности; б = 2.

Гиперболический тангенс при малых значениях имеет зависимость, близкую к линейной, а при приближении значения к его характеристика плавно переходит в режим насыщения.

Ток насыщения предлагается принимать равным максимальному току:

где - номинальный ток двигателя,

где КПД - коэффициент полезного действия двигателя.

Запишем выражения для функций и :

где - постоянные коэффициенты.

Тогда формулы (11) - (14) примут вид:



Значения коэффициентов и определим по паспортным данным двигателя. Рассмотрим схему с последовательным возбуждением ДПТ, которая приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема включения двигателя с последовательным возбуждением

Уравнение электрического баланса в установившемся (номинальном статическом) режиме будет иметь вид:

Значение ЭДС может быть найдено при номинальной скорости вращения по формуле:

Тогда из выражений (23) и (24) следует:



В номинальном режиме связь вращающего момента с током описывается соотношением:

с другой стороны, номинальный момент определяется по выражению:

Из формул (26) и (27) следует, что

Приближенное значение индуктивности обмотки якоря вычисляется по формуле:

где - число пар полюсов электродвигателя.

Для простоты будем считать, что все индуктивности равны: .

Момент инерции следует выбрать любым из диапазона:

Таким образом, после вычисления всех величин, можно окончательно построить динамическую детерминированную модель объекта в виде передаточных функций и связывающих их выражений. Выходной координатой является скорость , а входными воздействиями ? напряжения и .

Из формулы (10) следует уравнение динамики механической части:

Выразим токи из формул (8) и (9) и получим уравнения динамики электромагнитной части:

Механический момент внешних сил М_в является суммой нескольких моментов: внешней нагрузки М_вн.н, сухого трения М_тр, сопротивления М_с, зависящего от скорости вращения вала.

В курсовом проекте будем считать, что момент внешней нагрузки равен нулю (M_вн.н = 0). Значение момента сухого трения M_тр будем считать равным 0,2 M_н. Действие сухого трения приводит к тому, что вращение двигателя начинается лишь после того, как значение момента вращения вала (M_д ? M_г) превысит значение M_тр, поэтому при моделировании следует считать, что при малых значениях (M_д ? M_г) возмущение M_тр должно компенсировать полезный момент, а после превышения порогового значения возмущение M_тр остается фиксированной величиной, равной 0,2 M_н. Такой алгоритм можно описать выражением:



Динамическая нагрузка, зависящая от скорости вращения вала, описывается формулой:

где в - коэффициент,

Все переменные рассчитаем в Matlab:

clear;

clc;

Un = 1500;

Pn = 700000;

Wn = (2*pi*680)/60;

KPD = 0.943;

Rya = 0.0362;

Rv = 0.0408;

R2 = Rya;

R1 = Rv + Rya + Rv;

R_1 = 1.05*R1;

R_2 = 0.97*R2;

p = 6;

Mn = Pn/Wn;

beta = 0.004*Mn;

a = 2;

In = Pn/(Un*KPD);

Imax = 1.2*In;

Lya = (2*Un)/(5*p*Wn*In);

J = 5*((Lya*Pn^2)/((Rya^2)*(Wn^2)*(In^2)));

Cm = Pn/(Wn*(In^2));

Ce = (Un - In*(Rv + Rya))/(In*Wn);

T1 = 3*Lya / R1;

T2 = Lya / Rya;

Таким образом возмущение состоит из двух составляющих - моментов и . Для моделирования можно применить подсистему, собранную в Simulink, структура которой представлена на рисунке 6, где переключатель Switchимеет порог переключения, равный малому положительному числу (например, ) (этот блок включает верхний входной сигнал, если скорость больше нуля), а блок насыщения Saturationимеет пороговое значение .

Рисунок 5 - Модель источника возмущений, действующего на момент вращения вала

Рисунок 6- Модель двигателя



Рисунок 7- Модель генератора

В соответствии со структурной схемой, представленной на рисунке 5, построим модель объекта в Simulink:

Рисунок 8 - Момент объекта при включении тяговых двигателей методом взаимной нагрузки

Здесь структура блока Generate соответствует модели, приведенной на рисунке 7, а структура блока Dvigatelсоответствуетмодели, приведенной на рисунке 6.



1.3 Моделирование при программном управлении

Рассмотрим функционирование объекта при одном из типовых входных воздействий. Тяговые двигатели имеютбольшое значение пускового момента, и при подаче скачка напряжения на их обмотки происходит резкое увеличение тока, многократно превышающего допустимое значение, в связи с этим на практике применяют различные системы запуска, ограничивающие ток и постепенно увеличивающие скорость вращения вала. Таким образом, вместо единичного скачка 1(t) в качестве управляющих напряжений и будем использовать сигналы, линейно нарастающие до заданного уровня.

Рассмотрим режим работы, когда от нулевого момента времени () до (3 мин) происходит разгон, затем от до момента (18 мин) поддерживается постоянная скорость, и на отрезке времени от до (20 мин) происходит плавное торможение. Управляющие воздействия на первом отрезке [;] зададим линейно нарастающими от нуля до значений (1500 В) и (100 В), на втором отрезке [;] ? постоянными (= 1500 В и = 100 В) и на третьем [;] ? линейно убывающими до нуля. Каждое из управляющих воздействий зададим в пакете Simulink с помощью блока SignalBuilder, расположенного в библиотеке элементов Sources.

Временные диаграммы изменения управляющих воздействий и и скорости Щ(t) показаны на рисунках 9 - 11. Временные диаграммы токов и представлены на рисунках 12, 13.



Рисунок 9 - Временная диаграмма управляющего воздействия u₁(t)

Рисунок 10 - Временная диаграмма управляющего воздействия u₂(t)

Рисунок 11 - Временная диаграмма изменения скорости



Рисунок 12 - Временная диаграмма изменения токов

Рисунок 13 - Временная диаграмма изменения токов

При управлении реальным объектом могут возникать отклонения реальных значений параметров объекта от параметров его модели, более того, модель всегда является приближенным описанием реального объекта, поэтому при программном управлении невозможно получить точное желаемое значение выходной координаты. Таким образом, необходимо применять принцип управления по отклонению, когда задается желаемое изменение скорости вращенияg(t) и определяются управляющие воздействия и так, чтобы в каждый момент времени минимизировать ошибку:

Размещено на Allbest.ru

...