Расчет системы автоматизированного электропривода
Функциональная схема автоматизированного электропривода постоянного тока. Синтез последовательно корректирующего устройства - регулятора скорости. Построение частотных характеристик неизменяемой и разомкнутой части системы. Исследование точности системы.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.06.2014 |
| Размер файла | 138,0 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
Уральский государственный технический университет - УПИ
Кафедра "Электропривод и автоматизация промышленных установок"
КУРСОВАЯ РАБОТА
дисциплина: Теория автоматического управления
тема: Расчет системы автоматизированного электропривода
Руководитель: Казаков Е.Г.
Студент: Брусницын С.С.
г. Екатеринбург 2005
Содержание
- Введение
- 1. Постановка задачи
- 2. Синтез последовательно корректирующего устройства - регулятора скорости
- 2.1 Построение частотных характеристик неизменяемой части системы
- 2.2 Построение желаемой частотной характеристики разомкнутой системы
- 2.3 Синтез корректирующего устройства
- 3. Исследование надёжности и качества системы
- 3.1 Определение запасов устойчивости
- 3.2 Построение реакции системы i (t), щ (t) на возмущающее воздействие - ступенчатое изменение тока IC (t) = 1 (t)
- 4. Исследование точности системы
- 4.1 Вычисление систематических ошибок
- 5. Конструктивный расчёт регулятора скорости. определение параметров аналогового регулятора скорости
- Заключение
Введение
Современная промышленность и сельское хозяйство характеризуется непрерывным увеличением производительности машин и агрегатов, повышением качества выпускаемой продукции и снижением ее себестоимости. Большие скорости протекания производственных процессов и повышение требований к точности их выдерживания привели к широкому применению систем автоматического регулирования. Система автоматического регулирования должна обеспечивать поддержание на определенном уровне или изменение по заданному закону некоторых переменных характеристик в машинах и агрегатах без участия человека с помощью различного рода технических средств.
Проектирование систем автоматического регулирования можно вести двумя путями: методом анализа, когда при заранее выбранной структуре системы определяют ее параметры; методом синтеза, когда по требованиям к системе сразу же выбирают ее структуру и параметры. Оба эти способа получили широкое практическое применение.
В курсовой работе рассматриваются задачи анализа и синтеза линейных непрерывных систем, а также отдельные приложения теории линейных импульсных систем. В качестве основного метода исследования используется метод логарифмических частотных характеристик.
Проектирование системы автоматического регулирования на основе метода синтеза при регулярных воздействиях осуществляется в следующем порядке:
на основании технических условий определяется неизменяемая часть системы, т.е. совокупность объекта управления, исполнительных органов, измерительных устройств и регуляторов внутренних контуров регулирования и строится логарифмическая частотная характеристика неизменяемой части;
автоматизированный электропривод частотная характеристика
по заданным показателям качества строится желаемая логарифмическая частотная характеристика разомкнутой системы;
определяется тип и параметры корректирующих и усилительных устройств системы методом синтеза;
выполняется анализ качества полученной системы;
находят конструктивное решение корректирующих устройств и устанавливают окончательную структурную схему системы автоматического регулирования.
В курсовой работе все элементы неизменяемой части задаются.
1. Постановка задачи
Требуется провести исследование автоматизированного электропривода постоянного тока, функциональная схема которого представлена на рис. 1.
Схема включает два контура регулирования: внутренний - контур регулирования тока и внешний - контур регулирования скорости. В контур регулирования тока входят регулятор тока (РТ), тиристорный преобразователь (ТП), звено, учитывающее электромагнитную инерцию двигателя постоянного тока (Д1), и датчик тока (ДТ). Регулирование тока в контуре осуществляется регулятором тока РТ, который получает информацию о задачах управления iЗ от регулятора скорости РС (внешний контур регулирования) и информацию о результатах управления от датчика тока ДТ. Регулирование тока осуществляется в соответствии с пропорционально-интегральным законом управления регулятора тока. В контур регулирования скорости входят регулятор скорости РС, замкнутый контур регулирования тока, звено, учитывающее механическую инерцию двигателя постоянного тока (Д2), и датчик скорости ДС. Сигнал задания для системы в целом формируется задатчиком интенсивности (ЗИ), обеспечивающим необходимый темп изменения скорости. В остальном принцип функционирования контура скорости аналогичен контуру тока. При необходимости ограничение значений координат электропривода i и щ может осуществляться нелинейными обратными связями в соответствующих регуляторах.
На основании функциональной схемы электропривода составляется структурная схема системы (рис. 2), которая является основной исходной расчетной схемой. Структура и параметры регулятора скорости являются искомыми и определяются в процессе синтеза исходя из заданных показателей качества системы. К системе приложены воздействия: входной сигнал, определяющий значение скорости электропривода щЗ (t) (далее - управляющее воздействие); момент нагрузки, действующий на валу электродвигателя и представленного в виде статического тока iС (t) (далее - возмущающее воздействие); сигнал помехи N (t) на входе регулятора скорости (далее - помеха).
Проектируемая система должна обеспечить следующие показатели качества переходного процесса при щЗ (t) = 1 (t):
астатизм второго порядка;
перерегулирование у ? (30-50) %;
время достижения максимума tМ = (0,12-0,2) с;
время переходного процесса tП = (0,25-0,4) с.
Данные для расчета:
1) электромагнитная постоянная времени электропривода Тя = 0,02;
2) электромеханическая постоянная времени электропривода Тм = 0,09;
3) коэффициент датчика тока КДТ = 0,405;
4) коэффициент преобразователя КП = 5,2;
5) коэффициент датчика скорости КДС = 1;
6) сопротивление якорной цепи с = 0,14;
7) постоянная времени преобразователя ТП = 0,01;
Все величины выражены в относительных единицах, в качестве базовой системы единиц выбраны номинальные данные электрооборудования и элементов системы управления.
2. Синтез последовательно корректирующего устройства - регулятора скорости
Синтез системы автоматического управления является основной стадией проектирования, сущность которой заключается в таком выборе структуры системы, ее параметров и технической реализации, при котором обеспечиваются требуемые показатели качества регулирования. На этапе синтеза возмущающее воздействие полагается равным нулю. Учитывая то обстоятельство, что структура системы задана рисунком 2, структурная схема при синтезе в общем виде может быть представлена следующим образом:
Рис. 3.1 Структурная схема электропривода в общем виде
2.1 Построение частотных характеристик неизменяемой части системы
Для построения характеристик неизменяемой части, приводим эту часть системы к схеме, состоящей из последовательно соединенных типовых звеньев, путем структурных преобразований.
Рис. 3.2 Исходная структурная схема неизменяемой части
Избавляемся от пересечения связей:
Рис. 4. Схема неизменяемой части без пересечения связей.
Заменяем встречно-параллельное соединение звеном, имеющим аналогичные характеристики:
,
и выносим звено датчика тока ДТ из обратной связи контура тока:
Рис. 5. Упрощенная схема неизменяемой части.
Контур тока включает в себя следующие звенья:
1) Форсирующее первого порядка: К = 1; T = 0,02; щ = 50; ц = arctg (T*щ);
2) Интегрирующее: T = 0,3; щ = 3,3; ц = - р/2;
3) Апериодическое: K = 5,2; T = 0,01; щ = 100; ц = arctg (T*щ);
4) Колебательное: K = 1; T = 0,0424; г = 1; щ = 24; ц = - arctg (2*г*T*щ/ (1-T2*щ2));
5) Дифференцирующее: T = 0,643; щ = 1,56; ц = р/2;
6) Пропорциональное: K = 0,405; ц = 0.
По данным коэффициентам звеньев строим логарифмические амплитудные и фазовые частотные характеристики разомкнутого контура тока (АЧХ и ЛФЧХ).
После построения и суммирования ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутого контура тока строятся характеристики замкнутого контура тока с использованием номограммы замыкания.
Окончательно характеристики неизменяемой части системы включают совокупность характеристик замкнутого контура тока Wзкт (р) и интегрирующего звена с параметрами: T = 0,26; щ = 3,85.
2.2 Построение желаемой частотной характеристики разомкнутой системы
Важнейшим этапом синтеза является построение желаемой ЛЧХ системы, которая определяет показатели качества и точности процессов регулирования. Поскольку исследуемая система - минимально-фазовая, связь между показателями качества переходной функции и видом желаемой ЛАЧХ однозначна.
Низкочастотная часть желаемой характеристики обуславливает точность воспроизведения управляющего воздействия. Форма характеристики в низкочастотной части (0 < щ < щ1Н) соответствует астатизму второго порядка, то есть имеет наклон - 40 дБ/дек.
Частоту щ1Н находим через время переходного процесса tПП и время максимума tМ:
рад/с.
Среднечастотная часть желаемой ЛАЧХ определяет показатели качества замкнутой системы. Среднечастотная часть характеристики с наклоном - 20 дБ/дек имеет частотный диапазон в пределах щн < щ < щв. Этот диапазон включает частоту среза системы, которая рассчитывается через время максимума tМ:
рад/с.
Высокочастотная часть находится в пределах щв < щ < ? и не оказывает существенного влияния на показатели качества системы, поэтому для более простой реализации корректирующего устройства форму желаемой характеристики принимаем такой же, как и ЛАЧХ неизменяемой части в этой же области.
2.3 Синтез корректирующего устройства
В соответствии с методом логарифмических частотных характеристик по ЛАЧХ неизменяемой части системы и желаемой ЛАЧХ определяется ЛАЧХ последовательного корректирующего устройства (регулятора) и передаточная функция регулятора Wрс (р).
Проанализировав получившуюся характеристику получаем, что регулятор состоит из двух звеньев:
1) Интегрирующее: T = 0,0167; щ = 60; ц = - р/2;
2) Форсирующее первого порядка: К = 1; T = 0,1; щ = 10; ц = arctg (T*щ).
3)
3. Исследование надёжности и качества системы
В данном и следующем разделах производится анализ синтезированной системы управления, то есть рассматриваются вопросы устойчивости, качества и точности регулирования.
3.1 Определение запасов устойчивости
Метод логарифмических характеристик даёт возможность сравнительно просто исследовать устойчивость линейной системы. По частотным характеристикам можно судить не только об устойчивости, но и о степени близости системы к границам устойчивости. Для этого обычно оценивают запасы по фазе и амплитуде.
Запасом устойчивости по фазе замкнутой системы называется максимально допустимое увеличение запаздывания по фазе на частоте среза, при котором система доходит до границы устойчивости.
Запасом устойчивости по амплитуде называется максимальное увеличение коэффициента усиления разомкнутой системы, при котором система доходит до границы устойчивости.
При проектировании автоматической системы рекомендуется выбирать запас устойчивости по фазе не менее 30°, а запас устойчивости по амплитуду - не менее 6 децибел.
Запас по фазе ?ц = 43,5°, а запас по амплитуде ?h = 12 дБ.
Запасы устойчивости не ниже рекомендуемых.
3.2 Построение реакции системы i (t), щ (t) на возмущающее воздействие - ступенчатое изменение тока IC (t) = 1 (t)
Устойчивость является необходимым, но недостаточным условием работоспособности автоматической системы. Устойчивость системы гарантирует лишь затухание переходного процесса.
Качество линейной системы принято оценивать по виду переходного прочеса. При этом за стандартный переходный процесс для линейной системы принимают ее реакцию на единичную ступенчатую функцию. Этот процесс называют переходной функцией h (t). По переходной функции определяют основные показатели качества (максимальное перерегулирование, число колебаний, временные характеристики), которые должны соответствовать заданным. Важное значение для электроприводов имеет качество процессов при единичном возмущающем воздействии iС (t) = 1 (t).
Структурная схема системы при указанном условии представлена на рис.6.
Нахождение переходной функции методом трапецеидальных характеристик сводится вычислению интеграла
.
Производим преобразования структурной схемы, в результате которых входным воздействием системы являлся бы сигнал ic (t), а выходным - i (t).
Суммарной характеристикой звеньев на рис.7 является желаемая характеристика. Используя номограмму для определения вещественной частотной характеристики замкнутой системы, определяем Р (щ).
Разбиваем вещественную частотную характеристику Р (щ) на трапеции:
1) Р1 = 1,57; ;
2) Р2 = 0,43; ;
3) Р3 = 0,38; ;
4) Р4 = 0,12; ;
5) Р5 = 0,44; ;
6) Р6 = 0,06; .
По таблице h-функции рассчитаем трапеции. Строим результирующую кривую h (tр) как алгебраическую сумму отдельных составляющих. По полученной переходной функции оцениваем показатели качества системы:
tЗ = 0,016
t1 = 0,064t1
tm = 0.12
tПП = 0,7tПП = tm
у = 38%у = 1 - sin ?ц=1-Sin 43,5o=0,312
Произведём преобразования структурной схемы так, чтобы на выходе появился сигнал по скорости щ (t):
Необходимо замкнуть структурную схему контура с током и только после этого прибавляем звенья для получения контура ?щ (t). После построения суммарных ЛАЧХ и ЛФЧХ используя номограмму для определения вещественной частотной характеристики замкнутой системы, определяем Р (щ).
Для удобства построений и измерений увеличиваем значения Р (щ) в 5 раз.
Разбиваем вещественную частотную характеристику Р (щ) на трапеции:
1) Р1 = 0,12; ;
2) Р2 = 0,13; ;
3) Р3 = 0,026; ;
4) Р4 = 0,084; ;
5) Р5 = 0,14; .
По таблице h-функции рассчитаем трапеции. Строим результирующую кривую h (tр) как алгебраическую сумму отдельных составляющих.
4. Исследование точности системы
4.1 Вычисление систематических ошибок
Для оценки точности системы используется передаточная функция системы по ошибке Це (р), которая определяется по структурной схеме замкнутой системы.
Рис. 9. Структурная схема замкнутой системы.
.
Передаточная функция WЖ (р) имеет вид:
.
Подставив передаточную функцию WЖ (р) в передаточную функцию системы по ошибке Це (р), получим:
По желаемой характеристике рассчитываем коэффициенты:
T1 = 1/ = 1/ = 0,266;
T2 = 1/щ1Н = 1/10 = 0,1;
T3 = 1/щ1В = 1/100 = 0,01.
С0 = Це (р), С0|р>0 = 0.
При дифференцировании в знаменателе р будет увеличивать степень.
,), С1|р>0 = 0.
, С2|р>0 = .
Т.к. первые два коэффициента С0, С1 равны нулю, а С2 отличен от нуля то мы имеем астатизм второго порядка. Система не имеет ошибки по положению и по скорости, но имеет ошибку по ускорению.
4.2 Вычисление оценок степени влияния помех
Системы автоматического управления практически всегда подвержены влиянию внешних воздействий - помех, что может сказываться на их функционировании. При проектировании систем необходимо оценить степень влияния помехи на работу системы.
Требуется оценить степень влияния регулярной помехи. Сигнал помехи описывается как N (t) = a·sin (щ·t), где а = 0,01 и щ = 100с-1.
Оценим влияние помехи на контуры регулирования тока и скорости, используя имеющиеся логарифмические частотные характеристики. Для этого найдем амплитуду пульсаций тока и скорости, обусловленные помехой.
По желаемой логарифмической частотной характеристике:
20·lgAщ (100) = - 16 дБ, откуда Aщ (100) = 10-16/20 = 0,158.
Амплитуды пульсаций скорости, обусловленные помехой без учета обратной связи:
aщ = Aщ (100) ·a = 0,158·0,01 = 0,00158.
Делаем вывод, что сигнал помехи не оказывает существенного влияния на систему автоматического управления, т.к. она составляет 0,00158%.
Для нахождения амплитуды пульсаций тока ai нужно взять значения характеристик замкнутого контура тока и регулятора скорости:
20·lgAi (100) = - 4+16 = 12 дБ, откуда
Aщ (100) = 1012/20 = 3,981.
Амплитуды пульсаций тока, обусловленные помехой:
ai = Ai (100) ·a = 3,981·0,01 = 0,03981.
Делаем вывод, что сигнал помехи не оказывает существенного влияния на систему автоматического управления, т.к. она составляет 0,03981%.
5. Конструктивный расчёт регулятора скорости. определение параметров аналогового регулятора скорости
Для практической реализации регулятора скорости необходимо разработать принципиальную схему устройства и рассчитать параметры его элементов. Принципиальная схема регулятора реализуется в виде активного фильтра (рис. 10).
Рис. 10. Принципиальная схема регулятора.
Задаемся емкостью C = 10 мкФ. Сопротивление R1 можно найти по формуле:
R1 = TИ/C = 0,0167/10-5 = 1,67 кОм.
Сопротивление R2 находится по формуле:
R2 = TФ/C = 0,1/10-5 = 10 кОм.
Заключение
В курсовой работе была исследована система автоматизированного электропривода постоянного тока.
Исследование показало, что система является устойчивой, так как запас по фазе ?ц = 43,5°, а запас по амплитуде ?h = 12 дБ.
Система обладает астатизмом второго порядка, т.е. С0 = 0, С1 = 0, С2 = 0,141512.
Амплитуды пульсаций скорости и тока при воздействии регулярной помехи в виде
N (t) = 0,01Sin (100t) составляют соответственно 0,00158 и 0,03981.
Но система не может быть использована, так как у неё большое время переходного процесса (tПП = 0,7 сек.).
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Проектирование системы однозонного регулирования скорости. Структурная схема заданной части автоматизированной системы управления. Расчет датчиков тока и скорости. Выбор комплектного электропривода и трансформатора. Синтез цифрового регулятора скорости.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 25.12.2014Функциональная и структурная схемы электропривода. Переход к относительным единицам. Определение параметров силового электрооборудования. Построение статических характеристик замкнутой системы электропривода. Выбор типа регуляторов и расчет их параметров.
курсовая работа [90,9 K], добавлен 17.04.2010Составление структурной схемы электропривода с непрерывным управлением. Выбор элементов системы автоматизированного непрерывного регулирования. Моделирование двухконтурной системы по току якоря. Расчет контура регулирования по скорости вращения вала.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 14.01.2015Формулировка требований к системе и расчет параметров электропривода. Синтез регулятора тока. Расчет регулятора скорости. Исследование переходных процессов в системе подчиненного управления с помощью программы "Matlab". Синтез релейной системы.
курсовая работа [3,6 M], добавлен 11.09.2009Функциональная и структурная схема канала регулирования. Синтез регулятора тока и скорости. Статический и динамический расчет системы и переходных процессов. Качество настройки регулятора. Принципиальная электрическая схема якорного канала регулирования.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 28.09.2012Построение логарифмических частотных характеристик разомкнутой системы по заданным показателям качества. Определение по построенным ЛАХ и ЛФХ запасов устойчивости по усилению и по фазе. Передаточная функция разомкнутой системы по построенной ЛАХ.
контрольная работа [1,5 M], добавлен 20.03.2011Расчет регулируемого электропривода постоянного тока; параметры тиристорного преобразователя. Моделирование контуров и скорости тока, настройка на модульный и симметричный оптимумы. Обработка переходных процессов и логарифмических частотных характеристик.
курсовая работа [2,9 M], добавлен 05.06.2013Расчет коэффициента усиления САУ и свойства внешних статических характеристик. Построение частотных характеристик САУ и характеристических корней. Моделирование переходных характеристик и проверка САУ на устойчивость. Синтез корректирующего устройства.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 08.04.2010Анализ автоматической следящей системы, синтез корректирующего устройства и встречного корректирующего звена. Следящее устройство автоматического управления для воспроизведения параметра регулирования, изменяющегося по заранее неизвестному закону.
курсовая работа [5,4 M], добавлен 26.11.2011Расчёт корректирующего звена следящей системы авиационного привода. Определение характеристического уравнения замкнутой САУ. Построение ЛАЧХ неизменяемой части. Проверка по критерию Гурвица на устойчивость заданной системы в замкнутом состоянии.
курсовая работа [3,1 M], добавлен 20.06.2011Разработка регулируемого выпрямителя тиристорного электропривода постоянного тока. Принцип работы и устройство тиристорного электропривода. Расчет трудовых затрат и себестоимости изготовления устройства. Защита выпрямителя от перегрузки по напряжению.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 25.03.2019Основные элементы принципиальной и структурной схемы проектируемой следящей системы. Математическое описание системы. Постановка задачи синтеза. Построение логарифмической частотной характеристики неизменяемой части. Синтез корректирующих устройств.
курсовая работа [1004,6 K], добавлен 30.01.2011Разработка функциональной и принципиальной схем электропривода. Выбор элементов силовой схемы, определение их передаточных функций с учетом диапазона и точности. Расчет переходного процесса по управляющему воздействию. Определение устойчивости системы.
курсовая работа [480,5 K], добавлен 28.01.2015Определение передаточных функций звеньев системы автоматического регулирования (САР). Оценка устойчивости и исследование показателей качества САР. Построение частотных характеристик разомкнутой системы. Определение параметров регулятора методом ЛАЧХ.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 31.05.2013Техническая характеристика конвейерного транспорта, разработка системы автоматического управления. Выбор силового электрооборудования. Построение структурной схемы регулирования тока, контура регулирования скорости. Синтез системы векторного управления.
курсовая работа [842,6 K], добавлен 27.03.2013Основные функции разомкнутой и замкнутой систем. Их амплитудно-фазовые характеристики, частотная передаточная функция. Синтез корректирующего устройства и параметры качества скорректированной системы. Коэффициенты ошибок по задающему воздействию.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 24.06.2013Кинематическая, структурная схема привода. Расчет параметра передаточной функции двигателя. Выбор преобразующего устройства, операционного усилителя. Построение асимптотических частотных характеристик разомкнутой системы. Погрешности, вносимые редуктором.
курсовая работа [314,3 K], добавлен 21.01.2014Выбор силовой исполнительной и измерительной части системы (двигателя и усилителя мощности). Составление уравнения динамики и передаточных функций. Синтез последовательного корректирующего устройства методом логарифмических частотных характеристик.
контрольная работа [377,1 K], добавлен 10.04.2015Проектирование цифрового регулятора для построения электропривода с фазовой синхронизацией, работающего в области низких частот вращения. Основные функции цифрового регулятора. Структура и расчет параметров регулятора и системы управления электропривода.
дипломная работа [3,6 M], добавлен 02.01.2011Методы исследования динамических характеристик систем автоматизированного управления. Оценка качества переходных процессов в САУ. Определение передаточной функции замкнутой системы, области ее устойчивости. Построение переходных характеристик системы.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 29.06.2012
