Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Кафедра "Автоматика и системы управления"

СИНТЕЗ ТИПОВЫХ РЕГУЛЯТОРОВ В СИСТЕМЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине “Теория автоматического управления”

Студент гр. 23И

Т.А.Задорожняя

Руководитель -

А.А. Лаврухин

Омск 2016

Задание

Рассчитать по паспортным данным двигателя необходимые параметры, получить передаточную функцию с рассчитанными значениями всех коэффициентов (в виде звена второго порядка). Собрать модель электродвигателя с рассчитанными параметрами в среде Simulink в соответствии со схемой. Промоделировать работу двигателя. Рассчитать настроечные параметры регуляторов. Для каждого из рассчитанных регуляторов получить запасы устойчивости по логарифмическим характеристикам, показатели качества и точности ? по кривым переходных процессов. На основе сравнения этих параметров необходимо выбрать наилучший регулятор.

Таблица 1 - Исходные данные для 3 варианта

Реферат

Пояснительная записка содержит 25 страниц, 32 рисунка, 2 таблицы, 3 источника.

Цель курсового проектирования - применение на практике знаний, полученных в процессе изучения курса "Теории автоматического управления", и получение практических навыков создания систем.

Курсовая работа выполнена в пакете Matlab R2015a. Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2010.

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

• 1.1 Строение и принцип работы двигателя постоянного тока
• 1.2 Усилитель мощности
• 2. Исследовательская часть
• 2.1 Структурная схема и модель системы управления
• 2.2 Синтез регуляторов
• 2.2.1 Идеальный регулятор по желаемой ПФ
• 2.2.2 ПИД-регулятор по желаемой передаточной функции
• 2.2.3 Упрощенная модель с компенсационным регулятором
• 2.2.4 Настройка регулятора по заданной переходной характеристике
• 3. Анализ системы управления
• 3.1 Пропорциональный регулятор
• 3.2 Идеальный регулятор
• 3.3 ПИД-регулятор
• 3.4 Компенсационный регулятор с упрощенным ОУ
• 3.5 Регулятор по заданной переходной характеристике
• 3.6 Анализ систем управления
• Заключение
• Библиографический список


Введение

История создания двигателей начинается в XVIII веке. Сложными путями шел человек к открытию и познанию законов физики, созданию различных механизмов, машин. Важнейшим этапом в развитии двигателей явилось изобретение и применение электродвигателей. Принцип действия электродвигателей основан на физическом явлении: виток проводника, по которому протекает электрический ток, будучи помещенным между магнитами, движется поперек силовых линий магнитного поля. Электродвигатель, как правило, компактнее других двигателей, всегда готов к работе, может управляться на расстоянии.

История электродвигателя - сложная и длинная цепь открытий, находок, изобретений.

Для оптимальной работы электродвигателя используются различные регуляторы. В зависимости от их параметров есть идеальные, ПИ-, ПИД-регуляторы. Они могут управляться как вручную человеком, так и автоматически.

1. Теоретическая часть

1.1 Строение и принцип работы двигателя постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из статора, якоря, коллектора, щеткодержателя и подшипниковых щитов (рисунок 1). Статор состоит из станины (корпуса), главных и добавочных полюсов, которые имеют обмотки возбуждения. Эту неподвижную часть машины иногда называют индуктором. Главное его назначение -- создание магнитного потока. Станина изготавливается из стали, к ней болтами крепятся главные и добавочные полюса, а также подшипниковые щиты. Сверху на станине имеются кольца для транспортирования, снизу -- лапы для крепления машины к фундаменту. Главные полюса машины набираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 -1 мм с целью уменьшения потерь, которые возникают из-за пульсаций магнитного поля полюсов в воздушном зазоре под полюсами. Стальные листы сердечника полюса спрессованы и скреплены заклепками.

Рисунок 1 - Машина постоянного тока: 1 -- вал; 2 -- передний подшипниковый щит; 3 -- коллектор; 4 -- щеткодержатель; 5 -- сердечник якоря с обмоткой; 6 -- сердечник главного полюса; 7 -- полюсная катушка; 8 -- станина; 9 -- задний подшипниковый щит; 10 -- вентилятор; 11 -- лапы; 12 -- подшипник

Рисунок 2 - Полюса машины постоянного тока: а -- главный полюс; б -- дополнительный полюс; в -- обмотка главного полюса; г -- обмотка дополнительного полюса; 1 -- полюсный наконечник; 2 -- сердечник

В полюсах различают сердечник и наконечник (рисунок 2). На сердечник надевают обмотку возбуждения, по которой проходит ток, создавая магнитный поток. Обмотка возбуждения наматывается на металлический каркас, оклеенный электрокартоном (в больших машинах), или размещается на изолированном электрокартоном сердечнике (малые машины). Для лучшего охлаждения катушку делят на несколько частей, между которыми оставляют вентиляционные каналы. Добавочные полюса устанавливаются между главными. Они служат для улучшения коммутации. Их обмотки включаются последовательно в цепь якоря, поэтому проводники обмотки имеют большое сечение.

Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря собирается из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм и спрессовывается с обеих сторон с помощью нажимных шайб. В машинах с радиальной системой вентиляции листы сердечника собираются в отдельные пакеты толщиной 6-8 см, между которыми делают вентиляционные каналы шириной 1 см. При осевой вентиляции в сердечнике выполняют отверстие для прохождения воздуха вдоль вала. На внешней поверхности якоря имеются пазы для обмотки.

Рисунок 3 - Расположение секции обмотки якоря в пазах сердечника

Обмотка якоря изготавливается из медных проводов круглого или прямоугольного сечения в виде заранее выполненных секций (рисунок 3). Они укладываются в пазы, где тщательно изолируются. Обмотку делают двухслойной: размещают в каждом пазу две стороны разных якорных катушек -- одну над другой. Обмотку закрепляют в пазах клиньями (деревянными, гетинаксовыми или текстолитовыми), а лобовые части крепят специальным проволочным бандажом. В некоторых конструкциях клинья не применяют, а обмотку крепят бандажом. Бандаж изготовляют из немагнитной стальной проволоки, которая наматывается с предварительным натяжением. В современных машинах для бандажировки якорей используют стеклянную ленту.

Коллектор машины постоянного тока собирается из клиноподобных пластин холоднокатаной меди. Пластины изолируют одну от другой прокладками из коллекторного миканита толщиной 0,5 - 1 мм. Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в виде 'ласточкина хвоста', которые служат для крепления медных пластин и миканитовой изоляции. Коллекторы крепят нажимными конусами двумя способами: при одном из них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность 'ласточкина хвоста', при втором -- на 'ласточкин хвост' и конец пластины.

Коллекторы с первым способом крепления называют арочными, со вторым -- клиновыми. Наиболее распространены арочные коллекторы. В коллекторных пластинах со стороны якоря при небольшой разнице в диаметрах коллектора и якоря делают выступы, в которых фрезеруют прорези (шлицы). В них укладывают концы обмотки якоря и припаивают оловянистым припоем. При большой разнице в диаметрах припайка к коллектору делается с помощью медных полосок, которые называются 'петушками'. В быстроходных машинах большой мощности для предотвращения выпучивания пластин под действием центробежных сил применяют внешние изолированные бандажные кольца.

Щеточный аппарат состоит из траверсы, щеточных пальцев (болтов), щеткодержателей и щеток. Траверса предназначена для крепления на ней щеточных пальцев щеткодержателей, образующих электрическую цепь. Щеткодержатель состоит из обоймы, в которую помещается щетка, рычага для прижима щетки к коллектору и пружины. Давление на щетку составляет 0,02 - 0,04 МПа. Для соединения щетки с электрической цепью имеется гибкий медный тросик.

В машинах малой мощности применяют трубчатые щеткодержатели, которые крепят в подшипниковом щите. Все щеткодержатели одной полярности соединяются между собой сборными шинами, которые подключаются к выводам машины.

Щетки (рисунок 4) в зависимости от состава порошка, способа изготовления и физических свойств разделяют на шесть основных групп: угольно-графитовые, графитовые, электрографитовые, медно-графитовые, бронзографитовые и серебряно-графитовые. Подшипниковые щиты электрической машины служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается в подшипниках, установленных в щитах.

Рисунок 4 - Щетки: а -- для машин малой и средней мощности; б -- для машин большой мощности; 1 -- щеточный канатик; 2 -- наконечник

Различают обычные и фланцевые подшипниковые щиты. Подшипниковые щиты изготовляют из стали (реже из чугуна или алюминиевых сплавов) методом литья, а также сварки или штамповки. В центре щита делается расточка под подшипник качения: шариковый или роликовый. В машинах большой мощности в ряде случаев используют подшипники скольжения.

В последние годы статор двигателей постоянного тока собирают из отдельных листов электротехнической стали. В листе одновременно штампуются ярмо, пазы, главные и добавочные полюса.

1.2 Усилитель мощности

Усилитель мощности для двигателя постоянного тока представляет большую проблему. Управление происходит по ротору, что приводит к большим токам, которые необходимо регулировать.

Хорошими свойствами для этих целей обладал электромашинный усилитель (ЭМУ), представляющий собой связку: трехфазный асинхронный двигатель, вращавший от сети переменного тока управляемый генератор постоянного тока. Усилитель обладал линейными нагрузочными характеристиками и управлялся относительно маломощным сигналом.

Рисунок 5 - Структурная схема электромашинного усилителя

Недостаток ЭМУ - низкий КПД, невысокий ресурс работы

ЭМУ перестали выпускать только с появление силовой электроники.

Сейчас используют усилители постоянного тока с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

2. Исследовательская часть

2.1 Структурная схема и модель системы управления

В основе большинства САУ лежит принцип управления по отклонению, который заключается в том, что определяется отклонение текущего значения выходной переменной объекта от желаемого значения, и на основе этого отклонения формируется управляющее воздействие. Структурная схема системы, состоящей из объекта управления (ДПТ) с передаточной функцией, приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Структурная схема системы

Расчет данных:

T_я=0.02 с - постоянная времени в якоре

T_ум=0.2* T_я =0.004 с - постоянная времени в усилителе мощности

U_в=220 В - напряжение возбуждения

I_вн=0.36 А - номинальный ток возбуждения

I_ян=3.33 А - номинальный ток якоря M_н=2.25 - номинальный момент вращения

C_e=0.87

C_m=0.676 - постоянные коэффициенты

J=0.045 - момент инерции вращательных частей

- ПФ двигателя

- ПФ усилителя мощности

- ПФ объекта управления

Подставим расчетные данные в структурную схему для получения общей модели системы.

Рисунок 7 - Модель объекта в программе Simulink

Рисунок 8 - Переходный процесс при Мн=0