21

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦIОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра "Електропривод та автоматизація промислових установок"

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

Тема: "Системи керування положенням механізму"

ДОНЕЦЬК-2006 р.

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка містить ___с, ____ рис, ____табл.

Обєктом розрахунку та дослідження в даній курсовій роботі є система керування положенням механізму .

Мета роботи - проаналізувати роботу схеми приводу маніпуляторних лінійок з використанням регуляторів положення.

В данній роботі потрібно визначити з яким из вказаних регуляторів положення схема буде працювати краще, а також використати і дослідити на графіках застосування П-РШ та ПИ-РШ; з ЗІ та без нього. Та зробити необхідні висновки.

ЗМІСТ

Перелік скорочень та умовних позначень

Вступ

1. Опис систем регулювання положення електропривода

1.1 Система регулювання положення з П-РП

1.2 Системи регулювання положення з Л-РП

2. Розрахунок парметрів об'єкту регулювання САК

2.1 РОЗРОБКА СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ

2.2 Розрахунок параметрів ЗІ

2.3 Розрахунок параметрів КРС

2.4 Розрахунок параметрів КРШ

2.5 Розрахунок параметрів КРП

Закінчення

Перелік використаної літератури

Додаток

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ ТА УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

САК- система автоматичного керування

КРС - контур регулювання струму

КРШ - контур регулювання швидкості

КРП - контур регулювання положення

РС- регулятор струму

РШ- регулятор швидкості

РП - регулятор положення

ЛРП - лінійний регулятор положення

ПРП - параболічний регулятор положення

П-РШ - пропорційний регулятор швидкості

ПІ-РШ - пропорційно-інтегральний регулятор швидкості

ЗІ- задавач інтентсивності

ДШ- давач швидкості

ДС- давач струму

ДП - датчик положення

ПФ- передавальна функція

ТГ- тахогенератор

МО- модульний оптимум

ТПЗ- тиристорний перетворювач

ЕРС- електрорушійна сила

КТЕУ - комплексний тиристорний електропривід

Т_вс - стала часу вихрових струмів

Т_ш - стала часу контура регулювання швидкості

у - перерегулювання

R_я - активний опір якоря

U_н - номінальна напруга

І_н - номінальна струм

Т_с - стала часу інтегрування розімкненого КРС

ВСТУП

Системи регулювання положення являють собою клас систем з надзвичайно широким діапазоном призначень. Вони знаходять застосування в системах електроприводу різноманітних промислових установок і роботів, а також у системах наведення антен та ін.

Контроль положення здійснюється за допомогою датчиків, що в аналоговій чи цифровій формі подають інформацію про переміщення робочого органа механізму протягом усього шляху. В якості датчиків використовуються сельсини, що обертаються, трансформатори, імпульсні і цифрові датчики та ін.

У більшості випадків потужні промислові системи управління положення будуються сьогодні за принципом підлеглого регулювання при живленні двигунів постійного струму від тиристорних перетворювачів. При цьому система має внутрішні контури струму і швидкості, і зовнішній контур положення з аналоговим або цифровими регуляторами.

Системи регулювання положення можуть працювати у режимі позиціювання, тобто переміщення робочого органу механізму з одного фіксованого положення в інше, та в слідкуючому режимі, тобто в переміщенні виконавчого органу у відповідності з сигналом завдання, що змінюється довільно в умовах дії перешкод.

1. ОПИС СИСТЕМ РЕГУЛЮВАННЯ ПОЛОЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДА

1.1 Система регулювання положення з параболічним регулятором положення

Для того, щоб забезпечити близький до оптимального графік швидкості при відпрацьовуванні переміщень, регулятор положення повинен бути нелінійним. Щоб не відбувалося нагромадження сигналу помилки на вході регулятора положення, він повинен у певному масштабі відтворювати залежність між швидкістю й переміщенням при рівно-зменшеному русі в такому вигляді:

,, (параболічна нелінійність).

Рисунок 1.1- Залежність U_зщ(U_?ц).

При такій характеристиці регулятора положення переміщення будь-якої величини буде спрацьовуватися по трикутній або трапеціїдальній тахограмі. Розгін і з по колишньому здійснюються в зоні насичення, або між регулятором швидкості й регулятором положення ставиться задавач інтенсивності.

Оскільки похідна розглянутої залежності при ?ц>0 дорівнює нескінченності, коефіцієнт підсилення регулятора положення при ?ц>0 теж дорівнює нескінченності. Це приводить до втрати стійкості системи при малих ?ц. Щоб цього уникнути, початкова ділянка характеристики роблять лінійним з коефіцієнтом підсилення, що відповідає настроюванню на модульний оптимум.

Недолік цієї системи: через інерційність реальний контур регулювання швидкості мають місце перерегулювання по положенню. Щоб їх усунути, необхідно ускладнити нелінійну характеристику регулятора положення.

1.2 Системи регулювання положення з лінійним РП

Основною регульованою координатою в цих системах є положення (переміщення) робочого органа. Як датчики положення приймають пристрої двох типів.

1. Аналогові (сельсини, потенціометри, що обертаються трансформатори, і т.д.)

2. Дискретні.

2.1. Кодові (видають сигнал у вигляді багато-розрядного коду).

Датчики імпульсів у сполученні з реверсивним лічильником і пристроєм розпізнавання напрямку обертання. Система виконана за принципом систем підлеглого регулювання. До системи регулювання швидкості із пропорційним регулятором швидкості доданий контур регулювання положення. Вихід регулятора положення обмежений на рівні, що відповідає завданню максимальної швидкості. Для одержання астатизму третього порядку передатну функцію регулятора положення варто приймати наступного виду:

де Т_П - постійна інтегрування розімкнутого контуру регулювання положення. При оптимізації контуру регулювання положення по модульному оптимумі Т_П=2• Т_С.

Однак таке настроювання має сенс тільки у випадку відпрацьовування дуже малих переміщень, коли регулятор швидкості й регулятор положення працюють у лінійній зоні, тобто не заходять у насичення.

Розглянемо роботу системи при реалізації середніх і більших переміщень, коли регулятор швидкості працює в режимі обмеження. При цьому зробимо наступні допущення:

Коефіцієнт підсилення регулятора швидкості на лінійній ділянці дорівнює нескінченності.

Контур регулювання струму має нескінченно велику швидкодію, тобто Т_м=0.

Таким чином, протягом усього часу відпрацьовування переміщення, струм дорівнює Закон зміни швидкості й токи при відпрацьовуванні заданого переміщення в цих умовах має вигляд:

Рисунок 1.2- Закон зміни швидкості й токи при відпрацьовуванні заданого переміщення.



Рисунок 1.3- Характеристика регулятора положення.

У момент t=0 на вхід системи подане вплив, що задає: U_ЗП=K_П•ц_З. На виході регулятора швидкості відразу ж досягається напруга обмеження і йде розгін привода при I=I_ут. Це триває доти, поки сигнал на вході регулятора положення не стане рівним сигналу зворотного зв'язка по швидкості.

(1)

де ц_р - шлях розгону, ц_т - шлях гальмування, ц_з - шлях завдання.

Недолік лінійного регулятора положення: неможливість забезпечити оптимальний характер відпрацьовування переміщення заданої величини.

2. Розрахунок парметрів об'єкту регулювання

Вихідні дані:

Двигун типу МП200-25

Р=200 кВт

Uн=460 В

nн=25 об/хв.

n мах=37 об/хв.

Iн=560 А

J=5500 кг-м²

Із=50 А

Lя=7,3 Гн

R_я=180 Ом

L_Яд=15 Гн

Тиристорний перетворювач КТЕУ - 1000/440:

Розрахуємо сталі часу та інші параметри моделі:

А (3.1)

(3.2)

(3.3)

(3.4)

2.1 РОЗРОБКА СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ

Структурна схема САК представлена на Рис. 2.1, представляє із себе систему підлеглого регулювання, що характеризується каскадним ввімкненням регуляторів, кількість яких відповідає кількості регульованих параметрів електропривода, таких як, струм якоря е.р.с. якоря, положення приводного механізму. На виході кожного регулятора рівняються сигнали, пропорційні заданому й дійсному значенням вихідних координат даного контуру, а вихідна напруга регулятора служить сигналом, що задає, для наступного контуру.

У розглянутій системі контур регулювання кожного параметра (координати) містить, як правило, тільки одну "більшу" постійну часу, компенсаційну дією регулятора. Це значно полегшує синтез із системи й дозволяє застосовувати однотипні регулюючі елементи.

Важливим достоїнством даної структури є також можливість простим засобом здійснити обмеження кожної з координат системи. Для цього досить обмежити на відповідному рівні завдання даної координати.

Кожний контур регулювання показаний на рис.1, може бути структурно розчленований на дві ланки - регулятор і об'єкт регулювання. Об'єкт регулювання містить у собі вихідна ланка даного контуру, тобто властиво об'єкт, і замкнутий контур регулювання, внутрішній стосовно даного контуру.

2.2 Розрахунок параметрів задатчика інтенсивності Схема задатчика інтенсивності

Рисунок 2.2- Схема ЗІ

R1=22кОм, R2,R7=21,7кОм , R18,R14=120кОм, R8=10кОм, C7=3,3мкФ

Напруга на виході ЗІ при максимальній швидкості:

Постійна часу інтегрування підсилювача А2:

Напруга обмеження підсилювача А1:

Коефіцієнт передачі ЗІ:



Визначимо режим роботи електропривода лінійки маніпулятора ЕДС двигуна при максимальній швидкості:

ЕДС двигуна при мінімальній швидкості:

Струм упору перетворювача:

Момент інерції:

Максимальний момент двигуна при розгоні:

Кутове прискорення привода при максимальному моменті:

приймаємо Ер =5,5 рад/сІ Час розгону до максимальної швидкості:

2.3 Розрахунок контуру струму

Внутрішнім контуром системи регулювання електропривода, з якого починають розрахунок параметрів системи, являється контур регулювання струму якоря двигуна.

Структурна схема замкнутого контуру струму якоря без обліку зв'язку по ЕРС двигуна.

Рисунок 2.3- Структурна схема замкнутого контуру струму якоря

Передавальна функція розімкнутого контура струму:

При частоті зріза і ;



Приймеэмо Т1=Тя, коефіцієнт підсилення регулятора струму Т1/Т2;

Постійна інтегування регулятора струму:

Схема регулятора струму.

Рисунок 2.4- Схема регулятора струму.

Прийнято: R3,R4,R10,R11,R16,R20=10 кОм , R23=0 ; R27,R30=51 кОм ; R35=75 кОм. Т1=Тя=С14(R37+R35), прийнято С14= 1мкФ, тоді (R37+R35)=Тя/С14=0,0841/1*=84,1 кОм .Виставляємо R37=9кОм

Т2=бС14(R27+ R30); б=r/R40; ;

кОм

2.4 КОНТУР РЕГУЛЮВАННЯ ШВИДКОСТІ

Розрахункова структурна схема КРЩ має вигляд:

Рисунок 2.5 - Розрахункова структурна схема КРШ

Вхідною величиною КРШ є напруга завдання швидкості U_зш., а вихідний (регульованим параметром) - швидкість обертання вала двигуна w(t).

КРС має ПФ представлену в пункті 4.1.1, хоча для спрощеного аналізу КРШ часто використовують спрощену (апроксимовану) структуру КРС, представленої аперіодичною ланкою першого порядку з постійної часу Т_с:

(5.5)

Зворотний зв'язок по швидкості реалізується за допомогою датчика швидкості (ДШ), що представляє собою тахогенератор (ТГ) постійного струму.

Оскільки в ОР не має аперіодичних ланок з великими сталими часу, і в той же час є інтегральна складова для реалізації однократноінтегруючого КРШ, досить застосувати пропорційний РШ (П-РШ) з передатною функцією (ПФ) виду:

(5.6)

де Тш- постійна інтегрування розімкнутого КРШ що підлягає визначенню. ПФ замкнутого КРШ із таким регулятором має вигляд:

(5.7)

При настроюванні на модульний оптимум (МО) Тш , у цьому випадку, розраховується по формулі:

Якщо інерційністьу каналі зворотного зв'язку (ОС) по швидкості мала і її можна зневажити, тоді

Тш=2Тс (5.9)

А якщо не зневажати Тдш, то при практичних розрахунках системи з фільтром у каналі ОС по швидкості цілком припустимо обмежитися вираженням:

(5.10)

Як уже було сказано вище, досліджувати систему найкраще у відносних одиницях (переваги використання відносних одиниць і механізм переходу до в. о. описані раніше).

Задамося базовими величинами. У якості базових зручно прийняти наступні фізичні величини:

wб=wв.о - швидкість ідеального холостого ходу на природній механічній характеристиці (п. м. х.).

2.5 КОНТУР РЕГУЛЮВАННЯ ПОЛОЖЕННЯ

Структурна схема контуру регулювання положення

Рисунок 2.6 - Схема контуру регулювання положення.

Вихідна координата являє собою кутове переміщення приводного механізму. Згідно з цим коефіцієнт С зв'язує кут повороту валу двигуна (в обертах) з вихідною кординатою та містить у собі, як перевідний коефіцієнт у кутову міру, так і коефіцієнт силового передаточного звена.

Фізичне природа коефіцієнта К_с зворотнього зв'язку по положенню залежить від способу завдання та виміру положення.

Із практичних даних К_с=15В.

Залежно від початкового роззгодження на вході системи разлічают режими обробки малих, середніх та великих переміщень.

Під малими переміщеннями розуміють такі, три котрих прискорення приводу не досягає сталого значення, визначає мого завдачем інтенсивності, або вузлом обмеження току двигуна.

Середні переміщення характеризуються наявністю ділянок сталого прискорення, великі - наявністю ділянок сталої швидкості.

У даному випадку має місце відработка великих переміщень, отже до моменту початку гальмування привода приблизно відповідає рівність сигналів завдання й зворотного зв'язку на вході регулятора е.р.с.

Можна записати:

- неузгодженість по куті повороту механізму рад.

Передатна функція пропорційного регулятора положення G_п=К_п визначається з умови гальмування привода з найбільшою швидкістю.

При цьому найбільший шлях (кут) гальмування привода:

ВИСНОВОК

У ході роботи була розроблена і досліджена система регулювання положення механізму тиристорного електропривода постійного струму. З`ясували, що якірні кола двигунів живляться здебільш від тиристорних перетворювачів, але для живлення потужних двигунів використовують також генератори постійного струму з тиристорним збудженням.

З`ясували, що системи з Л-РП не можуть добитися оптимального характеру відпрацювання переміщень різної величини. Цього недоліку позбавлена система з П-РП, в якій вихідний сигнал регулятора положення повинен мати параболічну характеристику. Однак і в цієї системи є один недолік: через не ідеальність контуру швидкості виникає пере регулювання за положенням, усунення якого потребує нелінійності регулятора.

Перелік використаної літератури

1. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов МАТЛАБ 5.х: В 2-х т. Том 1. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. - 366с.

2. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов МАТЛАБ 5.х: В 2-х т. Том 2. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. - 366с.

3. Толочко О.И. Использование пакета Matlab и его расширения Simulink при исследованиии систем электропривода /методическое пособие (для студентов специальности 7.0922.08). - Донецк: ДонГТУ,1999. -87с.

4. Башарин А.В. Управление электроприводами. - Энергоиздат,1982.-391с.

Додаток А

Таб. 1. Перелік зауважень нормоконтролера до курсового проекту студента

Призначення документа	Документ	Умовні позначення	Зміст зауважень