Разработка адаптивной самонастраивающейся системы автоматизированного электропривода с двухзонным регулированием скорости машины постоянного тока с заданными показателями качества переходного процесса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Задание

1. Предпроектный анализ

1.1 Электродвигатель, как объект управления

1.2 Модель электрического двигателя

1.3 Модель тиристорного преобразователя

2. Разработка технического задания

2.1 Требования к системе

3. Функциональная схема СНС АЭП

4. Выбор устройства для регулирования U_в двигателя

5. Разработка принципиальной электрической схемы датчиков СУ

5.1 Функциональная схема датчиков тока якоря и датчиков ОВ

6. Разработка структурной схемы СНС АЭП

6.1 Передаточные функции двигателя

6.2 Передаточная функция тиристорного преобразователя

6.3 Передаточная функция датчика тока якоря

6.4 Передаточная функция датчика тока ОВ

6.5 Передаточная функция датчика напряжения

6.6 Передаточная функция датчика скорости

6.7 Передаточная функция согласующего устройства

6.8 Передаточная функция датчика ЭДС

6.9 Передаточная функция эталонной модели двигателя

6.10 Передаточная функция ОВ

6.11 Коэффициент передачи между магнитным потоком ОВ и током возбуждения I_В

7. Задание показателей качества

8. Разработка корректирующих устройств

8.1 Расчет регулятора тока якоря

8.2 Расчет регулятора скорости

8.3 Расчет регулятора тока возбуждения

8.4 Расчет регулятора ЭДС

9. Расчёт схемы электрической принципиальной регуляторов СНС

9.1 Регулятор тока якоря (ПИ-регулятор)

9.2 Регулятор тока возбуждения (ПИ-регулятор)

9.3 Регулятор скорости (П-регулятор)

9.4 Регулятор ЭДС (И-регулятор)

10. Моделирование системы управления на ЭВМ. Графики переходных процессов

Вывод

Введение

Электрический привод (ЭП) представляет собой электромеханическую систему, обеспечивающую реализацию различных технологических и производственных процессов в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, коммунальном хозяйстве и в быту с использованием механической энергии. Электропривод обеспечивает движение исполнительных органов рабочих машин механизмов и управление этим движением. Другими словами, ЭП, являясь энергетической основой реализации технологических и производственных процессов, во многом определяет их качество, энергетические и технико-экономические показатели. электрический двигатель преобразователь регулятор

Электропривод с адаптивным управлением обеспечивает оптимальный ход технологического процесса по заданному показателю качества при изменяющихся возмущениях и условиях работы.

В данной курсовой работе необходимо разработать адаптивную самонастраивающуюся систему автоматизированного электропривода с двухзонным регулированием скорости машины постоянного тока с заданными показателями качества переходного процесса.

Задание

Разработать самонастраивающуюся систему автоматизированного электропривода с неизменными динамическими характеристиками во всем диапазоне изменения управляющих и возмущающих воздействий

Исходные данные:

Вариант № 6

Тип двигателя 2ПН - 112 L

Номинальная мощность Р_Н = 0,8 кВт;

Напряжение якоря U_ян = 220 В;

Ток якоря I = 5,06 А;

Номинальная частота вращения _ном = 750 об/мин;

Максимальная частота вращения _max = 2500 об/мин;

КПД = 63,5;

Число пар полюсов 2p = 6;

Момент инерции J = 0,017 кг/м²;

Сопротивление обмоток якоря R_оя= 3,68 Ом;

Сопротивление обмотки возбуждения R_о.в.= 392,9 Ом;

Сопротивление дополнительных обмоток R_дп = 3,42 Ом;

Максимальная мощность обмотки возбуждения Р_ов = 156 Вт;

Номинальное напряжение U_н = 220 В

1. Предпроектный анализ

Целью предпроектного анализа определение является определение совокупности факторов, формирующих требования к характеристикам электропривода, его аппаратным средствам и системе автоматического управления и возможности реализации электропривода показателями качества.

1.1 Электродвигатель, как объект управления

Для представления ЭД как ОУ необходимо определить выходные координаты, управляющие воздействия, возмущения и входные параметры рассмотреть математическое описание ЭД:

- уравнение механической характеристики;

- уравнение движения ЭД;

- уравнение электрического равновесия для якорной цепи;

- эдс самоиндукции;

- вращающий момент двигателя;

- напряжение возбуждения;

- магнитный поток.

1.2 Модель ЭД

- управляющей величиной ДПТ НВ с двухзонным регулированием является U_я и U_в.

- щ - управляемая координата;

- под внешним воздействием - силы, действующие на вал двигателя, вызванного трением и механическим сопротивлением приводимого в движение механизма.

Таким образом для модели электродвигателя выходной координатой является щ, входными U_я и U_в, в качестве возмущений принять:

ДM = M_н - M_хх

ДI = 2I_н - I_н

ДR_я = 25%R_я

ДM

ДR_в.

То есть электродвигатель как ОУ является одномерным, т.к. U_я и U_в действуют не одновременно, а поочерёдно.

Структурная схема объекта управления:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наличие параметрических возмущений вызывает изменение коэффициента разомкнутой системы (влияние на точность). При стабилизации динамических свойств изменение K_рс уже является возмущением. Один из способов компенсации возмущений - применение самонастраивающейся системы.

1.3 Модель тиристорного преобразователя

В качестве преобразователя электрической энергии как ОУ -преобразователь. Выходная величина - U_я.

Преобразователь получает энергию от промышленной сети. Величина U_C не является постоянной. Выходной координатой ТП является напряжение питания обмотки якоря двигателя .

При непрерывном токе работа ТП описывается уравнением:

,

Где U_d - напряжение ТП при ;

;

- фазное напряжение вторичной обмотки тиристора, т.е.:

, где

- коэффициент тр-ции.

С учетом возмущения колебания, получим:

;

2. Разработка технического задания

- проектируемый объект - САУ скорости вращения вала двигателя;

- ОУ - ДПТ НВ (ПБСТ - 53М УХЛ-4);

- Основание для разработки - задание на выполнение курсовой работы по дисциплине - промышленный электропривод;

- Цель проектирования: Разработать самонастраивающуюся систему автоматизированного электропривода с неизменными динамическими характеристиками во всем диапазоне изменения управляющих и возмущающих воздействий.

2.1 Требования к системе:

1) поддержание заданного значения щ при отклонении момента нагрузки ( M_н ч 2M_н ), момента инерции движущихся частей

(J_н ч 2J_н ), R_я и R_в от их номинальных значений;

2) - точность регулирования (0,1ч0,2%);

- диапазон регулирования (1:1000)

3) система должна компенсировать параметрические возмущения, действующие на ОУ.

Результатом проектирования будет являться схема электрическая принципиальная.

3. Функциональная схема СНС АЭП

Функциональная схема предназначена для определения функциональных блоков при реализации системы ЭП. Исходя из требований, предъявляемых системе, определяем:

- необходимость использования системы подчиненного регулирования контуров тока и скорости для регулирования промежуточных координат;

- необходимость использования адаптивной системы управления с эталонной моделью для компенсации действий параметрических возмущений.

Контур тока необходим для стабилизации тока якоря , а также для исключения влияния температуры. При изменении температуры изменяется R_Я . исключает это влияние. Возмущения и стабилизируются K_ТЯ независимо от колебаний напряжения, что ведет к значительному повышению быстродействию системы .

Контур стабилизирует выходную координату - угловую скорость вращения при действии возмущений и и увеличивает быстродействие системы.

Контур ЭДС компенсирует влияние не и повышает быстродействие системы.

Контур тока возбуждения I_B необходим для стабилизации тока и компенсации возмущений , а также для улучшения показателей быстродействия системы.

Один из способов компенсации возмущений и повышения быстродействия является применение СНС.

Рассмотрим функциональные блоки, необходимые для реализации САУ ЭП. Для этого необходимо определить:

- необходимость использования системы подчинённого регулирования контуров I и щ для регулирования промежуточных координат;

- необходимость применения адаптивной системы управления для компенсации действий параметрических возмущений.

Функциональная схема:

Размещено на http://www.allbest.ru/

4. Выбор устройства для регулирования U_в двигателя

Регулирование U_ов ДПТ возможно только вниз от номинального значения.

Основные характеристики трансформатора ТГ8:

Номинальная мощность - 8 кВт;

Напряжение ВН (U_BH) - 380В;

Напряжение НН (U_НH) - 208В;

Потери холостого хода - 75Вт;

Потери короткого замыкания - 220В;

Напряжение короткого замыкания (U_КЗ) - 10%.

Характеристики тиристорного преобразователя соответствуют техническим характеристикам электродвигателя.

5. Разработка принципиальной электрической схемы датчиков СУ

Разработка принципиальной электрической схемы датчиков СУ происходит в 2 этапа:

- составляется схема без корректирующих устройств и блоков самонастройки, т.е. составляющая схема неизменяемой части ЭП, которая включает в себя двигатель, силовые преобразователи, датчики с системами гальванической развязки.

5.1 Функциональная схема датчиков тока якоря и датчика тока ОВ имеет вид

У - усилитель;

БП - блок питания;

БГР - блок гальванической развязки

БГР - предотвращает возможность прохождения силового тока по цепи управления, а также попадание высокого напряжения в цепи управления.

БГР - осуществляется с помощью оптопары.

Схема электрическая датчика тока якоря

Размещено на http://www.allbest.ru/

Шунт ШС 75 - 150 - 0,5

Гальваническая развязка ОЭП-16

Принимаем R₂ = R₄ = 100 Ом.

R₃ = K₁· R₂ ; K₁ = U_вых / U_вх = 2,5/0,007=357,14;

R₅ = K₂· R₄ ;K₂ = U_вых / U_вх = 5/2,5=2;

R₃=357.14·100 = 35714 (Ом);

R₅ =2·100= 200 (Ом).

Схема электрическая датчика тока ОВ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Шунт ШС 75 - 10 - 0,5

Гальваническая развязка ОЭП-16

Принимаем R₇ = R₉ = 100 Ом.

R₈ = K₁· R₇ ; K₁ = U_вых / U_вх = 2,5/0,0097 = 257,73;

R₁₀ = K₂· R₉ ;K₂ = U_вых / U_вх = 5/2,5=2;

R₈ =257,73·100=25773 (Ом);

R₁₀ =2·100=200 (Ом).

5.2 Датчик напряжения цепи якоря (представим в виде делителя напряжения)

Ток датчика напряжения.

; .

Принимаем: R₁₂ = 300 КОм

R₁₃ = 100 КОм

C = 0,047 ПФ

R₁₂ + R ₁₃ + R₁₄ =44 R₁₄,

43 R₁₄ = 400;

R₁₄=9,3 (Ом).

Таким образом, ток датчика напряжения будет равен:

I= (А).

5.3 Датчик скорости (включить тахогенератор ТС-1 с согласующим устройством)

Размещено на http://www.allbest.ru/

К_ТГ = 0,5096

R₁₅ = 200 Ом.

По закону Ома

0,5 (А)

К_ТГ = ;

R₁₆ = _.

5.4 Датчик ЭДС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Данное устройство реализуется уравнением:

Примем R₁₈ = R₁₉ = R₂₀ = 1 кОм

Сопротивление якорной цепи - R_ЯЦ = 2,144 (Ом).

6. Разработка структурной схемы СНС АЭП

Элементами схемы являются элементарные динамические звенья и сумматоры. Составляется на основе функциональной и принципиальной электрической схемы.

6.1 Передаточные функции двигателя

- электрическая часть

- механическая часть

Расчёт статических характеристик

R_яц = R_яд + R_тр + R_д + R_к

R_оя =3,68 Ом;

R_дп = 3,42 Ом

R_яд = 1,24 (R_я + R_дп) + R_щ ,

R_щ = ДU_щ / I_н - сопротивление щётки

R_ш = 2/ I_н=2/5,06=0,395 (Ом)

R_яд = 1,24 (3,68 + 3,42) + 0,395 = 9,199(Ом)

- сопротивление трансформатора

R_ТР=

- динамическое сопротивление тиристора.

U_т = 1 В - падение напряжения на тиристоре.

- сопротивление коллектора, где

m = 6 число полюсов

- активное сопротивление;

U_к% = 10%; U_н = 208 В;

(Ом) - реактивное сопротивление;

=0,52 (Ом);

R_яц = 1,45+0,149 +0,065+0,48 = 2,144 (Ом).

- электрическая постоянная времени.

;

где

(Гн);

= 0,017 (Гн);

= электромеханическая постоянная времени



следовательно:

;

Расчет передаточных функций

6.2 Передаточная функция тиристорного преобразователя

6.3 Передаточная функция датчика тока якоря

6.4 Передаточная функция датчика тока ОВ

6.5 Передаточная функция датчика напряжения

6.6 Передаточная функция датчика скорости:

6.7 Передаточная функция согласующего устройства

6.8 Передаточная функция датчика ЭДС

6.9 Передаточная функция эталонной модели двигателя

6.10 Передаточная функция ОВ

6.11 Коэффициент передачи между магнитным потоком ОВ и током возбуждения J_В.

Ф = К_в·J_в

l ? 0,8 · l₃₀ - длина полюса

l₃₀ = 826 · 10^-3 м

l ? 0,8 · 826 · 10^-3 = 0,661 м

S = 0,322 · 0,661 = 0,213 (м²)

Ф_н = 1,6 · 0,213 = 0,341 (Вб)

К_в = Ф_н / I_в = 0,341/1,083 = 0,315, тогда

С_е и С_м - эл. механическая и эл. магнитная постоянная.

7. Задания показателей качества

Задаёмся показателями качества САР для разработки корректирующих устройств:

1) использовать настройку «оптимум по модулю», (т.е. оптимальность по быстродействию)

2) получить апериодические характеристики с минимальным перерегулированием.

3) Установившееся значение = ± 5

8. Разработка корректирующих устройств

8.1 Расчёт регулятора тока якоря

Размещено на http://www.allbest.ru/

Т.к. величина Т_я является значительной, для компенсации необходимо применить ПИ-регулятор с передаточной функцией:

Т_мкт = малая постоянная времени контура тока; Т_мкт = Т_тп = 0,0016.

8.2 Расчёт регулятора скорости

Для компенсации второй «большой» постоянной времени Т_м применить настройку оптимум по модулю и П-регулятор с передаточной функцией:

8.3 Расчёт регулятора тока возбуждения

Для компенсации «большой» составляющей времени Т_в использовать ПИ-регулятор, т.к. объект регулирования является апериодическим звеном 1-го порядка:



8.4 Расчёт регулятора ЭДС

Т.к. в контуре ЭДС нет больших значений постоянных времени для настройки = оптимум по модулю с применим И-регулятор.

Т_мэ = 2Т_мтв + Т_д

Т_мтв - малая const времени контура тока ;

Т_мэ = 2·0,0016+0,008 = 0,0112 сек.

Структурная схема СНС АЭП с двухзонным регулированием:

9. Расчёт схемы электрической принципиальной регуляторов СНС

9.1 Регулятор тока якоря (ПИ-регулятор)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принимаем: R₃₉ = 10 кОм

R₄₁ = К_ргя · R₃₉ = 2,13 ·10 = 21,3 кОм

.

9.2 Регулятор тока возбуждения (ПИ-регулятор)

Принимаем: R₄₃ = 10 кОм

R₄ = К_РТВ · R₄₈ = 125 ·10 = 1250 кОм;

С = Т_РТВ / R = 0,1/1250000 = 0,08(мкФ).

9.3 Регулятор скорости (П-регулятор)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Регулятор скорости (П-регулятор) выполнен на операционных усилителях.

R = 10 кОм,

тогда R = К_РС · R = 5,9 · 10000 = 59 кОм .

9.4 Регулятор ЭДС (И-регулятор)

Принимаем:

С₃ = 1мкФ, тогда:

R = , где

Т = сек;

R = ,

R = R =

10. Моделирование системы управления на ЭВМ

С помощью ЭВМ определяем показатели переходных процессов полученной системы управления.

График переходного процесса угловой скорости при воздействии возмущений и отключенном контуре самонастройки:

График переходного процесса контура угловой скорости при действии возмущений и включенном контуре СНС:

 Переходные процессы угловой скорости вращения при включенном контуре самонастройки и при изменении задающего воздействия:

1.

2.

3.

4.

Ток в цепи якоря без действия возмущений регуляторов и при отсутствии контура самонастройки:

Переходный процесс скорости при отключенном контуре самонастройки без действия возмущения:

График переходного процесса тока якоря при отсутствии возмущений и действия реруляторов:

График переходного процесса тока якоря при действии возмущений реруляторов:

График переходного процесса контура скорости при отсутствии возмущений и включенном контуре самонастройки:

Вывод

В результате данной курсовой работы была разработана самонастраивающаяся система автоматизированного электропривода в условии двух зон регулирования скорости при действии на систему различного рода возмущений. В ходе выполнения работы были разработаны структурная и электрическая принципиальные схемы.

Структурная схема была реализована на ЭВМ с помощью пакета MatLab. Результатами моделирования явились графики переходных процессов, проведен анализ САР, который показал, что система удовлетворяет заданным системам качества:

1) Достигается устойчивость, переходные процессы носят апериодический характер;

2) Характеристики системы стабилизируются при воздействии возмущений;

3) Трубка точности составляет не более 5% текущего значения, при воздействии типовых управляющих воздействий - 0,1; 0,9; 1,1; 1,9 w_H.

Размещено на Allbest.ru