Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний технічний університет

Кафедра електромеханічних систем автоматизації в промисловості і на транспорті

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з дисципліни «Системи керування електроприводами»

на тему: «Розрахунок та дослідження систем підпорядкованого, модального

керування, зі спостерігачем стану та оптимального керування

для електропривода ТРН-АД»

Студента

Сімао Жозе

Керівник доц. каф. ЕМСАПТ

Розводюк М.П.

м. Вінниця - 2016 рік

Анотація

Сімао Жозе Розрахунок та дослідження систем підпорядкованого, модального керування, зі спостерігачем стану та оптимального керування для електропривода ТРН-АД. Курсовий проект. - Вінниця: ВНТУ . 2016. - 55 с. Бібліогр. : 5. Іл. : 36.

Розрахунок та дослідження систем підпорядкованого, модального керування, зі спостерігачем стану та оптимального керування для електропривода ТРН-АД. Виконано розрахунок силового кола електропривода та кола керування, також розраховано і побудовано характеристики розімкненої системи, розраховано та вибрано регулятори і елементи їхніх контурів. Також аналогічно розраховано системи модального керування, спостерігача стану та позиційної системи. Розрахунки систем було проведено в пакеті прикладних програм Mathcad 15, побудова креслення в Visio 2007, та моделювання системи в ППП “Matlab”.

Ключові слова: електродвигун, електропривод, регулятори, система керування.

Зміст

• Вступ
• 1. Математична модель силової частини
• 1.1 Розрахунок математичної моделі
• 2. Розрахунок та дослідження системи підпорядкованого керування
• 2.1 Розрахунок системи підпорядкованого керування
• 2.2 Дослідження системи підпорядкованого керування
• 2.3 Підсумки моделювання
• 3. Розрахунок та дослідження cистема модального керування
• 3.1 Розрахунок системи модального керування
• 3.2 Дослідження системи модального керування
• 3.3 Підсумки моделювання системи модального керування
• 4. Розрахунок та дослідження системи модального керування із спостерігачем стану
• 4.1 Розрахунок модального керування ТРН-АД зі спостерігачем стану
• 4.2 Дослідження системи модального керування зі спостерігачем стану
• 4.3 Підсумки моделювання системи модального керування зі спостерігачем стану
• 5. Розрахунок та дослідженяя системи оптимального керування об'єктом при обмеженні на нагрівання двигнуна
• 5.1 Розрахунок системи оптимального керування
• 5.2 Дослідженнясистеми оптимального керування
• 5.3 Підсумки моделювання системи оптимального керуванні при обмежені на нагрів двигуна
• Висновки
• Література
• Додаток А Технічне завдання
• Додаток Б Ілюстративні матеріали
• Вступ

На сьогоднішній день широко використовуватися регульовані електроприводи постійного струму з двигунами незалежного збудження, одержуючи живлення від тиристорних перетворювачів.

Мета даного курсового проекту полягає в закріпленні і покращенні рівня знань, отриманих при вивченні дисципліни. Шляхом створення різних систем автоматичного управління електроприводом змінного струму ТРН-АД.

В курсовому проекті структурні схеми силової частини електропривода досліджуються у поєднанні з різними видами систем керування:

1. Підпорядкованого керування;

2. Модального керування

3. Модального керування з спостерігачем стану

4. Оптимального керування

В процесі роботи будуть досліджуватись моменти , струму, частота обертання, сумарний момент .

1. Математична модель силової частини

1.1 Розрахунок математичної моделі[1]

Функціональна схема системи ТРН-АД приведена на рисунку 1.1.

Рисунок 1.1 - Функціональна схема системи ТРН-АД

Максимальний кут включення тиристорів (град).

Фазовий кут струму короткого замикання

(1.1)

(град).

Мінімальний кут включення тиристорів:

Зміна кута включення тиристорів:

(1.2)

Максимальна значення фазонесучої опорної напруги В.

Коефіцієнт передачі ланки, ка пов'язує ку включення тиристорів з величиною керуючого сигналу:

(1.3)

Для визначення коефіцієнту підсилення ТРН необхідно, мінімальне і максимальне значення коефіцієнтів напруги:

Коефіцієнт підсилення ТРН:

(1.4)

Номінальна кутова швидкість двигуна:

(1.5)

(рад/с).

Синхронна кутова швидкість двигуна:

(1.6)

(рад/с).

Номінальне ковзання АД:

(1.7)

Номінальний момент АД:

(1.8)

(Нм).

Критичне ковзання АД:

(1.9)

Коефіцієнт підсилення АД за моментом:

(1.10)

Коефіцієнт підсилення системи ТРН-АД за моментом:

(1.11)

Кутова частота напруги живлення:

(1.12)

Частота зрізу контуру регулювання швидкості за умовою не повинна перевищувати рівність:

(1.13)

(рад/с).

Отже присвоюємо значення близьке до рівності

(рад/с).

Мала некомпенсована стала часу:

(1.14)

Передавальна функція ТРН:

Момент інерції двигуна:

(1.15)

Приведений момент інерції електропривода:

(1.16)

Момент статичного опору:

(1.17)

Передавальна функція електричної ТРН-АД:

Передавальна функція механічної частини ТРН-АД:

2. Розрахунок та дослідження системи підпорядкованого керування

2.1 Розрахунок системи підпорядкованого керування[2]

На рисунку 2.1 зображена структурна схема системи підпорядкованого керування в загальному вигляді.

Рисунок 2.1 - Системи підпорядкованого керування

Проведемо розрахунок необхідних коефіцієнтів

Коефіцієнт передачі тахогенератора:

(2.1)

.

Напруга на вході тахогенератора, що відповідає номінальні швидкості двигуна:

(2.2)

Коефіцієнт передачі дільника напруги тахогенератора:

(2.3)

де -напруга на вході регулятора швидкості (В.)

Коефіцієнт зворотного зв'язку за швидкістю:

(2.4)

Коефіцієнт підсилення регулятора швидкості:

(2.5)

Передавальна функція П-РШ однократноінтегрувальної системи:

(2.6)

Передавальна функція замкненого контуру швидкості за сигналом задання :



Передавальна функція замкненого контуру швидкості за збуренням:

Статистична помилка за швидкістю:

(2.7)

Перевантажувальна здатність АД:

(2.8)

Напруга обмеження вхідного сигналу регулятора швидкості:

(2.9)

Час розгону електропривода:

(2.10)

Стала часу інтегруваннязадавача інтенсивності:

(2.11)

Час затримки електропривода на реверс:

(2.12)

Час затримки електропривода для дотягування з мінімальною швидкістю:

(2.13)

За результатами розрахунків отримали всі необхідні коефіцієнти. Які представленні на рисунку 2.3



Рисунок 2.3 - Структурна схема системи підпорядкованого керування з обчисленими коефіцієнтами

2.2 Дослідження системи підпорядкованого керування[3]

Розрахувавши всі необхідні компоненти системи підпорядкованого керування можна приступати до дослідження, шляхом моделювання перехідних характеристик. На рисунку 2.4 представлена функціональна схема для дослідження перехідних процесів.

Рисунок 2.4 - Структурна схема системи підпорядкованого керування у Simulink Matlab

Результати моделювання перехідни процесів системи підпорядкованого керування у програмі Matlab, представлені на рисунках 2.5 - 2.11 .

Рисунок 2.5 - Перехідні процеси при пуску без навантаження без блоку обмежень і реверсом

Рисунок 2.6 - Перехідні процеси при пуску з навантаження з блоком обмежень і реверсом

Рисунок 2.7 - Перехідні процеси при пуску скид накид навантаження без блока обмежень і реверсом

З рисунка 2.7 видно що швидкість при накиду навантаження просіла до 80 (рад/с) , скид починається з 2 секунди величиною 165 (Нм) і триває 2 секунди, скид починається з 5 секунди величною 28 (Нм) і триває до розгону у зворотному напрямку, закінчується в 12 секунді, далі все повторюється

Рисунок 2.8 - Перехідні процеси при пуску скид накид навантаження з блоком обмежень і реверсом

З рисунка 2.8 видно ті ж самі перехідні процеси, що і на рисунку 2.7, лиш з блоком обмежень, який суттєвого впливу немає.

Рисунок 2.9 - Перехідні процеси при пуску з накидом навантаження при пуску без блока обмежень і реверсом

З рисунка 2.9 видно що швидкість в момент розгону просіла і рівна 80 (рад/с), уже при зникненні моменту швидкість доходить до номінального значення 93,7(рад/с).

Рисунок 2.10 - Перехідні процеси при пуску з накидом навантаження при пуску з блоком обмежень і реверсом

Рисунок 2.11 - Перехідні процеси при пуску помилці системи електропривода

2.3 Підсумки моделювання

Провівши моделювання перехідних процесів по моменту і швидкості двигуна робим висновок ,при моделювання побачили ,що при підключенні до системи статичного навантаження швидкість просідає а сумарний момент двигуна збільшується. Дане твердження чітко видно при моделюванні скид накид навантаження. При запуску електропривода помилка , видно що при зовнішньому моменті двигун почав обертатись у зворотному напрямку, правда його швидкість мінімальна і не перевищує розрахункового 10,3 рад/с .

3. Розрахунок та дослідження cистема модального керування

3.1 Розрахунок системи модального керування[4]

На рисунку 3.1 зображена структурна системи модального керування в загальному вигляді.

Рисунок 3.1 - Системи модального керування у загальному виді

Власна частота коливань системи, замкненої за вектором стану:

(3.1)

Коефіцієнти модального зворотного зв'язку:

(3.2)

(3.3)

Коефіцієнт підсилення ЗС модального керування за керувальним впливом:

(3.4)

Коефіцієнти:

(3.5)

(3.6)

За результатами розрахунків отримали всі необхідні коефіцієнти представленні на рисунку 3.2.



Рисунок 3.2 - Структурна схема системи модального керування з обчисленими коефіцієнтами

3.2 Дослідження системи модального керування

Розрахувавши всі необхідні компоненти системи підпорядкованого керування можна приступати до дослідження, шляхом моделювання перехідних характеристик. На рисунку 3.3 представлена функціональна схема для дослідження перехідних процесів.

Рисунок 3.3 - Структурна схема модального керування у Simulink Matlab

Результати моделювання перехідних процесів системи модального керування у програмі Matlab, представленні на рисунках 3.4 - 3.9.



Рисунок 3.4 - Перехідні процеси при пуску без навантаження і реверсом

Рисунок 3.5 - Перехідні процеси при пуску з навантаження і реверсом

З рисунка 3.5 видно зо при прикладенні статичного момента швидкість просідає на 10 рад/с .

Рисунок 3.6 - Перехідні процеси при пуску скид накид навантаження і реверсом

З рисунка 3.6 видно що швидкість при накиду навантаження просіла до 80 (рад/с) , скид починається з 2 секунди величиною 165 (Нм) і триває 2 секунди, скид починається з 5 секунди величною 28 (Нм) і триває до розгону у зворотному напрямку, закінчується в 12 секунді, далі все повторюється.

Рисунок 3.7 - Перехідні процеси при пуску накид навантаження при пуску і реверсом

З рисунка 3.7 видно що швидкість в момент розгону просіла і рівна 83 рад/с, уже при зникненні моменту швидкість доходить до номінального значення 93,7(рад/с).

Рисунок 3.8 - Перехідні процеси при пуску помилка електропривода з номінальним навантаженням

3.3 Підсумки моделювання системи модального керування

При моделюванні системи модального керування побачили що сильних змін у перехідних процесах не було перші графіки майже ідентичні попередньому розділу моделювання , відмінність полягає лишу з моментом при переходу в реверс , у моделюванні при номінальному навантаженні в момент пуску. Статична помилка по швидкості зменшила своє значення до 7,3 рад/с .

4. Розрахунок та дослідження системи модального керування із спостерігачем стану

4.1 Розрахунок модального керування ТРН-АД зі спостерігачем стану[5]

На рисунку 4.1 зображена структурна системи модального керування із спостерігачем стану в загальному вигляді.

Рисунок 4.1 - Системи модального керування із спостерігачем стану в загальному вигляді

Власна частота коливань спостерігається стані 3:

(4.1)

Коефіцієнт спостерігання стану:

(4.2)



(4.3)

На рисунку 4.2 представлена система з обрахованими коефіцієнтами.

Рисунок 4.2 - Системи модального керування із спостерігачем стану з обрахованими коефіцієнтами

4.2 Дослідження системи модального керування зі спостерігачем стану

Розрахувавши всі необхідні компоненти системи підпорядкованого керування можна приступати до дослідження, шляхом моделювання перехідних характеристик. На рисунку 4.3 представлена функціональна схема для дослідження перехідних процесів у Simulink Matlab.



Рисунок 4.3 - Структурна схема системи модального кервання зі спостерігачем стану у Simulink Matlab

Результати моделювання перехідних процесів моменту і швидкості у системі модального керування зі спостерігачем стану у програмі Matlab представленні на рисунках 4.4 - 4.8.

Рисунок 4.4 - Запуск без навантаження і реверсом

Рисунок 4.5 - Перехідні процеси при пуску з навантаження і реверсом

З рисунка 4.5 видно, що швидкість просіла як і в попередніх системаї, з'явився модальний момент який повторює момент двигуна з деякими відхиленнями. електропривід керування підпорядкований

Рисунок 4.6 - Перехідні процеси при пуску скид накид навантаження і Реверсом

З рисунка 4.6 видно що швидкість при накиду навантаження просіла до 80 (рад/с), повністю аналогічно з ідентичним дослідом у попередніх системах, з'являється модальний момент який повторює момент статичний, лише з значним відхиленням.

Рисунок 4.7 - Перехідні процеси при пуску накид навантаження при пуску і реверсом

З рисунка 4.7 робим аналогічні висновки про швидкість, модальний момент який повторює статичний лише з віхиленням.

Рисунок 4.8 - Перехідні процеси при пуску помилка електропривода з номінальним навантаженням

4.3 Підсумки моделювання системи модального керування зі спостерігачем стану

Провівши моделювання з графіків перехідних процесів видно ,що математична модель системи розрахована і промодельована правильно, графіки перехідних процесів повністю мають чітку логічну послідовність. Зміни в графіках перехідних процесів присутні лише з доданим M* , який при різних режимах роботи працює досить по різному , проте система працює адекватно. Статична похибка збільшилась в часі в рівна 7.7 рад/с .

5. Розрахунок та дослідженяя системи оптимального керування об'єктом при обмеженні на нагрівання двигнуна

5.1 Розрахунок системи оптимального керування

На рисунку 5.1 зображена структурна системи оптимального керування об'єктом при обмеженні на нагрівання двигуна в загальному вигляді

Рисунок 5.1 - Системи оптимального керування об'єктом при обмеженні на нагрівання двигуна в загальному вигляді

Для розрахунку кута повороту валу двигуна потрібно виміряти: висоту міжповерхового перекриття (м.), радіус шківа (м.).

Кут повороту валу:

(5.1)

Оптимальний кут перехідного процесу:

(5.2)

Допустимі втрати в двигуні при холостому ходу:

(5.3)

Електромеханічна стала часу:

(5.4)

Оптимальний час перехідного процесу при холостому ході:

(5.5)

Оптимальна траєкторія при зміні швидкості:

Оптимальний закон при зміні моменту:

(5.5)

Повинна виконуватись умова:

(5.6)

Отже попередній розрахунок є правильним

(5.7)

Повинна виконуватись умова:

(5.8)

Отже попередній розрахунок є правильним.

Для моделювання системи необхідно визначити коефіцієнти оптимального керуючого впливу при навантаженні і холостому ходу.

При навантаженні:

(5.9)

(5.10)

При холостому моду:

(5.11)

(5.12)

Схема з обрахованими коефіцієнтами представлена на рисунку 5.2.



Рисунок 5.2 - Система оптимального керування з обрахованими коефіцієнтами

5.2 Дослідженнясистеми оптимального керування

Розрахувавши всі необхідні компоненти системи оптимального керування можна приступати до дослідження, шляхом моделювання перехідних характеристик. На рисунку 5.3 представлена функціональна схема для дослідження перехідних процесів у програмі Matlab.

Рисунок 5.3 - Cистема оптимального керування у Simulink Matlab

При дослідженні системи оптимального керування об'єктом при обмеженні на нагрів розглядається два випадки: при холостому ході і навантаженні.

Перехідні процеси при робота на холостому ході представленні на рисунках 5.4 - 5.6 .

Перехідний процес по переміщенню валу підвищили на 6, рисунок 5.4 -5.5



Рисунок 5.4 - Перехідні процеси при пуску системи без блока і номінального навантаження обмежень і реверсом

На рисунку 5.4 представленні перехідні процеси де швидкість розганяється до 230 рад/с у момент часу 1.7 с. в цей час момент двигуна прямує до нуля і йде на спад.

Рисунок 5.5 - Перехідні процеси при пуску системи з блоком обмежень і номінальним навантаженням і реверсом

На рисунку 5.5 використовуючи блок обмежень вдалося утримати швидкість двигуна рівна розрахунові , проте статичний момет змушує швидкість просісти на 10 рад/с.



Рисунок 5.6 - Перехідні процеси при пуску системи при помилці електропривода

Перехідні процеси при робота на номінальному навантаженні представленні на рисунках 5.7 - 5.9 .

Перехідний процес по переміщенню валу підвищили на 6, рисунок 5.7-5.8

Рисунок 5.7 - Перехідні процеси при пуску системи без блока і номінального навантаження обмежень і реверсом

На рисунку 5.7 представленні перехідні процеси характер яких ідентичний попередньому випадку , різниця в швидкості і часі коли швидкість досягне максимального значення.



Рисунок 5.8 - Перехідні процеси при пуску системи з блоком обмежень і номінальним навантаженням і реверсом

На рисунку 5.8 використовуючи блок обмежень вдалося утримати швидкість двигуна рівна розрахунові , проте статичний момет змушує швидкість просісти на 10 (рад/с)

Рисунок 5.9 - Перехідні процеси при пуску системи при помилці електропривода

5.3 Підсумки моделювання системи оптимального керуванні при обмежені на нагрів двигуна

Дана система іде на розгон , до поки не використаєм блок обмежень, який зупиняє процес розгону і підтримує швидкість сталу на розрахованому проміжку часу, дана залежність присутня для обох варіантів роботи. При помилці системи працюють однаково , швидкість мала за значенням і обертається в реверсі і не перевишуєш значення 10,2 рад/с .

Висновки

В даному курсовому проекті розрахована система ТРН-АД з різними системами керування.

Промоделювавши модель було отримано перехідні процеси системи по моменту і кутові швидкості під час пуску двигуна з номінальним навантаженням, при накиді навантаження, скиді та реверсі. Аналізуючи отримані графіки, можна зробити висновок, що системи працює стабільно, оскільки при зміні навантаження в досить широких межах, момент двигуна без навантаження набуває своє усталене значення, а швидкість обертання двигуна практично не змінюється це чітко видно з випадку коли досліджується скид накид навантаження, швидкість змінюється коли в системи вводиться статичний момент. Найкращим вважається система з модальним керування і спостерігачем стану вона найкраще підтримає швидкість двигуна , проте є складнішою в порівнянні з системою модального керування і підпорядкованого керування, які гірше підтримають швидкість але різниця між ними є незначною. Саме через статичну похибку яка рівна 7,7 рад/с і тривалістю розгону 6 с, система з модальним керування і спостерігачем стану є найкращою. Адже в системі підпорядкованого керування похибка рівна 10,2 рад/с .

У даному курсовому проекті були розглянуті системи з підпорядкованим керуванням, модального керування, модального керування зі спостерігачем стану, оптимального керування. У всіх системах спостерігається однаковий перебіг змін моменту і кутової швидкості , міняється лише стрибки моменту і кутова швидкість в системі з оптимальним керування.

Література

1. Грабко В. В. Курсове та дипломне проектування. Розрахунок системи підпорядкованого управління: навчальний посібник / В. В. Грабко, М. П. Розводюк, В. В. Грабко. - Вінниця : ВНТУ, 2010. - 88 с.

2. Голуб А.П. Системи керування електроприводами: навчальний посібник / А. П. Голуб, Б. І. Кузнєцов, І. О. Опришко, В. П. Соляник . - К.: НМК ВО, 1992. -352 с.

3. Попович М. Г. Електромеханічні системи автоматичного керування та електроприводи: навчальний. посібник / М. Г. Попович, О.Ю. Лозинський, В.Б. Клепіков. - К.: Либідь, 2005. - 680 с.

4. Симаков Г. М. Системыуправленияэлектроприводами: учебноепособие / Г. М. Симаков. - Новосибирск: НГТУ, 2006 - 120 с.

5. Чорний О.П. Моделювання електромеханічних систем: навчальний посібник / О. П. Чорний, А. В. Луговой, Д. Й. Родькін, Г. Ю. Сисюк, А. В. Садовий - Кременчук, 2001. - 376 с..

Размещено на Allbest.ru