Автоматическое управление

Содержание

Введение            3

1 Общая часть           4

1.1 Назначения  и область применения двигателя  постоянного тока    4

1.2 Принципы работы  двигателя постоянного тока с  независимым возбуждением  4

1.3 Способы регулирования  частоты вращения двигателя постоянного  тока   5

1.4 Выбор электродвигателя  для привода станка       5

2 Построение  функциональных и структурных  схем исследуемой системы автоматического  управления            9

3.1 Получение  передаточной функции двигателя  постоянного тока по управляющему  воздействию            14

3.2 Получение  передаточной функции двигателя  постоянного тока по возмущающему  воздействию            14

4 Построение  структурных схем и получение  передаточных функций исследуемой  системы автоматического управления  по управляющему и возмущающему  воздействиям  16

4.1.1 Получение  замкнутой передаточной функции  системы автоматического управления  по управляющему воздействию         17

4.1.2 Получение  замкнутой передаточной функции  системы автоматического управления  по возмущающему воздействию         19

4.2 Получение  разомкнутых передаточных функций  системы автоматического управления  по управляющему и возмущающему  воздействиям       20

4.2.1 Получение  разомкнутой передаточной функции  системы автоматического управления  по управляющему воздействию         20

4.2.2 Получение  разомкнутой передаточной функции  системы автоматического управления  по возмущающему воздействию         21

5.1 Исследование  устойчивости САУ по алгебраическому  критерию    22

5.2 Исследование  устойчивости САУ по критерию  Михайлова.    24

5.3 Исследование  устойчивости САУ по критерию  Найквиста.    26

5.4 Исследования  устойчивости системы автоматического  управления по

логарифмическому  критерию.                       32

 

 

 

5.5 Определение  запасов устойчивости.        34

6 Синтез системы  автоматического управления методом  логарифмических частотных характеристик           36

6.1Построение  логарифмической амплитудной частотной  характеристики неизменяемой части  системы автоматического управления.        36

6.3 Определение параметров корректирующего  устройства     37

6.3 Определение  параметров корректирующего устройства     38

6.4Построение  графика переходного процесса  и определение основных показателей  качества              39

Заключение            41

Список  использованных источников        42

 

 

Введение

Автоматизация производства на предприятии представляет собой самостоятельную комплексную  проблему. К ее решению подталкивает вселяющая страх мировая конкуренция, которая как удав сжимает предприятия, понуждая их принимать соответствующие  меры. Автоматизация создает возможности  для улучшения условий и подъема  производительности труда, роста качества продукции, сокращения потребности  в рабочей силе и в систематическом  повышении прибыли, что позволяет  изменить тенденцию развития, сохранить  старые и завоевать новые рынки  и таким образом вырваться  из объятий удава.Без сомнения автоматизация  не является новым направлением, в  широком смысле этого слова, появление  автоматизации относится ко времени  промышленной революции. Тогда машины значительно повысили производительность труда рабочих. Развитие автоматизации  характеризуется рядом крупных  достижений. Одним из первых было внедрение  взаимозаменяемости в производстве, следующим – сборочные конвейеры  Генри Форда. Подлинную революцию  в автоматизации производства произвели  промышленные роботы и персональные компьютеры. Конечно, автоматизация  не единственный способ выйти победителем  в конкурентной борьбе. Большие возможности  таятся в стимулирующей роли заработной платы. Другим оружием в этой борьбе является участие рабочих в управлении производством и повышении качества продукции. Уместно напомнить здесь  японские «кружки качества», которые  распространились по всему миру и  затрагивают теперь не только вопросы  качества, но и снижения стоимости  выпускаемой продукции, обеспечения  техники безопасности и другие направления. Однако автоматизация является доминирующим средством в достижении успеха в условиях глобализации международных экономических отношений. На пути автоматизации стоят неблагоприятные аспекты и подводные камни, которые необходимо учитывать. Приступающие к автоматизации следует, прежде всего, уяснить что, заниматься проблемами автоматизации нельзя без предварительной подготовки изделий, технологии и в целом предприятия. Тщательная проработка конструкции изделия, оценка стабильности технологии и надежности, имеющегося на производстве парка оборудования позволяет извлечь наибольшую пользу от применения в производстве промышленных роботов. Предварительная проработка конструкции, анализ и совершенствование изделия и процесса могут быть настолько эффективными, что, в конечном счете, позволяют исключить необходимость применения роботов или другого автоматизированного оборудования.

 

1 Общая часть

1.1 Назначения и область применения двигателя постоянного тока

Двигатели постоянного тока используются в  прецизионных приводах, требующих плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне. 
Свойства двигателя постоянного тока, так же как и генераторов, определяются способом возбуждения и схемой включения обмоток возбуждения. По способу возбуждения можно разделить двигатели постоянного тока на двигатели с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением. 
Двигатели с электромагнитным возбуждением подразделяются на двигатели с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением. 
Электрические машины постоянного тока обратимы, то есть, возможна их работа в качестве двигателей или генераторов.

Например, если в системе управления с использованием генератора в обратной связи отсоединить  генератор от первичного двигателя  и подвести напряжение к обмоткам якоря и возбуждения, то якорь  начнет вращаться и машина будет  работать как двигатель постоянного  тока, преобразуя электрическую энергию  в механическую.  
Однако двигатели постоянного тока имеют существенные недостатки, накладывающие ограничение на область их применения малый срок службы щеточного устройства из-за наличия скользящего контакта между щетками и коллектором, скользящий контакт является источником радиопомех

 

1.2 Принципы работы двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Двигатель с параллельным возбуждением. В этом двигателе обмотка  возбуждения подключена параллельно  с обмоткой якоря к сети. В цепь обмотки возбуждения включен  регулировочный реостат R_р.в., а в цепь якоря — пусковой реостат R_п . Характерной особенностью двигателя является то, что его ток возбуждения I_в не зависит от тока якоря I_а так как питание обмотки возбуждения по существу независимое. Следовательно, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя не зависит от нагрузки. При этом условии согласно и получаем, что зависимости М = f(I_a ) и n = f(I_a) (моментная и скоростная характеристики) линейные. Следовательно, линейна и механическая характеристика двигателя n = f(M)

Величина Δ_п , зависящая от суммы сопротивлений ΣR_а + R_п , определяет наклон скоростной n = f(I_a) и механической n = f(M) характеристик к оси абсцисс. При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления R_п указанные характеристики жесткие (естественные характеристики 1 на рис. 8.59,б и 8.60,а), так как падение напряжения I_а ΣR_а в обмотках машины, включенных в цепь якоря, при номинальной нагрузке составляет лишь 3 — 5% от U_ном. При включении добавочного реостата угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего образуется семейство реостатных характеристик 2, 3, 4, соответствующих различным сопротивлениям реостата R_пl. R_п2 и R_п3. Чем больше сопротивление R_п , тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче.

Реакция якоря, уменьшая несколько поток машины Ф при  нагрузке, стремится придать естественной механической характеристике отрицательный  угол наклона, при котором частота  вращения n возрастает с увеличением момента М. Однако двигатель с такой характеристикой в большинстве электроприводов устойчиво работать не может. Поэтому современные двигатели большой и средней мощностей с параллельным возбуждением часто имеют небольшую последовательную обмотку возбуждения, которая придает механической характеристике необходимый наклон. МДС этой обмотки при токе I_ном составляет около 10% от МДС параллельной обмотки.

Регулировочный  реостат R_p.в позволяет изменять ток возбуждения двигателя I_в и его магнитный поток Ф. Как следует из при этом изменяется и частота вращения n. В цепь обмотки возбуждения выключатели и предохранители не устанавливают, так как при разрыве этой цепи и небольшой нагрузке на валу частота вращения двигателя резко возрастает (двигатель идет в «разнос»). При этом сильно увеличивается ток якоря и может возникнуть круговой огонь.

Рабочие характеристики рассматриваемого двигателя представляют собой зависимости потребляемой мощности Р₁ тока I_a ≈ I_н частоты вращения n, момента М и КПД η от отдаваемой мощности Р₂ на валу двигателя при U = const и I_в = const. Характеристики n = f(P₂) и М = f(P₂) являются линейными, а зависимости Р₁ = f(P₂), I_a = f(P₂) и η = f(P₂) имеют характер, общий для всех электрических машин. Иногда рабочие характеристики строят в зависимости от тока якоря I_a.

Если в двигателе  обмотка якоря и обмотка возбуждения  подключены к источникам питания  с различными напряжениями, то его  называют двигателем с независимым  возбуждением. Такие двигатели применяют  в электрических приводах, у которых  питание обмотки якоря осуществляется от генератора или полупроводникового преобразователя. Механические и рабочие  характеристики двигателя с независимым  возбуждением аналогичны характеристикам  двигателя с параллельным возбуждением, так как у них ток возбуждения  I_в также не зависит от тока якоря I_a .

 

 

1.3 Способы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока

Регулирование частоты вращения изменением подводимого  напряжения встречает трудности, связанные  со сложностью преобразования напряжения постоянного тока. Для цели либо применяют статические преобразователи  напряжения, либо питают двигатель  от отдельного генератора постоянного  тока, допускающего плавное регулирование  напряжения (система генератор —  двигатель). Такие системы применяют  лишь для отдельных специальных  приводов, требующих регулирования  частоты вращения по сложной программе, например для главных двигателей прокатных станов.

Регулирование частоты  вращения потоком является наиболее экономичным способом, так как  потери в регулировочных резисторах, включаемых для этой цели последовательно  с обмоткой возбуждения, невелики из-за малого тока возбуждения. Однако этот способ позволяет лишь увеличивать  частоту вращения двигателей по сравнению  с номинальной. Такой способ регулирования  предусмотрен для всех серийных двигателей постоянного тока. Включение добавочного  резистора в цепь якоря дает возможность  плавно регулировать частоту вращения, но сопряжено с большими потерями в регулировочном реостате, по которому проходит полный ток нагрузки. Этот способ используется, например, для  регулирования частоты вращения тяговых двигателей. В современных  системах регулирования частоты  вращения двигателей постоянного тока применяются тиристорные схемы, позволяющие осуществить регулирование  частоты вращения в широких пределах по заданной программе. Датчиками частоты  вращения для осуществления обратной связи при регулировании могут  быть тахогенераторы, размещенные на валу якоря двигателя.

 

1.4 Выбор электродвигателя для привода станка

 

Мощность электродвигателя главного привода станка может быть определена аналитически и экспериментально.

Для определения  мощности электродвигателя аналитическим  способом должно быть известно качество обработки материала, материал и  свойства резца, глубина резания  подачи. Необходимо также знать и  скорость резания.

                Мощность электродвигателя привода  определяется по формуле: 

,  (1)

где – мощность резания,  кВт

    – коэффициент полезного действия станка

Для токарных станков  КПД равен 0,9

Для резания на заданных станках необходимо, чтобы  мощность электродвигателя станка была на 25% больше расчетной мощности, т.е. 

 

По  полученным  данным  выбираем  электродвигатель ПБВ 160L Данные выбранного электродвигателя привести в таблице

Таблица 1 - Исходные данные для курсового проекта

 

Исходные данные	Обозначение	Единицы измерения	Значение
Двигатель постоянного тока
Марка электродвигателя	ПБВ 160L
Номинальная мощность	Pном	кВт	5.5
Номинальное напряжение	Uном	В	78.5
Номинальная частота вращения	Nном	об/мин	500
КПД		%	78
Сопротивление якорной цепи	Rя	Ом	0.0343
Индуктивность якорной цепи	L	мГн	0.405
Момент инерции		кг/м2	0.298
Тиристорный  преобразователь
Коэффициент усиления	Ктn		0.03
Постоянная времени	Ттп	С	20
Тахогенератор
Коэффициент усиления	Ктг	В/мин-1	1.2
Режимы работы САУ
Время переходного процесса	tпп	С	Не более 2
Величина перерегулирования		%	Не более 20
Колебательность переходного процесса	N		Не более 2