Анализ и синтез системы автоматического управления электропривода агрегата

 

Задание на проектирование

Техническое задание

на курсовую работу по дисциплине

«Теория Автоматического  Управления»

Выдано: студенту группы ЭСА-09-1

 

Тема работы: «Анализ и синтез системы автоматического управления электропривода агрегата»

 

Исходные данные:

Табл.1-Параметры двигателя  постоянного тока:

Вариант	Тип агрегата	Параметры электродвигателя
		Рн, кВт	Uн, В	Ін, А	nн, об/мин	Rя, Ом	J1, кг м2	рп
9-3	Нажимное устройство	320	440	788	500	0,021	46,5	4

 

Табл.2-Параметры системы  автоматического регулирования:

Элементная база системы	Постоянные  времени		Напряжения
	Тµ,с	Тф,с	Uпит,В	U y max,В
УБСР-А	0,005	0,012-0,015	24	20

 

Параметры механической части электропривода:

На рисунке 1 приведена схема проектируемой системы.

 

 

 

 

 

Задание выдано______________

Срок защиты работы____________

Руководитель работы Задорожняя И.Н. кафедра ЭСА (ДГМА, Краматорск)

Задание к исполнению принял:

Студент группы ЭСА-09-1____________

Защита ________________

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                                                                                           4

1. Анализ системы автоматизированного электропривода механизма               6
1. Функциональная схема                                                                               7
2. Составление структурной схемы                                                               9
1. Механическая часть, как объект регулирования                                 9
2. ДПТ как объект регулирования                                                          11
3. Управляемый преобразователь, как объект регулирования            13
4. Система ТП-Д                                                                                       17
5. Расчет параметров датчиков                                                               19
6. Расчет параметров регулятора тока и скорости                                22
7. Структурная схема ЭС с САУ                                                            34
2. Исследование устойчивости                                                                               35
1. Вывод передаточной функций по управлению и по возмущающему воздействию, вывод характеристического уравнения 35                                                                                   
2.                                                                                                  35
2. Вывод передаточной функции САУ по управляющему воздействию                                                                                                        39
3. Вывод передаточной функции САУ по возмущающему воздействию                                                                                                         39
2. Корневой метод исследования устойчивости                                        42
3. Алгебраический критерий устойчивости                                              43
4. Частотные критерии устойчивости                                                         46
3. Исследование качества исходной САУ                                                           48
1. Приближенный метод исследования качества                                      48
2. Метод обратного преобразования Лапласа                                           50
4. Моделирование исходной САУ                                                                       52
1. Структурная схема                                                                                    52
2. Математические модели в пакете Matlab                                               52
3. Кривые переходных процессов                                                               54

Заключение                                                                                                                   57

Список литературы                                                                                                       58

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Задача курсовой работы заключается в том, чтобы проанализировать данную САУ на устойчивость и качественность работы. Если система не удовлетворяет требованиям устойчивости и качества, то необходимо обеспечить удовлетворение этих требований путем введения в САУ корректирующего звена.

Теоретической основой  автоматических систем является теория автоматического управления и регуляции, которая изучает принципы построения, методы анализа и синтеза наиболее широкого класса автоматических систем: систем автоматического управления и регуляции. Методы исследований, разработанные в теории автоматического управления, являются достаточно общими, сфера их использования выходит за рамки практической сферы. Принципы управления (регулирования), на основе которых строятся технические системы, имеют универсальный характер. От систем автоматического управления требуют  необходимые показатели качества и закон управления. В этом случае используют САР с автоматическим корректирующим устройством, которое обеспечивает необходимые параметры системы. В САР, что состоят только из функционально-необходимых элементов, хоть и уменьшаются ошибки в сравнении с системами, у которых отсутствующие автоматические управляющего устройства (регуляторы), обычно не удается получить нужные показателей качества.

В замкнутых системах это объясняется тем, что условия  для достижения высокой точности в постоянном и переходном режимах  имеют противоречивый характер. Действительно  для уменьшения ошибки в постоянном режиме необходимо повышать коэффициент усиления системы в разомкнутом состоянии. С увеличением коэффициент усиления  уменьшается запас стойкости системы и, следовательно, ухудшается переходной процесс.

Для того чтоб при увеличении сберечь устойчивость и улучшить показатели качества переходного процесса, необходимо соответствующим образом изменить частотные характеристики системы - осуществить коррекцию системы. Под коррекцией САР подразумевается изменение их динамических свойств с целью обеспечения необходимого запаса устойчивости, повышения динамической точности и показателей качества переходного процесса. Для коррекции в систему включают корректирующие устройства. Ухудшение переходного процесса и потеря стойкости при увеличении, связанные с опозданием в системе колебаний по фазе. Следовательно, необходимо частично компенсировать запаздывание в некоторой полосе частот. Опережение по фазе может быть допустимым в результате добавления напряжения сигнала несогласованности из производной от него. Необходимое функциональное превращение сигнала несогласованности системы может быть допустим посредством корректирующих устройств, что включаются в главный контур управления последовательно элементам  или системы в цепи местных обратных связей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 АНАЛИЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГОЭЛЕКТРОПРИВОДА  МЕХАНИЗМА

 

1.1 Описание САУ 

Нажимное устройство

Нажимное устройство универсальных клетей обеспечивает одновременную синхронную установку всех валков, а также индивидуальную регулировку каждого из них, которую осуществляют с помощью зубчатой разъединительной муфты с рычажным переключателем. Установку нижнего горизонтального валка в осевом направлении осуществляют с помощью рычажного механизма со стороны обслуживания клети. Индивидуальную регулировку валков проводят только при настройке клети. В процессе прокатки нажимные устройства всех четырех валков черновой универсальной клети работают синхронно, обеспечивая заданное калибровкой соотношение обжатий по всем элементам профиля. Работа нажимного устройства автоматизирована с использованием системы, работающей с применением перфокарт.

Для устранения поломок  нажимного устройства при случайной  посадке горизонтальных валков в  забой между подушкой и нажимным винтом предусмотрено клиновое предохранительное устройство. Защиту валков и других деталей рабочей линии от перегрузок в процессе прокатки осуществляют с помощью специального аварийного реле в силовых цепях двигателя главного привода.

Скорость перемещения  нажимных винтов универсальной клети оказывает большое влияние на получение профиля с необходимой точностью размеров. Чтобы обеспечить требуемую точность получения размеров профиля скорость перемещения валков при их регулировке должна быть достаточно низкая. Однако в этом случае резко увеличивается время, необходимое для реверсирования клети. В связи с этим на современных универсальных станах обычно принимают сравнительно высокую скорость перемещения нажимных винтов в сочетании со специальными типами электроприводов, обеспечивающими точность установки порядка 0,1—0,2 мм. На рассматриваемом стане завода в Тоехаси применены системы управления электродвигателями нажимных винтов с помощью изменения напряжения и магнитных усилителей.

Перед черновой и чистовой универсальными клетями, а также за вспомогательной клетью установлены рольганги подъемнокачающегося типа, применение которых необходимо в условиях прокатки двутавровое полками разной ширины на клетях с постоянным уровнем установки вертикальных валков.

 

 

 

 

 

 

1.1 Функциональная схема

Для упрощения понятия принципа работы любого устройства применяют функциональную схему. Она наглядно отображает взаимосвязь между отдельными элементами САУ. Данная САУ имеет следующую функциональную схему:

 

 

Рис.2 - Функциональная схема САУ

 

Любая электромеханическая система состоит из электрической и механической части. К механической части относится ротор двигателя, приводной вал и рабочий орган (РО), непосредственно выполняющий работу в технологическом процессе. К электрической части относят якорную цепь, ТП, регуляторы координат, датчики координат и т. п.

РС – регулятор скорости. При наличии рассогласования DU, на входе регулятора скорости, на его выходе формируется сигнал, пропорциональный этому рассогласованию.

РТ – регулятор тока. 

 

СИФУ – на его вход подается управляющее напряжение, функция   СИФУ заключается в формировании и распределении импульсов управления силовыми тиристорами. По мере уменьшения рассогласования (под действием отрицательной обратной связи по частоте вращения ) происходит стабилизация частоты вращения двигателя на уровне, пропорциональном напряжению задания (Uз).

ДС – датчик скорости, звено обратной связи по скорости. Включает в себя делитель напряжения, преобразователь с трансформатором для гальванической развязки высоковольтной части схемы (U_тг=220 В), и схемы управления.

ДТ – датчик тока, звено обратной связи по току. Включает в себя датчик в цепи обратной связи по току (шунт) и датчик тока, усиливающий сигнал до необходимого уровня, определяемого элементной базой САР.

СЧТП – силовая часть тиристорного преобразователя. Представляет собой набор тиристоров.

ОЯ – обмотка якоря.

Я – якорь.

ОСД – обратная связь внутри двигателя.

КФ – магнитный поток.

ЗУ – задающее устройство. На вход поддается сигнал напряжения.

 

 

 

. 

1.2 Составление структурной схемы

1.2.1 Механическая часть, как объект регулирования

 

 

 

 

Рис.3 - Двухмассовая кинематическая модель

Схема:

 

Рис.4

 

Запишем систему интегро-дифференциальных уравнений для данной модели:

 

 

 

где, М – момент, развиваемый двигателем;

М_у – момент упругих сил;

М_с – момент сил статического сопротивления;

w₁ – угловая скорость двигателя;

w₂ – угловая скорость рабочего механизма;

С₁₂ – коэффициент жесткости вала;

J₁ – момент инерции вала двигателя;

J₂ – момент инерции рабочего механизма.

 

Запишем эту систему  уравнений в форме Лапласа:

 

 

 

 

 

1.2.2 ДПТ как объект регулирования

Рис.5 - Схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения

 

 

Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением описывается сложными зависимостями.

При неизменном потоке возбуждения (Ф = Ф_н) регулирование скорости двигателя осуществляется напряжением на зажимах обмотки якоря. Основной движущей координатой привода является ток якоря двигателя.

По второму закону Кирхгофа, запишем дифференциальное уравнение для якорной цепи двигателя, исходя из схемы замещения:

 

где, I_я – ток якоря ДПТ;

U_я – напряжение на зажимах обмотки якоря;

R_я – сопротивление якоря;

L_я  – индуктивность цепи якоря.

 

ρ – удельное сопротивление меди (1,68∙10^-8 Ом/м);

l – длина проводов(принимаем l =30 м);

S – сечение провода(S = 70 мм²)

где, к = 0.25 – для компенсированных двигателей;

U_н – номинальное напряжение двигателя;

I_н – номинальный ток якоря ДПТ;

р – число пар полюсов;

ω_н– номинальная угловая скорость вращения якоря двигателя:

 

Магнитный поток:

 

 

Электромагнитная постоянная времени:

 

 

Электромеханическая постоянная времени:

 

 

Непосредственно электромеханическое преобразование энергии осуществляется ротором (якорем) двигателя. Уравнение движения которого имеет вид:

где  М_д – номинальный момент, развиваемый двигателем:

 

 

 

1.2.3 Управляемый преобразователь как объект регулирования

Тиристорный преобразователь  представляет собой некоторый генератор, на выходе которого среднее значение выпрямленной ЭДС можно определить следующей зависимостью:

                                                                       

где  a - угол регулирования;

Е_d0 -  максимальное значение выпрямленной ЭДС преобразователя (при угле регулирования равном нулю).