Расчёт и исследование системы стабилизации скорости вращения электродвигателя постоянного тока

      МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

КАФЕДРА

АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ  СИСТЕМ

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по предмету «Теория  автоматического управления»

 

На тему: «Расчёт и исследование системы стабилизации скорости вращения электродвигателя постоянного тока »

 

Вариант № 7

 

 

 

                                                                  

                                                                          

                                                                                 Выполнил:       ст. гр. ЭМС-10

                                                                                                      ________________         

                                                                      Проверил: _____________________

 

                                                                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алчевск 2013

 Реферат

 

Пояснительная записка  к курсовой работе: 47 с.,20 рис.,5 табл., 4 источника.

Цель курсовой работы является приобретение и развитие у студентов навыков практического расчёта и теоретического исследования систем автоматического управления в области электропривода промышленных установок, углубления знаний по следующим разделам курса «Теория автоматического управления»:  составление по принципиальной схеме структурных схем  системы, определение передаточных функций системы, анализ устойчивости, расчет и построение логарифмических амплитудно- и  фазо-частотных характеристик, определение показателей качества регулирования, оптимизация контура регулирования скорости двигателя по модульному оптимуму. Расчёт и построение амплитудно – частотной характеристики замкнутой системы, логарифмических амплитудно и фазо – частотных характеристик, а также переходных характеристик по задающему и возмущающему воздействиям использовался метод математического моделирования на ПК с применением программного пакета Маtlab.

АНАЛИЗ КАЧЕСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ, КРИТЕРИЙ УСТОЙЧИВОСТИ, ОПТИМИЗАЦИЯ КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ, МОДУЛЬНЫЙ ОПТИМУМ, ГЕНЕРАТОР,  ДВИГАТЕЛЬ,  пЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………………………6

1 Анализ качества регулирования в исходной системе

с пропорциональным регулятором скорости при ……………………………8

    1.1 Составление по принципиальной схеме структурных

     схем системы в динамике и статике………………………………………………..8

    1.2 Расчёт коэффициентов передачи и постоянных времени……....…………….12

    1.3 Определение передаточных функций системы по

    задающему и возмущающему воздействиям, передаточную

    функцию разомкнутой системы……………………………………………………19

    1.4 Анализ устойчивости……………………….………….……....……………….21

    1.5 Определение критического коэффициента усиления

    разомкнутой системы по методу Д-разбиения …..…..……………………………22

    1.6 Расчет и построение амплитудно-частотной характеристики

    замкнутой системы………..……….…………………………………………...........23

    1.7 Расчет и построение логарифмических амплитудно- и

    фазо-частотной характеристики замкнутой системы………….…………………..24

    1.8 Расчет и построение переходных характеристик

    по задающему и возмущающему воздействиям …………….….…………………25

    1.9 Расчёт по структурной схеме в статике и построение

    электромеханической характеристики в замкнутой системе

    электропривода…………………..………………………………….........................26

    1.10 Определение показателей качества регулирования……..…………………..29

 

2 Оптимизация контура регулирования скорости двигателя

по модульному оптимуму…………………………………………………………….33

   2.1 Расчёт и построение  располагаемой и желаемой

   логарифмических  амплитудно-частотных характеристики..….…………………33

   2.2 Синтез логарифмической амплитудно-частотной

   характеристики регулятора скорости и определение

   его коэффициента усиления………………………………………………………...35

   2.3 Схемная реализация регулятора скорости и расчёт его

   параметров……………………………………………………………………………38

   2.4 Составление принципиальной и структурной схемы

   электропривода  с синтезированным регулятором скорости……………………..39

   2.5 Расчет переходных характеристик оптимизированной системы

   электропривода………….……………………………………….………………......40

   2.6 Определение показателей качества по переходным

   характеристикам……………………………………………………………………..42

Научно-исследовательская  работа………………………………….………………...45

Заключение……………………………………………………………………………..46

Перечень ссылок ……………………………………………………………………….47

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Целью курсовой работы является приобретение и развитие навыков  практического расчета и теоретического исследования систем автоматического управления, углубление знаний по отдельным разделам курса «Теория автоматического управления», развитие самостоятельности в принятии наиболее целесообразных решений при анализе полученных результатов.

При изучении процессов управления в ТАУ абстрагируются, от физических и конструктивных особенностей систем и вместо реальных систем рассматривают их адекватные математические модели, поэтому основным методом исследования в ТАУ является математическое моделирование. Кроме того, методологическую основу ТАУ образуют теория обыкновенных дифференциальных уравнений, операционное исчисление (преобразование Лапласа), гармонический анализ (преобразование Фурье).

Система, состоящая из управляющего объекта и автоматического  управляющего устройства, взаимодействующих между собой в соответствии с алгоритмом управления, называется автоматической системой (системой автоматического управления, или системой автоматического регулирования).

 В зависимости от способов  формирования управляющего воздействия  различают следующие принципы управления: по возмущению; по отклонению от управляемой величины от требуемого значения; принцип комбинированного управления.

Системы автоматического управления целесообразно классифицировать исходя из наиболее общих признаков и их свойств. Такая классификация облегчает изучение и исследование САУ.

По алгоритмам функционирования САУ  делятся на стабилизирующие, программные, следящие и преобразующие системы.

По свойствам в установившемся режиме САУ делятся на статические  и астатические.

По характеру изменения величин, определяющих работу отдельных элементов, САУ можно разделить на системы непрерывного действия и дискретные системы.

В зависимости от того, производится настройка системы человеком  или автоматической системой, САУ делятся на неадаптивные и адаптивные.

В зависимости от наличия  или отсутствия усилителя мощности САУ, различают САУ соответственно непрямого (косвенного) и прямого действия.

Теоретической основой автоматических систем является теория автоматического управления и регулирования, изучающая принципы построения, методы анализа и синтеза наиболее широкого класса автоматических систем: систем автоматического управления и регулирования.

Предметом изучения теории автоматического  управления являются системы автоматического  управления и полуавтоматические (эргатические) системы управления, то есть системы управления, содержащие человека оператора.

Автоматизация является одним из главных  направлений научно-технического прогресса и важным средством повышения эффективности общественного производства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 АНАЛИЗ КАЧЕСТВА  РЕГУЛИРОВАНИЯ В ИСХОДНОЙ СИСТЕМЕ  С ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ  СКОРОСТИ ПРИ 

 

1.1Составление по принципиальной схеме структурных схем

в статике и  динамике

    

В качестве объекта разработки задаётся система управления автоматизированным электроприводом, принципиальная схема которой приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема системы управления

               автоматизированным электроприводом

 

    

 

 На принципиальной  схеме приняты следующие обозначения:

М- электродвигатель постоянного  тока;

G- генератор постоянного тока;

U- тиристорный возбудитель генератора;

BR- тахогенератор;

R- потенциометр;

AR- регулятор скорости;

LG₁- обмотка возбуждения генератора;

LM₁- обмотка возбуждения двигателя;

LG₂, LM₂- компенсационная обмотка соответственно генератора и двигателя;

E_G- ЭДС генератора;

E_M- противо ЭДС двигателя;

U_U- напряжение возбуждения генератора;

U_AR- напряжение регулятора скорости;

U_BR- напряжение тахогенератора;

U_зω- напряжение задания на скорость двигателя;

U_R- напряжение обратной связи по скорости двигателя;

ω- угловая частота;

М- момент развиваемый  двигателем;

М_с- момент сил сопротивления.

 

Систему управления автоматизированным электроприводом, представленную на рисунке 1., можно условно разбить на  три  функциональных блока:

1. объект регулирования, состоящий из электродвигателя, генератора и  тиристорного возбудителя;
2. датчик скорости, включающий в себя тахогенератор и потенциометр;
3. регулятор скорости.

 

При составлении структурной схемы в динамике тиристорный возбудитель и генератор заменяем инерционными звеньями первого порядка с передаточными функциями соответственно

,                     (1.1)

где,   k_U, и k_G – коэффициенты усиления тиристорного возбудителя и генератора.

T_U, T_G – электромагнитные постоянные времени тиристорного возбудителя и генератора.

 Датчик скорости – безинерционным звеном с передаточной функцией

 

                                                               (1.2)

 

        Электродвигатель – с тремя типовыми динамическими звеньями: инерционным первого порядка, интегрирующим и пропорциональным, соединёнными между собой по следующей схеме, представленной на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 — Структурная схема электродвигателя

где R_Э-эквивалентное сопротивление якорной цепи системы Г-Д, Ом;

       T_Э- эквивалентная электромагнитная постоянная времени якорной цепи системы Г-Д;

       T_M – электромеханическая постоянная времени системы электропривода;

       k_M – коэффициент передачи двигателя.

Регулятор скорости в исходной системе  принимается пропорциональным с  передаточной функцией

                                                                                     (1.3)

где

                                          

                                            (1.4)

 

По принципиальной схеме  системы управления автоматизированным электроприводом составляем его структурную схему.

Рисунок 1.3 – Структурная схема системы Г-Д

 

Преобразуем полученную структурную схему:

Рисунок 1.4 – Преобразованная  структурная схема в динамике

 

 

 

 

Окончательно, структурная  схема в динамике имеет вид:

Рисунок 1.5 – Структурная схема в динамике

 

 

 

1.2 Расчет коэффициентов  передачи и постоянных времени

 

Определим номинальную  ЭДС генератора

 

                                  (1.5)

 

где Е_НГ – номинальная ЭДС;

       U_НГ – номинальное напряжение;

       I_НГ – номинальный ток;

       сопротивления соответственно обмотки якоря, компенсационной обмотки, обмотки добавочных полюсов при температуре 20ºС;

   1,32 – коэффициент приведения сопротивления обмоток генератора к температуре 75ºС;

   а – число параллельных ветвей обмотки якоря;

    ΔU_щ =2В – падение напряжения на щетках.

 

 В

 

Определим конструктивную постоянную генератора

 

                                               

                                                   (1.6)

 

где   N – число активных стержней обмотки якоря;

а – число параллельных ветвей обмотки якоря.

 

 

Номинальная угловая  скорость генератора: