Регулятора подачи долота буровой установки

Астраханский  Государственный Технический Университет

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра «ЭАС»

 

 

 

 

 

 

К У Р С  О В О Й   П Р О Е  К Т

КП 140604.65.ТА41.24.07

по дисциплине

«Теория автоматического  управления»

 

на тему:

«Регулятора подачи долота буровой установки».

 

Вариант №24

 

Выполнил:       ст. гр. ДТА-41

Лезин Д.С

Проверил:    к.т.н. профессор

Надев А.И.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Астрахань 2007 г.

 

Содержание курсового  проекта:

1. Задание на проектирование.
2. Аннотация на английском и русском языках.
3. Краткое описание работы системы.
4. Составление функциональной схемы САУ.
5. Получение дифференциальных уравнений и операторных функций   передачи (ОФП) элементов САУ
6. Составление структурной схемы САУ.
7. Определение ОФП разомкнутой и замкнутой систем.
8. Определение статического передаточного коэффициента разомкнутой системы, а также статизма системы.
9. Расчет и построение частотных характеристик системы.
10. Проверка САУ на устойчивость с помощью алгебраического критерия устойчивости Гурвица.
11. Проверка САУ на устойчивость с помощью частотного критерия Михайлова.
12. Определение запаса устойчивости замкнутой системы по амплитуде и по фазе с помощью критерия Найквиста.
13. Построение D-разбиения и определение области устойчивости.
14. Построение переходного процесса на ЭВМ.
15. По кривой переходного процесса определить основные показатели качества.
16. Расчет и построение логарифмической амплитудно-частотной характеристики.
17. Список используемой литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задание на курсовое проектирование.

 

1. Составление функциональной  схемы САУ.

2. Получение дифференциальных  уравнений и операторных функций передачи (ОФП) элементов САУ.

3. Составление структурной  схемы САУ.

4. Определение ОФП  разомкнутой и замкнутой систем.

5. Определение статического  передаточного коэффициента разомкнутой  системы, а также статизма системы.

6. Расчет и построение частотных характеристик системы.

7. Проверка САУ на  устойчивость с помощью алгебраических  критериев устойчивости (Вышнеградского  или Гурвица).

8. Проверка САУ на  устойчивость с помощью частотного  критерия Михайлова.

9. Определение запаса  устойчивости замкнутой системы по амплитуде и по фазе с помощью критерия Найквиста.

10. Построение D-разбиения и определение области устойчивости.

11. Построение переходного  процесса на ЭВМ.

12. По кривой переходного  процесса определить основные  показатели качества.

13. Расчет и построение  логарифмической амплитудно-частотной  характеристики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Аннотация.

    В данном курсовом проекте рассчитывается «Регулятора подачи долота буровой установки», исследуется степень влияния на устойчивость САУ и диапазон изменения параметра одного из звеньев. Для наглядности в каждом из пунктов расчёта приведены графики.

     При разработке данной системы автоматического управления использовались следующие математические методы теории управления:

1. Построение вещественной частотной характеристики.

2 . Определение устойчивости системы  по критерию Гурвица.

3. Проверка системы на устойчивость критерием Михайлова.

4. Определение границы устойчивости используя метод Д – разбиения.

5. Построение переходного процесса по управляющему воздействию

6. Построение логарифмической частотной характеристики.

Для выполнения курсового  проекта были использованы средства расчета представленные в программе Math2001i Professional Edition и Matlab 6.5.

 

 

 

 

 

 

The summary.

     In the given academic year project pays off « the Regulator of submission of a chisel of chisel installation », the degree of influence on stability САУ and a range of change of parameter of one of parts is investigated. For presentation in each of items of calculation schedules are resulted.

     By development of the given system of automatic control the following mathematical methods of the theory of management were used:

1. Construction of the material frequency characteristic.

2. Definition of stability of system by Gurvits's criterion.

3. Check of system on stability criterion Mihailova.

4. Definition of border of stability using method D - splittings.

5. Construction of transient on managing influence

6. Construction of the logarithmic frequency characteristic.

For performance of an academic year project means of calculation submitted in program Math2001i Professional Edition and Matlab 6.5 have been used.

 

 

 

 

 

3. Краткое описание  работы системы.

 

Объектом регулирования  в автоматической системе подачи долота является буровой инструмент в соприкосновении с породой. Входной величиной для объекта регулирования служит скорость подачи, а выходной(регулируемой величиной) нагрузка на долото. Система автоматического регулирования нагрузки на долото работает по принципу отклонения, т.е. отклонение нагрузки от заданного значения через систему управления электропривода изменяет скорость подачи долота и восстанавливает нагрузку на долото до заданного значения.

 

4. Составление  функциональной САУ.

 

Условные обозначения  представленные в схеме:

-- РС – регулятор скорости;

-- РТ – регулятор  тока;

-- ТП – тиристорный преобразователь;

-- ДТ – датчик тока якоря;

-- УО – узел ограничения;

-- М – электродвигатель регулятора подачи;

-- ТГ – тахогенератор;

 

5. Получение  дифференциальных уравнений и операторных функций передачи (ОФП) элементов САУ.

Внутренним  контуром регулирования является контур регулирования тока двигателя, содержащий регулятор тока (РТ), систему импульсно-фазового управления (СИФУ), которая формирует отпирающие импульсы для тиристорного преобразователя (ТП), подключенного к якорной цепи 
двигателя. Формирование отрицательной обратной связи по току якорной цепи осуществляется датчиком тока (ДТ). Входной сигнал регулятора тока ограничен по величине значением, соответствующим допустимому ускорению двигателя.

Контур регулирования  скорости состоит из регулятора скорости (PC) и объекта регулирования, который включает в себя замкнутый контур регулирования тока двигателя. Измерение угловой скорости вращения двигателя осуществляется тахогенератором, вал которого жестко связан с валом двигателя. Выходное напряжение тахогенератора поступает па вход регулятора скорости. Выходной сигнал регулятора скорости, являющийся задающим сигналом для контура регулирования тока, ограничен по величине значением, соответствующим стопорному току двигателя.

Такой принцип построения системы называется принципом подчиненного управления, так как функционирование внутреннего контура тока подчинено внешнему контуру скорости.

Система управления электроприводом с подчиненным регулированием.

- сигнал задания скорости;

- сигнал задания тока;

- сигнал ОС по скорости двигателя;

- сигнал ОС по току якоря;

 и  - коэффициент усиления и постоянная времени ТП;

- сопротивление якорной цепи;

- электромагнитная постоянная времени двигателя;

- электромеханическая постоянная времени двигателя;

  -  постоянная двигателя.

Расчет настройки  регуляторов контуров регулирования  тока и скорости.

Расчет настройки регулятора тока якоря электродвигателя производится для случая неподвижного (заторможенного) якоря.

Схема контура  регулирования тока.

В контуре имеются  две постоянные времени  и . Постоянная времени тиристорного преобразователя обычно принимается равной 0,01с и является в данном контуре малой или некомпенсируемой постоянной времени. Постоянная времени якорной обмотки является в этом контуре большой постоянной времени, которую нужно компенсировать.

Передаточная функция  объекта регулирования запишется так:

.

В результате последовательной коррекции по условию настройки  контура на оптимум по модулю передаточная функция разомкнутого контура должна иметь вид:

.

где -  соотношение постоянных времени контура регулирования, при настройке на оптимум по модулю .

Передаточная функция регулятора тока определяется:

,

.

Как видно регулятор тока представляет собой ПИ-регулятор с постоянной времени . Принимая регулировочную характеристику тиристорного преобразователя линейной, определим :

, где   - Максимальное значение напряжения управления, в унифицированных системах принимается равных 10 В.

Коэффициент обратной связи по току  определяется по выражению:

, где:  - ток отсечки заторможенного двигателя, принимается равным

 - значение сигнала обратной связи по току при .

Таким образом в контур регулирования тока необходимо включить ПИ-регулятор с постоянной времени  . ПИ-регулятор тока обеспечит: поддержание тока якоря на уровне, предписанном сигналом задания тока в статике и настройку на оптимум по модулю в динамике.

За счет действия токового контура система быстро обрабатывает возмущений в виде изменений напряжения сети. Если напряжение сети изменится скачком, то  в первый момент также изменится и ЭДС ТП. Это приведет к изменению якорного тока, и лишь затем начнет изменяться скорость. Регулятор тока будет восстанавливать ток за счет воздействия на ТП.

При замыкании обратной связи по скорости и введении в цепь управления регулятора скорости с передаточной функцией образуется второй контур регулирования.

Схема контура  регулирования скорости.

Звено с передаточной функцией:

 

Представляет собой функцию замкнутого оптимизированного контура регулирования тока.

Выполненные расчеты  и практика настройки регулируемых электроприводов показывают, что  без большой погрешности для  оценки качества регулирования в  знаменателе можно отбросить  член второго порядка и преобразовать к виду:

.

В этом случае передаточная функция объекта регулирования  в контуре скорости имеет вид:

Желаемая передаточная функция разомкнутого контура регулирования  скорости имеет вид:

где      - соотношение постоянных времени в контуре регулирования скорости; при настройке на оптимум по модулю .

             - коэффициент обратной связи по скорости, определяется из условия идеального холостого хода, когда ; ;

Передаточная функция  регулятора скорости определяется:

Таким образом регулятор  скорости представляет П-регулятор с коэффициентом усиления , отсутствие интегральной составляющей объясняется тем, что в объекте регулирования имеется интегрирующее звено.

 

На буровых установках в зависимости от максимальной грузоподъемности используются приводные двигатели мощностью 55, 75 и 90 кВт с номинальной частотой вращения 1000-1180 об/мин.

В качестве приводного двигателя  будем использовать двигатель серии 2ПН со следующими параметрами:

h, мм.	Рн, кВт	Uн, В	nн об/мин	nмах об/мин	, %	RЯ, Ом	RДП, Ом	RОВ, Ом	J,
280М	75	220	1000	2250	88,5	0,016	0,0083	22,8	2,2

Рассчитаем параметры  данного двигателя.

Номинальная угловая скорость вращения:  ;

Номинальный ток двигателя: ;

Номинальный коэффициент  ЭДС и электромагнитного момента:

                                             ;

Скорость холостого  хода:               ;

Индуктивность якоря, при  отсутствии каталожных данных, можно приблизительно определить по формуле Уманского-Линвилля:

;

где k - коэффициент: (k=0,6 - для машин без компенсационной обмотки, k=0,25 - для машин с компенсационной обмоткой);

Сопротивление якорной  цепи:

;

где k_T - коэффициент учитывающий изменение сопротивлений при нагревании обмоток: (k_T = 1,2 для случая, когда сопротивления приведены для не нагретого (холодного) состояния и k_T = 1 в случае нагретого состояния обмоток);

R_Я, R_ДП, R_KO - сопротивления обмотки якоря, обмотки добавочных полюсови компенсационной обмотки;

R_ЩК - сопротивление щеточного контакта.

Сопротивление щеточного  контакта можно определить по формуле:

;

где DU_Щ - падение напряжения на щеточном контакте: (DU_Щ=2 В - в случае графитовых щеток, DU_Щ=0,6 В - в случае медно-графитовых щеток);