Системе постоянного тока

Цель работы:

– изучение метода расчета параметров регуляторов при настройке одноконтурной системы на технический оптимум.

5.1 Краткие теоретические сведения

Электроприводы постоянного тока являются наиболее распространенными объектами регулирования различных автоматических систем. В зависимости от назначения в приводах осуществляется регулирование либо скорости вращения, либо угла поворота (величины перемещения).Типовым примером привода с регулированием скорости вращения являются приводы главного движения различных обрабатывающих станков, которые обеспечивают заданную величину перемещения инструмента. Причем в этих приводах помимо регулирования величины перемещения осуществляется регулирование и стабилизация скорости перемещения.

Для обеспечения высокого качества работы электропривода системы управления строятся по принципу систем подчиненного регулирования с регуляторами тока, скорости и положения.

Это позволяет осуществить регулирование тока якоря, скорости вращения и положения отдельными регуляторами, выбирать желаемые законы регулирования и рассчитывать параметры настроек регуляторов для каждого контура.

При этом обеспечивается раздельная настройка регуляторов и коррекция переходных процессов в каждом контуре.

Функциональная схема трехконтурной системы регулирования электропривода приведена на рис. 5.1.

Рис.5.1

На рисунке: РП, РС, РТ – регуляторы положения, скорости, тока; ДП, ДС, ДТ – датчики положения, скорости, тока; , , – сигналы задания, положения, скорости, тока; УМ – усилитель мощности; ДВ – двигатель.

При проектировании и расчете систем управления электроприводами выбор закона регулирования и расчет параметров настройки регуляторов обычно стремятся сделать так, чтобы получить технически оптимальный переходный процесс (расчет на технический оптимум).

Технически оптимальным переходным процессом считается процесс, обеспечивающий минимальное время достижения согласованного положенияt ₁ при перерегулированииσ < (4÷ 10)% (процесс 2 на рис.5.2.)

Рис.5.2

Для получения переходных процессов, изображенных на рис. 5.2, передаточная функция разомкнутого контура должна иметь вид

, (5.1)

а замкнутый контур будет описываться передаточной функцией колебательного звена

(5.2)

В зависимости от величины (коэффициента затухания ) можно получить процессы вида 1, 2 и 3.При получим процесс вида 1(рис.5.2).

При – процесс вида 2 с временем первого согласования .При =1 – процесс колебательный типа 3.

Для получения технически оптимального переходного процесса характеристическое уравнение замкнутого контура должно иметь вид

, (5.3)

т.е. соответствовать колебательному звену с коэффициентом затухания ξ = 0, 707.

В лабораторной работе рассматривается одноконтурная скоростная система управлении. Структурная схема системы представлена на рисунке 5.3.

Объектом управления является исполнительный двигателем постоянного тока (ДПТ), управляемый по цепи якоря. Двигатель постоянного тока управляется от силового регулятора, представленного звеном W _ср(s). Силовой регулятор (в данном случае реверсивный широтно-импульсный преобразователь) управляется от регулятораcпередаточной функцией W _p(s), на вход которого подается разность сигнала управления и обратной связи по скорости.

Рис.5.3

Передаточная функция двигателя постоянного тока получается на основании уравнений, которыми описываются электромагнитные и электромеханические процессы. Схема двигателя изображена на рис. 5.4.

Рис.5.4

На рисунке:

U, I – напряжение, приложенное к якорю и ток якоря;

напряжение и ток возбуждения;

сопротивление и индуктивность якорной обмотки. При включении в якорную цепь дополнительных индуктивностей и активных сопротивлений (при питании от усилителей);

момент инерции якоря двигателя;

сопротивление и индуктивность обмотки возбуждения;

частота вращения двигателя.

При якорном управлении работа двигателя может быть описана системой четырех уравнений:

1) ;

2) ; (5.4)

3) ;

4) .

В этих уравнениях , – конструктивные постоянные двигателя.

Исключив из этих уравнений промежуточные переменные , можем получить математическую модель при в виде одного уравнения второго порядка:

, (5.5)

или в операторной форме

. (5.6)

В этих уравнениях:

.

Для расчета удобно пользоваться моделью в виде структурной схемы с обратной связью по ЭДС двигателя. Структурная схема изображена на рис. 5.5.

Рис. 5.5

Параметры математической модели двигателя рассчитываются на основе паспортных данных. В справочных данных обычно указываются: . Из уравнения электрического равновесия якорной цепи в установившемся режиме работы находится конструктивная постоянная .

. (5.7)

Конструктивная постоянная находится из уравнения электромагнитного момента

. (5.8)

Все остальные параметры вычисляются по выражениям, введенным при получении математической модели

(5.10)

(5.11)

. (5.12)

. (5.13)

Передаточные функции скоростной части ДПТ по управляющему и возмущающему воздействиям могут быть представлены соответственно выражениями

(5.14)

При корни знаменателя передаточных функции будут действительными и его можно разложить на два сомножителя:

,

Откуда

Решением этой системы уравнений будет

. (5.15)

Для случая, когда постоянные времени сильно разняться , целесообразно строить ПИ регулятор, который компенсировал бы большую постоянную времени объекта

(5.16)

Тогда передаточная функция разомкнутой системы будет равна:

(5.17)

Оптимум по модулю в такой системе достигается при , откуда находятся коэффициенты передачи пропорциональной и интегральной части регулятора.

(5.18)

В случае, когда эквивалентные постоянные времени различаются незначительно, для придания звену второго порядка, описанного уравнением (5.14), заданных динамических качеств, необходимо использовать ПИД регулятор с передаточной функцией

(5.19)

Параметры регулятора, обеспечивающие оптимум по модулю в замкнутой скоростной системе, рассчитываются по уравнениям:

, (5.20)

В случае, когда корни характеристического уравнения являются комплексно-сопряженными, используется ПИД регулятор с реальным дифференцирующим звеном, параметры такого регулятора выбираются в соответствии с требованиями к динамике замкнутой системы при настройке на технический оптимум по модулю и находятся из уравнений (5.21):

(5.21)

Модель одноконтурной скоростной системы показана на рис. 5.6.Момент нагрузки на двигатель моделируется двумя блоками (Step, 1/C_M).

Силовой регулятор представлен безинерционным звеном с коэффициентом K_ср.

Рис.5.6

Параметры ПИД–регулятора задаются с помощью встроенного в Matlabблока в виде (рис. 5.7.)

Рис.5.7.

5.2 Порядок выполнения работы

1.Рассчитать параметры модели двигателя постоянного тока согласно варианту задания, приведенному в табл. 5.1.Собрать модель двигателя в пакете Simulink, представленную на рис. 5.8.

Рис.5.8

Параметры входного и возмущающего воздействия следующие:

Получить динамические характеристики по управлению и возмущению. Сделать вывод о качественных параметрах моделированной системы.

2.Исходя из соотношения постоянных времени двигателя , произвести расчет параметров ПИ или ПИД– регулятора по методу настройки системы на технический оптимум. Собрать модель системы, представленную на рисунке 5.6. Параметр модели принять следующими и .Получить графики изменения скорости вращения и тока якоря. Сделать вывод о качественных параметрах переходных процессов.

3. Исследовать влияние возмущающего воздействия на динамические характеристики системы. Определить зависимость установившейся ошибки от параметров возмущения.

4.Исследовать влияние обратных связей на динамические и статические характеристики системы. Сделать вывод.

5.Исследовать зависимость установившейся ошибки от амплитуды входного сигнала в виде линейного нарастающей функции (скачка по скорости).

5.3 Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Расчет параметров модели двигателя.

3. Расчет параметром регулятора.

5. Схемы моделей.

6. Результаты моделирования.

7. Выводы

5.4 Вопросы для самопроверки

1.Поясните суть метода настройки системы на технических оптимум.

2. Как производиться выбор типа регулятора для построения одноконтурной системы.

3.Приведите модель двигателя постоянного тока. Из каких соображений она составляется?

Таблица 5.1

Варианты заданий