СПИМаш > Курсовые работы > Курсовая работа по ТАУ - 4 курс

Курсовая работа по ТАУ - 4 курс


1 02 08. Разместил: Виталий
Введение.

Проектирование является важным этапом при разработке автоматического управления (САУ). Качество проектирования в значительной степени определяет качество функционирования АЭП. Поэтому основной целью курсового проекта является развитие навыков самостоятельной творческой работы при создании современных АЭП промышленных агрегатов (металлорежущих станков).
Данный проект базируется на опыте, приобретенным студентами при выполнении курсовой работы по теории автоматического управления, и является, по существу, ее развитием применительно к конкретным агрегатам с учетом реальных условий промышленной эксплуатации. Техническое задание на курсовой проект является более детальным и включает в себя характеристику агрегата, режимов функционирования, описание условий работы и возмущающих воздействий, а также комплекс требований к АЭП. Оптимизация динамики системы автоматического управления (САУ) приводом производится с учетом влияния упругости механической передачи между электродвигателем и рабочими органами агрегата. В качестве регуляторов САУ рекомендуется применить микропроцессоры, по крайней мере, во внешних контурах регулирования (скорости, положения). Проект заканчивается разработкой принципиальной электрической схемы АЭП.
Курсовой проект оформляется в виде расчетно-пояснительной записки на листах формата А4 и чертежа на листе ватмана формата А1.



Техническое задание на курсовое проектирование

Выполнить расчеты статики, произвести оптимизацию динамики САУ и исследовать переходные процессы в синтезированной системе при управляющих и возмущающих воздействиях машинными (расчетно-аналитическими) методами.
Базовая структура САУ – САР. Приводной электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения. Тип двигателя – 2ПФ315LУХЛ4, его номинальное напряжение Uя.н. = 440В. Питание осуществляется от сети трехфазного тока 380/220 В, 50Гц.
Момент сопротивления производственного механизма не зависит от скорости и изменяется в статике от Мсmin = 0,2 Мн до Mcmax = Мн,
где Мн – номинальный момент двигателя.
В динамике момент сопротивления изменяется скачком на величину 0,5 Мн.
Приведенный к валу двигателя момент инерции механизма Jм =10 Jд,
где Jд – момент инерции двигателя.

1. РАСЧЕТ И ВЫБОР СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1. Выбор электродвигателя

Тип двигателя определяется вариантом, заданным преподавателем.
Исходные табличные данные берутся из методического пособия по «Теории автоматического управления. Приложение2. Таблица П2.1»

Таблица данных для выбранного двигателя

Тип двигателя 2ПФ315LУХЛ4
Мощность Рн 120,0 кВт
Частота вращения nн/nmax 1060/2400 об/мин
Ток якоря Iян 305 А
КПД  88,2 %
Сопротивление обмоток:
- якорной
- возбуждения


0,025
32,5
Ом
Ом
Число проводников якоря Nя 250
Число витков обмотки возбуждения Wвп 790
Момент инерции Jд 6,0 кг*м2
Примечание: Номинальное якорное напряжение двигателей Uян = 440 В. Номинальное напряжение возбуждения Uвн = 220 В. Число параллельных ветвей обмотки якоря 2а=2. Число главных полюсов 2рп=4.

Индуктивность цепи якоря двигателя приблизительно может быть рассчитана по формуле Линвиля-Уманского

где Iян – номинальный ток якоря;
н – номинальная угловая скорость двигателя,  = n 2 = 1060*2*3.14 = 110,95 с-1
60 60

kк – коэффициент компенсации (т.к. есть компенсационная обмотка, равен 0,25…0,3);
pп – число пар полюсов.
Активное сопротивление якорной цепи двигателя Rд , рассчитываем в нагретом состоянии (Rд и Rв даны при температуре 20 оС). Расчетная температура обмоток двигателя серии 4ПФ – 150 оС.
Rдн = (1,2…1,25) Rд20о = 1,2*0,025 = 0,03 Ом

Расчет: L д = 440*0,25 = 0,0008126 Гн
305*110,95*4


1.2 Выбор силового преобразователя

Преобразователь выбирается с учетом допустимой перегрузки по току Iтпн  Iян. Номинальное напряжение ТП (Uтпн) работающего на якорь двигателя, должно быть ближайшим большим к напряжению Uян.
При данных параметрах Uян = 440В, Iян = 305А выбираем токоограничивающий реактор: РТСТ-410-0,101УЗ, характеристики ТОР рассмотрены ниже в таблице.
Таблица технических данных для выбранного ТОР:

Тип реактора Напряжение сети Uл , В Ток номинальный Iн , А Индуктивность L, мГн Активное сопротивление R, Ом
РТСТ-410-0,101УЗ 410 410 0,1 0,00405
Для дальнейших расчетов необходимо определить индуктивность Lп и активное сопротивление Rп силовой цепи преобразователя.
Индуктивность преобразователя Lтп определяется как сумма индуктивностей элементов силовой цепи. В соответствии с выбранной мной схемой в Lтп входит индуктивность токоограничивающего реактора Lтор.
Lтп = Lтор = 0,00405 Гн
Сопротивление Rтп , в свою очередь, определяется как сумма сопротивлений элементов силовой цепи. В моем случае в Rтп входят сопротивления:
- токоограничивающего реактора Rтор;
- коммутационное Rк .
Значения этих сопротивлений также определяется типом преобразователя и схемой его силовой цепи; при отсутствии трансформатора
Rтп = Rтор + Rк
Сопротивление Rтор выбирается по каталогу. Сопротивление Rк ТП рассчитывается по формуле
Rк = Lа f m,
где Lа – индуктивность анодной цепи тиристора, при его отсутствии Lа = Lтор;
m – число пульсаций ТП (для мостовой схемы m = 6).

Расчет: Rк = 0,0001*50*6 = 0,03 Ом
Rтп = 0,00405+0,03 = 0,03405 Ом

1.3 Выбор сглаживающего дросселя

При работе ТП на якорь двигателя в ряде случаев необходим сглаживающий дроссель. Однако эту необходимость следует проверить, так как параметры силовой цепи ТП и конструктивные особенности двигателя могут допускать бездроссельный вариант привода. Основными расчетными параметрами дросселя являются его номинальный ток Iдрн и индуктивность Lдр.
При выборе дросселя по току справедливо условие Iдрн  Iян .
Требуемая индуктивность дросселя
Lдр = Lяц ориент– (Lп + Lд ) = 0,021- (0,00038+0,0063) = 0,01432 Гн,
где Lяц – полная индуктивность якорной ТП-Д.
Требуемое значение Lяц рассчитывается по условию ограничения пульсаций тока до допустимого для машины уровня
Lяц ориент = ееЕтпо = 0,22*513 = 0,0028 Гн
iе п Iян 0,07*1884*305
где ее – относительная величина эффективного значения первой гармоники
выпрямленного напряжения (0,22 . . . 0,24);
Етпо – максимальная выпрямленная ЭДС преобразователя (513 В);
iе – относительная величина эффективного значения первой гармоники
выпрямленного тока ( для двигателей серии 2ПФ iе = 0,07);
п – угловая частота пульсаций, п = 2 f m = 1884 рад/с.
Расчет: Lдр = 0,0028- (0,000813+0,0001) = 0,001887 Гн,
Значение Lяц , найденное по условию сглаживания пульсаций, следует проверить по условию ограничения зоны прерывистых токов
Iягр  Iясmin
где Iясmin = 0,2*Iян = 0,2*305=61А – минимальный рабочий ток двигателя, соответствующий моменту сопротивления Мсmin .
Гранично-непрерывный ток Iягр , растет с увеличением угла управления тиристорами , поэтому его следует определить по формуле:
Iягр = Ео (1-  ctg  ) sinmax ,
2fLяц m m
где max = arccos (E min/Ео) ;
Ea min = = kФнmin + IяRяц ;
min = wmax /  = 251,2/50 = 5,024 рад/с
Rяц = Rд + Rтп + Rдр – полное активное сопротивление якорной цепи ТП-Д
Так как сглаживающий дроссель еще не выбран, то его сопротивление Rдр следует определить приближенно по формуле:
Rдр = Uдр ,
Iян
где DUдр = (0,005 – 0,01) Uян – падение напряжения на дросселе.
Значение kФн определяется из электромеханической характеристики двигателя
kФн = Uян – Iян Rя

Расчет: kФн = 440-305*0,03 = 3,8833 Вс
110,95
DUдр  0,01*440  4,4 В
Rдр = 4,4 / 305 = 0,0144262 Ом
wmin = 251,2/50 = 5,024 рад/с
Rяц = 0,03+0,03405+0,0144 = 0,07845 Ом
Ea min =3,8833*5,024+305*0,07845= 43,43695 В
amax = arccos 43,43695 / 513 = 85о
Iяг = 513 * 0,09 * 0,996 = 51,1 А
2*3,14*0,0028

Если окажется, что условие Iяг  Iяс min, не выполнено, то, задавшись значением
Iяг = Iяс min, следует из формулы определяющей Iяг найти новое значение Lяц ориент, а затем по выражению Lдр = Lяцориент– (Lп + Lд ) определить требуемую индуктивность сглаживающего дросселя Lдр.
Iяг  Iяс min 51,1А < 61А
Условие ограничения зоны выполняется
Таблица выбора сглаживающего дросселя
Тип дросселя Ток номинальный
Iдрн, А Индуктивность
Lдр, мГн
РСОС-320 320 4,2

После выбора дросселя необходимо уточнить значение индуктивности Lяц.
Lяцуточн = Lдртабл + Lд + Lтп = 0,0022 + 0,00081 + 0,0001 = 0,00311 Гн = 3,11 мГн


1.4 Определение коэффициентов передачи и постоянных времени силовых
элементов

В работе следует использовать динамические коэффициенты передачи звеньев САУ, определяемые как отношение приращения выходной переменной к приращению входной переменной в рабочей точке статической характеристики звена.
Коэффициент передачи двигателя при управлении напряжением якоря
Кд =  / Етп = 1 / kФн = 1 / 3,8833 = 0,26, 1 / Вс
Коэффициент передачи двигателя по возмущению – изменению Мс
Кдм = Dw /DМс = Rяц / (kФн)2 = 0,07845 / (3,8833)2 = 0,005, Ом / (Вс)2
Коэффициент передачи силового преобразователя
Ктп = DЕтп / DUу = 513 / 10 = 51,3 ,
находится на основании его регулировочной характеристики.
Рис.1


Коэффициенты передачи других звеньев САУ определяется аналогично на основании их каталожных данных.
Электромеханическая постоянная времени привода Тэм и электромагнитная постоянная времени цепи «преобразователь-двигатель» Тя могут быть найдены по формулам :
Тэм = J * Rяц / (kФн)2
Тя = Lяц / Rяц
где JS – суммарный момент инерции ЭП, JS = Jд + Jм .

Расчет: JS = 6 + 10 = 16 кгм2
Тя = 0,00311 /0,07845 = 0,0396, с
Тэм = 16 * 0,07845 / 15,08 = 0,083, с


Глава 2. КОМПОНОВКА И РАСЧЕТ СТАТИКИ САУ
2.1 Выбор структуры САУ

Базовая структура САУ определяется на основании варианта технического задания на проектирование по указанию преподавателя. В соответствии с заданием САУ будет с подчиненным регулированием параметров, с модальным или адаптивным управлением.
При выборе типа элементов САУ следует ориентироваться на отечественную систему УБСР или агрегатные технические средства АСУ ТП.
Данные элементов УБСР-АИ:
Тип элемента Наименование
элемента Характеристики элемента
Uвх, В Rвх, кОм Rн, кОм kу
У2-АИ
У4-АИ Операционные
усилители 10 150 2 Не менее
10000
ФВ-1АИ Фазочувствитель-
ный выпрямитель 10 5 2 1,25
ДТ-1АИ Датчик тока 0,075…0,2 0,01 2 40…140
ДН-1АИ Датчик напряжения ±10 10 2 1


2.2. Построение функциональной схемы САУ

Функциональная схема САУ позволяет определить основные функциональные звенья и связи между ними. Функциональная схема САУ с подчиненным регулированием параметров приведена на рис.2, где введены следующие обозначения: ЗУ – задающее устройство скорости ЭП; РС, РП, РТ – регуляторы скорости, положения и тока якоря; ДР – датчик рассогласования; ТП – тиристорный преобразователь; Д – электродвигатель; Р – редуктор; М – механизм; Uз; Uос – напряжения задания и обратной связи по скорости; з; о – углы задания и обработки.
Рис.2


2.3 Расчет статических характеристик САУ

При выполнении данного пункта необходимо рассчитать и построить механические характеристики двигателя w = f(M) в разомкнутой системе на верхней и нижней скоростях по управлению
,
где Мс = Iяс* kФн – статический момент на валу двигателя.
Определим основные точки характеристики на верхней и нижней скоростях двигателя в первой зоне управления:
Етпв = kФн н + Iяс Rяц = 3,8833*110,95+61*0,07845=435,64 В
Етпн = kФн wmin + Iяс Rяц = 3,8833*5,024+305*0,07845=43,43695



На полученных механических характеристиках двигателя необходимо показать рабочие точки при граничных скоростях и моментах сопротивления и зону ограничения по условию коммутации во второй зоне управления. По характеристикам следует определить статизм разомкнутой системы на верхней и нижней скоростях ЭП по формулам:



2.4 Выбор элементов САУ и расчет параметров обратных связей

При использовании аналоговых регуляторов на базе операционных усилителей, например, регуляторов серии УБСР-АИ, коэффициент передачи обратной связи по скорости можно определить следующим образом
Кос= kдс kс= Uзmax / н =10/110,95=0,09, Вс
где kдс – коэффициент передачи датчика скорости с учетом коэффициентов передачи потенциометра k2 и сглаживающего фильтра kф (kф 0,95); kс - коэффициент приведения обратной связи по скорости к задающему входу регулятора скорости,
Uзmax – максимальное значение управляющего напряжения задающего устройства (для элементов УБСР-АИ Uзmax =10В).
В качестве датчиков скорости могут быть применены тахогенераторы постоянного тока типа ТМГ, ТГ, ТД, ПТ и др. Данные некоторых из них приведены в табл. П2.11. Тахогенератор выбирается по номинальной скорости тг.н , которая должна быть не ниже максимальной скорости двигателя. Статическая характеристика тахогенератора Uтг = f(тг) считается линейной, а его коэффициент передачи
Ктг = Uтг /wтг.н .
Для расчета коэффициента передачи тахогенератора kтг , выберем по Таблице.
Данные тахогенератора постоянного тока:
Тип тахогенератора ТД-110
Коэффициент передачи, Вс 0,48
Сопротивление обмотки якоря, Ом 66
Максимальный ток нагрузки, А 0,15
Номинальная частота вращения, об/мин 3000
Напряжение возбуждения, В 27
Ток возбуждения, А 0,3

Расчет: kтг = 27 / 3000 = 0,009 Вс

В системах подчиненного регулирования рекомендуется использовать датчик тока УБСР-АИ, подключаемый к стандартному шунту. Например, шунт типа 75ШС имеет падение напряжения 75 мВ = 0,075 В при номинальном токе 50, 75, 100, 150, 200, 300,
500 А.
Номинальное значение тока выбирается из условия Iш  Iян, при Iян = 300 А, выбираем:
Iш =500 А
Коэффициент передачи датчика тока в этом случае
kдт = kш kу ,
где kш – коэффициент передачи шунта; kу – коэффициент усиления датчика тока
ДТ-1АИ(40…140).
Kш = Uш / Iш = 0,075/500 = 0,00015 В/А
kдт = 0,00015*40 = 0,006 В/А
Коэффициент передачи обратной связи по току в системах подчиненного регулирования определяется выражением:
Kот = kдт kт = Uрс.о / Iяmax
где kт – коэффициент приведения обратной связи по току к задающему входу регулятора тока, kт = Rз.т / Rт; Uрс.о – напряжение ограничения регулятора скорости, получаемое с помощью соответствующего блока ограничения БО(10 В); Iяmax – максимальное значение тока якоря двигателя (для двигателей серии 2П Iяmax =2 Iян ).

Расчет: Iяmax = 2*305=610 А
Kот = 10 / 610 = 0,016 В/А
kт = 0,016 / 0,006 = 2,7


Глава 3. СИНТЕЗ И РАСЧЕТ ДИНАМИКИ СИСТЕМ ПОДЧИНЕННОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ

3.1. Составление передаточных функций звеньев САУ

Построенная выше функциональная схема САУ дает возможность выделить отдельные динамические звенья САУ 1-го и 2-го порядка. Для каждого динамического звена необходимо составить его передаточную функцию и структурную схему. При этом можно воспользоваться материалами, изложенными в 2-4.
Тиристорный преобразователь вместе с системой управления (СУТП) и фильтром для сглаживания пульсаций входных сигналов в первом приближении может быть представлен апериодическим звеном с передаточной функцией

где Ттп – постоянная времени ТП, Ттп = Тф + тп (Тф – постоянная времени фильтра), обычно Тф = 0,003…0,005 с; tтп – время запаздывания силовой части ТП, tтп = 1 / 2mf.
Расчет: tтп = 1 / 2*6*50 = 0,0016
Ттп = 0,003 + 0,0016 = 0,0046 с
Датчики скорости и тока при наличии фильтров на выходе следует считать апериодическими звеньями с передаточной функцией
Wд (р) = kоi / (Тдp + 1).
В частности, для датчика скорости Тдс = 0,01…0,02 с, а для датчика тока
Тдт = 0,002…0,003 с.
Передаточные функции пропорционального, пропорционально-интегрального и пропорционально-интегрально-дифференциального регуляторов, построенных на базе операционных усилителей, соответственно могут быть представлены в виде:
W(p) = k;
W(p) =
W(p) =
Где  - динамический коэффициент усиления;  - постоянная времени настройки регулятора.

3.2 Построение структурной динамической схемы и синтез регуляторов

На основании разработанной функциональной схемы и передаточных функций звеньев САУ необходимо построить структурную динамическую схему системы, обозначив на ней соответствующие функциональные звенья и переменные (регулируемые) параметры.
Для определения настроек регуляторов следует преобразовать исходную структурную схему САУ. В ряде случаев можно пренебречь внутренней отрицательной обратной связью по ЭДС двигателя.
В системах подчиненного регулирования оптимизация контуров выполняется в соответствии со стандартными настройками с учетом режима работы САУ и соотношения параметров объекта управления.
В САР скорости контур тока настраивается на оптимум по модулю (ОМ), поскольку такая настройка дает хорошие переходные процессы по задающему воздействию, а возмущающие воздействия в контуре тока малы.


Настройки регулятора тока:

Т2 (Т ) = Ттп + Тдт = 0,0046 + 0,002 = 0,0066 с – суммарная малая постоянная времени контура тока.
2 = Тя = 0,0396 с
Расчет:
Передаточные функции разомкнутого и замкнутого контура тока соответственно будут



Регулятор скорости настраивается на симметричный оптимум (СО), т.к. СО дает хорошие переходные процессы по возмущению, а в контуре скорости возмущающие воздействия состовляют 100%, поскольку в соответствии с ТЗ Мсmax = Mн.
Параметры ПИ-регулятора скорости при настройке на СО выбирают по формулам

Т1 = Тдс + 2 Т2 = 0,01 + 0,0132 = 0,0232 с- суммарная малая постоянная времени контура скорости.
1 = 4Т1 = 4*0,0232 = 0,0928 с ,
Расчет:

Передаточная функция разомкнутого оптимизированного контура скорости будет

Для снижения перерегулирования скорости при управляющих воздействиях на вход САР обычно включают инерционный фильтр 1-го порядка с постоянной времени
Тф = 4 ТS1 .
После синтеза регуляторов следует определить статическую ошибку с.з замкнутой САУ на верхней и нижней скоростях и построить соответствующие механические характеристики.
Для однократноинтегрирующей системы с П-РС

где с – значение скорости в рабочей точке.
Для двукратноинтегрирующей системы с ПИ-РС

где kд – коэффициент передачи двигателя; kРСо – коэффициент усиления регулятора скорости в статике (kРСо 10000).
Расчет:


В некоторых случаях для повышения устойчивости САУ может потребоваться ПИД-РП, синтез которого целесообразно выполнить частотным методом. Для получения заданного качества переходного процесса по перерегулированию  и времени регулирования tпп следует обеспечить требуемую частоту среза со и запас по фазе 0 разомкнутой САУ, которые в первом приближении могут быть определены из формул
tпп 3/wсо ;  1- sinр0.




ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спроектированная САУ в целом отвечает требованиям предъявляемым к ней техническим заданием. Выбранный двигатель 2ПФ315LУХЛ4 серии 2ПФ – постоянного тока, защищенного исполнения, с высотой(габаритами) 315мм, с длинным якорем, в умеренно холодном климатическим исполнении. Предназначенный для эксплуатации в отапливаемом помещении.

Требования к САУ:
- диапазон управления скоростью = 50 ;
- статическая ошибка замкнутой системы с.з = 0,5%;
- перерегулирование при единичном управляющем воздействии  = 43,7%;
- динамическая ошибка при возмущающем воздействии д.з = 5%;
- время переходных процессов tпп  0,5 с



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Автоматизированный электропривод. Методические указания по курсовому
проектированию. В. М. Шестаков. ПИМаш СПб 1991.

2. Теория автоматического управления. Методические указания по выполнению курсовой работы. В. М. Шестаков, О. П. Томчина, О. Л. Нагибина. ПИМаш 2002.

3. Электронные устройства систем автоматического управления: Учебное пособие
В. М. Шестаков, В. И. Репкин. Л.ЛИМаш 1991.

4. MATLAB 6,5. Учебный курс В.П. Дьяконов. СПб 2002.


  Скачать полную версию - kursovik_tau.zip [62.19 Kb] (cкачиваний: 497)