Курсовая работа

Структурно-параметрический синтез двухконтурной скоростной системы постоянного тока

Категория:

Курсовая работа

Дисциплина:

Теория автоматического управления (ТАУ)

Город:

Беларусь, Минск

Учебное заведение:

БНТУ, ФИТР

Стоимость работы:

50 руб.

Оценка: 10
Объем страниц: 42
Год сдачи: 2020
Дата публикации: 07.05.2021

* Кроме файла с работой, также есть архив с дополнительными файлами.

Описание дополнительных файлов:

1.slx - алгоритмическая структурная схема
2.slx - готовая модель контура тока
3.slx - схема дифференцированная фильтра
4.slx - схема контура регулирования скорости
5.slx - схема контура регулирования тока
6.slx - схема модели контура скорости
7.slx - схема модели контура тока
8.slx - переходная характеристика

Фрагменты для ознакомления

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Теория автоматического управления»

Структурно-параметрический синтез двухконтурной скоростной системы постоянного тока

 

ЗАДАНИЕ

Объект регулирования – электродвигатель постоянного тока. Модель электродвигателя состоит из двух частей: - электромагнитная; - механическая. 

Управление этими двигателями обычно осуществляется по цепи якоря.

Структурная схема электродвигателя постоянного тока (ДПТ), управляемого по цепи якоря, соответствующая системе уравнений (3) представлена на рисунке 1.

Двигатель постоянного тока управляется от реверсивного широтно-импульсного преобразователя (ШИМ), представленного передаточной функцией Wуп(р). 

Рис. 1. Структурная схема ДТП с ШИМ (обобщенный объект управления)

Здесь:  Wэ(p), Wм(p) - передаточные функции электрической и механической частей электродвигателя соответственно;

wт(t) – механическая угловая скорость (основная регулируемая величина);

І(t) – ток якоря двигателя (вспомогательная регулируемая величина);

Mн – возмущающее воздействие.

Передаточные функции электрической Wэ(p) и механической Wм(p) частей имеют следующий вид:

где Rя, Тя – сопротивление и электромагнитная постоянная времени якоря; Kм, J – конструктивная постоянная и момент инерции ротора соответственно.

Передаточная функция широтно-импульсного преобразователя:

где Куп, Туп – коэффициент усиления и постоянная времени преобразователя соответственно.

Структурная схема синтезируемой двухконтурной автоматической системы регулирования угловой скорости представлена схемой, приведенной на рисунке 2.

Рис. 2. Структурная схема синтезируемой двухконтурной автоматической системы регулирования угловой скорости

На рисунке 2: Wрс(р) и Wрт(р) – искомые передаточные функции регуляторов угловой скорости и тока соответственно.

Передаточные функции датчиков имеют следующий вид:

 - передаточная функция датчика тока;

 - передаточная функция датчика механической угловой скорости.

Скоростные автоматические системы постоянного тока широко используются для стабилизации и регулирования скорости различных механизмов.

Значения параметров передаточных функций приведены в таблице 1. 

Таблица 1

№ вар.

J

Км

Тя

 

Кср

Тср

Кдт

Кдс

50,090,6930,260,0440,34100,0020,10,05

АННОТАЦИЯ

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ, СИНТЕЗ СИСТЕМЫ, ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБЪЕКТА, ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ОБЪЕКТА, ПЕРЕХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТА, СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

Объектом разработки является Simulink – среда графического программирования для моделирования, симуляции и анализа многодоменных динамических систем.

Цель курсовой работы: анализ и синтез систем автоматического регулирования, исследование динамических и частотных свойств электродвигателя постоянного тока, а также структурно-параметрический синтез двухконтурной скоростной системы постоянного тока.

В процессе выполнения курсовой работы был проведен обзор литературы по данной тематике, а также рассмотрен метод поконтурной оптимизации с использованием методов модального и симметричного оптимума для проведения структурно-параметрического синтеза двухконтурной скоростной системы постоянного тока.

Студент подтверждает, что приведенный в курсовой работе материал объективно отражает состояние исследуемого объекта (электродвигателя постоянного тока), все заимствованные из литературных и других источников теоретические и методологические положения и концепции сопровождаются ссылками на их авторов.

Курсовая работа: 42 с., 27 рис., 1 табл., 4 источника.

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 7

1. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ.. 8

1.1.     Постановка задачи синтеза АСР. 8

1.2.     Постановка задачи анализа АСР. 9

2.    МЕТОДЫ СИНТЕЗА СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ.. 10

2.1.     Основные положения синтеза систем регулирования методом модального оптимума. 10

2.1.1.      Критерий оптимизации. 11

2.1.2.      Вывод условий оптимизации. 12

2.1.3.      Вывод формул для расчёта параметров настройки регуляторов в соответствии с методом модального оптимума. 13

2.2.     Основные положения синтеза систем регулирования методом симметричного оптимума  16

2.2.1.      Критерий оптимизации. 16

2.2.2.      Вывод условий оптимизации. 16

2.2.3.      Вывод формул для расчёта параметров настройки регуляторов в соответствии с методом симметричного оптимума. 16

2.3.     Синтез систем регулирования на основе передаточной функции оптимального регулятора  18

2.4.     Основные положения синтеза многоконтурных систем регулирования методом поконтурной оптимизации. 19

3.    ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ И ЧАСТОТНЫХ СВОЙСТВ ОБЪЕКТА РЕГУЛИРОВАНИЯ.. 23

3.1.     Построение переходных характеристик объекта регулирования по основной wm(t) и вспомогательной Iя(t) регулируемым величинам.. 23

3.2.     Вывод передаточной функции объекта регулирования по основной регулируемой величине wm(t) 24

3.3.     Построение амплитудно-частотной (АЧХ), фазо-частотной (ФЧХ) и амплитудно-фазо-частотной (АФЧХ) характеристик объекта регулирования по основной регулируемой величине wm(t) 25

4.    СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ДВУХКОНТУРНОЙ СКОРОСТНОЙ СИСТЕМЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.. 27

4.1.     Синтез контура регулирования тока. 27

4.1.1.      Расчётная модель объекта регулирования в контуре тока. 27

4.1.2.      Выбор метода синтеза и расчёт параметров настройки регулятора тока. 28

4.1.3.      Вывод эквивалентной передаточной функции контура тока. 29

4.1.4.      Построение переходных процессов в контуре тока и эквивалентном контуре тока при отработке задающего воздействия. 29

4.1.5.      Анализ устойчивости контура тока. 30

4.1.6.      Построение амплитудно-частотной характеристики контура тока. 32

4.2.     Синтез контура скорости. 33

4.2.1.      Расчётная модель объекта в контуре скорости без учёта внутренней обратной связи………………………………………………………………………………………...34

4.2.2.      Выбор метода синтеза и расчёт параметров настройки регулятора скорости……………………………... 34

4.2.3.      Построение переходных процессов в контуре скорости без учёта внутренней обратной связи и с учётом внутренней обратной связи при отработке задающего воздействия. 35

4.2.4.      Определение прямых показателей качества переходных процессов при отработке задающего и возмущающего воздействия. 37

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 39

ЛИТЕРАТУРА.. 40

 

ВВЕДЕНИЕ

Задача синтеза системы автоматического управления (САУ) заключается в выборе такой ее структуры, параметров, характеристик и способов их реализации, которые при заданных ограничениях наилучшим образом удовлетворяют требованиям, предъявляемым к системе.

При заданной исходной структурной схеме объекта регулирования, а также при определении параметров её функциональных элементов, постановка задачи проектирования сводится к определению корректирующего устройства (КУ), обеспечивающего заданные показатели качества системы.

Наиболее простым, наглядным и хорошо разработанным инженерным методом синтеза САУ является метод логарифмических амплитудных частотных характеристик (ЛАЧХ). Его идея основана на однозначной связи между переходным процессом в системе и ее ЛАЧХ. Исходя из этого, по заданным частотным и динамическим показателям сначала строится желаемая ЛАЧХ, а затем путем графического построения осуществляется приближение к ней частотных характеристик исходной системы. 

Темой написания курсовой работы является проведение структурно-параметрического синтеза двухконтурной скоростной системы постоянного тока на примере такого объекта регулирования, как электродвигатель постоянного тока.  Таким образом, мы ставим перед собой задачу исследовать динамические и частотные свойства данного объекта регулирования, а также провести полный анализ и синтез автоматической системы регулирования (АСР). 

Начальным этапом создания системы является изучение, анализ и синтез системы автоматического регулирования. В курсовой работе используется графическая среда для имитационного моделирования Simulink. 

Целью данной курсовой работы является усвоение методов расчёта, анализа и синтеза линейной двухконтурной системы автоматического регулирования, построенной по принципу скоростной системы постоянного тока.

Основные задачи работы:

  1. Анализ и синтез систем автоматического регулирования.
  2. Исследование методов синтеза систем автоматического регулирования.
  3. Исследование динамических и частотных свойств объекта регулирования.
  4. Структурно-параметрический синтез двухконтурной скоростной системы постоянного тока.

 

1. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Постановка задачи синтеза АСР

К задачам синтеза необходимо подходить с различных точек зрения. Это обуславливается многообразием требований, предъявляемых к системе. Синтезом – называют процедуру определения структуры системы регулирования и ее параметров на основе требований к качеству. Синтез лишь один из этапов проектирования системы регулирования. Синтезу предшествуют два этапа:

  1. Исследование объекта регулирования с целью получения его математической модели.
  2. Составление требований к качеству регулирования (выбор критерия качества или критерия оптимизации).

После синтеза выполняются следующие этапы проектирования: выбор технических средств; энергетический и конструктивный расчет; согласование характеристик. В качестве критериев оптимизации при синтезе системы регулирования могут быть использованы прямые и косвенные показатели оценки качества.

Можно выделить две постановки задачи синтеза: структурный синтез и параметрический синтез. Структурный синтез – это вывод структуры системы регулирования в целом, а уже затем или одновременно параметрический синтез. Задачей структурного синтеза является разработка структурной схемы будущего механизма по заданной подвижности, с учётом желаемых структурных, кинематических и динамических свойств.  

Параметрический синтез – это процесс определения параметров элементов синтезируемого объекта, при которых будут удовлетворены условия задания. При параметрическом синтезе определяются именно параметры элементов. 

Структурно-параметрический синтез – это процесс, в результате которого определяется структура объекта и находятся значения параметров составляющих ее элементов, таким образом, чтобы были удовлетворены условия задания на синтез. 

Постановка задачи анализа АСР

Автоматическая система предназначена для повышения технико-экономических показателей машинных агрегатов, улучшения условий труда операторов, обеспечения безопасности, повышения качества выполняемых рабочих процессов, защиты окружающей среды. Эти цели предопределяют выбор критериев проектирования автоматической системы. При этом разрабатывают и выбирают техническое решение. Затем определяют характеристики процессов функционирования системы и выполняют синтез ее структуры и параметров.

Задачи анализа заключаются в определении устойчивости и показателей качества создаваемой автоматической системы. При функциональном проектировании их решают на основе использования математической модели автоматической системы. Вид математической модели зависит от уровня абстрагирования, определяемого стадией проектирования.

В основном используют упрощенное описание физических свойств автоматической системы, рассматривая ее как линейную динамическую систему с сосредоточенными параметрами. Математическая модель ее представляется либо в инвариантной форме, то есть в виде системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, либо в графической форме, то есть в виде алгоритмической схемы, включающей совокупность взаимодействующих элементарных звеньев с соответствующими передаточными функциями.
 

МЕТОДЫ СИНТЕЗА СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Основные положения синтеза систем регулирования методом модального оптимума

Практически для любой системы регулирования, а особенно для следящих систем и систем программного управления желательно, чтобы переходные процессы в системе при отработке задающих воздействий имели малое время регулирования tp и небольшое перерегулирование DY. В связи с этим возникает задача – подобрать для объекта регулирования, заданного передаточной функцией регулятор наиболее подходящего типа и определить значения параметров его настройки с тем, чтобы обеспечить сформулированные выше требования к качеству переходных процессов.

С учетом сказанного в качестве критерия оптимальности можно выбрать критерий оптимального модуля. Этот критерий формулируется следующим образом – амплитудная частотная характеристика (АЧХ) замкнутой системы должна удовлетворять следующим требованиям:

  1. Полоса пропускания системы для полезного сигнала должна быть возможно более широкой; 
  2. АЧХ не должна иметь резонансного пика, а быть по возможности монотонной и убывающей. 

Таким образом желаемая амплитудная характеристика замкнутой системы регулирования должна иметь вид, представленный на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1. – Амплитудная характеристика замкнутой системы регулирования

Здесь Ф(p) – основная передаточная функция замкнутой системы по регулируемой величине Y(t) относительно задающего воздействия U(t).

Переходные процессы в системе, синтезированной с использованием критерия оптимального модуля, отличаются малым временем регулирования и небольшим перерегулированием.

205