курсовая по автоматизации. Курсовая работа по дисциплине Автоматизация в электромеханике

• Название: Курсовая работа по дисциплине Автоматизация в электромеханике
• Анкор: курсовая по автоматизации
• Дата: 09.05.2023
• Размер: 344.23 Kb.
• Имя файла: TAU_Kursovaya1111 (2) (2) (1).docx
• Тип: Курсовая; #1117597

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет» Кафедра электротехники и электромеханики

Курсовая работа

по дисциплине: «Автоматизация в электромеханике»

«Расчет системы автоматического управления двигателем постоянного тока независимого возбуждения»

Выполнил студент гр. ЭМ- 20-1б Шалабот С.С.
Проверил преподаватель Кавалеров Б.В.

Оценка

дата
Пермь 2023

Цель курсовой работы
Применить полученные на лекционных, практических и лабораторных занятиях, а также при выполнении самостоятельной подготовки и изучении дополнительной литературы знания, умения и навыки для расчета системы автоматического управления двигателем постоянного тока независимого возбуждения.
Задачи курсовой работы

1. 
   Получить математическую модель двигателя постоянного тока (ДПТ)
   

на основании его номинальных данных и паспортных параметров.

2. 
   Составить алгоритмическую структурную схему ДПТ.
   
3. 
   Получить передаточную функцию ДПТ по заданию и по возмущению.
   
4. 
   Получить математическую модель преобразователя.
   
5. 
   Рассчитать регулятор системы автоматического управления (САУ)
   

ДПТ.

6. 
   Проанализировать показатели качества синтезированной САУ ДПТ.
   
7. 
   Выполнить программную реализацию и получить переходные
   

процессы в системе визуального моделирования Matlab/Simulink(лицензия

№ 568405).

8. 
   Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.
   

Объект исследования
Система автоматического управления частотой вращения двигателя постоянного тока независимого возбуждения.
Предмет исследования
Математическая модель САУ частотой вращения ДПТ.

Номинальные данные и параметры двигателя 2ПН100МУХЛ4

Мощность – 3,6 кВт

Напряжение – 110 В

Номинальная частота вращения – 3150 об/мин

Максимальная частота вращения – 4000 об/мин

Коэффициент полезного действия – 78,5%

Сопротивление обмотки якоря при 15ᴼС – 0,084 Ом

Сопротивление обмотки добавочных полюсов при 15ᴼС – 0,089 Ом

Сопротивление обмотки возбуждения при 15ᴼС – 129 Ом

Индуктивность цепи якоря – 1 мГн

Момент инерции – 0,015 кг*м^2

Содержание курсовой работы

1. 
   Получение математической модели двигателя постоянного тока (ДПТ) на основании его номинальных данных и паспортных параметров.
   
   1. 
      Полное сопротивление якорной цепи:
      

(Ом) (1)

где R_a– сопротивление обмотки якоря, R_ДП – сопротивление добавочных полюсов, R_КО – сопротивление компенсационной обмотки.

2. 
   Нагретое сопротивление якорной цепи:
   

(Ом) (2)

где t_хол = 15^ºС, t_гор = 90^ºС.

3. 
   Электромагнитная постоянная времени:
   

= (с) (3)

1.4. Номинальный ток якоря двигателя:

(А) (4)

1.5. Угловая скорость якоря двигателя номинальная:

(рад/с) (5)

1.6. Коэффициент ЭДС двигателя:

(В·с) (6)

1.7. Угловая скорость якоря холостого хода:

(рад/с) (7)

1.8. Номинальный вращающий момент двигателя:

(Н·м) (8)

1.9. Ток короткого замыкания двигателя:

(А) (9)

1.10. Электромеханическая постоянная двигателя:

(с) (10)

1.11. Номинальная ЭДС двигателя:

(В) (11)

1.12. Момент короткого замыкания двигателя:

(Нм) (12)

1.13. Механическая характеристика двигателя:



Рисунок 1 – Механическая характеристика двигателя

2. 
   Составить алгоритмическую структурную схему ДПТ
   

1. 
   Алгоритмическая структурная схема ДПТ
   

Рисунок 2 – Структурная схема ДПТ

2. 
   Для того, чтобы иметь возможность явно измерять ток якоря, преобразуем эту структурную схему к преобразованному виду (рисунок 3).
   

Рисунок 3 – Структурная схема ДПТ

3. 
   Получение передаточной функции ДПТ по заданию и по возмущению. Сначала получить в общем виде, потом подставить конкретные численные значения.
   

1. 
   Передаточная функция ДПТ по заданию:
   

. (13)

Подставив значения параметров:

2. 
   Передаточная функция ДПТ по возмущению:
   

, (14)

Подставив значения параметров:

4. 
   Получение математической модели преобразователя.
   

Учитывая сильное влияние на тиристорный преобразователь (ТП) импульсных помех, на входе СИФУ устанавливают фильтр в виде апериодического звена с постоянной времени TФ = 0,003 – 0,005 с. В этом случае влияние дискретности и полууправляемости можно не учитывать.

Выпрямленная ЭДС тиристорного выпрямителя:

, (15)

где g = 1 – нулевая схема, g = 2 – мостовая схема, E₂ – действующее значение ЭДС вторичной обмотки.

E_d0 = 1,17 E₂ – для нулевой схемы, E_d0 = 2,34 E₂ – для мостовой схемы.

При моделировании параметры тиристорного преобразователя относят к эквивалентным параметрам системы ТП – ДПТ в виде суммы сопротивления якорной цепи двигателя и сопротивления ТП (рисунок 4):

, (16)

аналогично для индуктивностей:

, (17)



Рисунок 4 – Модель ДПТ и ТП

1. 
   Рассчитать эквивалентные параметры системы ТП – ДПТ по формуле (18).
   

(18)

где R_в – сопротивление открытых вентилей (принять: ), R_щ – сопротивление пары щеток (для угольно-графитовых принять падение напряжения на пару щеток ΔU_щ =2,0 В, тогда ), R_д, L_д – сопротивление и индуктивность дросселя, устанавливаемого для уменьшения пульсаций якорного тока при питании от тиристорных преобразователей, R_тр, L_тр – сопротивление и индуктивность трансформатора.

Принять R_тр = 0,254 Ом, L_тр = 0,00126 Гн ; R_д = 0,0068 Ом, L_д = 0,0015 Гн.

2. 
   Пересчитать по формулам (19 – 28) эквивалентные параметры электромеханической системы с учетом ТП.
   
   1. 
      Электромагнитная постоянная времени:
      

(с) (19)

2. 
   Номинальный ток якоря двигателя:
   

(А) (20)

3. 
   Угловая скорость якоря двигателя номинальная:
   

(рад/c) (21)

4. 
   Коэффициент ЭДС двигателя:
   

(В с) (22)

5. 
   Угловая скорость якоря холостого хода:
   

(рад/c) (23)

6. 
   Номинальный вращающий момент двигателя:
   

(Н м) (24)

7. 
   Ток короткого замыкания двигателя:
   

(А) (25)

8. 
   Электромеханическая постоянная двигателя:
   

(с) (26)

9. 
   Номинальная ЭДС двигателя:
   

(В) (27)

10. 
    Момент короткого замыкания двигателя:
    

(Н м) (28)

3. 
   Учесть момент инерции исполнительного механизма J_мех = 10 кг м², при номинальной частоте вращения исполнительного механизма n_мех = 150 об/мин.
   

(19)

где – приведенный момент инерции исполнительного механизма

( =10/21² , i =21 – передаточное число редуктора).

Рассчитать электромеханическую постоянную времени (10) с учетом .

4. 
   Постоянную времени ТП с учетом фильтрации принять равной: T_п = 0,005 с.
   

Поэтому ТП учесть приближенно апериодическим звеном с постоянной времени T_п и коэффициентом усиления k = 48:

(20)

5. 
   Аналогично (3.1) найти передаточные функции ДПТ с эквивалентными параметрами (с учетом параметров ТП) по заданию и по возмущению.
   

5. 
   Расчет регулятора одноконтурной системы автоматического управления (САУ) ДПТ.
   

Одноконтурные САР скорости (без применения контура тока) нашли некоторое применение в маломощных приводах постоянного тока. Для ограничения величины тока используют упреждающее токоограничение или отсечку по току.

В настоящее время применяются редко, хотя в микропроцессорных системах для повышения быстродействия возможно переключение с двухконтурных САР на одноконтурные.

1. 
   Получить структурную схему САУ ДПТ (рисунок 5).
   

Рисунок 5 – САУ ДПТ

При этом для упрощения принять, что k_ОС = 1. Тиристрный преобразователь считать реверсивным.

2. 
   Выполнить синтез регулятора для ДПТ с передаточной функцией следующего вида:
   

Найти регулятор:

а) если T₁ >> T₂ и T₂ ≈ T_ТП – одного порядка, тогда выбирают T_μ =T₂ + T_ТП=

= 0,005 + 0,002= 0,007

и выбирают ПИ-регулятор;

Параметры регуляторов определяют из соотношения:



(21)

Где



– желаемая передаточная функция разомкнутого контура (модульный оптимум).

3. 
   Зарисовать структурную схему САУ ДПТ с рассчитанным регулятором.
   

Рисунок 6 – САУ ДПТ с ПИ-регулятором, настроенным на МО

6. 
   Проанализировать показатели качества синтезированной САУ ДПТ (с ПИ и ПИД-регуляторами).
   

1. 
   Выполнить программную реализацию и получить переходные процессы в системе визуального моделирования Matlab/Simulink (лицензия № 568405).
   

Для ПИД-регулятора малая некомпенсированная постоянная времени равна:

T_μ = T_ТП = 0,005 с.

Параметры регуляторов определяют из соотношения:







Рисунок 7 - САУ ДПТ с ПИД-регулятором





Рисунок 8 – САУ ДПТ с модифицированным ПИД-регулятором

2. 
   Получить и нарисовать графики угловой скорости ДПТ, тока якоря, электромагнитного момента ДПТ при изменении сигнала задания (снижение угловой скорости ДПТ на 15-30 %) и при изменении сигнала возмущения (наброс нагрузки на ДПТ). Учесть, что тиристорный преобразователь принят реверсивным.
   

Рисунок 9 – график электромагнитного момента ДПТ с ПИ-регулятором



Рисунок 10 – график тока якоря ДПТ с ПИ-регулятором

Максимальный ток при переходном процессе превышает номинальный в 12 раз, поэтому при реализации необходимо ограничивать максимальный ток якоря (использовать токоограничительное реле).

Imax1=500,5 A, Iном= A

Превышение: Imax/Iном=500,5/ =12



Imax2=619,5 A - максимальный ток при переходном процессе.

Максимальный ток при переходном процессе у ПИД-регулятора превышает в 1,24 раза максимальный ток при переходном процессе у ПИ-регулятора.

Превышение: Imax2/Imax1=619,5/500,5 =1,24

Imax1 - максимальный ток при переходном процессе у ПИ-регулятора

Imax2 - максимальный ток при переходном процессе у ПИД-регулятора

3. 
   Сравнить полученные в п.6 показатели качества переходного процесса САУ (перерегулирование и время нарастания) с показателями настройки на модульный оптимум (σ = 4,3 %, tН = 4,7 Tµ).
   

σ =

1) У рассчитанного ПИ-регулятора: (Теор: t_Н = 4,7T_μ =0,0329 с.)

Перерегулирование:

σ = , что меньше теоретического значения.

Время нарастания:

c
0,032/Tµ=0,0308/0,007=4,4
, что меньше теоретического значения.

2)У рассчитанного ПИД-регулятора: (Теор: t_Н = 4,7T_μ =0,0235 с.)

Перерегулирование:

σ = , что меньше теоретического значения.

Время нарастания:

c
0,025/Tµ=0,025/0,005=5
, что больше, чем теоретическое значение.

3)У модифицированного ПИД-регулятора: (Теор: t_Н = 4,7T_μ =0,0235 с.)

Перерегулирование:

σ = , что больше теоретического значения, но максимально приближено к нему.

Время нарастания:

c
0,028/Tµ=0,028/0,005=5,6
.

6.4. Оценить возможное отличие полученных результатов моделирования и желаемого переходного процесса. Сделать выводы.

Наилучшее быстродействие у модифицированного ПИД-регулятора

c (Теор: t_Н = 4,7T_μ =0,0235 с.)

Среднее быстродействие у рассчитанного ПИД-регулятора

c (Теор: t_Н = 4,7T_μ =0,0235 с.)

Худшее быстродействие у ПИ-регулятора

c c (Теор: t_Н = 4,7T_μ =0,04606 с.)

У рассчитанного ПИД-регулятора время нарастания незначительно, но хуже теоретического, а именно в 1,06 раза. Теоретическое время нарастания tн=0,0235 с; значение, полученное в результате расчета tн1=0,025 с.

Превышение:

У модифицированного ПИД-регулятора перерегулирование практически совпадает с теоретическим значением:

Вывод: Я считаю, что улучшенный ПИД-регулятор является самым лучшим из рассчитанных регуляторов, т.к. он имеет самое лучшее перерегулирование, которое максимально приближено к модульному оптимуму, но в отличие от обычного ПИД-регулятора имеет большее время нарастания, хоть и максимально приближенное к нему.