Курсовая работа передаточная функция. Курсовая работа по мдк 01. 03. Теоретические основы контроля и анализа функционирования систем автоматического управления
 Скачать 2.5 Mb.
|
|
Актуальность темы определяется тем, что адаптивные системы изменяются при изменении внешних условий так, чтобы цель функционирования системы была достигнута, даже если изменения внешних условий препятствуют этому. Однако таких адаптивных свойств в ряде случаев недостаточно. Отрицательная обратная связь может работать неэффективно, если ее динамические свойства не согласованы с динамическими свойствами объекта. Вместо стабилизации выходной величины объекта около требуемого значения, такая связь может привести к потере устойчивости системы, что проявляется в колебаниях около требуемого значения с нарастающей амплитудой или в ускоряющемся удалении этой величины от этого значения. Поэтому исследование адаптивной системы с эталонной моделью является актуальной задачей. Недостаточная разработанность указанной проблемы и ее большая практическая значимость реверсивного переключателя для асинхронного двигателя, определили тему исследования: «Система автоматического управления автоматического управления реверсивным переключателем для асинхронного двигателя». Цель исследования: Провести моделирование и анализ адаптивной системы с эталонной моделью. Оценить качество регулирования и управления. Объект исследования: Система автоматического управления автоматического управления реверсивным переключателем для асинхронного двигателя. Задачи исследования: - Расчет передаточной функции автоматической системы управления реверсивным переключателем для асинхронного двигателя ; - Расчет и построение частотных характеристик системы; - Построение переходного процесса на ЭВМ; - Определение основных показателей качества. 1. Система автоматического управления автоматического управления реверсивным переключателем для асинхронного двигателя 1.1 Для чего нужен реверс двигателя Многие механические действия в бытовых и промышленных устройствах, осуществляются с помощью асинхронного движка. В связи, с чем часто возникает необходимость изменения направления движения, исходя из выполняемых задач. Иногда функция реверса для механизма является постоянной, а иногда — временной. К первой разновидности относятся все грузоподъемные механизмы краны, электроприводы запорно-регулирующих устройств и исполнительных механизмов, работающих в режиме «открыть/закрыть». К другой разновидности реверса, относят механизмы, в которых данная функция используется очень редко, обычно в аварийных случаях: конвейеры, эскалаторы, насосные агрегаты. Функцию реверса в электродвигателе иногда используют для торможения, поскольку при отсоединении его от электросети, ротор, располагая значительной инерционностью, продолжает свою работу. Такой кратковременный пуск реверса вызывает процесс торможения движка. Данный способ еще называют противовключением. Принцип реверсивного движения состоит в том чтобы изменить направление вращения электродвигателя переменного тока, нужно изменить магнитные поля, вызывающие движение в противоположном направлении. Поскольку в магнитных полях каждый провод подключен к положительному и отрицательному току, замена основного и пускового проводов заставит двигатель вращаться в обратном направлении. Это простой метод переключения проводов действует, поскольку полярность магнитного поля меняется на противоположную. Как реализации схемы реверса то есть для перемены направленности вращения ротора, нужно поменять местами 2 из 3 фазы его обмотки. Тогда электромагнитное поле статора меняет свою направленность движения, при этом ротор в первоначальный период времени, двигаясь по инерции, станет притормаживаться, пока окончательно не остановится. И только потом он будет крутиться в другом направлении. Замену полярности электро-пусковой обмотки возможно сделать с управляющим тумблером по схеме. Его можно подобрать с 2 или 3 зафиксированными положениями и 6 выходами. Выбирать такое устройство нужно по токовой нагрузке и разрешенному напряжению. Реверс асинхронного двигателя с конденсаторным запуском лучше выполнять по следующей схеме: При тяжелом пуске параллельно к главному конденсатору, используя средний контакт с самовозвратом ПНВ, подсоединяют добавочный конденсатор. В таком примере переключают тумблер реверса только при заторможенном роторе, и никак не при его вращении. Случайная перемена направленности работы мотора под напряжением, сопряжена с огромными скачками тока, что истощает его мото-ресурс. По этой причине посадочное место тумблера реверса на оборудовании нужно подбирать таким образом, чтобы сделать невозможным случайное включение его во время работы. Лучше установить его в каком-то углубленном месте конструкции. Если электродвигатель не работает должным образом после сборки схемы, потребуется дважды перепроверить, что провода идут к правильным клеммам переключателя. И также удостоверится, что проводка не ослаблена или не повреждена. Рекомендуется использовать увеличительное стекло, чтобы убедиться, что соединения выполнены правильно и даже самая тонкая нить провода случайно не касается другого проводка или клеммы. Пропускать ток на тумблер предпочтительнее от вспомогательной обмотки, которая работает непродолжительно. Перечисленное, даст возможность значительно увеличить рабочий ресурс контактной группы. 1.2 Схема подключения двигателя с реверсом  Так вышло, что трех фазные асинхронные электродвигатели, а так же их реверс стали самой распространенной электрической машиной. В зависимости от механизма, который приводится во вращение этим электродвигателем, может возникнуть необходимость в изменении направления вращения механизмов, а, следовательно, и вала двигателя, в нашем случаи трех фазного асинхронного электродвигателя Теоретически, для изменения направления вращения вала (реверса) электродвигателя необходимо всего на всего поменять местами две фазы. Стоит отметить, что не имеет значения какие фазы мы будим менять, но на будущее принято менять две крайние фазы, то есть фазу «А» с фазой «В». Для выполнения таких манипуляций с электродвигателем, выше предоставленной схеме необходимо видоизменить – переделать, доработать. Для этого понадобится еще один магнитный пускатель, или же контактор (зависит от мощности), а также кнопочная станция, состоящая из трех кнопок, или же три кнопочных контакта два нормально разомкнутых (замыкающих), и один нормально разомкнутый. Все изменения сводятся к магнитному пускателю КМ2, нормально разомкнутому контакту кнопки SB2. Как и элементарная схема пуска асинхронного двигателя, схема этого же двигателя состоит из следующих элементов (устройств): Вводной автомат АВ1 – через него подается трехфазное напряжение силовой цепи и цепи управления; Два магнитных пускателя КМ1 и КМ2 через силовые контакты которых, подается питание на статор. Их блок контакты включены в цепь управления для выполнения подхвата и электрической блокировки. Катушки этих пускателей также включены в цепь управления. Нужно сказать, что каждый из магнитных пускателей отвечает за определенное вращение ротора . Например, питание подаётся через магнитный пускатель КМ1, то вал электродвигателя будит вращаться по часовой стрелке (вперед), если же питание подаётся через силовые контакты магнитного пускателя КМ2, то вал асинхронного двигателя будит вращаться против часовой стрелки (назад). 1.3 Преимущества АС двигателя Главной особенностью характеристик этого двигателя и самым ценные их проявлением, считают тот факт, что нагрузка на двигатель практически никак не зависит от частоты вращения вала. Магнитные поля и электродвижущую силу изучают уже лет двести, а наш асинхронный двигатель стал лучшим подтверждением тому, это один из самых эффективных методов трансформации энергии. Принцип работы этого мотора как раз основан на взаимодействии подвижного магнитного поля и токопроводящего элемента, распложенного внутри этого поля. Двигатель, как известно еще со школьной скамьи, состоит из двух базовых узлов — рoтора и статора. Статoр как раз генерирует вращающееся магнитное поле. Конструктивно, статoр представляет собой металлический сердечник, на него намотана обмотка из медной проволоки с термолаковой изоляцией. Внутри статора, внутри его магнитного поля, поместили ротор, который представляет собой вал с сердечником и обмоткой. На рисунке ниже изображена схема устройства асинхронного мотора. По схеме понятно, что статор состоит из наборных пластин и нескольких обмоток, которые намотаны на пластинчатый сердечник. Эти обмотки могут подсоединяться по разным схемам, в зависимости от типа напряжения. Каждая их обмоток сдвинута друг отнoсительно друга на 120 градусов. А ротор такого двигателя может быть принципиально двух типов. Как работает магнитное поле Работает двигатель на основе процесса получения механической работы в результате воздействия на проводник движущегося магнитного поля. На обмотку статора подают напряжение, причем каждая фаза образует свой магнитный поток. Частота магнитного потока напрямую зависит от частоты подаваемого тока на концы обмотки. За счет того, что обмотки сдвинуты на 120 градусов, сдвигаются и магнитные поля, причем сдвигаются они как в пространстве, так и во времени. Суммарный магнитный поток и будет вращать ротор двигателя. Это происходит потому, что вращающийся поток суммы частот каждой из обмоток, образуют в роторе электродвижущую силу. Поскольку ротор — короткозамкнутый, то он имеет свою собственную электрическую цепь, которая взаимодействуя с магнитным полем статора, образует крутящий момент, направленный в сторону движения магнитного потока статора. Читайте также: «Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток. Правило левой руки» Следовательно, принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, объясняется вращением магнитного суммарного потока статора и его взаимодействия с возникшим в результате подачи тока, магнитным полем ротора. Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором схема Все электрические двигатели содержат две главные части, взаимодействующие друг с другом. Этими частями являются статор и ротор. Статор инициирует взаимодействие, и ротор отвечает на него своим вращением. Все электродвигатели классифицируются на основе того или иного принципа, обеспечивающего взаимодействие главных частей. Например, в движке статор подобно первичной обмотке трансформатора индуцирует во вторичной обмотке — роторе — электромагнитные процессы. Значит это — асинхронный электродвигатель. 1.4 Принципы автоматического управления пуском и торможением электродвигателей Рассмотрим схемы включения пусковых сопротивлений и контактов контакторов КM3, КM4, КM5, управляющих ими, при пуске асинхронного двигателя с фазным ротором (АД с ф. р.) и двигателя постоянного тока с независимым возбуждением ДПТ НВ (рис. 1). В этих схемах предусмотрены динамическое торможение (рис. 1, а) и торможение противовключением При реостатном пуске ДПТ НВ или АД с фазным ротором поочередное замыкание (закорачивание) ступеней пускового реостата R1, R2, R3 производится автоматически при помощи контактов контакторов КМ3, КМ4, КМ5, управление которыми может быть осуществлено тремя способами: путем отсчета промежутков времени dt1, dt2, dt3 (рис.2), для чего используются реле времени (управление по принципу времени); посредством контроля величины скорости электродвигателя или ЭДС (управление по принципу скорости). В качестве датчиков ЭДС используются реле напряжения или непосредственно контакторы, включенные через реостаты; применением датчиков тока (токовые реле, настраиваемые на ток возврата, равный Imin), дающим командный импульс при снижении тока якоря (ротора) в процессе пуска до значения Imin (управление по принципу тока). Рассмотрим механические характеристики двигателя постоянного тока (ДПТ) (рис. 1) (для асинхронного двигателя (АД) аналогично, если использовать рабочий участок механической характеристики) при пуске и торможении, а также кривые скорости, момента (тока) в зависимости от времени.  Рис. 1. Схемы включения пусковых сопротивлений асинхронного двигателя с фазным ротором (а) и двигателя постоянного тока с независимым возбуждением (б)  Рис. 2. Пусковые и тормозные характеристики (а) и зависимости ДПТ (б) Пуск электродвигателя (замыкаются контакты КМ1 (рис. 1)). При подаче напряжения ток (момент) в электродвигателе равен I1 (M1) (точка А) и двигатель разгоняется с пусковым сопротивлением (R1 + R2 + R3). По мере разгона ток уменьшается и при токе I2 (точка В) происходит закорачивание R1, ток возрастает до значения I1 (точка С) и т. п. В точке F при токе I2 происходит закорачивание последней ступени пускового реостата и электродвигатель выходит на естественную характеристику (точка G). Разгон происходит до (точки Н), которой соответствует ток Iс (зависит от нагрузки). Если в точке В не закоротить R1, то электродвигатель разгонится до точки В' и будет иметь установившуюся скорость. Динамическое торможение (размыкаются КМ1, замыкаются КМ7), при этом электродвигатель переходит в точку К, которой соответствует момент (ток) и его величина зависит от сопротивления Rтд. Торможение противовключением (размыкаются КМ1, замыкаются КМ2), при этом электродвигатель переходит в точку L и начинает очень быстро тормозиться с сопротивлением (R1 + R2 + R3 + Rтп). Наклон этой характеристики, а значит и величина, одинаков (параллелен) пусковой характеристике с сопротивлением (R1 + R2 + R3 + Rтп). В точке N необходимо закоротить Rтп, электродвигатель переходит в точку Р и происходит разгон в противоположную сторону. Если в точке N не закоротить Rтп, то электродвигатель разгонится до точки N' и будет работать на этой скорости. 1.5 Схемы автоматического управления пуском ДПТ Управление в функции времени (рис. 3) Наиболее часто в качестве реле времени в схемах ЭП применяются электромагнитные реле времени. Они настраиваются на отсчет заданных выдержек времени dt1, dt2, … . Каждое реле времени должно включать соответствующий силовой контактор.  Рис. 3. Схема автоматического пуска ДПТ в функции времени Управление в функции скорости (чаще всего используется для динамического торможения и торможения противовключением) Данный принцип автоматизации управления предполагает использование реле, которые прямо или косвенно контролируют скорость электродвигателя: для ДПТ осуществляется измерение ЭДС якоря, для асинхронных и синхронных электродвигателей – измерение ЭДС или частоты тока. Использование устройств, непосредственно измеряющих скорость (реле контроля скорости (РКС) сложного устройства), усложняет установку и схему управления. РКС чаще используют для контроля торможения, чтобы отключить электродвигатель от сети при скорости близкой к нулю. Чаще используются косвенные методы. При постоянном магнитном потоке ЭДС якоря ДПТ прямо пропорциональна скорости. Поэтому катушку реле напряжения можно включать непосредственно на зажимы якоря. Однако напряжение на зажимах якоря Uя отличается от Eя на величину падения напряжения на обмотке якоря. При этом возможны два варианта: использование реле напряжений КV, допускающие настройку на разные напряжения срабатывания (рис. 4, а); использование контакторов КМ, подключенных через пусковые сопротивления (рис. 4, б). Замыкающие контакты реле КV1, КV2 подают напряжение на катушки силовых контакторов КМ2, КМ3.  Рис. 4. Силовые схемы подключения ДПТ при использовании в качестве РКС реле напряжений (а) и контакторов (б)  Рис. 5. Силовая схема (а) и схема управления (б) ДПТ при автоматизации пуска в функции скорости. Штриховыми линиями показана схема, когда для измерения напряжения используются реле напряжения КV1, КV2. 1.6Особенности схем управления асинхронных двигателей (АД) 1. Для управления торможением (особенно противовключением) часто применяются индукционные реле контроля скорости (РКС). 2. Для АД с фазным ротором используются реле напряжения KV, cрабатывающие от различных значений ЭДС ротора (рис. 9). Эти реле включаются через выпрямитель, чтобы исключить влияние частоты тока ротора на величину индуктивного сопротивления катушек самого реле (с изменением XL изменяется и Iср, Uср), уменьшить коэффициент возврата и увеличить надежность работы. Принцип действия: при большой угловой скорости ротора электродвигателя наведенная в его обмотках ЭДС небольшая, т. к. E2s = E2k · s, а скольжение s незначительно (3–10 %). Напряжение на реле KV недостаточно для втягивания его якоря. При реверсе (КМ1 размыкается, а замыкается КМ2) направление вращения магнитного поля в статоре изменяется на противоположное. Реле KV срабатывает, размыкает цепь питания контакторов КМП и КМТ и в цепь ротора вводится пусковое Rп и тормозное Rпр сопротивления. При скорости близкой к нулю реле KV отключается, замыкается КМТ и электродвигатель разгоняется в противоположную сторону. 2. Описание структурного состава адаптивной системы с эталонной моделью Структурная схема САУ (рис.38) адаптивная система с эталонной моделью содержитZ1 – апериодическое звено первого порядка; Z2 – интегрирующее звено; Z3 – усилительное звено; Z4 – апериодическое звено второго порядка; Z5 – апериодическое звено первого порядка, с контуром добавкой управляющего воздействия по входу и подавлении отклонения выходного сигнала от его требуемого значения за счет контура адаптации, охваченных отрицательной обратной связью  Рис. 38. Адаптивная система с эталонной моделью: Z1 – апериодическое звено первого порядка; Z2 – интегрирующее звено; Z3 – усилительное звено; Z4 – апериодическое звено второго порядка; Z5 – апериодическое звено первого порядка, S1–сравнивающее устройство; S2– суммирующее устройство. Z1,Z5 – апериодическое звено первого порядка: - апериодическое звено первого порядка называется также инерционным. Оно описывается дифференциальным уравнением первого порядка и имеет не колебательный характер переходного процесса. Звено описывается дифференциальным уравнением первого порядка с постоянными коэффициентами:   Переходная характеристика имеет вид экспоненты, по которой можно определить передаточный коэффициент k, равный установившемуся значению h(t), и постоянную времени Т по времени t, соответствующему точке пересечения касательной к кривой в начале координат с ее асимптотой. При достаточно больших Т звено на начальном участке может рассматриваться как интегрирующее, при малых Т звено приближенно можно рассматривать как безынерционное. Примеры апериодического звена: термопара, электродвигатель, четырехполюсник из сопротивления и емкости или сопротивления и индуктивности.  Рис. 39 Характеристики апериодического звена Z2 – апериодическое звено второго порядка Математическое описание колебательного звена выражается следующим дифференциальным уравнением, выражающим связь между выходной величиной Y и входной величиной X:  ,Переходя к изображению по Лапласу и рассматривая отношения изображений выходной и входной величин, получим передаточную функцию  Переходя от изображения (3.87) к оригиналу при единичном воздействии, получим переходную функцию колебательного звена:  ,где  ,Весовая функция  ,Z3 – усилительное звено Усилительным (безинерционным) звеном называется звено, не обладающее запаздыванием, у которого выходная величина точно следует за входной и пропорциональна ей. Его уравнение: y(t) = k  u(t). Передаточная функция: W(p) = k. Переходная характеристика: h(t) = k 1(t).  В ответ на единичное ступенчатое воздействие сигнал на выходе мгновенно достигает величины в k раз большей, чем на входе и сохраняет это значение. При k = 1 звено никак себя не проявляет, а при k = - 1 - инвертирует входной сигнал. Любое реальное звено обладает инерционностью, но с определенной точностью некоторые реальные звенья могут рассматриваться как безынерционные, например, жесткий механический рычаг, редуктор, потенциометр, электронный усилитель и т.п.  Рис. 41 Характеристики усилительного звена Z4 – интегрирующее звено; Интегрирующим называют звено, у которого выходная величина пропорциональна интегралу от входной величины. Звено описывается дифференциальным уравнением  , или  , или py = ku.Передаточная функция: W(p) = k/p. Переходная характеристика:   При k = 1 звено представляет собой “чистый” интегратор W(p) = 1/p. Интегрирующее звено неограниченно "накапливает" входное воздействие. Примеры интегрирующих звеньев: электродвигатель, поршневой гидравлический двигатель, емкость и т.п. Введение его в САУ превращает систему в астатическую, то есть ликвидирует статическую ошибку.  Рис. 40 Характеристики интегрирующего звена. Функциональные звенья входящие в САУ адаптивной системы с эталонной моделью имеют следующие передаточные функции: Z1 – апериодическое звено первого порядка:  Z2 – интегрирующее звено:  Z3 – усилительное звено:  Z4 – апериодическое звено второго порядка:  Z5 – апериодическое звено первого порядка: С учетом исходных коэффициентов функциональных звеньев данных для курсового проектирования:
|