Электромашинная следящая система воспроизведения угла (ЭСС)

ФБГОУ ВПО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет энергетики и систем управления

Кафедра «Электропривод, автоматика и управление 
в технических системах»

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Локальные системы управления»

 

Тема «Электромашинная следящая система воспроизведения угла (ЭСС)»

Расчетно-пояснительная  записка

Разработали студентки                 Н. Н. Маняхина, Ю. С. Гаврилова

 

Руководитель                                                                  К. В. Коровин

 

Члены комиссии__________________________________________

  

________________________________________________________

 

Нормоконтролер__________________________________________

 

Защищен_____________            Оценка__________________

 

 

2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Целью курсового проектирования является расчёт электромашинной следящей системы (ЭСС) воспроизведения угла в соответствии с заданными показателями качества, и ее компьютерное моделирование для оценки влияния на ЭСС нелинейностей, вариаций параметров объекта регулирования и возмущений внешней среды.

Выполнение курсового  проекта проходит в два этапа. Первый этап представляет собой предварительный расчет САУ и включает в себя:

• определение показателей качества, которым должна соответствовать САУ;
• подбор компонентов для реализации САУ;
• составление расчетной структурной схемы объекта регулирования (ОР) по заданной в техническом задании функциональной схеме с включением в неё регулирующего органа (РО), датчика, измерительного преобразователя, модели возмущения и с учетом нелинейной статической характеристики одного из устройств системы;
• предварительный расчет параметров ПФ изменяемой части САУ по заданным показателям качества.

На втором этапе выполняется  компьютерное моделирование САУ:

• исследуются ее динамические свойства при входных управляющих и возмущающих воздействиях;
• оценивается влияние нелинейности одного из элементов САУ и малых изменений параметров этого элемента относительно расчетных значений на показатели качества системы;

В заключение проводится анализ результатов расчёта и моделирования.

 

 

 

 

1. описание сау

 

Описание САУ приводится в соответствии с темой 6 из приложения [1].

Силовая ЭСС воспроизведения угла поворота   исполнительного вала объекта в диапазоне мощностей до 100 кВт  строится  по схеме "электромашинный усилитель (ЭМУ) поперечного поля  - исполнительный двигатель (ИД) постоянного тока". На функциональной схеме ЭСС (см. рисунок 1.1) ЭМУ приводится во вращение кинематически связанным с ним приводным двигателем  (ПД). 

Рисунок 1.1 – Функциональная схема ЭСС

 

Обмотки управления ОУ1,  ОУ2  ЭМУ питаются от электронного усилителя  (ЭУ). ЭМУ  является усилителем мощности и питает обмотку якоря (ИД), который через редуктор перемещает на угол   исполнительный  вал  объекта (антенна, подвижная платформа и т.п.). С этим же валом кинематически связан движок потенциометра П2, выполняющего роль датчика углового перемещения. На вход ЭУ поступает напряжение , пропорциональное ошибке воспроизведения заданного угла :  где k коэффициент пропорциональности. Исполнительный двигатель поворачивает движок потенциометра  П2 до тех пор,  пока напряжение   не станет равным нулю,  т.е. когда   .  ИД  с редуктором  развивает момент сил ,  достаточный для преодоления момента нагрузки , создаваемого объектом. Очевидно, что  > .

Цель расчета – выбор коэффициента  усиления ЭУ, обеспечивающего для заданной структуры и параметров передаточных функций (ПФ) устройств ЭСС  работу системы с заданными показателями качества.

Исходные данные для  расчета ЭСС  представлены в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1

Элементы ЭСС	Передаточные функции (ПФ) элементов ЭСС	Диапазоны для выбора значений параметров ПФ
Соединение ЭМУ-ИД
Редуктор		( )
Электронный усилитель (ЭУ)
Модель возмущения

 

Примечание – в таблице 1.1 приняты следующие обозначения:

• – изменение  угла поворота вала ИД;
• – изменение напряжения управления ЭМУ;
• – постоянная времени нарастания  тока  в  короткозамкнутой обмотке ЭМУ; 
•  – постоянная времени разгона ИД;
• – коэффициент усиления соединения ЭМУ-ИД; 
• – коэффициент усиления редуктора; 
• i – коэффициент редукции (i >>1);
• –  постоянная времени фильтра на входе ЭУ.
•  – постоянная  времени якорной цепи ИД;
• – электромеханическая постоянная времени ИД, величина которой  пропорциональна моменту инерции на валу двигателя с учетом моментов инерции двигателя и нагрузки с редуктором.

При  расчете и моделировании  СС примем изменение  от 0 (отсутствие нагрузки) до 1 (номинальная нагрузка), т.е. возмущение соответствует единичной ступенчатой функции.

При моделировании ЛСУ  с учетом нелинейности одного из ее  устройств примем статическую характеристику НЭ в виде  характеристики усилителя с зоной нечувствительности  , насыщением и коэффициентом усиления в зоне  линейности k = 1. Значение   где максимальное значение сигнала на входе ЭМУ.

Дополнительные данные для дальнейших расчетов указаны в таблице 1.2.

 

Таблица 1.2

Параметр	Величина
Максимальная ошибка воспроизведения углового перемещения
Максимальное угловое перемещение,

2. предварительный расчет САУ

1. Подбор компонентов для реализации САУ

Исполнительный двигатель (ИД) [2]:

• фирма-изготовитель: завод ²Mavilor²;
• наименование: МSS-45;
• технические характеристики: номинальная частота вращения , номинальная мощность на валу , номинальный ток якоря , номинальный момент , постоянная времени якорной цепи , электромеханическая постоянная времени .
• данный двигатель отличают высокий вращающий момент, низкая инерция, отсутствие неравномерности при вращении на малых скоростях, что позволяет его применять в системах с высокими требованиями к показателям качества.

Редуктор [3]:

• фирма-изготовитель: ²Ever Elettronica²;
• наименование: RR23TE423;
• передаточные числа i: 1...380 (будем использовать значение i=100, что соответствует коэффициенту передачи редуктора );
• для решения задач, требующих высокой точности, динамики и максимальной надежности привода, берутся именно планетарные редукторы.

Датчик скорости (ДС) [4]:

• фирма-изготовитель: "Rolivam";
• наименование: тахогенератор 3П-25;
• технические характеристики: коэффициент передачи ;
• тахогенераторы фирмы "Rolivam" обеспечивают надежную передачу выходного сигнала и способствуют очень быстрой реакции системы.

Электромашинный усилитель (ЭМУ) [5], [6]:

• наименование: ЭМУ-70;
• технические характеристики: мощность генератора , ток генератора , масса 195 кг;
• мощность ЭМУ согласована с мощностью ИД;
• согласно рекомендациям, изложенным на с. 119 [5], необходимо выполнение соотношения . В нашем случае , т.е. необходимое соотношение выполняется;
• согласно рекомендациям, изложенным на с. 119 [5], в случае использования в качестве предварительного устройства усиления электронного усилителя (что имеет место быть в данной курсовой работе) рекомендуется брать ЭМУ с большим сопротивлением обмоток управления. Поэтому выберем ту модификацию ЭМУ-70, для которой сопротивление обмоток управления наибольшее и составляет .

2. Составление расчетной структурной схемы замкнутой САУ

На рисунке 2.1 представлена расчетная структурная схема рассматриваемой САУ, составленная согласно ее функциональной схеме (см. рисунок 1.1 выше). В соответствии с рекомендациями, изложенными в [7], составим ее из двух контуров:

• внутренний контур скорости, развиваемой ИД на исполнительном валу;
• внешний контур регулирования углового положения исполнительного вала.

Построение рассматриваемой системы  по принципу двухконтурного подчиненного регулирования позволяет уменьшить влияние имеющихся нелинейностей, а также возмущающих воздействий, оказываемых на объект управления.

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 – Расчетная структурная схема замкнутой САУ

Передаточные функции, указанные на представленной расчетной структурной схеме (см. рисунок 2.1), сведем в таблицу 2.1.

Таблица 2.1

Элемент ЭСС	Передаточная функция
ЭУ1
ЭУ2
Соединение ЭМУ-ИД
Редуктор
ДС
Корректирующее устройство (КУ)
Модель возмущения

 

Примечание – параметры, подлежащие выбору и/или расчету на основе требований предъявляемых к рассматриваемой САУ:

• коэффициент усиления ( ) ЭУ;
• ПФ корректирующего устройства.

Схема на рисунке 2.1 составлена с учетом нелинейностей одного из элементов системы, а именно исполнительного двигателя (ИД):

• НЭ₁ "насыщение" (рисунок 2.2, поз. а). Отражает тот факт, что ИД может достигать лишь ограниченных значений скорости (моделируем ограничение максимального уровня задающего напряжения для ИД);
• НЭ₂ "зона нечувствительности" (рисунок 2.2, поз. б). Учитывает влияние момента сил трения покоя.

Рисунок 2.2 – Качественные графические характеристики НЭ

Примечание:

1. Указанные на рисунке 2.2 НЭ будут использованы при компьютерном моделировании системы (см. разд. 3). В текущем разделе нелинейная природа этих элементов при расчете учитываться не будет (положим коэффициенты усиления НЭ равными единице).
2. ПФ потенциометрического датчика, находящегося в обратной связи по угловому положению, полагается константой: коэффициент усиления, равный единице. Поэтому на рисунке 2.1 звено, соответствующее потенциометрическому датчику, не показано.

3. Расчет параметров ПФ регуляторов замкнутой САУ

1. Расчет внутреннего контура замкнутой САУ

 

ПФ замкнутого внутреннего контура скорости

.

При помощи пакета программ MATLAB^® построим ЛЧХ рассматриваемого контура (рисунок 2.3) и вычислим запасы устойчивости по фазе (рисунок 2.4).

Рисунок 2.3 – ЛЧХ для  контура скорости

Рисунок 2.4 – Определение  запасов устойчивости по фазе

 

Согласно рисунку 2.4 ЛЧХ рассматриваемого контура имеет малый запас устойчивости по фазе. Это говорит о необходимости улучшения представленной характеристики системы при помощи корректирующего устройства с ПФ (см. рисунок 2.1).

Сформируем желаемую ПФ согласно рекомендациям гл. 4 [8].

.

При помощи пакета программ MATLAB^® построим ЛЧХ желаемой ПФ (рисунок 2.5). ПФ корректирующего устройства найдем из соотношения

.

При помощи пакета программ MATLAB^® построим на одном графике ЛЧХ системы до коррекции (сплошная линия), ЛЧХ корректирующего устройства (линия звездочками) и ЛЧХ желаемой ПФ для рассматриваемого контура (пунктирная линия) – см. рисунок 2.6.

 

Рисунок 2.5 – ЛЧХ для  желаемой ПФ контура скорости

Рисунок 2.6 – ЛЧХ для ПФ

 

 

2. Расчет внешнего контура замкнутой САУ

 

Для расчета внешнего контура САУ согласно рекомендациям в разд. 1 [1] будем использовать метод эквивалентного гармонического воздействия, изложенный в гл. 4 [8]. Исходные данные для этого метода приведены в таблице 1.2 (см. разд. 1).