АСУ электроприводом

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ Введение ……………………………………………………….. Характеристики объекта управления ………………………… Функциональная схема АСУ………………………………….. Технико-экономические показатели АСУ ………………....... Состав, содержание и организация работ по созданию АСУ……………………………………………………………... Испытание опытного образца и составление акта (протокола) приемки …………………………………………..   ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ 2.1     Расчет основных параметров системы ……………………….. 2.2.   Построение графоаналитической модели системы …………. 2.3.   Определение качественных показателей графоаналитической модели АСУ……………………………. 2.4.    Определение величины периода квантования по времени….. 2.5.    Испытание созданной математической модели АСУ……….. 2.6.    Составление акта (протокола) испытания…………………….   РАБОЧИЙ ПРОЕКТ ……………………………………………… ПРИЕМКА ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА

2 2 2 2   3   4     5 6   8 10 13 14   18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

Введение

 

Необходимо разработать автоматизированную систему управления (АСУ) электроприводом на базе промышленного контроллера для поддержания заданной частоты вращения ротора двигателя постоянного тока. Ротор двигателя механически связан с центробежным насосом. В настоящее время поддержание заданной частоты вращения ротора двигателя осуществляется вручную оператором, который периодически меняет величину напряжения питания двигателя в зависимости от нагрузки.

 

Характеристики объекта управления

 

Исходная аналоговая система управления должна содержать следующие элементы: двигатель (Д), являющийся объектом управления; транзисторный преобразователь мощности (ТПМ) – управляемый источник питания двигателя; датчик обратной связи для контроля текущих значений параметров объекта управления (ДОС) ─ тахогенератор;  устройство сравнения (УС), которое позволяет определить соответствие между действительным (Y) и заданным (UЗ) значениями параметров объекта управления; задающее устройство (ЗУ), выдающее входной сигнал на устройство сравнения.

 

Функциональная схема АСУ

Рис.1

В качестве устройства сравнения используем промышленный контроллер, применение которого сделает исходную аналоговую систему управления цифровой.

 

Технико-экономические показатели АСУ

 

Данные двигателя (ПСТ со встроенным тахогенератором).

1. Номинальное число оборотов ротора двигателя n=1600 об/мин.
2. Номинальное напряжение питания U=110 В.
3. Номинальный ток якорной обмотки двигателя I=0,8 А.
4. Активное сопротивление якорной обмотки двигателя R=2 Ома.
5. Индуктивность якорной обмотки двигателя L=2,5 Гн.
6. Номинальный момент на валу двигателя 0,245 Нм.
7. Передаточный коэффициент датчика обратной связи (тахогенератора) по частоте вращения ротора двигателя KДОС=0.04.

Данные транзисторного преобразователя мощности (транзистор типа 2Т625Б-2)

1. Максимальный ток коллектора IК=1А.
2. Максимальное напряжение эмиттер-база UЭБ=5 В.
3. Максимальная мощность Р=1 Вт.
4. Передаточный коэффициент транзисторного преобразователя мощности KТПМ=11.

Исходные параметры качественных показателей АСУ.

1. Погрешность АСУ δ=2%.
2. Время переходного процесса tП<10 с.

Индивидуальные данные

1. Момент инерции приведенный к валу двигателя J=0,12
2. Коэффициент перерегулирования σ=28%

Использование автоматизированной системы управления двигателем освободит оператора от ручного поддержания заданной частоты вращения, что позволит использовать его для обслуживание не только одной установки, а целого участка. Кроме того, с применением АСУ повышается точность регулирования системы.

Состав, содержание и организация работ по созданию АСУ

В процессе создания АСУ необходимо выполнить следующие работы:

1.5.1. Разработка технического проекта

В процессе разработки технического проекта необходимо произвести расчет основных параметров системы. По результатам расчетов построить графоаналитическую модель системы  с использованием программы Matlab+Simulink, получить график переходного процесса и определить качественные показатели АСУ: точность, время переходного процесса, коэффициент перерегулирования.

Для перехода от аналоговой системы к цифровой определить период квантования по времени, построить структурную схему сравнения.

1.5.2. Испытание математической модели

Испытания провести на математической модели цифровой системы управления, с учетом найденного периода квантования по времени. В результате испытаний найти передаточную функцию аналоговой системы и с помощью z-преобразования перейти к цифровой системе. Построить график переходного процесса цифровой системы и определить ее качественные параметры.

1.5.3. Составление акта (протокола) о завершении технического проекта

По качественным показателям переходного процесса цифровой АСУ составить акт и протокол о соответствии разработанной цифровой АСУ заданной в техническом задании.

1.5.4. Оформление пояснительной  записки

По окончании проектирования заказчику предоставляется полный комплект документации, включающий в себя: техническое задание, технический проект, рабочий проект, акты (протоколы) приемки.

1.6. Испытание опытного  образца и составление акта (протокола) приемки

По результатам испытания опытного образца составляется акт (протокол) приемки.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ
0. Расчет основных параметров системы

Представим двигатель колебательным звеном с передаточной функцией

где - коэффициент преобразования;

- электромагнитная постоянная  времени двигателя;

-электромеханическая постоянная времени двигателя;

Постоянная двигателя по моменту

.

Постоянная двигателя по скорости

.

 

Тогда

 

 

 

 

Построение графоаналитической модели системы

Используя заданные значения коэффициентов транзисторного преобразователя мощности, датчика обратной связи по частоте вращения ротора двигателя и полученную передаточную функцию двигателя построим графоаналитическую модель разрабатываемой АСУ.

Для построения модели используем программу для имитационного моделирования и анализа динамических систем Simulink,  входящую в состав приложения Matlab.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение качественных показателей графоаналитической модели АСУ

 

С помощью программы Simulink получим график переходного процесса и определим качественные показатели модели (рис.2.2).

Время переходного процесса полученной модели - 9,92 сек, коэффициент перерегулирования – 27,3 % и точность системы полностью соответствуют заданным в техническом задании параметрам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

График 2.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение величины периода квантования по времени

 

Период квантования определяет время, которое необходимо для обработки информации – аналого-цифровое преобразование задающего воздействия и сигнала с датчика, нахождение их разности, включение ЦАП.

Слишком малая величина периода квантования ограничивает функциональные возможности промышленного контроллера. Слишком большой период квантования увеличивает погрешность системы. Поэтому необходимо найти оптимальную величину периода квантования.

С точки зрения периода квантования аналоговая система является идеальной. Для нахождения оптимального периода квантования сравним выходные сигналы цифровой и аналоговой системы при различных периодах квантования. Величина периода квантования принимается как оптимальная, когда разность выходных параметров не превышает заданную.

Чтобы определить оптимальный период квантования по времени цифровой системы управления в программе Simulink сравним модели аналоговой системы и цифровой, которая аналогична первой, но с введенным в нее дискретным блоком Zero-Order Hold, имитирующим работу промышленного контроллера с определенным периодом квантования по времени.

На обе модели подадим входной сигнал с одного источника (задающее воздействие). Выходные сигналы моделей обеих систем управления подключим к виртуальному осциллографу. Кроме того, на вход виртуального осциллографа подадим и разность этих выходных сигналов. Это даст возможность сравнить выходные сигналы и определить влияние различных величин периода квантования на работу цифровой системы управления.

В результате получили структурную схему сравнения (рис.2.3). Путем подбора величины параметра дискретного блока, имитирующего работу промышленного контроллера, по графику сравнения переходных процессов систем (рис.2.4) определим оптимальную величину периода квантования.

На графике отображены переходные процессы аналоговой и цифровой системы, а также характеристика их сравнения, из которой видно, что при подобранной величине периода квантования (0,5), параметры сравниваемых систем отличаются в пределах заданной точности (δ=2%).

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

График 2.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Испытание созданной математической модели АСУ

Испытания проведем на математической модели цифровой системы управления, с учетом найденного периода квантования.

Для этого в программе MatLab найдем передаточную функцию исходной замкнутой аналоговой системы и переведем ее в z-преобразование и построим переходной процесс цифровой АСУ.

1. нахождение передаточной функции двигателя

W1=tf([1,52], [1,51 1,21,1]) Enter

2. нахождение передаточной функции прямого канала

W2=11*W1 Enter

3. нахождение передаточной функции замкнутой аналоговой системы

W3=feedback(W2,0.04) Enter

4. нахождение передаточной функции замкнутой аналоговой системы (z-преобразование)

tk=0.1;

W4=c2d(W3,tk,’zoh’) Enter

5. построение переходного процесса цифровой системы

step(W4) Enter

По графику переходного процесса (рис.2.5) определим коэффициент перерегулирования σ=26,5% и tП=10 сек.

Полученный коэффициент перерегулирования не превышает 28%, что полностью отвечает требованиям технического задания. Время переходного процесса в соответствии с техническим заданием не должно превышать 10 сек. Полученное время переходного процесса математической модели цифровой системы не в полной мере отвечает этому требованию.  Для обеспечения заданных параметров технического задания необходимо более точно подобрать значение периода квантования по времени, что позволит улучшить качественные характеристики проектируемой системы.