Контрольная работа по дисциплине «Автоматические системы управления и связь»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

 

по дисциплине «Автоматические системы управления и связь»

 

 

студент____курса, ______группы, ; шифр № ________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

____________________________________________________________________________________

(Ф.И.О., без сокращений)

 

Содержание

 

1. Задание

2. Описание принципа действия элементов (устройств)

3. Описание принципа работы системы

4. Определение объекта управления

5. Передаточные функции элементов системы управления

6. Структурная схема системы управления

7. Расчет передаточной  функции системы управления

8. Список используемой литературы

 

 

1. Задание

1. Выполнить описание принципа действия элементов (устройств), входящих в систему автоматического управления заданного типа.

2. Описать принцип  работы системы заданного типа, т.е. описать процесс, происходящий с системе управления при изменении управляющего и возмущающего воздействий.

3. Дать определение  объекта управления, указать управляющее, возмущающее воздействия и управляемую (выходную) функцию.

4. Записать передаточные функции отдельных элементов системы управления.

5. Разработать структурную  схему системы управления.

6. Рассчитать передаточную  функцию системы управления в  замкнутом состоянии.

7. Вариант 2-1 (тип системы 2, вариант  1)

Тип системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Описание принципа действия элементов (устройств)

 

Заданная  система автоматического управления состоит из следующих элементов:

1. Потенциометр R
2. Операционный усилитель ОУ
3. Тиристорный преобразователь ТП
4. Генератор G
5. Двигатель постоянного тока M
6. Тахогенератор BR
7. Гонный двигатель ГД.

 

Потенциометр – это переменный резистор или переменное сопротивление, компонент электрических схем , как минимум с тремя выводами . Два контакта подключены к постоянному резистору , выполненному в виде резистивной дорожки по которой перемещается подвижный ползунок , который соединяется с третьим контактом .

К одному контакту подводится напряжение питания ( например 9 В ) , ко второму  масса или земля . С третьего контакта можно получить напряжение , пропорционально  углу поворота ручки потенциометра . Если расположить ручку ровно посередине регулировочной шкалы , то напряжение на третьем контакте будет составлять 4,5 В , в крайних точках регулировки , напряжении будет соответственно 0 В и 9В .

Работа потенциометра как измерительного прибора основана на нулевом (компенсационном) методе измерения. Компенсационный метод измерения основан на уравновешивании измеряемой ЭДС падением напряжения, значение которого может быть определено

 

Операционный  усилитель - это электронный усилитель, предназначенный для различных операций над аналоговыми величинами в схемах с отрицательной обратной связью (ООС). Под ОУ понимают усилитель постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входом, большим коэффициентом усиления К₀, малыми входными токами I_вх, большим входным сопротивлением R_вх, малым выходным сопротивлением R_вых, достаточно большой граничной частотой усиления f_гр, малым смещением нуля U_см.

Основное  назначение операционного усилителя - построение схем с точно синтезированной  передаточной функцией, которая зависит практически только от свойств цепи обратной связи (ОС).

 

 

Тиристорные возбудители предназначены для питания обмоток возбуждения и регулирования реактивной мощности синхронных машин. В состав тиристорных возбудителей входят: управляемый выпрямитель - устройство питания обмотки возбуждения синхронной машины (выпрямительное устройство с системой импульсно-фазового управления); входной реактор (или трансформатор); узел гашения поля, система опробования, устройства для измерения и контроля выходного тока, напряжения возбудителя и тока статора; система защиты и сигнализации, включая индикацию неисправностей, система автоматического регулирования и система диагностики. Комплектно с тиристорными возбудителями синхронных двигателей может поставляться релейно-контакторная аппаратура для управления пуском двигателя.

 

Тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ) предназначен для плавного пуска  и непрерывного регулирования частоты вращения синхронного электродвигателя. При этом двигатель должен иметь щеточное возбуждение от статического тиристорного возбудителя.

Применение ТПЧ позволяет:

-осуществлять плавный частотный пуск ненагруженного или нагруженного двигателя с ограничением пускового тока до уровня, не превышающего номинального значения;

-вести плавное регулирование частоты вращения двигателя в диапазоне 10…105% от номинального значения либо по внешнему заданию, либо по сигналу от собственного регулятора, обеспечивающего поддержание регулируемого параметра (давления, расхода, момента) в соответствии с установкой;

- ограничивать работу приводного механизма по скорости, моменту, мощности и т.д.;

 

Генераторами называют электрические  машины,  преобразующие  механическую энергию  в  электрическую. Принцип действия электрического генератора основан   на    использовании явления электромагнитной    индукции, которое состоит в следующем. Если в магнитном поле постоянного магнита перемещать проводник так, чтобы он пересекал магнитный поток, то  в проводнике  возникнет   электродвижущая сила (э.д.с),  называемая э.д.с индукции или индуктированной э.д.с. Электродвижущая  сила  возникает и в том случае, когда проводник остается неподвижным, а перемещается магнит.  Явление возникновения индуктированной э.д.с. в проводнике  называется электромагнитной  индукцией. Если  проводник,  в котором индуктируется  э.д.с,  включить в  замкнутую электрическую цепь,  то  под действием э.д.с. по цепи потечет ток, называемый индуктированным током.

 

Двигатель постоянного  тока — электрическая машина, машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

В двигателе постоянного тока управление скоростью вращения вала может производиться со стороны питания цепи якоря или обмотки возбуждения. Управляемой координатой для двигателя обычно служит угол поворота вала  или скорость его вращения.

Под внешним воздействием понимают силы, действующие на вал двигателя, обусловленные трением и механическим сопротивлением (нагрузкой) приводимого в движение механизма. Если управляющим воздействием является напряжение питания якоря Uя, то по величине тока якоря можно судить о нагрузке на валу. Ток якоря Iя можно считать контролируемой величиной. Под неконтролируемыми воздействиями на двигатель понимают изменения параметров двигателя, обусловленные нагревом, износом, смещением щеток и т.д.

При управлении со стороны якоря  характеристика управления носит монотонный характер и с ростом напряжения питания  якоря скорость вращения вала растет.

В замкнутых САР управляющее  воздействие формируется в непосредственной зависимости от управляемой величины.

 

Тахогенератор постоянного  тока - это машина постоянного тока с независимым возбуждением или возбуждением постоянными магнитами, работающая в генераторном режиме. По конструкции он почти не отличается от машин постоянного тока.

 

Тахогенераторы (ТГ) постоянного тока функционально предназначены для преобразования частоты вращения вала в пропорциональное частоте выходное напряжение постоянного тока. Выходное напряжение ТГ используется для дистанционного измерения или индикации частоты вращения исполнительных механизмов и для выработки управляющих сигналов в системах автоматического регулирования. Тахогенераторы постоянного тока бывают с возбуждением от постоянных магнитов и с электромагнитным возбуждением

 

 

 

 

 

 

3. Описание принципа работы системы

Система заданного типа является системой регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока.

При передвижении движка потенциометра R меняется ток в обмотке возбуждения ОBG генератора G, что приводит к изменению его ЭДС и, следовательно, напряжения на щетках двигателя постоянного тока М. Ротор генератора G приводится во вращение гонным двигателем ГД. На рисунке показана также вспомогательная машина - тахогенератор BR, связанный с валом двигателя M и развивающий ЭДС, пропорциональную частоте вращения вала двигателя M. К щеткам тахогенератора подключена обратная связь на потенциометр и усилитель.

Замкнутая система автоматического  регулирования предполагает замкнутую  цепь обратной связи, который позволяет произвести в системе управляющую действие путем сравнения действительного значения управляемой величины с заданным.

  В замкнутой системе управляющее воздействие U формируется в функции отклонения . Замкнутые системы являются системами автоматического регулирования по отклонению.

В замкнутой системе  регулирования, выбирая необходимое  значение коэффициента усиления можно  получить требуемую нагрузочную  характеристику. В рассмотренной  системе с увеличением возмущающего воздействия уменьшается выходная величина. Каждому новому значению возмущающего воздействия соответствует новое значение выходной величины. Такое регулирование называется статическим. Система автоматического регулирования, имеющая подобную нагрузочную характеристику, называется статической системой.

В замкнутой системе  отклонение равно . Сигнал обратной связи  вычитается из задающего воздействия. Такая обратная связь называется отрицательной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Определение  объекта управления

Объект управления – устройство (совокупность устройств), осуществляющее технический процесс, который нуждается в оказании специально организованных воздействий извне для выполнения его алгоритма функционирования.

Объект управления - совокупность технических средств, которая нуждается в оказании специального воздействия извне для достижения поставленной цели управления.

Объекты, в которых  протекает управляемый процесс, называются объектами управления.

Состояние объекта можно характеризовать одной или несколькими физическими величинами, называемыми управляемыми или регулируемыми переменными. Для технического устройства, например, электрического генератора, регулируемой переменной может быть напряжение на его выходных клеммах.

    Как правило, к объекту  управления приложено два вида  воздействий: управляющие - U(t) и возмущающее f(t); состояние объекта характеризуется переменной Х(t):

Изменение регулируемой величины Х(t) обусловливается как управляющим воздействием r(t), так и возмущающим, или помехой f(t).

Возмущающим называется такое воздействие, которое нарушает требуемую функциональную связь между регулируемыми или управляемыми переменными и управляющим воздействием. Если возмущение характеризует действие внешней среды на объект, то оно называется внешним. Если это воздействие возникает внутри объекта за счёт протекания нежелательных, но неизбежных  процессов при его нормальном функционировании, то такие возмущения называются внутренними.

    Воздействия,  прикладываемые к объекту управления  с целью изменения прикладываемой  величины в соответствии с требуемым законом, а также для компенсации влияния возмущений на характер изменения управляемой величины, называются управляющими.

    Основная цель  автоматического управления любым  объектом или процессом состоим  в том, чтобы непрерывно поддерживать с заданной точностью требуемую функциональную зависимость между управляемыми переменными, характеризующими состояние объекта и управляющими воздействиями в условиях взаимодействия объекта с внешней средой, т.е. при наличии как внутренних, так и внешних возмущающих воздействий.

В заданной схеме:

Объект управления –  двигатель постоянного тока

Управляющее воздействие – изменение напряжения, которое подается на потенциометр R.

Возмущающее воздействие  – потери при работе двигателя (трение и т.п.)

Управляемая (выходная) функция – угловая скорость вращения двигателя М.

5. Передаточные  функции элементов системы управления

 

1. Усилитель – пропорциональное звено.

W1(p)=K=80

 

2. Тиристорный возбудитель  (преобразователь) – апериодическое  звено.

 

 

3. Генератор - апериодическое звено.

 

 

 

4. Двигатель – колебательное звено.

 

 

Определяем корни уравнения 0,0075р²+0,15р+1

Д=0,15²-4*0,0075*1=0,0225-0,03= - 0,0075 < 0, следовательно звено колебательное.

Находим коэффициент  демпфирования e.

Представим Т²=0,0075 и 2Тe=0,15

 

 

 

Поскольку 0<e<1, то получаем устойчивое колебательное звено.

 

5. Тахогенератор - пропорциональное  звено.

W5(p)=K_тг=0,2

 

 

6. Структурная  схема системы управления

 

 

 

 

 

 

 

             

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Расчет передаточной функции системы управления

Заданный  тип системы имеет смешанное соединение и последовательное (усилитель - тиристорный преобразователь – генератор - двигатель) и соединение типа обратная связь (тахогенератор).

Представим  последовательное соединение как W '(p):

 

 

 

 

Передаточная  функция системы управления с  обратной связью:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  используемой литературы

1. Галиев А.Л., Галиева Р.Г. Элементы и устройства автоматизированных систем управления. Учебное пособие. Стерлитамак. 2008.

2. Основы теории и  элементы систем автоматического  регулирования. Учебное пособие для вузов. В.В. Солодовников, Плотников В.Н., Яковлев А.В.-М.: Машиностроение. 1985

3. Макаров И. М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы/М.: Машиностроение, 1982.