Проектирование системы автоматической стабилизации тока ваерной лебедки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО РЫБОЛОВСТВУ

МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ

Расчетно-пояснительная записка

к курсовому проекту по курсу

"Теория автоматического управления"

Проектирование системы автоматической стабилизации тока ваерной лебедки

Мурманск, 2016



Содержание

Введение

1. Принципиальная схема и описание принципа действия системы

2. Функциональная схема системы и ее классификационная характеристика

3. Структурная схема системы. Расчет передаточной функции и параметров системы

4. Исследование устойчивости системы

5. Моделирование замкнутой системы. Оценка показателей качества регулирования

6. Расчет корректирующего устройства

6.1 Построение логарифмических частотных характеристик системы, удовлетворяющих заданным показателям качества

6.2 Выбор способа коррекции и расчет логарифмической частотной характеристики корректирующего устройства

6.3 Расчет передаточной функции корректирующего устройства

6.4 Построение переходного процесса скорректированной замкнутой системы и анализ показателей качества регулирования

6.5 Синтез корректирующего устройства и выбор его элементной базы

6.6 Построение переходного процесса для замкнутой системы с корректирующим устройством, собранным на реальных элементах

6.7 Построение переходного процесса для замкнутой системы с корректирующим устройством без ограничения и с ограничением на управление

Заключение

Список литературы



Задание

Выполнить полный динамический расчет и настройку на заданные показатели качества процесса регулирования линейной АСР, аналогичной применяемым в практике автоматизации рыбопромысловых судов, заданной соответствующим номером варианта.

На рис.1 представлена упрощенная принципиальная схема автоматического регулирования ваерных лебедок на судах типа "Атлантик-333".

Система включает три отдельных контура регулирования: стабилизация тока в главной цепи путем воздействия на обмотку возбуждения генератора и два одинаковых контура стабилизации частоты вращения двигателей ваерных лебедок путем воздействия на их обмотки возбуждения.

Принципиальная схема системы автоматического регулирования тока главной цепи представлена на рис.1, исходные данные для расчета - в табл.1. При этом следует учитывать, что электронные элементы системы (датчики тока, блок управления и управляемый выпрямитель) принимаются в качестве безынерционных звеньев.

Передаточный коэффициент регулятора определяется статическим расчетом системы. Передаточные коэффициенты датчиков тока принимаются равным единице.

Таблица 1

№ варианта	Параметры системы
	Генератор	Электродвигатель	Блок управл.	Управл. выпрямит
	Кг	Lв, Гн	Rв, Ом	См	Св	Тм, с	Та, с	Rя, Ом	J, н.м.с2	с, н.м.с	КБУ	КУВ
6	1,1	5,5	10,0	2,8	0,30	1,20	0,40	0,03	25	130	1,3	1,5



Время регулирования tр=2,2 с

Перерегулирование у=18 %

Статическая ошибка S=3 %



Введение

При проектировании автоматических систем, как правило, возникают две основные задачи. Во-первых, исходя из требований к назначению системы и особенностям ее конструкции, необходимо выбрать функционально необходимые элементы. К этим элементам относятся различного вида датчики сигналов, измерительные устройства, усилители мощности, преобразовательные элементы, исполнительные устройства. В большинстве случаев они выбираются по каталогам или собираются по типовым схемам. Выбор функционально необходимых элементов осуществляется обычно на основе данных о мощности, необходимой для управления объектом, предельных значениях ускорений и скоростей выходных координат системы, допустимых статических и инструментальных ошибках, необходимом порядке астатизма системы и т.п.

Во-вторых, исходя из требований к точности системы в переходном и установившемся режимах на всех этапах ее работы и на основании сведений об управляющих и возмущающих воздействиях, об ограничениях, накладываемых на ход процесса, необходимо найти оптимальные с точки зрения выбранного критерия структуру и параметры системы. Эти данные позволяют определить желаемые характеристики, то есть такие динамические и статические характеристики, которые получаются в результате аппроксимации оптимального режима на основе компромиссного решения между качеством и точностью, с одной стороны, и простотой технической реализации и надежностью - с другой стороны.

Если указанные две задачи решены, то дальнейшей задачей является выбор таких устройств, которые приближают с заданной степенью точности характеристики системы, состоящей из функционально необходимых элементов, к характеристикам желаемой системы. Такие устройства называются корректирующими.



1. Принципиальная схема и описание принципа действия системы

На рис.1 представлена принципиальная схема автоматического регулирования ваерных лебедок на судах типа "Атлантик-333".

Система включает три отдельных контура регулирования: стабилизация тока в главной цепи путем воздействия на обмотку возбуждения генератора и два одинаковых контура стабилизации частоты вращения двигателей ваерных лебедок путем воздействия на их обмотки возбуждения.

Рис.1 - Принципиальная схема автоматического регулирования ваерных лебедок на суда “Атлантик”

На схеме обозначены QF1, QF2, QF3 - автоматические выключатели генератора, двигателя правого борта и двигателя левого борта соответственно.

G1 - генератор, LG1 - обмотка возбуждения генератора, М1 - двигатель правого борта, LM1 - возбуждения двигателя правого борта, BR1 - тахогенератор двигателя правого борта; М2 - двигатель левого борта, LM2 - Обмотка возбуждения двигателя левого борта, BR2 - тахогенератор левого борта, Q1, Q2 - выключатели.



2. Функциональная схема системы и ее классификационная характеристика

стабилизация ток ваерный лебедка

На рис.2 изображена функциональная схема автоматического регулирования частоты вращения электродвигателя ваерной лебедки

Рис.2 - Функциональная схема автоматического регулирования частоты вращения электродвигателя ваерной лебедки



3. Структурная схема системы. Расчет передаточной функции и параметров системы

Структурная схема электропривода с передаточными функциями соответствующих элементов представлена на рис.3.

Двигатель представлен колебательным звеном, а генератор и тиристорный преобразователь представлены апериодическими звеньями.

Рис.3. Структурная схема электропривода

Система дифференциальных уравнений описывающая систему имеет вид:



Передаточная функция тиристорного преобразователя:

Где

Т_м=0,001 с.

Передаточная функция генератора:

Электрическая часть двигателя:

Механическая часть двигателя:



4. Исследование устойчивости системы

Определим передаточную функцию по структурной схеме (рис.3):

Определим корни характеристического уравнения:

По виду корней можно сделать вывод о том что система устойчива, поскольку вещественные части корней отрицательные.



5. Моделирование замкнутой системы. Оценка показателей качества регулирования

Моделирование замкнутой системы реализуем в программе MatLab Simulink (рис.4).

Рис.4 - Математическая модель

Рис.5 - Переходный процесс

Из графика переходного процесса можно сделать вывод о том что перерегулирование и колебательность отсутствует, но имеется большое значение времени регулирования.



6. Расчет корректирующего устройства

6.1 Построение логарифмических частотных характеристик системы, удовлетворяющих заданным показателям качества

На рисунке 6 изображена ЛАЧХ и ЛФЧХ исходной системы.

Рис.6 - ЛАЧХ и ЛФЧХ исходной системы

По заданным показателям качества строится желаемая ЛАЧХ - , следующим образом: желаемая ЛАЧХ условно разбивается на три участка: низкочастотный (определяет поведение системы в статическом режиме), среднечастотный (оказывает наибольшее влияние на качество переходного процесса) и высокочастотный (определяет начало переходного процесса).

Низкочастотный участок.

Низкочастотный участок определяется требуемой статической точностью системы.

Коэффициент разомкнутой желаемой системы определяется исходя из заданной статической ошибки по следующей формуле:

Для статических систем низкочастотный участок проходит горизонтально на уровне (рисунок 7).

Рис. 7 - Построение низкочастотного участка логарифмической амплитудно-частотной характеристики желаемой статической системы

Для астатических систем наклон низкочастотного участка определяется величиной , где - порядок астатизма. В том случае, если исследуемая система является астатической первого порядка, то низкочастотный участок ЛАЧХ проходит через точку с ординатой и абсциссой с наклоном (рисунок 8).



Рис. 8 - Построение низкочастотного участка логарифмической амплитудно-частотной характеристики желаемой астатической системы

Среднечастотный участок.

Среднечастотная асимптота желаемой ЛАЧХ определяется заданными значениями перерегулирования ,% и времени переходного процесса . По соображениям приближения реального процесса к оптимальному по быстродействию в районе частоты среза наклон среднечастотной асимптоты принимается равным , что позволяет обеспечить необходимый запас устойчивости. Частота среза определяется по следующей формуле:

,

где - коэффициент определяющий перерегулирование. Этот коэффициент выбирают по диаграммам, приведенным в литературе (рисунок 9).



Рис. 9 _ График определения коэффициента

В зависимости от значения частоты среза определяются границы среднечастотного участка желаемой ЛАЧХ. Пусть среднечастотный участок ограничен частотами и , тогда и 0,50,9 декады, а весь среднечастотный участок 11,8 декады соответственно (рисунок 10).

Рис. 10 - Построение среднечастотного участка логарифмической амплитудно-частотной характеристики желаемой системы



При запас по фазе должен быть . При оптимальный запас по фазе . При запас по амплитуде должен быть .

Из вышесказанного видна необходимость построения ЛФЧХ желаемой системы, которое производится по следующей формуле:

где - порядок астатизма системы (количество интегрирующих звеньев),

, где _i - наклон i-го участка ЛАЧХ в ,

- постоянная времени.

Сопряжение низкочастотного и среднечастотного участков делается отрезком с наклоном .

Высокочастотный участок.

Высокочастотный участок оказывает влияние только на начало переходного процесса, при чём, чем больше наклон, тем быстрее разгон системы. Поэтому высокочастотный участок, как правило, оставляют совпадающим с исходным.



Рис.11 - ЛАЧХ и ЛФЧХ желаемой характеристики

Постоянные времени желаемой передаточной функции:

6.2 Выбор способа коррекции и расчет логарифмической частотной характеристики корректирующего устройства

Выбор способа коррекции в основном определяется удобством технического осуществления, поэтому наибольшее распространение получил последовательный способ.

При последовательной коррекции, на основе полученных характеристик и определяется ЛАЧХ корректирующего устройства по следующей формуле (рисунок 12):

,

Рис.12 - Характеристика частотная корректирующего звена

6.3 Расчет передаточной функции корректирующего устройства

Определим частоты сопряжения для ЛАЧХ корректирующего устройства:

щ₁=1 с¹;

щ₂=10 с¹;

щ₃=2 с¹;

щ₄=80 с¹;

щ₅=100 с¹;

Разбиваем ЛАЧХ корректирующего устройства на элементарные ЛАЧХ интегро-дифференцирующих звеньев:

Первый корректирующий элемент.

По ЛАЧХ определяем, что это интегро-дифференцирующее звено с проявлением интегрирующих свойств, в диапазоне частот от до с коэффициентом усиления, определяемым следующим образом:

.

Передаточная функция первого корректирующего элемента:

Второй корректирующий элемент.

По ЛАЧХ определяем, что это интегро-дифференцирующее звено с проявлением интегрирующих свойств, в диапазоне частот от до с единичным коэффициентом усиления:

Передаточная функция второго корректирующего элемента:

.

Передаточная функция третьего корректирующего элемента:



.

Таким образом, передаточная функция корректирующего устройства имеет вид:

6.4 Построение переходного процесса скорректированной замкнутой системы и анализ показателей качества регулирования

Передаточная функция замкнутой скорректированной системы регулирования показана на рис.13.

Рис.13 - Переходная характеристика скорректированной системы

Определим основные показатели качества системы:

- время регулирования:

t_p=1.4 c;

- перерегулирование:

д=12%;

- колебательность:

м=2.

6.5 Синтез корректирующего устройства и выбор его элементной базы

Корректирующие звенья удобно реализовать на операционных усилителях, так как они обеспечивают согласование между входными и выходными сопротивлениями соседних звеньев. Для этой цели можно выбрать микросхему NE5532. Данная микросхема является сдвоенным операционным усилителем общего применения и изготавливается для использования как в специальной аппаратуре, так и в аппаратуре широкого применения. Напряжение питания составляет 22 В, максимальное выходное напряжение ±13 В (при 25 єС). Тип корпуса 2101.8-1. В цепь коррекции операционного усилителя необходимо включить подстроечный резистор. Выбираем неполярные конденсаторы исходя из того, что операционные усилители получают двуполярное питание, равное по модулю 22 В.

Для выбора конкретных резисторов и конденсаторов необходимо воспользоваться справочной литературой. Номинальные значения емкостей стандартизованы и выбираются из определенных рядов чисел. Согласно стандарту СЭВ 1076-78 установлены семь рядов: ЕЗ; Е6; Е12; Е24; Е48; Е96; Е192. Цифры после буквы Е указывают число номинальных значений в каждом десятичном интервале (декаде). Например, ряд Е6 содержит шесть значений номинальных емкостей в каждой декаде, которые соответствуют числам 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8 или числам, полученным путем их умножения или деления на 10ⁿ, где n -- целое положительное или отрицательное число.

В производстве конденсаторов чаще всего используются ряды ЕЗ, Е6, Е12 и Е24 (табл. 3), реже Е48, Е96 и Е192. Также для выбора конденсаторов и резисторов можно обратиться к ресурсам сайта www.chipdip.ru. На данном сайте возможен выбор различных пассивных и активных компонентов, а также представлена их техническая документация.

При выборе параметров корректирующих звеньев, необходимо учитывать, что сопротивление должно быть не больше 1 МОм, так как большее сопротивление сопоставимо с сопротивлением изоляции и операционный усилитель, в этом случае, будет работать неустойчиво.

1. Интегро-дифференцирующее звено с проявлением интегрирующих свойств.

Передаточная функция имеет следующий вид:

,

Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика такого звена представлена на рисунке 14.

Рис. 14 - ЛАЧХ интегро-дифференцирующего звена с проявлением интегрирующих свойств



В общем виде для данного звена: ; ; ; .

Рис. 15 _ Реализация интегро-дифференцирующего звена на ОУ с интегрирующими свойствами

;

;

Для первого корректирующего звена с передаточной функцией выберем из номинального ряда Е3 значение

Тогда, .

Из номинального ряда Е24 выбираем значение .

Так как , то отсюда .

Из номинального ряда Е3 выбираем .

. Выбираем из номинального ряда Е24 .

Таким образом, для первого корректирующего звена выбираем:

конденсатор : К50-35 100 мкФ х 25 В _ конденсатор электролитический алюминиевый, неполярный;

резисторы с углеродным проводящим слоем, предназначенные для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока, мощностью 0.25 Вт : С1-4 0.25 5% 30 кОм;

резистор : С1-4 0.25 5% 50 кОм;

резистор : С1-4 0.25 5% 100 кОм.

Для второго корректирующего звена с передаточной функцией выберем из номинального ряда Е3 значение .

Тогда, .

Из номинального ряда Е24 выбираем значение .

Так как , то отсюда .

Из номинального ряда Е24 выбираем .

.

Таким образом, для второго корректирующего звена выбираем:

конденсатор : К50-35 100 мкФ х 25 В _ конденсатор электролитический алюминиевый;

резистор : С1-4 0.25 5% 900 Ом;

резистор : С1-4 0.25 5% 900 Ом;

резистор : С1-4 0.25 5% 100 кОм.

2. Интегро-дифференцирующее звено с проявлением дифференцирующих свойств.

Передаточная функция имеет следующий вид:

, при чем

Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика такого звена представлена на рисунке 19.

Рис. 16 - ЛАЧХ интегро-дифференцирующего звена с проявлением дифференцирующих свойств.

В общем виде для данного звена: ; ; ;



Рис. 17 Реализация интегро-дифференцирующего звена на ОУ с дифференцирующими свойствами

;

; ;

6.6 Построение переходного процесса для замкнутой системы с корректирующим устройством, собранным на реальных элементах

Рис.18 - Переходная характеристика скорректированной системы без ограничения на управление



Рис.19 - Переходная характеристика скорректированной системы с ограничением на управление



Заключение

В курсовом проекте рассмотрены система регулирования ваерными лебедками, разработана функциональная, принципиальная и структурные схемы механизма.

Рассчитаны параметры передаточных функции всех элементов структурной схемы САР, построена математическая модель и графики переходных процессов.

Рассчитано корректирующее устройство которое позволяет регулировать выходные параметры системы.



Список литературы

1. Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического регулирования / В. А. Бесекерский, Е. П. Попов. ? 4-е изд., перераб. и доп. ? СПб: Профессия, 2004. ? 747 с. - (Специалист).

2. Власенко, А. А. Судовая электроавтоматика / А. А. Власенко, В. А. Стражмейстер. - М.: Транспорт, 1983. _ 368 с.

3. Маслов, А. А. Введение в Autocont с примерами моделирования систем автоматического управления: учеб. пособие для вузов / А. А. Маслов, С. И. Ушаков, А. Ю. Висков.  Мурманск: Изд-во МГТУ, 2005. _ 74 с.

4. Прохоренков, А. М. Судовая автоматика / А. М. Прохоренков, В. С. Солодов, Ю. Г. Татьянченко. М.: Колос, 1992. _ 448 с.

5. Соколова, Н. В. Синтез нелинейных корректирующих устройств / Н. В. Соколова, В. Т. Шароватов. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. _ 111 с.: ил.

6. Теория автоматического управления: учебник для вузов. / В. Н. Брюханов [и др].; под ред. Ю. М. Соломенцева. _ 4-е изд. М.: Высш.шк., 2003. - 268 с.

Размещено на Allbest.ru