Методические указания к лабораторным работам, практическим занятиям и курсовому проектированию по дисциплинам "Электромеханические системы"

Министерство образования РФ

_______________

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет "ЛЭТИ"

________________________________________________________

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ И СИНТЕЗ СИСТЕМ

АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Методические указания

к лабораторным работам, практическим занятиям

и курсовому проектированию по дисциплинам

"Электромеханические системы",

"Технические средства систем управления",

"Локальные автоматические системы"

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

2001

УДК 62-50

Исследование элементов и синтез систем автоматического управления: Методические указания к лабораторным работам, практическим занятиям и курсовому проектированию по дисциплинам "Электромеханические системы", "Технические средства систем управления", "Локальные автоматические системы" / Сост.: С. Н. Гайдучок, Н. В. Соловьев, Т. В. Туренко. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2001. 32 с.

Рассмотрены принципы построения систем управления, статические и динамические характеристики составляющих их элементов и проблемы обеспечения качественных показателей функционирования систем.

Предназначены студентам дневной и вечерней форм обучения специальности 210100 "Управление и информатика в технических системах".

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

 СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2001

Настоящий цикл работ, являясь продолжением методических указаний по курсам "Элементы и устройства автоматических систем" и "Электромеханические системы", существенно расширяет возможности его использования не только для указанных дисциплин, но и для ряда смежных дисциплин учебного плана. Учитывая большое количество возможных вариантов реализации систем управления, представляемые макеты предлагается использовать не только для проведения лабораторных занятий, но и для реального курсового проектирования и индивидуальных практических занятий по курсам "Локальные автоматические системы", "Технические средства систем управления", "Электромеханические системы", "Теория управления" и др.

Методические указания предназначены студентам дневной и вечерней форм обучения специальности 210100 указанных дисциплин учебного плана, но могут быть также использованы студентами других специальностей.

Лабораторная работа № 1*

СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ

ДВУХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Целью работы являются:

  1. Изучение принципов построения и расчета комбинированных систем управления.

  2. Расчет параметров настройки компенсирующих устройств при использовании экспериментально снятых характеристик системы с учетом особенностей реализации узла нагрузки двигателя.

  3. Экспериментальное определение статических и динамических характеристик системы регулирования скорости асинхронного двигателя (АД) и сравнение их с расчетными.

Общие указания

Н
а рис. 1.1 представлена структурная схема системы регулирования скорости вращения АД, на которой приняты следующие обозначения: У–/~ – усилитель-преобразователь постоянного тока в переменный; АД – двухфазный асинхронный двигатель типа РД-09; ТГ – тахогенератор постоянного тока типа ТГП-3А; kв – коэффициент передачи двигателя по возмущающему воздействию.

В установившемся режиме регулируемая величина

,

где K = kУkАДkТГ – коэффициент передачи разомкнутого контура; Δωс= kвМС – естественный перепад скорости двигателя под воздействием момента нагрузки МС.

Отсюда, установившаяся ошибка в системе

имеет две составляющих – ошибку от задающего воздействия и ошибку от возмущающего воздействия .

Построение систем с компенсацией основного возмущающего воздействия дает возможность существенно снизить общий коэффициент передачи основного контура регулирования, повысить статическую точность системы и снять проблему обеспечения ее устойчивости. Введение компенсации и задающего воздействия позволяет получить систему, аналогичную по своим статическим характеристикам системе с астатизмом 1-го порядка.

Принцип компенсации основного возмущающего воздействия поясняется на примере разомкнутой системы, структура которой представлена на рис. 1.2, где КУ1 – компенсирующее устройство с переменным коэффициентом передачи k1.

В соответствии с рис. 1.2 можно записать , откуда

. (1.1)

Из выражения (1.1) следует, что для компенсации возмущающего воздействия необходимо рассчитать значение k1 из условия kУkАДk1 = kв, т. е.

. (1.2)

На рис. 1.3 представлена замкнутая система регулирования скорости с компенсацией возмущающего воздействия.

Значение скорости ω получается как результат прохождения сигналов Uз и МС в соответствии с представленной структурой

откуда

.

Следовательно, значение установившейся ошибки выразится как


.

Видно, что и в этом случае составляющая ошибки от основного возмущающего воздействия будет равна нулю при выборе значения коэффициента передачи компенсирующего устройства k1 в соответствии с (1.2).

П
ри работе системы для реализации контура компенсации вместо информации о значении момента нагрузки МС на валу двигателя в лабораторной установке может быть использована информация о значении тока в обмотках электромагнитного тормоза IЭМ. Специфика тормозного устройства такова, что МС зависит от токов Фуко, возникающих в дюралевом диске тормозного устройства при его вращении в поле, создаваемом обмотками электромагнитов, а значения токов Фуко зависят, в свою очередь, от скорости вращения АД, на валу которого укреплен диск. Таким образом, необходимо учесть, что величина МС является функцией от IЭМ и скорости вращения двигателя. В свою очередь, скорость двигателя зависит от напряжения питания обмотки управления (ОУ) АД.

Таким образом, возмущающее воздействие в исследуемой системе может оцениваться по значениям IЭМ и UУ, структурная схема контура компенсации для рис. 1.2 и 1.3 представлена на рис. 1.4. Согласно структуре, при компенсации по току электромагнита IЭМ, имеем

, (1.3)

где k′в = kвkс; kс – коэффициент передачи между МС и IЭМ, зависящий от скорости вращения вала двигателя, т. е. МС = kсIЭМ; kс = f(IЭМ, ω).

Реально компенсирующее устройство, представленное на макете, включает в себя элемент, моделирующий нагрузочное устройство kс (рис. 1.5), преобразующий IЭМ в МС с учетом зависимости МС от скорости вращения вала двигателя ω, т. е. блок X·Y (множительный блок), и собственно компенсирующее устройство с настройкой его коэффициента передачи на расчетную величину k′1. Расчет k′1 требует в соответствии со структурой (рис. 1.4) и выражением (1.3) экспериментального определения значений kв и kс.

Исследование АД вместе с нагрузочным устройством в рамках лабораторной работы № 5 по курсу "Элементы и устройства автоматических систем" показало, что механические характеристики ω = f(МС) асинхронного двигателя в рабочем диапазоне изменения нагрузки близки к линейным со значительным уменьшением их жесткости при снижении напряжения питания ОУ (UУ).

Сопоставляя полученные в результате обработки данных эксперимента значения kв и kАД для всего диапазона изменения UУ, можно констатировать, что и kв, и kАД при переходе с характеристики на характеристику при увеличении UУ уменьшаются, при этом их отношение для каждой из восьми характеристик остается приблизительно постоянным, т. е. . Тогда при любом заданном значении коэффициента передачи усилителя kУ значение коэффициента передачи компенсирующего устройства k1 остается постоянным, ибо стабилизация скорости осуществляется за счет перехода двигателя с одной механической характеристики на другую при изменении сопротивления нагрузки.

Учитывая зависимость МС от IЭМ и напряжения на ОУ UУ, в соответствии с рис. 1.5 модель тормозного устройства kс представлена в виде , где k′с – постоянный коэффициент передачи, выражающий зависимость МС от IЭМ при максимальном значении напряжения ; kи – переменный коэффициент, учитывающий влияние скорости вращения тормозного диска на создаваемый момент сопротивления МС (в этом случае kи = 1).

Из структуры, представленной на рис. 1.5, видно, что

. (1.4)

Обработка результатов исследования АД (в частности, семейство характеристик Δωс = f(IЭМ) при UУ = var) показывает, что k′в практически остается величиной постоянной и не зависит от напряжения UУ.

Учитывая 1.4, выразим

. (1.5)

Из выражения (1.5) видно, что k′1 является функцией от kи при kУ = const, k1 = const и k′с = const и требуется каким-то образом определить характер этой зависимости от значения напряжения UУ.

Из выражения (1.3) видно, что при k′в = const (как отмечалось ранее) и при заданном kУ = const величина k′1 обратно пропорциональна коэффициенту передачи двигателя. Таким образом, из сравнения (1.4) и (1.5) следует, что коэффициент kи должен меняться обратно пропорционально kАД. Рассчитанный из семейства механических характеристик коэффициент передачи АД и его обратное значение показывают, что аналитически (численно) наиболее близко (хотя и с погрешностью, обусловленной нелинейностью характеристик АД) эта зависимость от управляющего напряжения UУ может быть представлена как . Подставив значение, получим

. (1.6)

Теперь в соответствии с (1.5) и (1.6) модель нагрузочного устройства, преобразующего значение тока IЭМ в момент сопротивления МС, может быть представлена рис. 1.6. Из рис. 1.6 видно, что для целей расчета параметров компенсирующего устройства и реализации компенсации в системе используется информация о моменте сопротивления МС, формируемая предложенным моделирующим устройством и вычисляемая по формуле

.

Таким образом, для расчета параметров компенсирующего устройства необходимо использовать выражение (1.2).

Для компенсации установившейся ошибки от задающего воздействия необходимо ввести еще одно компенсирующее устройство КУ2. Структурная схема замкнутой системы регулирования скорости с компенсацией задающего и возмущающего воздействий представлена на рис. 1.7.

Положив МС = 0, рассмотрим значение установившейся ошибки системы регулирования от задающего воздействия. В соответствии с рис. 1.7 можно записать

,

откуда

.

Тогда значение ошибки выразится

. (1.7)

Для компенсации задающего воздействия необходимо из выражения (1.7) рассчитать значение коэффициента передачи k2 из условия равенства нулю Δω, т. е. 1 – k2K = 0 и

. (1.8)

  1. Пособие по выполнению курсового проектирования по дисциплинам «Теория автоматического управления», «Основы теории управления»

    Документ
    Вузовские курсы теории автоматического управления завершаются изложением методов синтеза, интегрирующих знания студентов о принципах управления, математических моделях объектов и элементов систем, о качестве процессов управления и методах анализа.
  2. Структура программы с указанием кредитов 129 кредитов+10 кредитов (практика)+8 кредитов (физвоспитание)+3 кредита (итоговая аттестация) -(ects-225 кредитов) Код дисциплины, шифр

    Документ
    Присуждаемые степени - Выпускнику бакалавриата по специальности 5В070300 – Информационные системы присуждается академическая степень бакалавра информационных систем.
  3. 1. организационно-правовое обеспечение образовательной деятельности (2)

    Реферат
    4.4.2 Внедрение новых форм и методов обучения, средств активизации познавательной деятельности студентов, организация самостоятельной и научно-исследовательской работы студентов
  4. Рабочая программа, методические указания и контрольные задания для студентов специальностей

    Рабочая программа
    для студентов специальностей 151001 «Технология машиностроения», 150202 «Оборудование и технология сварочного производства»и 240801 «Машины и аппараты химических производств»Института дистанционного образования
  5. Современные технологии в образовании современнные информационные технологии при преподавании физических дисциплин короткевич А. В., Сологуб Л. В., Пасынков А. В. (.

    Документ
    Образование, как одна из важнейших сфер человеческой деятельности, обеспечивает формирование интеллектуального потенциала общества. По этой причине в системе образования все чаще используются современные информационные и коммуникационные
  6. Плана издания учебно-методической литературы

    Документ
    1 курса всех специальностей и состоят из краткого грамматического справочника с упражнениями на закрепление грамматического материала и двух контрольных работ.
  7. Учебно-методический комплекс по дисциплине «Механика» (название дисциплины)

    Учебно-методический комплекс
    Целью изучения дисциплины является формирование у студента знаний о научных принципах проектирования механизмов и машин, а также овладение знаниями и навыками для дальнейшего изучения инженерных дисциплин и умениями использовать их
  8. Учебно-методический комплекс по дисциплине «Механика» (название) (2)

    Учебно-методический комплекс
    составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования/основной образовательной программой по специальности/направлению
  9. Рабочая учебная программа по дисциплине: электротехника и электроника (Теоретические основы электротехники)

    Рабочая учебная программа
    Рабочая программа составлена Фроловым А.Н. на основании требований ГОС высшего профессионального образования по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника».

Другие похожие документы..