Электронная следящая система воспроизведения угла (ЭСС)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (“ЛЭТИ”)

 

Факультет компьютерных технологий и информатики

Кафедра автоматики и процессов управления

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА  К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ЛОКАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ»

 

ЭЛЕКТРОННАЯ СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ УГЛА (ЭСС)

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнили: Азаренков Л. Г.

Группа: 2321

Проверил: проф. Терехов В. А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург 2005

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Целью курсовой работы является приобретение практических навыков расчета и моделирования типовых локальных система автоматического управления (САУ).

В качестве примера использована следящая система (СС) воспроизведения угла, представленная на рисунке 1.

Рисунок 1. Функциональная схема следящей системы воспроизведения угла

 

На рисунке 1 приняты следующие обозначения:

ЗУ – задающее устройство;

РП – регулятор положения;

РС – регулятор скорости;

РТ – регулятор тока;

ДТ – датчик тока;

ДС – датчик скорости;

ДП – датчик положения;

ТП – тиристорный преобразователь;

Р – редуктор;

ИДэл – часть ПФ ИД, учитывает инерционность якоря;

ИДмех – часть ПФ, учитывает инерционность механической части ИД;

 

Данная СС реализует  принцип подчиненного регулирования. В системе имеется 3 контура: контур регулирования тока якоря ИД, контур скорости и внешний контур регулирования положения (угол b) исполнительного вала. Введение подчиненных контуров скорости и тока позволяет уменьшить влияние нелинейностей, уменьшить чувствительность к изменениям параметров элементов системы, а также снизить восприимчивость системы к возмущающим воздействиям (изменение момента на валу двигателя).

Силовая часть СС построена по схеме «тиристорный преобразователь (ТП) — исполнительный двигатель (ИД) постоянного тока». ТП по принципу своей работы является дискретным элементом. Воздействие на управляемый преобразователь осуществляется импульсно, подачей отпирающего импульса на управляющий электрод тиристора. При этом среднее значение тока, протекающего через ТП (и соответственно якорь ИД) зависит от фазы отпирающего импульса. Для уменьшения пульсаций в питающей сети применяются многотиристорные схемы и многофазное электроснабжение. Реверсирование двигателя обеспечивают две группы тиристоров, соответственно для движения вперед и назад. Управление тиристорным преобразователем осуществляется системой импульсно-фазового управления (СИФУ), она не представлена на схеме.

На вход CC посредством ЗУ подается угол a. РП вырабатывает сигнал управления пропорционально рассогласованию . Далее управляющий отрабатывается внутренними контурами скорости и тока. ИД с редуктором развивает момент сил , достаточный для преодоления момента нагрузки , создаваемого объектом. Очевидно, что  > . Таким образом исполнительный вал перемещается в заданное положение. Изменение нагрузки на валу является возмущающим воздействием. Качество системы определяется способностью системы точно отрабатывать задающее воздействие в динамике и статике, несмотря на возмущения.

 

ЗАДАНИЕ

 

Курсовая работа включает в себя:

1. Предварительный расчет САУ:
1. выбор компонентов и составление расчетной структурной схемы объекта регулирования с включением в нее регулирующих органов, датчиков, измерительных преобразователей, модели возмущения и с учетом нелинейной статической характеристики одного из устройств системы;
2. расчет ПФ регуляторов и коэффициентов усиления, обеспечивающих требуемую точность, устойчивость и грубость системы.
2. Компьютерное моделирование локальной системы, исследование ее динамических свойств при входных управляющих и возмущающих воздействиях, оценка влияния малых изменений параметров объекта регулирования относительно расчетных значений и уточнение параметров настроек корректирующего устройства («вторичная» оптимизация ЛСУ).

 

Рассчитанная СС должна быть устойчивой, грубой, обеспечивать оптимальную динамику (колебательность, перерегулирование, время регулирования) и воспроизводить задающее воздействие с ошибкой, не превышающей заданной, при заданных ограничениях на входной сигнал. Значение максимальной допустимой ошибки и ограничения на входное воздействие приведены в таблице 1.

Таблица 1.

30	30	30	3

 

 

 

 

 

 

1. ВЫБОР КОМПОНЕНТОВ И  СОСТАВЛЕНИЕ РАССЧЕТНОЙ СТРУКТУРНОЙ  СХЕМЫ

 

 

Следящая система (рисунок 1) может быть реализована двумя  способами:

• регуляторы всех контуров реализуются в дискретном виде;
• внутренние контуры скорости и тока реализуются в аналоговом виде, внешний контур – с помощью цифровой схемы.

 

К достоинствам первого  способа можно отнести возможность  удешевления системы, за счет реализации всех регуляторов на базе одного цифрового контроллера; а также традиционные плюсы цифровых систем, такие  как помехоустойчивость, параметрическая стабильность, гибкость, надежность при эксплуатации. Недостатками являются: необходимость использования ЦАП/АЦП и согласующих устройств(стоимость которых может превышать стоимость аналоговых регуляторов), усложнение расчетов, приближенность решения и иногда невозможность реализации дискретного регулятора, обеспечивающего желаемую динамику.

При реализации системы  вторым способом положительным моментов является то, что аналоговая часть (ТП, ИД, РС, РТ) часто поставляется в едином блоке, что значительно упрощает и ускоряет процесс разработки, и, возможно, уменьшает стоимость готовой системы. Внешний контур можно реализовать с использованием всего одного ЦАП, если задающий сигнал датчик углового положения будут цифровыми. Второй способ хорошо сочетает полезные свойства аналоговых и цифровых систем при балансе цены.

Выбор того или иного  способа зависит от конкретной задачи, в данной работе будет использоваться второй вариант.

1. Выбранные компоненты для реализации системы

 

 

Для реализации цифрового регулятора положения хорошо подходят программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) семейства Spartan 3 фирмы Xilinx, например, микросхема XC3S50-PQ208I [7]. Данная микросхема содержит 50К логических вентилей, 72 Кбит встроенной памяти и позволяет программировать до 124 контакта ввода вывода, что вполне достаточно для реализации дискретного регулятора положения. Диапазон  рабочих температур от до .

Задающий сигнал может  подаваться в регулятор положения либо в непосредственном цифровом виде, либо посредством задающего вала с цифровым датчиком положения. Такой же датчик положения устанавливается на исполнительный вал. В качестве датчика углового положения может использоваться опто-электронный абсолютный ДУП с синхронно-последовательным интерфейсом (SSI) - OCD SL 8-05 фирмы Fraba Posital Gmbh [8]. Так как датчик положения – цифровой, то примем его коэффициент передачи В/рад.

В качестве датчика скорости будем использовать тахогенератор D-41 A фирмы Rollvam [9]. Этот тахогенератор согласно паспортным данным имеет коэффициент передачи .

В качестве исполнительного  двигателя выберем двигатель MSS-45 фирмы Mavilor [10]. Паспортные данные: номинальная мощность на валу , номинальная частота вращения , источник питания 220 В/50 Гц, номинальный ток якоря , сопротивление обмоток якоря , индуктивность якоря , номинальный момент , коэффициент момента , коэффициент противо-ЭДС , коэффициент демпфирования , механическая постоянная времени , постоянная якорной цепи .

Управление двигателем будем осуществлять с помощью реверсивного тиристорного преобразователя ТЕР4-63/230Н-1-2УХЛ4 фирмы Рил [11]. Этот преобразователь работает от сети 220 В/ 50 Гц, номинальный выпрямленный ток 63 А, номинальное выпрямленное напряжение 230 В.

Для подсоединения нагрузки к валу двигателя используется редуктор, выбор которого зависит от требуемого момента на выходе и скорости. В данном случае будем использовать планетарный редуктор TP-110 фирмы alpha [12]. Этот редуктор позволяет настроить передаточное отношение i из ряда 5,7,10,21,31,61,91. Выберем i=91.

Регуляторы для внутренних контуров скорости и тока будем реализовывать на основе стандартных аналоговых компонентов (усилители постоянного тока, резистивные элементы, дроссели, конденсаторы и т.п.), которые широко представлены на рынке.

2. Составление расчетной структурной схемы

 

Функциональная схема  СС (рисунок 1) может быть представлена в виде следующей расчетной структурной  схемы:

Рисунок 2. Расчетная структурная схема СС

Таблица 2. Передаточные функции элементов СС

Элемент СС	Передаточная функция	Параметры
Тиристорный преобразователь (ТП)
Цепь якоря исполнительного  двигателя (ИД-Эл)
Механическая часть ИД (ИД-Мех)
Редуктор (Р)
Датчик тока (ДТ)
Тахогенератор (ТГ)
Цифровой датчик положения (ЦДП)
Элемент, учитывающий влияние изменения  момента на валу ИД

 

 

Примечание. Строго говоря, тиристорный преобразователь нельзя рассматривать как пропорциональное звено с передаточной функцией . ТП по принципу совей работы является дискретным элементом. Воздействие на управляемый преобразователь осуществляется импульсно, подачей отпирающего импульса на управляющий электрод тиристора. После включения очередного тиристора воздействие на преобразователь возможно только спустя некоторое время, когда СИФУ подает импульс на отпирание очередного тиристора. Поэтому ТП следует рассматривать как динамическое звено с запаздыванием или приближенно как апериодическое звено с постоянной времени равной средней величине запаздывания.

Коэффициент передачи датчика  тока (ДТ) выбирается исходя из максимального  допустимого напряжения на входе регулятора тока при номинальном токе двигателя ( ).

 

2. РАСЧЕТ ПФ РЕГУЛЯТОРОВ

 

Расчет будем проводить  в три этапа:

1. настроим внутренние контуры на модульный оптимум (МО), обеспечим устойчивость СС и оптимальность переходных процессов;
2. проведем настройку внешнего контура положения СС, чтобы обеспечить желаемую точность воспроизведения задающего воздействия. Будем использовать метод эквивалентного гармонического воздействия;
3. проведем дискретизацию по времени внешнего контура положения, т.к. он будет реализовываться с помощью цифрового регулятора.

1. Настройка внутренних контуров на модульный оптимум

 

 

Согласно известному принципу расчета систем подчиненного регулирования расчет будем проводить, начиная с внутреннего контура, т.е. с контура тока (рисунок 2).

Для настройки на МО передаточная функция регулятора тока (РТ) имеет  вид:

, (1)

где - постоянная времени интегрирования регулятора тока;

- коэффициент усиления регулятора  тока.

 

Следовательно, регулятор  тока представляет собой пропорционально-интегральное звено. Передаточная функция контура  тока, оптимизированного в соответствии с (1), учитывая что  очень мало, принимает вид:

. (2)

При настройке контура  скорости на МО будем стремиться компенсировать «большую» постоянную времени  , а «малая» постоянная останется нескомпенсированной.

Полагая некомпенсируемую постоянную времени контура скорости , получим передаточную функцию регулятора скорости:

. (3)

Для регулирования положения  будем использовать пропорциональный регулятор. С учетом выбранных ПФ регуляторов скорости, тока и положения, ПФ разомкнутого контура положения будет иметь вид:

 (4)

2. Настройка внешнего контура СС

 

Так как форма задающего  воздействия g(t) не известна, то для расчета коэффициента усиления системы будем использовать метод эквивалентного гармонического воздействия. При этом задающее воздействие будет иметь следующий вид:

.  (5)