СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕМ

 

Методические указания

по выполнению курсовой работы

для студентов очной формы обучения

по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»

специальности 140610

«Электрооборудование и электрохозяйства предприятий, организаций и учреждений»

 

Электронная версия

 

Тула, 2008

Разработал и подготовил

доцент каф. ЭВМ Лебеденко Ю.И., канд. техн. наук;

Утверждено

на заседании каф. ЭВМ

Протокол _______от_______ 2008 г.

Зав. кафедрой ЭВМ

________________В.С.Карпов

 

Нормоконтролер ответственный по стандартизации

на каф. ЭВМ,______________В.Л.Токарев

«_____»_______________2008 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………………………….3

1.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ……………………………………………………………………………..……………...3

2.ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ…………………………………………………………………………………………..….3

2.1. Тематика курсовой работы…………………………………………………………………………………………………3

2.2 Исходные данные к курсовой работе…………………………………………………………………………………………………5

2.3 Задание на курсовую работу……………………………………………………………………………………………....6

2.4 Объем курсовой работы………………………………………………………………………………..………………6

2.5 Оценка результатов курсовой работы……………………………………………………………………………………………….6

3.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ НАД ЗАДАНИЕМ……………………….…….7

3.1 Основные этапы выполнения работы………………………………………….. …………….7

3.2 Методические указания к выполнению отдельных этапов работы…………………………7

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………………………….10

 

ВВЕДЕНИЕ

Курсовая работа по курсу «Системы управления промышленным электрооборудованием» выполняется либо по реальному заданию, выданному преподавателем в рамках индивидуального задания по НИРС, либо по типовому заданию. Курсовая работа выполняется в 6 семестре. Она выполняется на базе знаний и навыков, полученных студентами при изучении дисциплин «Высшая математика», «Теоретические основы электротехники», «Электрические машины», «Электрические и электронные аппараты».

 

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Курсовая работа выполняется с целью закрепления знаний по дисциплине «Системы управления промышленным электрооборудованием» и получения практических навыков самостоятельного расчёта и проектирования элементарных систем автоматического регулирования (САР) объектов промышленного электрооборудования с учётом динамики этих объектов.

Задачами курсовой работы являются:

- практическое овладение методикой проектирования САР на основе знаний о принципах действия электротехнических объектов, основных принципов теории автоматического управления, а также применения современных программных средств вычислительной техники для анализа математической модели системы;

-оценка параметров разрабатываемой САР по устойчивости, точности, качеству процессов регулирования при типовых входных воздействиях и применение мер коррекции САР по повышению её качества.

Решение перечисленных задач невозможно без знания ряда смежных дисциплин, изучаемых в 1 - 5 семестрах и умения пользоваться справочной литературой.

 

2.ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

2.1.Тематика курсовой работы

В курсовой работе разрабатывается система автоматического регулирования, предназначенная для стабилизации заданного параметра функционирования электротехнического объекта, в качестве которого может выступать электрический двигатель или электрический генератор. Таким образом, в системе необходимо реализовать простейший случай одномерного (скалярного) управления, т.е. регулирования по одной выходной переменной. Оба типа электрических машин, выступающих в качестве объекта управления могут при этом работать как на постоянном, так и на переменном токе. В состав системы для обеспечения отрицательной обратной связи вводится датчик (угла поворота, скорости вращения, напряжения или тока) и регулятор, осуществляющий сравнение текущего значения регулируемого параметра с заданным и выдачу управляющего воздействия на объект. Это воздействие обычно заключается в изменении какого-либо из параметров самого объекта. Таким образом, структурная схема системы регулирования, разрабатываемой в курсовой работе в общем случае может быть представлена на рис. 1.

 

Рис.1. Структура разрабатываемой системы автоматического регулирования.

Как следует из представленной структурной схемы, объект управления, регулятор и устройство обратной связи в данной курсовой работе имеют математическое описание, представляющее их в виде линейных динамических звеньев, чему соответствуют линейные передаточные функции, представленные на рис.1. Устройство сравнения (сумматор), получающее разность между входным воздействием и сигналом обратной связи чаще всего реализуется в виде суммирующего усилителя напряжений. Его инерционность по сравнению с объектом управления и с регулятором настолько мала, что во всех случаях целесообразно учитывать его именно как идеальный суммирующий усилитель, в котором отсутствуют искажения и запаздывание сигналов. На начальных стадиях анализа и синтеза системы регулирования, выполняемых в рамках курсовой работы, передаточные функции регулятора W_p(p) и датчика обратной связи W_ос(p) могут рассматриваться как безынерционные звенья с единичным коэффициентом передачи. Исключения из этого правила, предусмотренные некоторыми вариантами заданий, будут представлены далее. В качестве регулятора здесь может выступать реостат, переменный конденсатор, соединенный с датчиком обратной связи, или же электронный усилитель, влияющий на тот или иной параметр управляемого объекта.

 

Разрабатываемая система должна функционировать в режиме следящей системы, отрабатывая поступающее на вход управляющее воздействие u(t) в виде ступенчатой функции 1(t) и функции, линейно нарастающей во времени v×t×1(t).

Из рис.1. также видно, что объект управления имеет и еще одну передаточную функцию по возмущению W_в(p), которая характеризует влияние дестабилизирующего фактора на выходную переменную объекта управления. Возмущающее воздействие f(t) рассматривается в курсовой работе в виде периодического (гармонического) сигнала, который по возможности не должен проходить на выход объекта.

 

Непосредственными задачами проектирования в процессе выполнения курсовой работы являются:

§ разработка линеаризованного математического описания электротехнического объекта управления, т.е. получение его передаточных функций по управляющему и по возмущающему воздействиям;

§ разработка функциональной электрической схемы САР с учетом вводимых в неё регулятора и устройства обратной связи;

§ построение логарифмических частотных характеристик разомкнутой САР с оценкой по ним параметров качества и подбором структуры и параметров устройства коррекции;

§ разработка структурной схемы САР с учетом типовых передаточных функций регулятора и датчика обратной связи, а также при необходимости – введения типовой передаточной функции последовательного корректирующего фильтра;

§ оценивание параметров качества системы в целом на основе исходных параметров объекта и выбранных параметров регулятора, датчика обратной связи и корректирующего фильтра.

Критерием качества проектирования САР могут являться следующие параметры:

- наличие запасов устойчивости, определяемых по логарифмическим амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристикам (ЛАЧХ и ЛФЧХ) – не менее 12 дБ по амплитуде и не менее 30° по фазе:

- наличие установившейся ошибки при типовом ступенчатом или линейно изменяющемся сигнале, не превышающей 5% от заданного номинального значения выходной регулируемой величины;

- отсутствие перерегулирования свыше 30% от заданного номинального значения выходной регулируемой величины при обеспечении заданного времени регулирования t_p =0,5 с.

 

2.2.Исходные данные к курсовой работе

Исходные данные определяются в соответствии с номером варианта (определяемого номером студента в списке групп учебного потока).

 

Параметры варианта задания определяется с помощью табл.1, в которой каждая клетка соответствует номеру варианта, а входные поля таблицы определяют тип и параметры электротехнического объекта управления.

Таблица 1

Параметры вариантов задания на курсовую работу

Тип объекта упр-я	Задача САР		Эл.машина постоянного тока	Эл.машина переменного тока
с последов. возбужд.	с паралл. возбужд.	R=12 Ом	R=25 Ом
Параметры	Lя=70 мГн; Rя=8 Ом	Lя=90 мГн; Rя=10 Ом	Lя=100 мГн; Rя=7 Ом
Электрический двигатель	Способ управления	реостатное	тиристорное
Стабилизация скорости вращения	J=10 Н м; Lв=60 мГн;
J=25 Н м; Lв=40 мГн;
Стабилизация угла поворота привода	J=20 Н м; Lв=70 мГн
J=40 Н м; Lв=50 мГн
J=30 Н м; Lв=90 мГн

 

В табл.1 введены следующие обозначения параметров:

J- приведенный момент инерции ротора двигателя; L_в- индуктивность обмотки возбуждения двигателя; R_у – номинальное сопротивление управляющей цепи генератора; L – индуктивность обмотки статора генератора; L_я – индуктивность обмотки якоря (ротора); R – номинальное сопротивление якоря (ротора) генератора.

Все электрические машины постоянного тока принять работающими с номинальным напряжением 24 В; машины переменного тока - с номинальным действующим напряжением 220 В.

Конкретные значения других электрических и механических параметров объекта управления, не упомянутых в таблице, указываются преподавателем при выдаче задания или могут быть подобраны студентом экспериментально в ходе моделирования объекта исходя из вида типовых переходных процессов, происходящих в электрических машинах указанного типа. При необходимости уточненную величину времени регулирования t_p, необходимые требования по точности отработки выходной величины также задает преподаватель - руководитель проекта. Указанные параметры могут быть скорректированы в ходе выполнения работы.

 

2.3.Задание на курсовую работу

Задание на выполнения работы выдается отдельно на каждого студента, включая индивидуальные задания. В течении первых четырех недель с момента выдачи задания исходные данные могут быть откорректированы по согласованию с руководителем КР. Помимо типовых заданий, варианты которых представлены в табл.1, возможна выдача индивидуального варианта задания на курсовую работу, которое формулируется в рамках выполняемой научно-исследовательской работы студента. Индивидуальное задание должно быть согласованно с лектором, ведущим курс «Системы управления промышленным электрооборудованием» и утверждено заведующим кафедрой.

 

2.4.Объем курсовой работы

Результаты выполнения работы представляются в виде пояснительной записки объемом 15 - 20 стандартных страниц (без приложений) и графической части, включающей указанные ниже схемы САР, выполненные в соответствии со стандартами [1 – 4]:

1. функциональная схема системы регулирования. (формат А2 илиА3).

2. структурная схема системы регулирования (формат А3 илиА4);

3. логарифмические частотные характеристики САР до и после коррекции (формат А2 илиА3);

4. временные диаграммы скорректированной САР (формат А3 илиА4).

По согласованию с руководителем курсовой работы объем графической части может быть сокращен за счет переноса из неё части материалов в виде рисунков в тексте пояснительной записки.

Пояснительная записка (ПЗ) к курсовой работе должна содержать:

титульный лист;

задание на проектирование, которое оформляется на стандартном бланке, подшиваемом после титульного листа; где кратко перечислены исходные данные;

введение;

основное содержание;

заключение;

список использованных источников;

приложения, содержащие документацию и другие материалы, не вошедшие в перечень графической части (листинги программ, таблицы, графики и т.д.).

В основное содержание ПЗ рекомендуется включить описанные ниже разделы:

1. Анализ задания.

В этом разделе производится развёртка изложения задач решаемой САР, её состава, структуры, параметров и формируются требования к качеству проектирования систем (запасы устойчивости, длительность переходного процесса, величина перерегулирования, точность регулирования при заданном входном сигнале). В задании доложен быть определён способ анализа устойчивости системы и параметры, по которым анализируется устойчивость.

1. Описание математической модели управляемого объекта.

В разделе формулируется математическая модель объекта в виде дифференциальных уравнений и уравнений связи между переменными, описывающими систему [5, 6, 7]. Данная система должна быть приведена к нормальной форме Коши и реализована в матричной форме. Производится моделирование поведения системы при типичных входных сигналах числовых методов результаты, оформляются в виде графиков (рисунки в тексте). При необходимости производится линеаризация систем дифференциальных уравнений.

1. Передаточная функция регулируемого объекта.

В разделе осуществляется преобразования математического описания объекта к операторной форме и составляется передаточная функция управляемого объекта. При необходимости привлекается рис. со структурной схемой САР [5, 6].

1. Анализ устойчивости САР.

В этом разделе производится анализ устойчивости двумя из изученных методов. Результаты иллюстрируются расчётами или графиками. Производится D-разбиение по параметрам системы на области устойчивости (рисунок в тексте).

1. Синтез корректирующего устройства для обеспечения запасов устойчивости.

Производится построение ЛЧХ системы, определяются существующие запасы, строится логарифмическая частотная характеристика необходимого корректирующего устройства и производится его реализация в виде пассивного фильтра (графический расчёт ЛАЧХ - в графической части)

1. Анализ точности САР.

В заданном диапазоне входных сигналов определяется установившаяся ошибка системы. При необходимости достижения более высокой точности изменяются параметры системы, если необходимо, вновь корректируется устойчивость.

1. Моделирование скорректированной САР.

Построение переходных процессов регулирования при входных воздействиях, оценивается качество процессов (результаты в графической части).

 

2.5.Оценка курсовой работы

Выполненная и оформленная полностью курсовая работа представляется на защиту комиссии, которая оценивает ее и выставляет оценку по стобалльной шкале. Кроме того, качество курсовой работы, степень самостоятельности при ее выполнении, а также равномерность выполнения по времени могут служить основанием для выставления оценок текущей аттестации по дисциплине «Системы управления промышленным электрооборудованием».

 

3.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ НАД ЗАДАНИЕМ

3.1Основные этапы выполнения работы:

Разработка САР состоит в выполнении этапов, описанных в основной части ПЗ:

Э1 - анализ задания и синтез варианта функциональной схемы САР на основе общих представлений о работе регулируемого электротехнического объекта, изучение литературы;

Э2 - разработка математической модели линеаризованного объекта управления, а также её применение для анализа поведения системы методом численного интегрирования;

Э3 – получение передаточных функций управляемого объекта, других частей САР, построение её структурной схемы с учетом управляющего и возмущающего воздействий;

Э4 – построение частотных характеристик САР; анализ устойчивости замкнутой САР;

Э5 – анализ точности САР, определение необходимого вида корректирующих устройств;

Э6 - оценивание качества переходного процесса в синтезированной САР и параметров всей системы в целом, оформление результатов.

По согласованию с преподавателем некоторые этапы могут быть сокращены.

 

3.2 Методические указания к выполнению отдельных этапов работы

Курсовая работа выполняется в течение семестра параллельно с выполнением лабораторных работ по данной дисциплине, поэтому рекомендуется в качестве исходных данных к лабораторным работам использовать параметры задания курсовой работы, а при вычислениях и построении характеристик пользоваться программной системой MatLab, используемой также при выполнении лабораторных работ.

Э1,Э2. Прежде всего, требуется получить достаточно адекватное описание функционирования объекта управления в виде системы дифференциальных уравнений. Типовые математические описания электротехнических объектов можно найти в литературе [8, 9, 10]. В начале составляется наиболее подробное и полное описание, которое возможно учитывает все особенности нелинейной модели. Затем должна быть произведена линеаризация объекта управления, которая производится для тех параметров объекта, которые следует считать номинальными, т.е. соответствуют рабочему режиму объекта, который следует стабилизировать средствами САР. В конечном итоге объект должен получить описание в виде системы обыкновенных линейных дифференциальных уравнений 2-го – 3-го порядка. Этап 2 прорабатывается при выполнении лабораторной работы № 1.

освещены в [5, 6, 7].

Э3. Передаточная функция объекта управления должна быть получена в результате применения преобразования Лапласа к уравнениям, полученным на предыдущем тапе. Для качественного анализа САР обычно необходимо получить две передаточных функции объекта: по управляющему воздействию и по возмущению. Это связано с тем, что указанные виды воздействий имеют разную физическую природу и, соответственно, разное влияние на выходную регулируемую величину. Во многих случаях для получения этих передаточных функций приходится производить отдельные процедуры линеаризации дифференциальных уравнений. После линеаризации передаточная функция объекта получается в виде отношения изображений выходного сигнала ко входному. При наличии передаточной функции высокого порядка следует произвести её упрощение за счет исключения из рассмотрения малых постоянных времени. В случае тиристорного управления асинхронным двигателем необходимо учесть чистое временное запаздывание, которое возникает в данном типе регулятора.

При наличии описания передаточных функций объекта в литературе [5, 6, 7, 10] её можно использовать в готовом виде, однако в этом случае на предыдущем этапе следует решить «обратную задачу», т.е. показать, как данная передаточная функция получена из исходного описания объекта в виде системы дифференциальных уравнений. Этап 3 прорабатывается при выполнении лабораторной работы № 2.

 

Э4. Построение частотных характеристик выполняется как в линейном, так и в логарифмическом масштабе. На данном этапе строятся амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристика разомкнутой системы автоматического регулирования. Т.е. эти характеристики строятся на основе передаточной функции объекта управления по управляющему воздействию с учетом датчика обратной связи, сигнал с которого будет поступать на регулятор.

На основе построенных логарифмических амплитудной и фазовой частотных характеристик выполняется анализ устойчивости замкнутой системы. Однако, для закрепления знаний о критериях устойчивости САР, полученных в ходе изучения дисциплины, следует также выполнить анализ устойчивости системы с помощью алгебраического критерия Гурвица, а также одного из частотных критериев: Михайлова или Найквиста, для применения которого используется построение частотного годографа на комплексной плоскости.

Вывод об устойчивости замкнутой системы служит основной для синтеза корректирующего устройства на этапе 6. Очевидно, что в случае неустойчивой системы это устройство должно обеспечить устойчивость. Если устойчивость замкнутой системы обеспечена и при отсутствии корректирующего устройства, то задачей коррекции становится обеспечение должных запасов устойчивости.

При построении частотных характеристик и анализе устойчивости можно использовать литературу [5, 6, 7].

Этап 4 прорабатывается при выполнении лабораторной работы № 3.

 

Э5. Анализ точности САР выполняется с целью установления максимально возможного значения установившейся ошибки, которая возникают при действии типовых управляющих воздействий: для статической системы это будет ступенчатый входной сигнал с заданной амплитудой, а для системы с астатизмом первого порядка – линейно изменяющийся сигнал с заданной скоростью. Эти значения вычисляются с использованием построенной заранее передаточной функции замкнутой САР по ошибке и с применением теоремы о конечном значении в преобразовании Лапласа [ 5, 6].

Также должна быть определена и установившаяся ошибка при воздействии возмущающего сигнала, для которого строится отдельная передаточная функция замкнутой системы по ошибке.

Место и характер возмущающего (дестабилизирующего) воздействия зависит от типа объекта: для двигателя это обычно возмущающий момент, который прикладывается к его выходному валу, а для генератора – переменное сопротивление нагрузки. Рассматривая возмущение в виде типового гармонического сигнала с заданной амплитудой также получают амплитуду сигнала ошибки х(t) на входе регулятора (рис.1) [ 6 ].

Качественной по точности можно считать САР, если установившаяся ошибка составляет не более 5 – 10 % от номинального значения выходного сигнала (сигнала обратной связи). Неудовлетворительное значение амплитуды или установившейся постоянной ошибки также как и малые запасы устойчивости являются показаниями к введению в систему корректирующего устройства.

В курсовой работе используется последовательное корректирующее устройство, структура и параметры которого определяются методом логарифмических частотных характеристик. Обычно достаточно рассмотреть три варианта типовых корректирующих устройств: дифференцирующий, интегрирующий и интегро-дифференцирующий фильтры. Их параметры находят, используя логарифмическую амплитудно-частотную характеристику фильтра, полученную как разность желаемой и располагаемой логарифмических амплитудно-частотных характеристик. Этап 5 прорабатывается при выполнении лабораторной работы № 5.

 

Э6. При оценке качества синтезированной САР желательно применить насколько возможно полную (не линеаризованную и не упрощенную) модель объекта управления. Результатом этапа должно быть построение графиков переходных процессов в системе при стандартных входных воздействиях. Для статических систем таким воздействием будет единичная ступенчатая функция с заданной амплитудой, для САР с астатизмом первого порядка – линейно изменяющийся входной сигнал с заданной скоростью. При выполнении шестого этапа используют приёмы и инструментальные средства, освоенные при выполнении первой лабораторной работы.

При оформлении графической части курсовой работы и пояснительной записки необходимо использовать единую систему обозначений документов по ГОСТ [4]. Каждое обозначение представлено в следующем формате:

К7.004.0ХХ.УУ,

где ХХ - порядковый номер студента по списку в группе,

YY - стандартное обозначение документа:

функциональная электрическая схема: Э2;

структурная схема: Э1;

временные диаграммы и частотные характеристики: ТЧ;

пояснительная записка: ПЗ.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ 2.701-84 ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.

2. ГОСТ 19.701-90 ЕСПД. Структурные схемы систем автоматического управления. Условные обозначения и правила выполнения.

3. ГОСТ 23264-78. Машины электрические малой мощности. Условные обозначения.

4. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД – М.: Издательство стандартов, 1989 – 325с.

5. Болнокин В.Е., Чинаев П.И. Анализ и синтез систем автоматического управления на ЭВМ. - М.: Радио и связь, 1986.

6. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - М.: Наука, 1975. - 768 с.

7. Фельдбаум А.А. Электрические системы автоматического регулирования. – М., 1957.

8. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины, ч.2, «Энергия», М.- Л., 1965, 704 с.

9. Кетков Ю.Л., Кетков А.Ю., Шульц М.М. MatLab 6.x.: программирование численных методов, СПб.: БХВ-Петербург, 2004, 672 с.

10. Сухинин Б.В., Ловчаков В.И. Оптимальное управление электротехническими объектами: Учеб. пособие для вузов / В.И. Ловчаков, Б.В. Сухинин, В.В.Сурков; ТулГУ. – Тула, 2004. – 149 с.