Файл: Методические указания к выполнению курсовой работы Анализ и оптимизация системы автоматического регулирования по дисциплине Автоматика.doc

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Костромская государственная сельскохозяйственная академия»

Кафедра ТОЭ и автоматики

Методические указания к выполнению

курсовой работы

«Анализ и оптимизация системы автоматического регулирования»

по дисциплине «Автоматика»

для студентов, обучающихся по направлению подготовки дипломированного специалиста 110302 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»

Кострома 2008

УДК 621.3.01

Анализ и оптимизация системы автоматического регулирования

Составители: А.В. Рожнов, канд. техн. наук, доцент

Рекомендовано методической комиссией факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства (протокол № 6 от 30.06.08).

Рецензент: Ф.А. Новожилов, канд. техн. наук, доцент

Даны методические указания к выполнению курсовой работы и пример расчетов работы по методике, предложенной к.т.н. Федосовым Б.Т. с применением программного комплекса «МОДЕЛИРОВАНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ» ПК «МВТУ, версия 3.5), предназначенного для детального исследования и анализа динамических процессов в ядерных и тепловых энергетических установках, в системах автоматического управления (САУ), в следящих приводах и роботах, в любых технических системах, описание динамики которых может быть реализовано методами структурного моделирования.

Оглавление

---

Задания и методические указания к выполнению курсовой работы составлены в соответствии со стандартом специальности 110302 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»

1. Цель и задачи курсовой работы

Цель работы: оптимизация типичной линейной системы автоматического регулирования (САР) с использованием программного пакета моделирования систем МВТУ.

Задачи работы:

• 
  анализ задания и исходных данных;
  
• 
  описание принципа действия САР;
  
• 
  построение структурно-аналитической модели САР;
  
• 
  оценка устойчивости и стабилизация САР;
  
• 
  оптимизация модели;
  
• 
  оценка качества модели.
  

2. Задание и исходные данные

Тема курсовой работы:

"Анализ и оптимизация САР частоты вращения вала двигателя постоянного тока (САР ЧВ ДПТ) – САР «ДПТ».

Задание:
построить модель САР, исследовать ее, оптимизировать и оценить качество полученной САР.

Исходные данные:
функциональная схема САР «ДПТ» и параметры ее элементов.

Функциональная схема САР «ДПТ»приведена на рис.2.1.

Рис.2.1 Исходная функциональная схема САР «ДПТ»Объект управления - двигатель постоянного тока, управляемая величина - частота вращения вала ДПТ.

Расшифровка обозначений рис.2.1: У - усилитель; ТП - тиристорный преобразователь; Г - генератор; ДПТ - двигатель постоянного тока; ТГ - тахогенератор; ОСН - гибкая обратная связь по напряжению. ДПТ – двигатель постоянного тока независимого возбуждения. ДПТ – объект управления, его выходная величина, частота вращения вала n должна соответствовать заданию. u_з - напряжение задания, в соответствии с которым должна изменяться частота n вращения вала ДПТ. М_c - возмущающий момент силы, приложенный к валу ДПТ от той машины, которую он приводит в действие

Параметры и передаточные функции элементов (N - номер варианта задания).

У - усилитель моделируется апериодическим звеном с передаточной функцией [1]:

---

k_y = (0,5+0,9N) ; T_y = (0,07 + 0.005N), с.
Передаточная функция усилителя [1]:

. (2.1)

ТП - тиристорный преобразователь моделируется апериодическим звеном с передаточной функцией и параметрами [1]:

(2.2)


с параметрами: k_тп = (1,5+2,2N) ; T_тп = (0,25 + 0,004N), с.

Г - генератор, апериодическое звено [1]:

. (2.3)

с параметрами: k_г = 0,1(4 + 0,2N) ; T_г = 0,04 (8 + N),с.

ОСН - гибкая обратная связь по напряжению, инерционно-дифференцирующее звено [1]:

(2.4)

с параметрами: k_осн = 0,01(5 + 0,2N); T_осн = 0,05(3 + N), c.


ТГ - тахогенератор, усилительное (пропорциональное) звено [1]:

(2.5)

где: k_тг = 0,002(2,5 + 3N), [В•с/об].

ДПТ- двигатель постоянного тока, колебательное звено. Передаточная функция ДПТ по каналу управления, определяющая влияние напряжения на якоре двигателя на частоту вращения его вала [1]:

(2.6)

где: k_ду = 0,1(10 + N), [об/(с·В)]; k_дв = 0,04(14 + N), [об/(с·Н·м)]; T_я = 0,01 (5 + 0,35N), с; T_м = 0,2 (4 + 0,1N), с.

по каналу возмущения [1]:

. (2.7)

3. Методические указания к выполнению работы

Работа представляемая к защите должна содержать:

• 
  титульный лист;
  
• 
  аннотацию;
  
• 
  содержание;
  
• 
  введение;
  
• 
  основную часть, разбитую на разделы;
  
• 
  заключение;
  
• 
  список использованных источников;
  
• 
  приложения.
  

3.1. Анализ исходных данных

Выполняется с целью установления достаточности исходных данных для реализации модели и их непротиворечивости.

Примечание: анализ проводится в процессе выполнения всей работы и вносится в пояснительную записку после ее окончания. Если выясняется, что каких-то данных недостаточно, студент должен обоснованно ввести их. В случае противоречивости исходных данных, необходимо найти компромиссное решение и обосновать его.

3.2. Описание принципа действия САР

---

Принцип действия САР кратко описывается по функциональной схеме.

Цель описания принципа действия САР состоит в пояснении назначения и состава САР, а также в качественной иллюстрации ее работоспособности. Следует показать, что рассматриваемая САР осуществляет слежение за величиной сигнала, подаваемого на ее устройство сравнения. Кроме того, необходимо отметить, что САР компенсирует возникающие возмущения, т.е. решает и задачу стабилизации.

Решение задач слежения и стабилизации рассматриваемой системой возможно вследствие наличия в ней контура главной обратной связи, реализующего принцип управления по отклонению.

Описание состоит из двух подразделов. В первом рассматривается работа САР в статике. Следует показать, что САР обеспечивает слежение: соответствие (пропорциональность) частоты вращения вала ДПТ задающей величине при постоянных задающем и возмущающем воздействиях.

Во втором подразделе следует показать, что слежение обеспечивается и в динамике: при изменении задания и (или) возмущения, САР стремится поддержать значение частоты вращения вала, соответствующим заданию. Назначение раздела - показать качественно (т.е. не количественно, словами) преимущество управления двигателем с использованием САР по сравнению с непосредственным управлением. Использование САР позволяет повысить быстродействие управления посредством маломощных сигналов задания и точность поддержания частоты вращения.

3.3. Построение структурной и аналитической моделей САР

Моделирование выполняется с использованием программного пакета «МВТУ».

Цель моделирования: обеспечить возможность анализа, а по его результатам и оптимизации САР.

3.3.1. Построение структурной схемы САР

Вынести на рабочее пространство МВТУ блоки, соответствующие функциональной схеме.

Построить САР ДПТ. На вход подать ступенчатое воздействие. Выход усилителя обратной связи подключить к блоку «Временной график».

3.3.2. Определение передаточных функций элементов САР

Определить значения параметров передаточных функций элементов в соответствии с номером варианта. Ввести эти значения в соответствующие блоки. Рационально разместить блоки диаграммы, предусмотреть место для надписей и комментариев.

3.4. Оценка устойчивости разомкнутого контура

Разомкнутый контур САР состоит из устойчивых элементов, но, в свою очередь, содержит контур местной обратной связи. Следовательно, САР может быть неустойчивой в разомкнутом состоянии.

---

Оценка устойчивости разомкнутой САР осуществляется с целью проверки выполнения необходимого условия практического применения критерия Найквиста: разомкнутый контур должен быть устойчивым. Критерий Найквиста выбран для оценки устойчивости замкнутой САР потому, что, инструменты этого критерия (логарифмические частотные характеристики) будут применены при структурно-параметрической оптимизации САР. Последнее является определяющим в выборе критерия Найквиста для оценки устойчивости замкнутой САР. Частотные характеристики разомкнутого контура САР не только позволяют судить о степени устойчивости замкнутой САР и, косвенно, о ее качестве, но и вырабатывать меры и средства оптимизации САР.

Традиционно, устойчивость разомкнутого контура определялась с помощью критериев Михайлова или Гурвица. Однако, имея в своем распоряжении программный комплекс МВТУ, можно непосредственно по виду переходной характеристики определить устойчива ли система. Более того, по виду переходной характеристики качественно можно оценить и степень устойчивости.

Запустить программу на счет, определить по виду переходной характеристики устойчив ли разомкнутый контур.

3.5. Стабилизация разомкнутого контура

Стабилизация разомкнутой САР осуществляется с целью обеспечения выполнения необходимого условия практического применения критерия Найквиста: разомкнутый контур должен быть устойчивым с запасом по амплитуде в диапазоне 6 - 20 дБ (в 2 - 10 раз)..

Изменяя параметры элементов контура местной обратной связи: коэффициенты усиления усилителя и тиристорного преобразователя, а возможно, и постоянной времени звена ОСН, добиться, чтобы переходный процесс стал апериодическим с перерегулированием не более 5 ÷ 20 %.

Возможный способ решения этой задачи: вывести разомкнутый контур на границу устойчивости, а затем уменьшить коэффициент усиления усилителя в 2 ÷ 10 раз. В предлагаемой методике контур выводится на границу устойчивости для того, чтобы иметь точку начала отсчета для обеспечения нужного запаса устойчивости по амплитуде.

Может оказаться целесообразным выполнить стабилизацию в два этапа: на первом изменять только коэффициенты усиления и если результаты окажутся недостаточно качественными, то на втором этапе можно уменьшить и постоянную времени звена ОСН (обратной связи по напряжению).

---