Лабораторная работа №4
Анализ и параметрическая оптимизация системы автоматического регулирования частоты вращения вала двигателя постоянного тока
(САР ЧВ ДПТ).
Выполнил
Студент 4 курса Хлудок В.В.
группы ЭиА-С11-З
Проверил: Мурачев Е.Г.
Обнинск 2015 год
Цель работы: исследование и оптимизация системы автоматического регулирования частоты вращения вала двигателя постоянного тока (САР ЧВ ДПТ).
Исходные данные:
Дана функциональная схема САР ЧВ ДПТ.
У – усилитель; Г – генератор постоянного тока; ДПТ – двигатель постоянного тока; ТГ – тахогенератор; Мc – момент сопротивления на валу двигателя; n – частота вращения вала двигателя.
Параметры элементов
У (усилитель) - усилительное, пропорциональное звено:
kу = 10 + N/2;
Wу(p) = kу;
Г (генератор) – апериодическое звено:
kг = 0.1(13+0.05N);
Tг = 0.01·(8 + N/2), сек.
Д – двигатель постоянного тока. Модель двигателя по управлению – апериодическое звено второго порядка:
kду = 0.1·(11 + N/2) [об/(сек·В)];
Tя = 0.01·(6+0.1 N) сек;
Tм = 0.1(5 + 0.2 N) сек.
|
|
ТГ – пропорциональное звено:
kг = 0.1(2 + 0.1 N) [В· сек / об];
Wтг(p) = kтг
Задание к работе: собрать структурную схему САР ЧВ ДПТ, получить ее временные и частотные характеристики, оценить устойчивость системы по критерию Найквиста, оценить качество регулирования и осуществить предварительную коррекцию САР.
Порядок выполнения:
1. Рассчитать параметры элементов для своего варианта, собрать структурную схему и получить график переходного процесса.
2. Построить логарифмические частотные характеристики замкнутой САР. И оценить запасы устойчивости по амплитуде и фазе.
3. Выполнить структурно-параметрическую оптимизацию. В данном простейшем случае подразумевает введение ПИ-регулятора, что изменяет структуру САР, и подбор его наилучших параметров.
Задача состоит в том, чтобы улучшить переходную характеристику САР, снизить ее колебательность, и уменьшить ошибки установившегося режима.
Ниже предлагается простой приближенный способ определения настроечных параметров ПИ-регулятора с использованием ЛАЧХ и ЛФЧХ. Передаточная функция ПИ-регулятора имеет вид:
где: kp – коэффициент усиления ПИ-регулятора;
Tp – постоянная времени ПИ-регулятора.
Для определения постоянной времени регулятора следует взять ЛАЧХ, для которой выполнены требования к запасам устойчивости по фазе и амплитуде, и провести к ней касательные с наклонами 0 дБ/дек и -20 дБ/дек:
Точка сопряжения линий аппроксимации, касательных, проведенных к ЛАЧХ с наклоном в 0 дБ/дек и -20 дБ/дек, находится на частоте 1/Тр = 1.8 рад/сек. Поэтому Тр = 0.555 сек.
Хорошим начальным приближением для коэффициента усиления kp ПИ-регулятора является значение 0.5, которое можно затем уточнить методом проб.
|
|
Схема примет вид:
Переходная характеристика хорошего вида, можно попробовать несколько повысить усиление ПИ-регулятора для появления перерегулирования, меньшего 5%. Это и будет оптимальной схемой.
Как видно, время регулирования составляет 0.5 сек, перерегулирование не достигает 5%, качестово регулирования в переходном режиме хорошее. Установившееся значение переходной функции равно 5.0 об/сек, что говорит о нулевой ошибке регулирования в установившемся режиме при отработке постоянного задания.
В завершение посмотрим, как выглядят ЛАЧХ и ЛФЧХ оптимизированной САР.
Запасы устойчивости по амплитуде (15 дБ) и фазе (700) хороши. ЛАЧХ на нижних частотах имеет наклон -20 дБ/дек, что определяется интегратором, входящим в контур. По той же причине ЛФЧХ на нижних частотах проходит вблизи -900.
Итак, выполнение лабораторной работы завершено.
4. Оформить отчет и сделать вывод о проделанной работе. Для оценки качества настройки системы, исходные и конечные качественные показатели представить в виде сравнительной таблицы:
параметр | исходный | конечный |
σ, % | ||
tу, с | 0,4 | 0,5 |
tп, с | 1,7 | 1,8 |
ξ | ||
kус | 3,7 | 4,5 |
ΔL, дБ | ||
Δφ, град |