
- •Введение
- •1 Построение модели объекта автоматизации
- •1.1 Диагностический стенд испытания тяговых двигателей
- •1.2 Динамическая модель объекта
- •1.3 Моделирование при программном управлении
- •1.4 Построение упрощенной линейной модели объекта
- •2.1 Исследование устойчивости линеаризованной системы
- •2.2 Синтез оптимального регулятора системы управления
- •2.2.1 Настройка регулятора корневым методом
- •2.2.2 Адаптивное управление
- •2.2.3 Настройка регулятора по ограничению ошибки
- •Небольшие перепады в напряжении приводят к неощутимым отклонениям тока генератора. Ток двигателя при этом идет стабильно, скорость так же не имеет отклонений. Заключение
1.2 Динамическая модель объекта
Электрическая схема замещения системы «двигатель − генератор» представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Электрическая схема замещения
В цепи двигателя включены последовательно обе обмотки двигателя (Д): якорная с сопротивлением Rя.д и индуктивностью Lя.д и обмотка возбуждения с сопротивлением Rв.д и индуктивностью Lв.д, а также обмотка возбуждения генератора (Г) с сопротивлением Rв.г и индуктивностью Lв.г. В цепи генератора включена только якорная обмотка генератора с сопротивлением Rя.г и индуктивностью Lя.г. ЭДС eд и eг действуют в якорных цепях двигателя и генератора, в которых также протекают токи iд и iг, соответственно. На основании второго закона Кирхгофа, записанного для контура К1, выполняется уравнение электрического баланса:
|
(1) |
Уравнение электрического баланса для контура К2 записывается аналогично:
|
(2) |
В уравнения (1) и (2) входят следующие величины: напряжения линейного u1 и вольтодобавочного u2 преобразователей, В; ЭДС двигателя eд и генератора eг, В; ток цепи двигателя iд, А; сопротивления Rв.д, Rя.д, Rв.г, Ом; индуктивности Lв.д, Lя.д, Lв.г, Гн.
Уравнение механического баланса получается на основании второго закона Ньютона и имеет вид:
|
(3) |
где Ω − угловая скорость вращения валов электромеханической системы, рад/с; Mд − момент двигателя, Н·м; Mг − момент генератора, Н·м; Mв − суммарный механический момент внешних сил, действующих на вал двигателя и генератора, Н·м; J − момент инерции системы, кг·м2.
Введем обозначения:
|
(4) |
|
(5) |
|
(6) |
|
(7) |
и перепишем уравнения (1) – (3) для изображений сигналов:
|
(8) |
|
(9) |
|
(10) |
Значения вращающих моментов двигателя и генератора зависят от токов в их якорных обмотках и рассчитываются по формулам:
|
(11) |
|
(12) |
а связь ЭДС двигателя и генератора с угловой скоростью вращения вала описывается соотношениями:
|
(13) |
|
(14) |
Коэффициенты kM и kE зависят от конструктивных параметров электрических машин и тока iд, который протекает в их обмотках возбуждения. Качественный вид зависимостей этих коэффициентов от тока iд показан на рисунке 3 и может быть описан нелинейной функцией fв(iд).
Рисунок 3 – Качественный вид кривой намагничивания
В курсовой работе такие нелинейные функциональные зависимости будем задавать функцией гиперболического тангенса:
|
(15) |
где Imax − ток насыщения; α − параметр нелинейности, α = 2.
Вид гиперболического тангенса при малых значениях iд имеет зависимость, близкую к линейной, а при приближении значения iд к Imax плавно переходит в режим насыщения.
Ток насыщения примем равным максимальному току:
|
(16) |
где Iн − номинальный ток двигателя, определяемый по формуле
|
(17) |
где КПД − коэффициент полезного действия двигателя.
Запишем выражения для функций kM и kE:
|
(18) |
|
(19) |
где cM, cE − постоянные коэффициенты.
Тогда формулы (11) – (14) примут вид:
|
(20) |
|
(21) |
|
(22) |
Значения коэффициентов cM и cE определим по паспортным данным двигателя. Рассмотрим схему с последовательным возбуждением ДПТ, которая приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Схема включения двигателя с последовательным возбуждением
Уравнение электрического баланса в установившемся (номинальном статическом) режиме будет иметь вид:
|
(23) |
Значение
ЭДС может быть найдено при номинальной
скорости вращения
по формуле:
|
(24) |
тогда из выражений (23) и (24) следует: с последовательным возбуждением
|
(25) |
В номинальном режиме связь вращающего момента с током описывается соотношением:
|
(26) |
с другой стороны, номинальный момент определяется по выражению:
|
(27) |
Из формул (26) и (27) следует, что
|
(28) |
Приближенное
значение индуктивности обмотки якоря
вычисляется по формуле:
|
(29) |
где
− число пар полюсов электродвигателя.
Для
простоты будем считать, что все
индуктивности равны:
.
Момент инерции примем равным:
|
(30) |
Таким
образом, после вычисления всех величин,
можно окончательно построить динамическую
детерминированную модель объекта в
виде передаточных функций и связывающих
их выражений. Выходной координатой
является скорость
,
а входными воздействиями − напряжения
и
.
Из формулы (10) следует уравнение динамики механической части:
|
(31) |
Выразим токи из формул (8) и (9) и получим уравнения динамики электромагнитной части:
|
(32) |
|
(33) |
Формулы (20) – (22) и (31) – (33) описывают работу объекта (системы «двигатель − генератор»), которому соответствует структурная схема, приведенная на рисунке 5.
Рисунок 5 – Структурная схема модели объекта при включении тяговых двигателей методом взаимной нагрузки
В курсовой работе будем считать, что момент внешней нагрузки равен нулю (Mвн.н = 0). Значение момента сухого трения Mтр будем считать равным 0,2 Mн. Действие сухого трения приводит к тому, что вращение двигателя начинается лишь после того, как значение момента вращения вала (Mд − Mг) превысит значение Mтр, поэтому при моделировании следует считать, что при малых значениях (Mд − Mг) возмущение Mтр должно компенсировать полезный момент, а после превышения порогового значения возмущение Mтр остается фиксированной величиной, равной 0,2 Mн. Такой алгоритм можно описать выражением:
|
(34) |
Динамическая нагрузка, зависящая от скорости вращения вала, описывается формулой:
|
(35) |
где β – коэффициент,
β = 0,004Mн. |
(36) |
Таким образом, возмущение Mв состоит из двух составляющих – моментов Mтр и Mс. Для моделирования Mв можно применить подсистему, собранную в пакете Simulink, структура которой представлена на рисунке 6, где переключатель Switch имеет порог переключения, равный малому положительному числу (например, 0,001Ωн) (этот блок включает верхний входной сигнал, если скорость больше нуля), а блок насыщения Saturation имеет пороговое значение 0,2Mн.
Рисунок 6 – Модель источника возмущений, действующего на момент вращения вала
В соответствии со структурной схемой, представленной на рисунке 5, построим модель объекта в Simulink:
Рисунок 7 – Модель объекта при включении тяговых двигателей методом взаимной нагрузки
Здесь структура блока Subsystem соответствует модели, приведенной на рисунке 6, а блок Fcn реализует нелинейность вида (15).