3306

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

В.Б. Фурсов

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА:

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2015

УДК 621.30(076.1)+681.324

Фурсов В.Б. Автоматизированное проектирование электропривода: лабораторный практикум: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (4,0 Мб) / В.Б. Фурсов.

– Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2015. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) : цв.

– Систем. требования : ПК 500 и выше ; 256 Мб ОЗУ ; Windows XP ; SVGA с разрешением 1024x768 ; Adobe Acrobat ; CD-ROM диско-

вод ; мышь. – Загл. с экрана.

Лабораторный практикум по автоматизированному проектированию электропривода является практической частью курса «Автоматизированное проектирование электропривода» и включает в себя семь работ. Предназначен для магистров первого курса.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению 13.03.02 “Электроэнергетика и электротехника” (профиль “Электропривод и автоматика”).

Табл. 3. Ил. 121. Библиогр.: 10 назв.

Рецензенты: кафедра электрификации сельского хозяйства Воронежского государственного аграрного университета имени императора Петра I (зав. кафедрой канд. техн. наук, доц. В.В. Картавцев);

канд. техн. наук, доц. Ю.В. Писаревский

©Фурсов В.Б., 2015

©Оформление. ФГБОУ ВО “Воронежский государственный технический универси-

тет”, 2015

ВВЕДЕНИЕ

Считается, что автоматизированное проектирование электроприводов - это часть систем автоматизированного проектирования (САПР) для электропривода. В действительности, в настоящее время, САПР чаще всего понимают как автоматизированное конструирование, с вычерчиванием конструкций и подготовкой технологической документации или непосредственное программирование автоматических линий по изготовлению и сборке устройств (безбумажная технология). Расчеты чаще всего носят прочностной характер.

В электроприводе конструкция, как геометрическое расположения элементов, носит второстепенный характер. Главным является принципиальная схема и параметры элементов этой схемы (при аналоговом управлении) или программа для микроконтроллера (для цифрового управления). Поэтому обычный САПР и его программное обеспечение мало подходит для проектирования электропривода.

Предлагаемый лабораторный практикум направлен на освоение современных программ моделирования и проектирования систем автоматического управления. В данном случае используется MatLab и его приложения: Simulink (моделирование систем автоматического управления), SimPowerSystem (моделирование энергетических систем), SISO Design и Simulink Control Design (проектирования систем автоматического управления), Simulink Design Optimization (оптимизация систем автоматического управления). Предполагается, что читатель знаком с двумя первыми приложениями и выполнил лабораторные работы по моделированию электроприводов [1, 2].

Целью практикума является: самостоятельное проектирование типичных приводов поддержания скорости и момента постоянного и переменного тока и следящих систем; умение построить систему регулирования с силовой частью и датчиками, получить параметры регуляторов для аналоговых и дискретных систем; построение систем с программируемыми регуляторами; оценка адекватности построенной модели реальному устройству.

В настоящее время при хорошей подготовке исходных данных и умелом проектировщике, можно почти полностью спроектировать систему. Правда, испытание реального устройства все же требуется – не удаётся собрать точно такую же схему, что была в виртуальной модели. При выборе элементов системы редко их параметры полностью соответствуют модели, особенно если конструируется и сами элементы.

3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

SISO DESIGN.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Для двигателей постоянного тока (ДПТ) заданы параметры (см. таблицу). Диапазон регулирования 20.

1.Спроектировать систему стабилизации скорости, используя приложение SISO Design.

2.Параметры двигателя и требования к системе заданы в таблице.

3.Каковы параметры корректирующего звена? Приведите аналоговую схему реализации корректирующего устройства и определите параметры элементов схемы.

4.Промоделируйте полученную САР, используя аналоговые модели: резисторы, конденсаторы, операционные усилители, управляемые выпрямители и т.д. по вашему усмотрению.

5.Введите в модель номинальную нагрузку. Как она влияет на работу системы, на статику и динамику. Какой диапазон регулирования получился в Вашем проекте?

4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

6.Считая диапазон регулирования равным 100, получите соответствующий коэффициент усиления; осуществите проверку системы на устойчивость. Можно ли скорректировать систему?

7.Сделайте выводы по проделанной работе; насколько разработанная модель соответствует установленным требованиям.

ДОПОЛНЕНИЕ 1

ПРОЕКТИРОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ ЛЧХ (ДИАГРАММЫ БОДЕ)

Приложение SISO Design (SISO - single-input/single-output – один-вход/один-выход)

предназначено для проектирования линейных систем автоматического регулирования имеет ряд замечательных интерактивных свойств, но ограниченно в своих возможностях. Сложные системы иногда удается подогнать под заданную архитектуру, но в большинстве случаев это сделать не удается.

В дальнейшем рассмотрим простейший пример с двигателем постоянного тока. Предполагается, что есть система автоматического регулирования двигателем постоянного тока (ДПТ) с обратной связью по скорости ω(t)

Нужно, изменяя параметры компенсатора, сделать так, чтобы переходный процесс удовлетворял определенным условиям. В данном случае компенсатор выполняет функцию корректирующего звена и для определения его параметров используется приложение SISO, хотя в приложении предусмотрены и другие более сложные схемы коррекции и фильтрации.

В примере используется следующая передаточная функция двигателя постоянного тока

1.5

W(s) . s2 14s 40.02

Проще всего записать передаточную функцию в рабочую область Workspace, а затем прочитать ее из приложения SISO. Для этого воспользуемся командной строкой в Command Windows. Передаточная функция вводится командой tf, но привычнее первоначально определить переменную s как специальную модель s = tf(‘s’), а затем записать обычное выражение для передаточной функции W = 1.5/(s^2+14*s+40.02).

5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Запуск приложения

sisotool

Появляются два окна: SISO Design for SISO Design Task и Control and Estimation Manager

В окне Control and Estimation Manager показана архитектура предстоящей к разработке системы регулирования (по умолчанию). G – двигатель ДТП, С – компенсатор (корректирующее звено), Н – датчик скорости, F – фильтр.

Для загрузки, введенной в рабочую область Workspace передаточной функции W, в окне SISO Design выполним последовательность действий File>Import>Browse> Workspace, выделим в строке W и щелкнем кнопку Import, осуществив ввод во всех промежуточных окнах. Окно SISO Design изменит вид

6

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Графики ЛЧХ изменяться – АЧХ поднялась выше оси ноль. Чтобы увидеть сетку координат щелкнем на графике правой кнопкой мыши и выберем Grid.

У приложения SISO Design Tool есть замечательное свойство: можно мышью перемещать амплитудно-частотную характеристику при этом видно как изменяется переходный процесс и как сдвигаются полюса на корневом годографе.

1.Переместите указатель мыши поверх линии ЛАЧХ. Заметьте, как указатель становится рукой.

2.Захватите линию ”рукой”, поддерживая нажатой левую кнопку мыши.

3.Перемещайте ЛАЧХ вверх. Обратите внимание, что при этом изменяется переходная характеристика и смещаются полюса на корневом годографе.

4.Отпустите кнопку мыши. Коэффициент усиления и все изменения повторно вычисле-

ны.

По проекту время нарастания должно составлять 0.5 секунды, попробуйте установить коэффициент усиления, так чтобы частота перехода через ноль составляла около 3 рад/с. В полосе частот от 0 до 3 рад/с (до перехода ЛАЧХ через ноль) - коэффициент усиления положительный (полоса пропускания); в первом приближении соответствует постоянной времени 0.33 секунды.

9