АСУ электроприводом

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ Введение ……………………………………………………….. Характеристики объекта управления ………………………… Функциональная схема АСУ………………………………….. Технико-экономические показатели АСУ ………………....... Состав, содержание и организация работ по созданию АСУ……………………………………………………………... Испытание опытного образца и составление акта (протокола) приемки …………………………………………..   ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ 2.1     Расчет основных параметров системы ……………………….. 2.2.   Построение графоаналитической модели системы …………. 2.3.   Определение качественных показателей графоаналитической модели АСУ……………………………. 2.4.    Определение величины периода квантования по времени….. 2.5.    Испытание созданной математической модели АСУ……….. 2.6.    Составление акта (протокола) испытания…………………….   РАБОЧИЙ ПРОЕКТ ……………………………………………… ПРИЕМКА ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА

2 2 2 2   3   4     5 6   8 10 13 14   18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

Введение

 

Необходимо разработать автоматизированную систему управления (АСУ) электроприводом на базе промышленного контроллера для поддержания заданной частоты вращения ротора двигателя постоянного тока. Ротор двигателя механически связан с центробежным насосом. В настоящее время поддержание заданной частоты вращения ротора двигателя осуществляется вручную оператором, который периодически меняет величину напряжения питания двигателя в зависимости от нагрузки.

 

Характеристики объекта управления

 

Исходная аналоговая система управления должна содержать следующие элементы: двигатель (Д), являющийся объектом управления; транзисторный преобразователь мощности (ТПМ) – управляемый источник питания двигателя; датчик обратной связи для контроля текущих значений параметров объекта управления (ДОС) ─ тахогенератор;  устройство сравнения (УС), которое позволяет определить соответствие между действительным (Y) и заданным (UЗ) значениями параметров объекта управления; задающее устройство (ЗУ), выдающее входной сигнал на устройство сравнения.

 

Функциональная схема АСУ

Рис.1

В качестве устройства сравнения используем промышленный контроллер, применение которого сделает исходную аналоговую систему управления цифровой.

 

Технико-экономические показатели АСУ

 

Данные двигателя (ПСТ со встроенным тахогенератором).

1. Номинальное число оборотов ротора двигателя n=1600 об/мин.
2. Номинальное напряжение питания U=110 В.
3. Номинальный ток якорной обмотки двигателя I=0,8 А.
4. Активное сопротивление якорной обмотки двигателя R=2 Ома.
5. Индуктивность якорной обмотки двигателя L=2,5 Гн.
6. Номинальный момент на валу двигателя 0,245 Нм.
7. Передаточный коэффициент датчика обратной связи (тахогенератора) по частоте вращения ротора двигателя KДОС=0.04.

Данные транзисторного преобразователя мощности (транзистор типа 2Т625Б-2)

1. Максимальный ток коллектора IК=1А.
2. Максимальное напряжение эмиттер-база UЭБ=5 В.
3. Максимальная мощность Р=1 Вт.
4. Передаточный коэффициент транзисторного преобразователя мощности KТПМ=11.

Исходные параметры качественных показателей АСУ.

1. Погрешность АСУ δ=2%.
2. Время переходного процесса tП<10 с.

Индивидуальные данные

1. Момент инерции приведенный к валу двигателя J=0,12
2. Коэффициент перерегулирования σ=28%

Использование автоматизированной системы управления двигателем освободит оператора от ручного поддержания заданной частоты вращения, что позволит использовать его для обслуживание не только одной установки, а целого участка. Кроме того, с применением АСУ повышается точность регулирования системы.

Состав, содержание и организация работ по созданию АСУ

В процессе создания АСУ необходимо выполнить следующие работы:

1.5.1. Разработка технического проекта

В процессе разработки технического проекта необходимо произвести расчет основных параметров системы. По результатам расчетов построить графоаналитическую модель системы  с использованием программы Matlab+Simulink, получить график переходного процесса и определить качественные показатели АСУ: точность, время переходного процесса, коэффициент перерегулирования.

Для перехода от аналоговой системы к цифровой определить период квантования по времени, построить структурную схему сравнения.

1.5.2. Испытание математической модели

Испытания провести на математической модели цифровой системы управления, с учетом найденного периода квантования по времени. В результате испытаний найти передаточную функцию аналоговой системы и с помощью z-преобразования перейти к цифровой системе. Построить график переходного процесса цифровой системы и определить ее качественные параметры.

1.5.3. Составление акта (протокола) о завершении технического проекта

По качественным показателям переходного процесса цифровой АСУ составить акт и протокол о соответствии разработанной цифровой АСУ заданной в техническом задании.

1.5.4. Оформление пояснительной  записки

По окончании проектирования заказчику предоставляется полный комплект документации, включающий в себя: техническое задание, технический проект, рабочий проект, акты (протоколы) приемки.

1.6. Испытание опытного  образца и составление акта (протокола) приемки

По результатам испытания опытного образца составляется акт (протокол) приемки.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ
0. Расчет основных параметров системы

Представим двигатель колебательным звеном с передаточной функцией

где - коэффициент преобразования;

- электромагнитная постоянная  времени двигателя;

-электромеханическая постоянная времени двигателя;

Постоянная двигателя по моменту

.

Постоянная двигателя по скорости

.

 

Тогда

 

 

 

 

Построение графоаналитической модели системы

Используя заданные значения коэффициентов транзисторного преобразователя мощности, датчика обратной связи по частоте вращения ротора двигателя и полученную передаточную функцию двигателя построим графоаналитическую модель разрабатываемой АСУ.

Для построения модели используем программу для имитационного моделирования и анализа динамических систем Simulink,  входящую в состав приложения Matlab.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение качественных показателей графоаналитической модели АСУ

 

С помощью программы Simulink получим график переходного процесса и определим качественные показатели модели (рис.2.2).

Время переходного процесса полученной модели - 9,92 сек, коэффициент перерегулирования – 27,3 % и точность системы полностью соответствуют заданным в техническом задании параметрам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

График 2.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение величины периода квантования по времени

 

Период квантования определяет время, которое необходимо для обработки информации – аналого-цифровое преобразование задающего воздействия и сигнала с датчика, нахождение их разности, включение ЦАП.

Слишком малая величина периода квантования ограничивает функциональные возможности промышленного контроллера. Слишком большой период квантования увеличивает погрешность системы. Поэтому необходимо найти оптимальную величину периода квантования.

С точки зрения периода квантования аналоговая система является идеальной. Для нахождения оптимального периода квантования сравним выходные сигналы цифровой и аналоговой системы при различных периодах квантования. Величина периода квантования принимается как оптимальная, когда разность выходных параметров не превышает заданную.

Чтобы определить оптимальный период квантования по времени цифровой системы управления в программе Simulink сравним модели аналоговой системы и цифровой, которая аналогична первой, но с введенным в нее дискретным блоком Zero-Order Hold, имитирующим работу промышленного контроллера с определенным периодом квантования по времени.

На обе модели подадим входной сигнал с одного источника (задающее воздействие). Выходные сигналы моделей обеих систем управления подключим к виртуальному осциллографу. Кроме того, на вход виртуального осциллографа подадим и разность этих выходных сигналов. Это даст возможность сравнить выходные сигналы и определить влияние различных величин периода квантования на работу цифровой системы управления.

В результате получили структурную схему сравнения (рис.2.3). Путем подбора величины параметра дискретного блока, имитирующего работу промышленного контроллера, по графику сравнения переходных процессов систем (рис.2.4) определим оптимальную величину периода квантования.

На графике отображены переходные процессы аналоговой и цифровой системы, а также характеристика их сравнения, из которой видно, что при подобранной величине периода квантования (0,5), параметры сравниваемых систем отличаются в пределах заданной точности (δ=2%).

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

График 2.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Испытание созданной математической модели АСУ

Испытания проведем на математической модели цифровой системы управления, с учетом найденного периода квантования.

Для этого в программе MatLab найдем передаточную функцию исходной замкнутой аналоговой системы и переведем ее в z-преобразование и построим переходной процесс цифровой АСУ.

1. нахождение передаточной функции двигателя

W1=tf([1,52], [1,51 1,21,1]) Enter

2. нахождение передаточной функции прямого канала

W2=11*W1 Enter

3. нахождение передаточной функции замкнутой аналоговой системы

W3=feedback(W2,0.04) Enter

4. нахождение передаточной функции замкнутой аналоговой системы (z-преобразование)

tk=0.1;

W4=c2d(W3,tk,’zoh’) Enter

5. построение переходного процесса цифровой системы

step(W4) Enter

По графику переходного процесса (рис.2.5) определим коэффициент перерегулирования σ=26,5% и tП=10 сек.

Полученный коэффициент перерегулирования не превышает 28%, что полностью отвечает требованиям технического задания. Время переходного процесса в соответствии с техническим заданием не должно превышать 10 сек. Полученное время переходного процесса математической модели цифровой системы не в полной мере отвечает этому требованию.  Для обеспечения заданных параметров технического задания необходимо более точно подобрать значение периода квантования по времени, что позволит улучшить качественные характеристики проектируемой системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 2.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Составление акта (протокола) испытания

 

УТВЕРЖДАЮ

Председатель приемочной комиссии

  

Дата           19 января 2010 года   

 

АКТ

 

приемки результатов разработки

                   математической модели АСУ электроприводом на базе промышленного контроллера                     

                                                      

Приемочная комиссия, назначенная приказом (распоряжением)

от 19.01.10г. № 1

 

рассмотрела техническую документацию в составе

                                                                            .                                                                  

 

Комиссия считает:

 

1. Разработанная продукция соответствует (не соответствует) требованиям 

__________________технического задания                                                 _

 

2. Основные показатели продукции  соответствуют (не соответствуют)

_____уровню качества продукции                              _________________

 

Комиссия рекомендует:

1.___Модель к доработке и повторному представлению _______________

2. Первую промышленную партию  продукции в объеме ______________________________не изготавливать_____________________

________________________________________________________________

 

3. Выявленные недостатки 

_____несоответствие времени переходного процесса техническому заданию     устранить.

 

Приложение: протокол приемочных испытаний опытных образцов.

 

 

Члены комиссии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 2

"Утверждаю"

" 19 "  января   2010г.

 

Протокол №1

1. Испытания проводились 19 января 2010 года на лабораторной установке Северо-западного заочного технического университета. Для проведения испытаний использовался персональный компьютер с установленным пакетом программ Matlab. Для построения математической модели использована программа для имитационного моделирования и анализа динамических систем Simulink.
2. Полученная математическая модель цифровой системы обладает следующими характеристиками: коэффициент перерегулирования σ=26,5%, время переходного процесса tП=10 сек, точность δ=2%.
3. Испытания проводились в нормальных естественных условиях.
4. В результате испытаний установлено, что полученная математическая модель цифровой системы управления не в полной мере отвечает требованиям технического задания. Так, в соответствии с ТЗ, время переходного процесса системы не должно превышать 10 сек, а полученное время модели составляет 10 сек. Остальные качественные показатели модели цифровой системы соответствуют технической документации.
5. Рекомендуется устранить выявленные недостатки и доработать модель цифровой системы управления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. РАБОЧИЙ ПРОЕКТ

Алгоритм программы для промышленного контроллера:

1. Аналого-цифровое преобразование задающего воздействия.
2. Аналого-цифровое преобразование с датчика обратной связи.
3. Нахождение сигнала ошибки.
4. Масштабирование сигнала ошибки и нахождение кода индекса модуляции М.
5. Включение канала широтно-импульсной модуляции (ЦАП).
6. Включение таймера на величину периода квантования по времени.
7. Зациклить программу.

В цифровой системе напряжение на тиристорный преобразователь мощности поступает с ЦАП промышленного контроллера. В качестве ЦАП используется канал широтно-импульсной модуляции (ШИМ) сигнала. Для запуска канала ШИМ необходимо рассчитать код индекса модуляции М по формуле:

М=65535*(1-Im),

где Im – индекс модуляции, определяющий какую часть периода занимает импульс, изменяется в пределах от 0 до 1.

Первый этап масштабирования сигнала ошибки – учет максимального значения задающего воздействия.

На втором этапе учитывается коэффициент АЦП

,

где КАЦП=205

Упростим полученную формулу с учетом, что Uзmax=5В, КАЦП=205.

Полученную формулу будем использовать в программе промышленного контроллера при нахождении кода индекса модуляции.

Для программирования таймера необходимо рассчитать код выдержки времени по формуле:

,

где fcpu=20*106 Гц- частота тактовых импульсов;

      Т=0,5 сек – период квантования;

      kd 308,18*Т – коэффициент деления.

 

При Т=0,5 сек коэффициент деления kd 154,09. Ближайшее большее значение коэффициента деления равно kd=256. Тогда код выдержки времени будет равен

 

В шестнадцатеричной системе счисления код выдержки времени примет вид:

А=6768h.

 

Полученную величину выдержки времени используем при программировании таймера.

 

Программа для промышленного контроллера

 

S:  MOV   R2,0005h;

PUSH  R2;

POP     ADCON;

BSET   ADST;

Q: NOP;

JB        ADBSY,Q;

PUSH  ADDAT;

POP     R3;

AND    R3,0FFFh;

 

MOV    R2,0006h;

PUSH   R2;

POP      ADCON;

BSET    ADST;

Q1:NOP;

JB         ADBSY,Q1;

PUSH    ADDAT;

POP       R5;

AND      R5,0FFFh;

 

SUB       R3,R5;

 

MOV      R7,FFFFh;

MOV      R8,0040h;

MUL      R8,R3;

SUB        R7,MDL;

 

PUSH     R7;

POP        CC0;

MOV      CCM0,0007h;

MOV       T01CON,0040h;

BSET      DP2.0;

 

MOV       R0,6768h;

PUSH      R0;

POP         T2;

MOV       T2CON,0046h;

W: NOP;

JNB         T2IR,W;

MOV       T2CON,0000h;

BCLR      T2IR;

 

X: LOOP      X;

JMP         S;

END