ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Московский государственный технический университет

«МАМИ»

Кафедра «Автоматика и процессы управления»

В.С.Антипенко

М.И. Ефимов Одобрено методической

А.А. Сиротский комиссией факультета

В.В. Матросова «Автоматизация и управление»

Г.М. Платонов

Л.А. Кудинова

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению лабораторной работы

«Исследование системы автоматического регулирования частоты вращения вала двигателя»

по дисциплине

«Теория автоматического управления»

для студентов, обучающихся по специальностям 22020165, 22030165, 19020165, 15020465, 15020165, 15010165 и направлениям 22020062 и 15090062.

Под редакцией профессора В.И. Харитонова

Москва – 2006

В.С.Антипенко, к.т.н., профессор, М.И. Ефимов, к.т.н., доцент, Г.М. Платонов, доцент, А.А. Сиротский, ст.преп., В.В. Матросова, ст.преп., Л.А. Кудинова, ассистент.

Методические указания по выполнению лабораторной работы «Исследование системы автоматического регулирования частоты вращения вала двигателя» по дисциплине «Теория автоматического управления» для студентов, обучающихся по специальностям 22020165, 22030165, 19020165, 15020465, 15020165, 15010165 и направлениям 22020062 и 15090062.

В методических указаниях приведена теоретическая информация по изучаемой системе автоматического регулирования частоты вращения вала двигателя постоянного тока, описание устройства и принципа работы лабораторной установки, а также последовательность проведения эксперимента.

Стр. 20, рис.11, табл. 2, библ. 8, МАМИ, 2006 г.

© Московский государственный технический университет «МАМИ»

2006 г.

I. ВВЕДЕНИЕ

Автоматическим регулятором называется устройство, которое без непосредственного участия человека осуществляет функции контроля и управления процессом, воздействующим на некоторую физическую величину таким образом, что количественное значение этой величины выдерживается равным заданному значению с требуемой степенью точности. При этом, автоматическое устройство выполняет следующие операции:

1. измеряет регулируемую величину;

2. сравнивает измеренное значение величины с заданным значением (определяет ошибку регулирования и формирует управляющий сигнал);

3. повышает энергетический уровень управляющего сигнала до уровня управляющего воздействия;

4. осуществляет воздействие на объект регулирования таким образом, чтобы уменьшить ошибку регулирования до нуля или до некоторого допустимого значения.

Если система автоматического регулирования (САР) при наличии постоянных внешних нагрузок на установившемся режиме имеет некоторую ошибку регулирования, то такая САР называется статической.

Если на установившемся режиме при постоянных внешних нагрузках система точно «отрабатывает» заданное значение выходной координаты (ошибка регулирования равна нулю), то такая САР носит название астатической.

II. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О САР

Рассмотрим САР оборотов двигателя, содержащую в качестве объекта регулирования: двигатель Д постоянного тока с независимым возбуждением; электромашинный усилитель ЭМУ в качестве устройства, повышающего энергетический уровень управляющего сигнала; нагрузочное устройство – генератор Г и тахогенератор ТГ, используемый в качестве датчика скорости вращения вала объекта регулирования Д.

В случае разомкнутой САР (рис.1) необходимое значение оборотов двигателя задается напряжением путем перемещения щётки потенциометра . Далее сигнал усиливается электромашинным усилителем и подаётся в обмотку якоря двигателя Д. При увеличении нагрузки увеличивается падение напряжения на активных сопротивлениях в цепи якоря Д и ЭМУ, в результате чего обороты Д падают до значения . Тогда статизм разомкнутой системы определяется выражением:

(1)

при: =сonst

Здесь: - ошибка регулирования.

В замкнутой САР (рис. 2) по отклонению выходной координаты от заданного значения на обмотку управления ЭМУ подаётся напряжение рассогласования , равное разности между задающим и напряжением обратной связи , снимаемым с тахогенератора ТГ и пропорциональным оборотам вала двигателя. В этом случае, например, при увеличении нагрузки уменьшаются обороты двигателя и, следовательно, уменьшается напряжение . Это приводит к повышению и к некоторой компенсации оборотов двигателя. Очевидно, что полного восстановления оборотов двигателя не произойдет, так как для поддержания повышенного напряжения на выходе ЭМУ требуется некоторое приращение рассогласования на выходе ЭМУ.

Статизм системы (или ошибку) можно уменьшить, установив перед ЭМУ электронный усилитель У, позволяющий увеличить приращение напряжения ЭМУ при том же самом напряжении рассогласования. Для стабилизации оборотов двигателя с высокой точностью коэффициент усиления усилителей должен быть большим.

В разомкнутой системе регулирования (рис. 3) должно содержаться устройство, измеряющее момент нагрузки и преобразующее его в напряжение, служащее для компенсации измерения оборотов двигателя при изменении момента нагрузки. Недостатки таких систем заключаются в трудности измерения возмущающих воздействий и в трудности определения степени влияния этих возмущений на выходную величину.

В замкнутой системе регулирования по отклонению напряжения на якоре двигателя от установленной величины, который с использованием компенсации по возмущению (рис. 4) приращение момента нагрузки определяется по приращению тока якоря двигателя. Напряжение, снимаемое с дополнительного сопротивления и пропорциональное току якоря двигателя, а, следовательно, и моменту нагрузки, подаётся на управляющую обмотку ЭМУ и вызывает увеличение напряжения на выходе ЭМУ при увеличении момента нагрузки (тока двигателя). С увеличением напряжения на выходе ЭМУ ток двигателя возрастает, что через обратную связь по приводит к дальнейшему увеличению напряжения на выходе ЭМУ и т.д., (положительная обратная связь). Подбором коэффициента усилителя по петле положительной обратной связи можно добиться полной компенсации влияния нагрузки на скорость вращения вала двигателя.

Однако, для устойчивости системы коэффициент передачи по петле положительной обратной связи не должен быть больше единицы.

На рис. 5 изображена функциональная схема астатической САР с регулированием по рассогласованию, в которой в цепь преобразования управляющего сигнала в управляющее воздействие (напряжение в цепи якоря двигателя) введено интегрирующее или астатическое звено (сервомотор СМ). В этом случае связь: воспринимающий орган (ТГ) – исполнительный орган (управляющая обмотка ЭМУ) становится «гибкой».

Задание скорости вращения двигателя осуществляется потенциометром (напряжение ), текущее значение скорости вращения Д контролируется тахогенератором ТГ и снимается в виде напряжения с потенциометра . Ошибка регулирования подаётся на усилитель-преобразователь УП и в зависимости от фазы заставляет сервомотор СМ вращаться в ту или иную сторону, тем самым перемещает через редуктор Р щётку потенциометра до тех пор, пока не окажется равной нулю. Это происходит тогда, когда заданное значение оборотов двигателя равно текущему значению. Таким образом, астатическая САР независимо от величины нагрузки точно поддерживает заданную скорость вращения двигателя как объекта регулирования.

Одним из элементов рассмотренной нами САР является электромашинный усилитель мощности (ЭМУ). ЭМУ представляет собой генератор постоянного тока с двумя парами щёток (рис. 6). Щётки 2-2 подключены непосредственно к нагрузке, а щётки 1-1, расположенные перпендикулярно к щёткам 2-2, замкнуты накоротко.

При подаче напряжения на обмотку возбуждения ОВ по ней потечет ток , который создаёт магнитный поток Ф, направленный по продольной оси 2-2. При вращении специальным приводным двигателем якоря ЭМУ этот поток индуктирует в обмотке якоря ЭДС, снимаемую щётками, расположенными на поперечной оси 1-1, которые замкнуты накоротко, образуя цепь для ЭДС, создаваемой потоком Ф.

Ток, протекающий по короткозамкнутой цепи, создает поперечный поток , и в якоре, который вращается в этом поле, индуктируется ЭДС, снимаемая щётками 2-2. Так как короткозамкнутая цепь имеет небольшое сопротивление, то достаточно небольшой намагничивающей силы в продольном направлении, чтобы в короткозамкнутой цепи протекал ток, достаточный для образования большого поперечного потока. Для компенсации работы якоря от рабочего тока, на продольной оси машины расположены компенсационные обмотки.

Таким образом, ЭМУ можно рассматривать как генератор постоянного тока с двумя каскадами усиления.

III. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ САР

Рассмотрим в сравнении три варианта САР: разомкнутую (рис.1), замкнутую (рис. 2) и астатическую (рис. 5). Основными инерционными звеньями всех трех типов САР является электромашинный усилитель ЭМУ и объект регулирования – двигатель Д.