Определение устойчивости и качества регулирования системы автоматического управления тяговым режимом   электровоза

Федеральное Агентство Железнодорожного Транспорта

Российской Федерации

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I

Кафедра "Электрическая тяга"

           

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И КАЧЕСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ РЕЖИМОМ   ЭЛЕКТРОВОЗА

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

 

Выполнил студент группы ЭЭБ 307

 

Принял

 

 

Санкт-Петербург

 

2016

 

Санкт-Петербург

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1 Принципиальная схема силовой цепи и функциональная

схемы системы автоматического управления

1.1. Принципиальная расчетная схема САУ

1.2.Функциональная схема САУ

Динамические характеристики элементов САУ

   2.1.Динамические характеристики исполнительного устройства

2.2. Динамические характеристики объекта регулирования

2.3.Структурная схема ТЭД

2.4. Динамические характеристики элементов обратной связи

2.5. Динамические характеристики регулятора тока РТЯ

2.6.Динамическая характеристика таймера - фазорегулятора

Динамические и частотные характеристики САУ

3.1.Структурные схемы и операторные передаточные САУ

3.3.Логарифмические частотные характеристики

контура регулирования тока ТЭД.

4. Оценка качества регулирования САУ

4.1. Оценка качества регулирования САУ по ЛЧХ

4.3. Расчет переходного процесса с использованием

компьютерной модели САУ

Библиографический список.                                                             

Цель работы.

Практическое изучение основных положений курса «Теория автоматического управления» на примере расчета динамических и частотных характеристик системы автоматического управления (САУ) тяговыми электродвигателями электровоза переменного тока.

Задачи проектирования:

- расчетдинамических параметров элементов контура регулирования тока тяговых электродвигателей (ТЭД);

- расчет параметров настройки регулятора;

- оценка качества регулирования САУ электровоза ЭП1 переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения

Функциональная схема САУ

Функциональная схемаСАУ контура регулирования тока ТЭД электровозов для тягового режима показана на рис.2.

 

Рис.2.Функциональная схема контура регулирования тока ТЭД.

Объектом регулирования (ОР) являются тяговые электродвигатели последовательного возбуждения. Выходной переменной ОР является ток якорей ТЭД i _я.

Задающим элементом (ЗЭ) служит резисторный потенциометр-задатчик, приводимый главной рукояткой (штурвалом) контроллера машиниста. Задающим сигналом служит выходное напряжение задатчика, преобразованное в цифровой код уставки тока ТЭД I _уст.

Исполнительным устройством (ИУ) служат тяговый трансформатор и выпрямительно-инверторный преобразователь. Выходноенапряжение ВИП u_d  осуществляет регулирующеевоздействие на объект регулирования.

Возмущающее воздействие передается на объект регулирования в виде ступенчатого изменения напряжения контактной сети  ∆ U _кс ·1(t).

Обратнаясвязь (ОС) по току якорей ТЭД создается датчиками тока ДТ1-ДТ4, АЦП и блок-программой числовойобработки сигналов датчиков. Сигналом обратнойсвязи являются цифровой сигнал i _дт, кратный реальным токам ТЭД, выделенный и преобразованный из сигналов датчиков тока    u _дт1- u _дт4. Блок-программа числовой обработки сигналов производит вычисление среднего значения сигнала  каждый период цикла управления.

Блок-программа регулятора (РТЯ) тока якорей ТЭД производит каждый период цикла управления вычисление по сигналу рассогласования (I _уст - ) числовой переменной С _р. Числовая переменная С _р вычисляется с заданным законом регулирования и передается в таймер-фазорегулятор ФР.

Формирователь сигналов управления  - таймер–фазорегулятор (ФР) производит отсчет интервалов времени t _р относительно импульсов синхронизации u _си. Выходными сигналами таймера-фазорегулятора являются импульсные сигналы, формируемые с интервальными задержками t _р, соответствующими фазовым углам регулирования α_р тиристорных плеч ВИП.

Распределитель сигналов управления – блок-программа фазового управления (БФУ) производит распределение импульсных сигналов управления плечами ВИП по заданному алгоритму каждой зоны регулирования.

Структурная схема ТЭД

Структурная схема ТЭД, соответствующая уравнениям (10), (11) показана на рис.6. Апериодическое звено 1-го порядка цепи якорей ТЭД охвачено обратной связью с передаточной функцией, содержащей апериодическое звено 1-го порядка контура вихревых токов магнитопровода ТЭД и форсирующее звено формирования  э.д.с.  обмоток возбуждения и якоря.

 

Рис.6. Структурная схема ТЭД.

Эквивалентная операторная передаточная функция ТЭД имеет следующий вид:

                      (12)

Здесь К ₁ – коэффициент усиления контура обратной связи по э.д.с. ТЭД.

                      .                                               

Для дальнейших преобразований и расчетов знаменатель операторной передаточной функции (12) ТЭД приведен к эквивалентной передаточной функции табличноговида. Приведение к табличному виду выполнено путем разложения на множителиквадратного уравнения, полученного из знаменателя передаточной функции (12):

. (13)

Корни квадратного уравнения (13) для реальных параметров тяговых электродвигателей электровозов переменного тока будут комплексными сопряженными:

, .

Операторная передаточная функция (12) ТЭД в результате преобразования приведена к эквивалентному колебательному звену 2-го порядка с постоянной времени T _пр и форсирующему звену с постоянной времени T _вх:

.                                   (14)

Постоянная времени эквивалентного колебательного звена 2-го порядка определяется следующей формулой:

                  , [с].                        (15)

Коэффициент затухания эквивалентного звена 2-го порядка:

.                                             

Коэффициент усиления эквивалентного колебательного звена 2-го порядка тягового электродвигателя: .

Качества регулирования САУ

Параметр		I я=       , А
1	K0 (1/с)
2	K р , 1/А
3	T р , с
4	, град
5	А, дБ
6	, 1/с
7
8	t р,с

 

Компьютерной модели САУ

Цельюрасчёта является определение динамической характеристики САУ - переходной функции и оценка качества регулирования при ступенчатом изменении возмущающего воздействия в изменения напряжения контактной сети, подтверждающие показатели качества регулирования, определенные по ЛЧX разомкнутой САУ.

На графиках переходных процессов i _я(t) (рис. 11), обусловленных возмущающим воздействием ∆ U _кс 1(t) показаны обозначенные размерными стрелками, численные значения начального тока I _я, максимум перерегулирования Δ I _max, установившаяся ошибка регулирования Δ I _я = 20 А, время процесса регулирования t _р.

Рис.11. Графики изменения тока ТЭД при возмущающем воздействии

 

Расчет ЛЧХ с использованием

Компьютерной модели САУ

 

Компьютерная математическая модель контура регулирования тока использована также для расчета ЛЧХ разомкнутой САУ с применением подпрограммы «Bode». График ЛЧХ приведен на рис.12. Запасы устойчивости соответствуют величинам, полученным графическим построением ЛЧХ.

Рис.12. Графики ЛЧХ разомкнутой САУ, полученные с применением

 программы «Bode»

Заключение

Результаты оценки качества регулирования по ЛЧХ находятся в соответствии с результатами оценки качества регулирования  по переходным функциям и по результатам моделирования процессов регулирования САУ.

Библиографический список

1.Автоматизированные системы управления электроподвижным составом. Часть 1//под ред. Л.А.Баранова и А.Н.Савоськина// М.: ГОУ УМЦ

по образованию на ж.д. транспорте, 2013, - 400 с.

2. Якушев А.Я. Автоматизированные системы управления электрическим подвижным составом, Учебное пособие.// М.: ГОУ УМЦ по образованию на ж.д. транспорте, 2016, - 301 с.

3. Якушев А.Я. Автоматическое управление электрическим подвижным составом, Учебное пособие, ч.1. С-Пб.: ПГУПС 1997, 85 с.

4. Якушев А.Я. Автоматическое управление электрическим подвижным составом, Учебное пособие, ч.2. С-Пб.: ПГУПС 2003, 86 с.

5 Якушев А.Я. Исследование системы автоматического тяговыми электродвигателями электровоза переменного тока, Учебное пособие, ч.1. С-Пб.: ПГУПС, 2010, 45 с.

6. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001. – 320 с.

 

 

Федеральное Агентство Железнодорожного Транспорта

Российской Федерации

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I

Кафедра "Электрическая тяга"

           

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И КАЧЕСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ РЕЖИМОМ   ЭЛЕКТРОВОЗА

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

 

Выполнил студент группы ЭЭБ 307

 

Принял

 

 

Санкт-Петербург

 

2016

 

Санкт-Петербург

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1 Принципиальная схема силовой цепи и функциональная

схемы системы автоматического управления

1.1. Принципиальная расчетная схема САУ

1.2.Функциональная схема САУ