Синтез и исследование регулятора скорости движущегося объекта. Синтез и исследование кодера и декодера информации

Введение:

Автоматизация процессов управления есть необходимый элемент современного производства. Ее широкое внедрение обеспечивает повышение производительности труда и улучшение качества продукции. Развитие целых отраслей современной науки и техники принципиально невозможно без использования средств автоматизации.

На железнодорожном транспорте, как и во всех отраслях народного хозяйства, широко применяется автоматизация и телемеханизация производственных процессов, и прежде всего процессов управления движением поездов.

Работа систем железнодорожной автоматики и телемеханики проект в сложных эксплуатационных условиях, определяемые скоростями и большой интенсивностью движения поездов, а также часто трудными климатическими условиями. К специфическим условиям работы также относится то, что они, обеспечивая безопасность движения поездов, используют в качестве каналов связи рельсовые цепи и испытывают влияние помех большого уровня от токов электрической тяг и др.

В настоящей курсовой работе выполнено два задания:

- синтез и исследование  регулятора скорости движущегося  объекта;

- синтез и исследование  кодера и декодера информации.

 

 

1. Синтез и исследование регулятора скорости движущегося объекта.

 

1. Задание.

 

В процессе выполнения задания необходимо:

     - построить  структурную схему автоматического  регулятора с использованием типовых звеньев САУ;

-вычислить оптимальное  значение задержки сигнала в  цепи обратной связи Т2. Исследовать зависимость формы переходного процесса от коэффициента усиления К1 и постоянной времени цепи обратной связи Т2,для чего следует взять их значения в три раза больше и меньше чем задано в таблице, а значение второго параметра при этом остается номинальным.   

- выбрать параметры математической  модели типовых звеньев;

           - осуществить, используя лабораторную компьютерную программу по моделированию устройств САУ, исследование поведения синтезированного регулятора при воздействии заданных возмущающих факторов.

Исходные данные:

1) закон изменения фактической  скорости движения объекта - Vф(t), км/ч;

2) скорость движения объекта  на момент начала регулирования - Vн, км/ч;

3)  заданная скорость  движения объекта – V3, км/ч;

4) К1 - коэффициент усиления первого апериодического звена, характеризующий связь между текущим значением отклонения фактической скорости от заданной и величиной изменения регулируемой скорости;

5) Т1 - постоянная времени первого инерционного звена, характеризующая инерционность реализации управляющего воздействия, с;

6) Т2 - постоянная времени второго инерционного звена, характеризующая инерционность цепи обратной связи регулятора скорости, с;

Закон изменения фактической скорости движения объекта имеет вид следующей функции:

Vф(t) = Vн + VB (t)+Vp(t)

где VB(t), -изменение фактической скорости, вызванное периодически изменяющимся внешним возмущающим воздействием с амплитудой А, км/ч:

Vр(t)-изменение фактической скорости,  вызванное регулирующим воздействием первого апериодического звена.

где ТВ, - период изменения возмущающего воздействия, с.

Значения переменных V3, VH, K1, T1, Т2, ТB и А приведены в табл. 1.

По результатам исследования разработанной структурной схемы регулятора скорости с использованием лабораторной компьютерной программы по моделированию устройств САУ студент должен:

- вывести на печать  структурную схему регулятора; - вывести на печать графики  изменения фактической скорости  объекта в процессе ее регулирования;

- произвести оценку качества  регулирования скорости при изменении временных параметров апериодических звеньев регулятора в следующих пределах:

 К1min-Т2опт; К1- Т2опт; К1max- Т2опт;  К1ном-Т2min;К1ном-Т2max;(увеличение и уменьшение в три раза).

 

- привести краткое пояснение  хода выполнения работы и результаты  исследований.

 

 

Таблица 1.1 – Исходные данные.

№ варианта				К2
8	70	180	18	1	2,5

 

 

1.2 Система автоматического регулирования.

1.2.1 Общие сведения.

 

Почти любой технологический процесс в современном производстве требует поддерживать некоторые величины постоянными или изменять их по некоторому закону, процесс изменения по заданному закону определенной величины называется процессом регулирования, а сама эта величина называется регулируемой величиной. Процесс регулирования может осуществляться человеком (неавтоматическое регулирование) либо автоматически управляющим устройством, которое называется автоматическим регулятором.

Системой автоматического регулирования (САР) называется такая система, которая в течение достаточно длительного времени автоматически поддерживает требуемое неизменное значение некоторой физической величины (например, скорости линейного или углового перемещения) в каком-либо процессе или изменяет это значение по заданной программе. САР, работающие на поддержание постоянного значения регулируемой величины называются также системами стабилизации. Объект, параметры которого автоматически регулируются, называется объектом регулирования. Параметр, значение которого требуется регулировать, называется регулируемой величиной. Устройство, предназначенное для автоматического регулирования, называют автоматическим регулятором или просто регулятором.

Регулятор, как правило, содержит следующие основные узлы:

- измерительное устройство ИУ в виде чувствительного элемента, реагирующего на изменение значения регулируемой величины;

- усилительно-преобразовательное  устройство УП, преобразующее (как  правило, по линейному закону) одну  измеряемую величину в другую  физическую величину, более удобную  для последующего использования  при формировании управляющего  воздействия на исполнительное  устройство;

- исполнительное устройство, предназначенное для оказания  непосредственного регулирующего  воздействия на объект регулирования.

Таким образом, САР есть совокупность автоматического регулятора и регулируемого объекта и представляет собой замкнутую систему, в которой передача воздействий от одного ее звена к другому (внутренние воздействия) осуществляется по замкнутому контуру. На САР могут поступать внешние воздействия, основным из которых является задающее воздействие (например, заданное значение линейной скорости перемещение объекта), поступающего от внешнего задающего устройства. Совокупность задающего устройства и САР образует систему автоматического управления САУ, которая в общем виде может иметь несколько различных объектов регулирования (например, система автоматического управления движением поездов на некотором участке пути САУ ДП). К внешним воздействиям на САР относятся также возмущающиеся воздействия на объект регулирования (например, изменение сопротивления движению движущегося поезда на участках пути с различным профилем).

 

1.2.2 Структурная схема регулятора скорости с использованием типовых звеньев САУ

 

В качестве регулируемого объекта будем подразумевать колесное транспортное средство, линейное поступательное движение которое осуществляется за счет вращательного движения колесных пар. Следовательно, чувствительным элементом изменения скорости движения объекта может служить колесо, а в качестве измерительного устройства может служить, например, преобразователь скорости вращения колеса в напряжение постоянного тока или частоту переменного тока.

Введем следующие обозначения:

- коэффициент преобразования, связывающий линейную скорость  с угловой скоростью вращение колеса:

 

,                                                                (1.1)

 

- коэффициент преобразование  линейной скорости в напряжение  постоянного тока:

 

,                                             (1.2)

 

- коэффициент преобразования  линейной скорости в напряжение  постоянного тока:

 

,

 

где ,

 

значит                                 ,                 (1.3)

 

В качестве усилительно – преобразовательного устройства (УП) может служить электросиловая  установка, установленная на транспортном средстве и воздействующая на тяговый двигатель, являющийся исполнительным устройством, выполняющим функции ускорения и замедления вращения колеса.

- коэффициент преобразования  усилительно – преобразовательного  устройства устанавливает связь  между отклонением  задающего воздействия от измеренного значения фактической скорости и требуемой силой :

 

,                                                          (1.4)

 

,                                                          (1.5)

 

,                                                        (1.6)

 

Тяговый двигатель в режиме тяги реализует требуемое значение или в режиме генератора - требуемое значение силы , обеспечивая соответствующее изменение скорости вращения колеса в единицу времени - . Для упрощения структурной схемы регулятора скорости по заданию на курсовую работу можно принять абсолютное значение приращения скорости в единицу времени равным как при регулируемом увеличении скорости вращения колеса, так и при ее снижении в процессе торможения транспортного средства. Очевидно, что приращению скорости вращения колеса соответствует приращение скорости:

 

,                                                               (1.7)

 

Для повышения точности регулирования скорости вводится зависимость между величиной отклонения значений заданной скорости от фактической и величиной , при которой, чем меньше величина отклонения, тем меньше значение . В качестве примера примем линейную зависимость:

 

,                                                   (1.8)

 

где - коэффициент пропорциональности.

Значит, зная величину отклонения фактической скорости от заданной – разность , можно определить общий коэффициент преобразования (усиления) системы, состоящей из усилительно-преобразовательного (УС) и исполнительного (ИУ) устройств, из следующего соотношения:

Подставив в формулу 1.8 выражение для скорости (ф. 1.7), получим:

 

,

 

откуда ,

где .

Общая структурная схема регулятора скорости представлена на рисунке 1.1.

 

 

рис.1.1Общая структурная схема регулятора скорости.

 

 

Основная особенность САР – сравнение действительного значения регулируемой величины с заданным значением. Поэтому САР определяется как замкнутая система, в которой управляющие воздействия вырабатываются в результате сравнения действительного значения управляемой величины с заданными величинами.

САР имеет два внешних воздействия: х0 (t) – задаваемая величина, определяющая закон регулирования и f (t) – возмущающее воздействие. Основным является задающее воздействие, которое поступает от внешнего задающего устройства. Совокупность задающего устройства и САР образует систему автоматического управления САУ.

 

На рисунке 1.1представлена схема САУ, состоящая из следующих типовых звеньев:

- ЗУ – задающее устройство;

- УП – усилительно  – преобразовательное устройство;

- ИСУ – исполнительное  устройство;

- ОР – объект регулирования;

- ВВ – источник возмущающих воздействий;

- ЧЭ – чувствительный  элемент;

- ИУ – измерительное  устройство.

С выхода задающего устройства ЗУ на один из входов устройства сравнения УС поступает постоянное напряжениеUз, пропорциональное значению заданной скорости Vз. На другой вход УС поступает напряжение Uф, пропорциональное фактической скорости движения Vф. С выхода УС сигнал ошибки в вилле напряжения U, пропорционального разности скоростей (V3 - Vф), поступает собственно на регулятор, состоящий из усилительно-преобразовательного УП и исполнительного ИСУ устройств и который преобразует сигнал ошибки U в регулирующее воздействие на объект ОР, ускоряя или замедляя его движение с интенсивностью а в зависимости от величины и знака рассогласования скоростей. Система автоматического регулирования, представленная на рис.1, относится к статическим системам автоматического регулирования, в которых регулирование осуществляется по отклонению. Для статических систем характерна существенная зависимость ошибки регулирования, в установившемся режиме, от значения статического коэффициента усиления К1 разомкнутой (без обратной связи) системы регулирования. С увеличением К1ошибка V=Vз-Vф уменьшается, а с уменьшением - увеличивается.

Статическая характеристика звена - это зависимость между входной х и выходной у величинами в установившемся режиме при разных постоянных значениях внешнего воздействия. В общем случае эта зависимость является нелинейной.

 

Как видно из рис. 1.1 , каждое звено имеет свою входную и выходную величину, так как коэффициент преобразования Кu изменяет только масштаб переменных, то в дальнейшем удобнее оперировать с входными и выходными переменными в масштабе скорости. Тогда статическая характеристика объекта регулирования OР будет выражать собой зависимость между выходной (регулируемой) величиной Vф и входной величиной (регулирующим воздействием) V и иметь вид: Vф = Vн + V, где Vн - скорость объекта на момент начала регулирования, V - требуемое приращение скорости в установившемся режиме регулирования. Кроме того, на регулируемый объект может поступать внешнее периодически изменяющееся возмущающее воздействие V в, обусловленное изменением сопротивления движению транспортного средства на участках пути с различным профилем. Следовательно, статическая характеристика объекта регулирования окончательно примет следующий вид: VФ= V н+ V + Vв. На рис.1.2 представлена структурная схема объекта регулирования, состоящая из блока генератора ступенчатой функции F = Vн и двух блоков, реализующих функцию суммирования всех воздействий.