Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
|
Введение 4
1 Анализ предметной области 7
1.1 Общая информация об электроприводах 7
1.2 Инструменты, используемые при разработке автоматизированных систем
управления 9
1.3 Программно-аппаратный комплекс 11
1.4 Анализ объекта управления 16
2 Реализация закона управления двигателем 23
2.1 Требования, предъявляемые к устройству управления
электроприводом 23
2.2 Структурная схема устройства управления ИДДП 25
2.3 Представление объекта управления в виде математической модели 27
2.3.1 Математическая модель двигателя двойного питания в собственных
осях обмоток 28
2.3.2 Математическая модель двигателя двойного питания в единой системе
вращающихся координат 31
2.3.3 Упрощённая нелинейная модель ДДП 33
3 Разработка системы управления электроприводом 36
3.1 Описание используемой установки 36
3.2 Программное обеспечение установки 37
3.3 Основные технические решения, используемые в ходе создания
виртуальных приборов 42
Заключение 57
Список сокращений 59
Список используемых источников 60
1 Анализ предметной области 7
1.1 Общая информация об электроприводах 7
1.2 Инструменты, используемые при разработке автоматизированных систем
управления 9
1.3 Программно-аппаратный комплекс 11
1.4 Анализ объекта управления 16
2 Реализация закона управления двигателем 23
2.1 Требования, предъявляемые к устройству управления
электроприводом 23
2.2 Структурная схема устройства управления ИДДП 25
2.3 Представление объекта управления в виде математической модели 27
2.3.1 Математическая модель двигателя двойного питания в собственных
осях обмоток 28
2.3.2 Математическая модель двигателя двойного питания в единой системе
вращающихся координат 31
2.3.3 Упрощённая нелинейная модель ДДП 33
3 Разработка системы управления электроприводом 36
3.1 Описание используемой установки 36
3.2 Программное обеспечение установки 37
3.3 Основные технические решения, используемые в ходе создания
виртуальных приборов 42
Заключение 57
Список сокращений 59
Список используемых источников 60
В настоящее время электроприводы используются повсеместно. С ростом численности и многообразия технических и функциональных характеристик электроприводов возрастают предъявляемые требования к возможностям системы: точность, динамические характеристики, надёжность,энергопотребление, массогабаритные показатели и многое другое. Отдельной категорией электроприводов, использующихся в производстве, можно выделить высокоточные, или прецизионные электроприводы.
Свойства электропривода определяются типом двигателя, способом управления двигателем, принципом построения системы электропривода и используемыми элементами (датчиками, устройствами электропитания, регуляторами). Усовершенствование электроприводов может происходить как комплексно, так и индивидуально с учетом особенностей используемых компонентов.
Среди множества объектов автоматизации можно выделить следующие системы, в которых участие человека в технологических процессах сведено к минимуму, такие как: конвейерные ленты, трехкоординатные системы, системы поворота ответственных установок. В данных системах к электроприводам предъявляются крайне серьёзные требования по функциональным возможностям.
В общем, к вышеперечисленным объектам автоматизации предъявляются следующие требования:
- возможность выбора режима функционирования системы;
- стабильность вращения системы;
- широкий диапазон скоростей выходного вала (1:10000);
- низкая ошибка при наведении;
- возможность работы в режиме ограниченного энергопотребления;
- оптимальные массогабаритные показатели;
- повышенный срок активной работы системы.
Наличие подобных требований приводит к необходимости усовершенствования электромеханических систем, одним из направлений такого усовершенствования является использование двигателей переменного тока, в том числе двойного питания (ДДП). ДДП имеют две разновидности: на основе широко распространённого обычного асинхронного двигателя с фазным ротором и менее известные индукторные (ИДДП).
Соединение в ИДДП принципов электромагнитной редукции и двойного питания делает его уникальным исполнительным элементом низкоскоростных электроприводов: за счёт принципа двойного питания обеспечивается равномерное вращение с малыми скоростями ротора при сравнительно высоких частотах питания, а за счёт электромагнитной редукции - увеличение в десятки раз номинального электромагнитного момента. В результате ИДДП имеют сравнительно хорошие удельные энергетические показатели и весьма перспективны для прецизионных электромеханических систем, позволяя осуществить переход к безредукторным электроприводам.
Актуальность темы работы определяется необходимостью совершенствования систем управления электроприводом с использованием принципов мехатроники.
Цель работы заключается в разработке системы управления электроприводом с использованием математической модели в режиме реального времени.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
- Проведение анализа функциональных особенностей индукторных двигателей двойного питания, использование различных способов управления электроприводом;
- Проведение анализа возможностей программно-аппаратного комплекса на основе National Instruments LabVIEW с целью реализации расчета математической модели. Рассмотреть возможность кроссплатформенного взаимодействия представленного программного обеспечения с системами, позволяющими осуществлять расчет математических моделей;
- Предложить варианты оптимального использования возможностей аппаратного комплекса и программного обеспечения, представленного разработчиком National Instruments, с учетом специфики математической модели.
- Предложить методику использования разработанной системы с учетом полученных выходных значений и характеристик системы.
Таким образом, итогом данной работы является разработанное в среде National Instruments LabVIEW программное обеспечение, производящее расчет электромеханических процессов в электроприводе.
Свойства электропривода определяются типом двигателя, способом управления двигателем, принципом построения системы электропривода и используемыми элементами (датчиками, устройствами электропитания, регуляторами). Усовершенствование электроприводов может происходить как комплексно, так и индивидуально с учетом особенностей используемых компонентов.
Среди множества объектов автоматизации можно выделить следующие системы, в которых участие человека в технологических процессах сведено к минимуму, такие как: конвейерные ленты, трехкоординатные системы, системы поворота ответственных установок. В данных системах к электроприводам предъявляются крайне серьёзные требования по функциональным возможностям.
В общем, к вышеперечисленным объектам автоматизации предъявляются следующие требования:
- возможность выбора режима функционирования системы;
- стабильность вращения системы;
- широкий диапазон скоростей выходного вала (1:10000);
- низкая ошибка при наведении;
- возможность работы в режиме ограниченного энергопотребления;
- оптимальные массогабаритные показатели;
- повышенный срок активной работы системы.
Наличие подобных требований приводит к необходимости усовершенствования электромеханических систем, одним из направлений такого усовершенствования является использование двигателей переменного тока, в том числе двойного питания (ДДП). ДДП имеют две разновидности: на основе широко распространённого обычного асинхронного двигателя с фазным ротором и менее известные индукторные (ИДДП).
Соединение в ИДДП принципов электромагнитной редукции и двойного питания делает его уникальным исполнительным элементом низкоскоростных электроприводов: за счёт принципа двойного питания обеспечивается равномерное вращение с малыми скоростями ротора при сравнительно высоких частотах питания, а за счёт электромагнитной редукции - увеличение в десятки раз номинального электромагнитного момента. В результате ИДДП имеют сравнительно хорошие удельные энергетические показатели и весьма перспективны для прецизионных электромеханических систем, позволяя осуществить переход к безредукторным электроприводам.
Актуальность темы работы определяется необходимостью совершенствования систем управления электроприводом с использованием принципов мехатроники.
Цель работы заключается в разработке системы управления электроприводом с использованием математической модели в режиме реального времени.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
- Проведение анализа функциональных особенностей индукторных двигателей двойного питания, использование различных способов управления электроприводом;
- Проведение анализа возможностей программно-аппаратного комплекса на основе National Instruments LabVIEW с целью реализации расчета математической модели. Рассмотреть возможность кроссплатформенного взаимодействия представленного программного обеспечения с системами, позволяющими осуществлять расчет математических моделей;
- Предложить варианты оптимального использования возможностей аппаратного комплекса и программного обеспечения, представленного разработчиком National Instruments, с учетом специфики математической модели.
- Предложить методику использования разработанной системы с учетом полученных выходных значений и характеристик системы.
Таким образом, итогом данной работы является разработанное в среде National Instruments LabVIEW программное обеспечение, производящее расчет электромеханических процессов в электроприводе.
В результате выпускной квалификационной работы разработана автоматизированная система управления электроприводом с использованием математической модели в режиме реального времени. Для выполнения поставленных задач проведен анализ теоретического материала по рассматриваемой теме, рассмотрены возможности программно-аппаратного комплекса на базе производителя National Instruments.
В графической интегрированной среде разработки LabVIEW реализован проект с системой управления индукторным двигателем двойного питания. Проект представлен совокупностью виртуальных приборов, каждый из которых выполняет заданный набор функций и физически располагается на различных аппаратных уровнях.
Для использования математической модели двигателя двойного питания в виде системы дифференциальных уравнений реализован метод Рунге-Кутты четвертого порядка точности, представленный в виде динамически подключаемой библиотеки и рассчитываемый на контроллере с операционной системой реального времени.
Алгоритм расчета математической модели в режиме реального времени, предлагаемый к использованию, включает в себя следующие этапы:
- создание динамически подключаемой библиотеки определенной конфигурации в текстовой ИСР;
- проверка совместимости динамически подключаемой библиотеки с операционной системой реального времени, установленной на контроллере, утилитой LabVIEW RT DLL Cheker;
- передача функций из импортируемой динамически подключаемой библиотеки, в узел Call Library Function Node, выбор соглашения о вызовах;
- передача переменных в функцию, выбор присущих типов данных и режимов указателя;
- расстановка связей между узлами Call Library Function Node.
Именно по такому алгоритму, в случае с одноканальным управлением, проведен расчет математической модели индукторного двигателя двойного питания в виде трёх дифференциальных уравнений.
Согласно полученным результатам, время занимаемое расчетом дифференциальных уравнений по методу Рунге-Кутты с четвертым порядком точности составляет 10 миллисекунд на 100 итераций алгоритма, что является вполне достаточным в случае с использованием системы для расчетов механических процессов в электродвигателе.
Данные о вращающем моменте далее могут быть использованы для вычисления угловой скорости и угла поворота электродвигателя, что в перспективе позволяет избавиться от датчика углового положения.
Таким образом, результаты работы показывают целесообразность использования математической модели в системах управления электроприводом с применением микропроцессорных средств обработки информации.
В качестве обобщения полученных результатов предложена методика использования математической модели двигателя двойного питания для расчетов в режиме реального времени.
В графической интегрированной среде разработки LabVIEW реализован проект с системой управления индукторным двигателем двойного питания. Проект представлен совокупностью виртуальных приборов, каждый из которых выполняет заданный набор функций и физически располагается на различных аппаратных уровнях.
Для использования математической модели двигателя двойного питания в виде системы дифференциальных уравнений реализован метод Рунге-Кутты четвертого порядка точности, представленный в виде динамически подключаемой библиотеки и рассчитываемый на контроллере с операционной системой реального времени.
Алгоритм расчета математической модели в режиме реального времени, предлагаемый к использованию, включает в себя следующие этапы:
- создание динамически подключаемой библиотеки определенной конфигурации в текстовой ИСР;
- проверка совместимости динамически подключаемой библиотеки с операционной системой реального времени, установленной на контроллере, утилитой LabVIEW RT DLL Cheker;
- передача функций из импортируемой динамически подключаемой библиотеки, в узел Call Library Function Node, выбор соглашения о вызовах;
- передача переменных в функцию, выбор присущих типов данных и режимов указателя;
- расстановка связей между узлами Call Library Function Node.
Именно по такому алгоритму, в случае с одноканальным управлением, проведен расчет математической модели индукторного двигателя двойного питания в виде трёх дифференциальных уравнений.
Согласно полученным результатам, время занимаемое расчетом дифференциальных уравнений по методу Рунге-Кутты с четвертым порядком точности составляет 10 миллисекунд на 100 итераций алгоритма, что является вполне достаточным в случае с использованием системы для расчетов механических процессов в электродвигателе.
Данные о вращающем моменте далее могут быть использованы для вычисления угловой скорости и угла поворота электродвигателя, что в перспективе позволяет избавиться от датчика углового положения.
Таким образом, результаты работы показывают целесообразность использования математической модели в системах управления электроприводом с применением микропроцессорных средств обработки информации.
В качестве обобщения полученных результатов предложена методика использования математической модели двигателя двойного питания для расчетов в режиме реального времени.