Politechnika Śląska w Gliwicach

Wydział Elektryczny

Studia magisterskie

Kierunek Elektronika i Telekomunikacja

Ćwiczenia laboratoryjne z przedmiotu

AUTOMATYKA I STEROWANIE

REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ

Semestr VI Data wykonania ćwiczenia:

11.04.2005 r.

Grupa KSS 2

Sekcja II:

Chropacz Paweł

Motyka Ryszard

Sawczuk Grzegorz

Prowadzący:

dr inż. Henryk Urzędniczok

1. CEL ĆWICZENIA:

Podstawowym celem tego ćwiczenia jest zapoznanie się z układem służącym do stabilizacji prędkości obrotowej silnika prądu stałego. W czasie wykonywania tego ćwiczenia skupiliśmy się na układzie ze sprzężeniem od wielkości zakłóceniowej. Dokonamy badania właściwości statycznych i dynamicznych takiego układu regulacji, przy zmieniającej się wartości zadanej i obciążenia, które będzie źródłem zakłóceń.

2. PRZEBIEG POMIARÓW ORAZ OPIS METODY POMIAROWEJ:

Opis stanowiska pomiarowego:

W stanowisku pomiarowym można wyróżnić następujące dwa bloki funkcjonalne:

• pierwszy stanowi układ sterująco - pomiarowy, który jest realizowany przez system komputerowy, czyli odpowiednie oprogramowanie na komputerze klasy PC,

• układ wykonawczy, czyli silnik sprzężony mechanicznie z prądnicą i przetwornikiem obrotowo - impulsowym, realizowany jako układ dołączony do komputera

Ogólny schemat układu pomiarowego:

W układzie tym Ks(s) stanowi obiekt regulacji, jest nim silnik sprzężony mechanicznie z prądnicą, która jest z kolei obciążona rezystancją. Zmiana obciążenia spowoduje zmianę momentu hamującego, czego skutkiem będzie zmiana prędkości obrotowej układu. W tym momencie zacznie płynąć prąd, którego będziemy traktować jako zakłócenie. Które z kolei jest przekształcone na napięcie (Kr), a następnie podane na wejście sumatora. Sygnał sterowania jest więc suma wartości zadanej Uz i wzmocnionego Kr napięcia na rezystancji RN2, przez który płynie prąd w obwodzie twornika. Należy zwrócić uwagę na to, że sygnał sprzężenia jest doprowadzony ze znakiem „plus” do węzła sumującego. Jest to związane z tym iż kierunek działania zakłócenia jest przeciwny do kierunku działania wymuszenia - oznacza to, że zwiększanie prądu w obwodzie prądu powoduje zmniejszenie prędkości obrotowej silnika.

Pomiary:

ĆWICZENIE 1:

Dla określonej wartości zadanej Uz dokonujemy zmian rezystancji obciążenia prądnicy. Na tej podstawie odczytujemy wartość prędkości obrotowej n, oraz wartość natężania prądu w obwodzie prądnicy I₂. Pomiary zostały dokonywane przy wykorzystaniu opcji programu „pomiary statyczne kr = 0 ; kw = 1”. Badany układ pomiarowy jest układem otwartym. Wyniki umieszczono w poniższej tabeli.

Dla Uz=4V:

I2[mA]	n[obr/min]	URN[V]	I1[A]	Us[V]
28	694	0,028	1,06	4,02
55	674	0,04	1,08	4,02
60	675	0,049	1,07	4,02
64	672	0,05	1,04	4,02
86	649	0,072	1,12	4,02
94	648	0,08	1,1	4,02
118	607	0,1	1,15	4,02
136	598	0,112	1,16	4,02
165	584	0,131	1,17	4,02
202	504	0,168	1,27	4,02

Dla Uz=5V:

I2[mA]	n[obr/min]	URN[V]	I1[A]	Us[V]
48	1154	0,04	1,12	5,04
68	1146	0,055	1,15	5,04
74	1134	0,06	1,16	5,04
85	1095	0,065	1,17	5,04
107	1080	0,085	1,21	5,04
137	1031	0,112	1,24	5,04
196	956	0,163	1,37	5,04

Na tej podstawie można wykreślić charakterystykę:

n=f(I₂)

Dla układu z zerowym obciążeniem. Badamy wpływ wartości napięcia zadanego na wartość obrotów silnika. Otrzymamy w ten sposób charakterystykę sterowania. Wyniki umieszczono w poniższej tabeli:

Uz[V]	6	5,52	5,04	4,5	4	3,5	3	2,5
n[obr/min]	1625	1411	1212	990	786	584	387	174

Można na tej podstawie wykreślić charakterystykę:

n=f(U_z)

ĆWICZENIE 2:

Dla układu ze sprzężeniem od zakłóceń dokonujemy pomiarów dynamicznych.

Wykonane zostaną pomiary odpowiedzi układu zamkniętego na:

• skokową zmianę wartości zadanej,

• zmianę prądu w obwodzie prądnicy.

Korzystając przy tym z opcji „pomiarów dynamicznych”. Uzyskaliśmy następujące przebiegi czasowe:

Uz=6V, Iobc -wyłączone

Uz=6V, Iobc -załączone

Uz=0V, Iobc -załączone

Uz=0V, Iobc -wyłączone

ĆWICZENIE 3:

Kolejne zadanie polega na znalezieniu wartości współczynnika kr, takiego aby przy zmianie obciążania (czyli zakłócenia) wartość prędkości obrotowe pozostała stała. Sprawdzenia tego dokonujemy w układzie zamkniętym. Udało nam się znaleźć taka wartość współczynnika doświadczalnie. W tym przypadku wynosi on:

Można go również wyznaczyć korzystając z zależności:

W tym celu należy aproksymować proste uzyskane w ćwiczeniu pierwszym:

Dla: Uz=5V n = -1,4039I₂ + 1228,5

Dla: Uz=4V n = -1,0416I₂ + 735,5

Dla ustalonej prędkości n=700[obr/min]

Po formalnym przekształceniu wzorów i podstawieniu otrzymuje się:

,

więc:

Przy następujących zdanych:

• 
  

• 
  

• 
  

Otrzymujemy:

Dla tak określonego pomiarowo współczynnika otrzymano następujące przebiegi czasowe:

Uz=3,96V, Iobc -załączone

Uz=3,96V, Iobc - wyłączone

Dokonamy jeszcze pomiarów statycznych układu przy takich ustawieniach. Wyniki umieszczono w poniższej tabeli pomiarowej.

I2[mA]	n[obr/min]	URN[V]	I1[A]	Us[V]
54	813	0,043	0,96	4,13
69	822	0,057	0,97	4,18
82	825	0,067	0,97	4,21
94	816	0,077	1,03	4,25
121	828	0,107	1,06	4,35
134	817	0,11	1,23	4,37

Charakterystykę umieszczono na wykreślonych wykresach pochodzących z ćwiczenia 1.

3. WNIOSKI

Przy wyznaczaniu charakterystyki statycznej uzyskaliśmy typową charakterystykę mechaniczną silnika prądu stałego. Wzrost prądu twornika spowodował zmniejszenie się prędkości obrotowej. Jednak istnieje możliwość takiego doboru nastaw regulatora, aby uzyskać praktycznie stałą wartość obrotów mimo zmiany obciążenia - które w ćwiczeniu zostało potraktowane jako zakłócenie.

Przy wyznaczaniu charakterystyki sterowania zauważamy, że jest ona liniowa.

Z odpowiedzi obiektu regulacji przy wyłączonym obciążeniu stwierdzamy, że jest on elementem 1 rzędu. W stanie ustalonym wprowadzono skokowo obciążenie zmniejszyło się prędkość obrotowa, zmienił się również sygnał wprowadzany do sumatora. Wyłączenie skokowe napięcia zasilającego spowodowało zaniknięcie ruchu.

Dla wyznaczonej wartości współczynnika kr uzyskaliśmy praktycznie stałą wartość prędkości zarówno w przypadku skokowego podłączeniu jak i wyłączeniu obciążenia. Jednak istnieje różnica między teoretyczna wartością a określona podczas pomiaru. Może to być spowodowane tym, że proste zostały opisywane równaniem matematycznym przez program komputerowy, a przy tym proste te nie są równoległe jak by tego wymagała opisywana metoda. Dodatkowo w czasie obydwu pomiarów były różne wartości napięcia Uz -duży wpływ może mieć więc charakterystyka sterowania, czyli jej liniowość. Jak widać na charakterystyce widać stała (prawie stałą) wartość prędkości obrotowej w zakresie zmian jakie dokonaliśmy. Oczywiście w momentach zmiany sygnałów zakłócających zmienił się sygnał sprzężenia, w taki sposób aby mógł skompensować te zmiany.

LABORATORIUM AUTOMATYKI I STEROWANIA

REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ

+Uccc

no(s)

Uo=noko

kw

pomiar z1

kr

Z1(s)

KZ1(s)

n(s)

KS(s)

---