ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ…………………………………………………………….5
1.ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАТРОННЫХ
СИСТЕМ И ОБЪЕКТОВ........................................................................ |
7 |
1.1. Назначение, методы и принципы аналогового |
|
моделирования…………………………………………………………….7 |
|
1.2. Идеальный операционный усилитель и его основные |
|
характеристики..................................................................................... |
9 |
1.2.1. Свойства операционного усилителя...................................... |
9 |
1.2.2. Методика составления и преобразования структурных |
|
систем в процессе подготовки задач к решению на ЦВМ............ |
13 |
1.2.3. Характеристика объектов моделирования......................... |
14 |
1.2.4. Требования, предъявляемые к математическим |
|
моделям…………………………..…....................................................21 |
|
1.3.Математические модели механических систем электроприводов……………………………………….........................23
1.4.Математическая модель механической части электропривода
в абсолютных единицах..................................................................... |
|
23 |
|
1.5. Частотный анализ в электроприводе......................................... |
27 |
||
1.6. Описание среды визуального программирования MatLab |
|
||
Simulink для моделирования динамических звеньев и структурных |
|||
схем САР............................................................................................. |
|
|
34 |
1.6.1. Выборка и редактирование универсального блока |
|
||
Transfer Fcn........................................................................................ |
|
|
34 |
1.6.2. Блок построения сигналов Signal Builder.............................. |
42 |
||
1.6.3. Выбор метода счета............................................................... |
|
48 |
|
1.6.4. Блок одномерной матрицы Look-Up Table............................ |
49 |
||
1.6.5. Снятие частотной характеристики звена или |
|
||
динамической системы в MatLab..................................................... |
|
52 |
|
1.6.6. Вопросы для самопроверки……………………………………..57 |
|||
2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТИПОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ |
|||
МЕХАТРОННЫХ |
СИСТЕМ |
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО |
|
ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В |
|||
СРЕДЕ MATLAB SIMULINK................................................................ |
|
59 |
|
2.1. Исследование типовых линейных звеньев................................ |
59 |
||
2.1.1. Интегрирующее звено........................................................... |
. |
59 |
|
2.2.2. Инерционное звено (апериодического 1-го порядка)............ |
61 |
||
2.2.3. Пропорционально-интегрирующее звено (ПИ-звено).......... |
63 |
||
2.2.4. Реально-дифференцирующее звено (реальное Д-звено)..... |
66 |
||
2.3. Исследование свойств задатчика интенсивности (ЗИ)............. |
69 |
||
2.4. Переходные процессы в цепях возбуждения............................ |
73 |
||
2.4.1. Форсировка цепи возбуждения................................................ |
|
73 |
|
3
2.4.2. Исследование переходных процессов в цепях возбуждения |
|
электрических машин с учетом насыщения.................................. |
77 |
2.5. Исследование переходных процессов в двигателе постоянного |
|
тока при однозонном регулировании скорости................................ |
82 |
2.5.1. Разгон двигателя на холостом ходу до номинальной |
|
скорости и торможение до нуля..................................................... |
82 |
2.5.2. Разгон, работа и торможение двигателя с активной |
|
статической нагрузкой
IС
IH
......................................................85
2.5.3. Разгон, работа и торможение двигателя с реактивной |
|
нагрузкой............................................................................................. |
88 |
2.5.4. Приложение статической нагрузки во время разгона и |
|
снятие её во время торможения..................................................... |
89 |
2.5.5. Приложение скачка напряжения якоря
UЯ
0,1 UЯН
.....92
2.5.6. Скачкообразное приложение статической нагрузки |
|
при пониженном напряжении якоря.................................................. |
93 |
2.6. Исследование переходных процессов в двигателе постоянного |
|
тока при двухзонном регулировании скорости................................. |
95 |
2.7. Исследование переходных процессов асинхронного двигателя |
|
с короткозамкнутым ротором……………………………………………99 |
|
2.7.1.Описание линейной математической модели асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором……………………….…99
2.7.2.Вопросы для самопроверки…………………………………….107
3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ ГИДРОНАЖИМНОГО УСТРОЙСТВА С СЕРВОКЛАПАНОМ…….108
3.1.Устройство и назначение сервоклапана……………………….108
3.2.Математическая модель гидронажимного устройства и сервоклапана……………………………………………………………..109
3.3.Вопросы для самопроверки………………………………………119
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………...120
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемое вниманию читателей учебное пособие, разработанное в соответствии с Государственным образовательным стандартом Российской Федерации и рабочей программой по дисциплине "Моделирование мехатронных систем" для студентов ГОУ ВПО «Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова по направлениям 221000 «Мехатронные системы в автоматизированном производстве», 140400 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» и специальности 140604 "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов".
Материал учебного пособия разбит на три главы. В первой главе рассмотрены свойства идеального операционного усилителя, методику составления и преобразования структурных схем, математические модели механических систем электроприводов, частотный анализ в электроприводе, описание среды визуального программирования MatLab SIMULINK для моделирования динамических звеньев и структурных схем САР.
Во второй главе рассматриваются исследование свойств типовых элементов систем автоматизированного электропривода, как составные части мехатронных модулей: исследование типовых линейных звеньев, свойств задатчика интенсивности (ЗИ), переходных процессов в цепях возбуждения, переходных процессов в двигателе постоянного тока при однозонном и двухзонном регулировании скорости.
Втретьей главе исследуется мехатронная система гидронажимного устройства с сервоклапаном: устройство и работа сервоклапана и его математическая модель, математическая модель гидронажимного устройства с реверсивным поршнем, анализ переходных процессов математической модели мехатронной системы гидронажимного устройства с сервоклапаном.
Вопросы курса изложены с учетом наличия знаний у студентов дисциплин "Теоретические основы электротехники", "Физика", "Математика", “Электрический привод”, “Электрические машины”, “Теория автоматического управления”, “Гидравлические системы” - в объеме, изучаемом в техническом вузе.
Вконце книги приведены полезные ссылки на литературу, которую автор использовал при написании пособия. Поэтому при возникновении каких-либо вопросов в процессе изучения курса студентам необходимо пользоваться указанной литературой.
5
Автор надеется, что настоящее учебное пособие окажет достойную помощь студентам при изучении соответствующего курса, а также будет полезно в их дальнейшей профессиональной деятельности.
Понимая, что материал пособия может быть изложен в более доступной и наглядной форме, автор с благодарностью примет все замечания по его содержанию, которые следует направлять по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ им. Г.И. Носова, редакционно-издательский отдел (или на кафедру "Автоматизированного электропривода и мехатроники").
6
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАТРОННЫХ
СИСТЕМ И ОБЪЕКТОВ
1.1. Назначение, методы и принципы аналогового моделирования
Математическое компьютерное моделирование предполагает изучение процесса на основе анализа его математического описания с помощью ЭВМ дискретного и аналогового принципа действия.
При этом под вычислительной моделью понимают математическую модель, преобразованную к виду, удобному для работы на ЭВМ (например, принципиальная схема аналоговой модели следящей системы; программа для исследования следящего привода на ЦВМ). Вычислительные модели всегда реализуются средствами аналоговой, цифровой или гибридной техники.
Сущность моделирования заключается в замене реальной системы, машины или их элементов моделью, которая находится с ними в некотором соответствии и способна в той или иной мере воспроизводить свойства или характеристики реальной системы, то есть эффективно решать все основные задачи экспериментального исследования. Моделирование позволяет существенно уменьшить объём экспериментальных исследований,
атакже сократить сроки проектирования объектов.
Внастоящее время различают два основных метода моделирования: физическое и математическое, [18]. Под физическим моделированием понимается метод, основанный на исследовании модели, имеющей одинаковую физическую природу с оригиналом. Физическое моделирование заменяет эксперимент, что особенно ценно для сложных систем и машин, и даёт возможность исследовать явления, которые происходят в машинеоригинале, при сохранении их физической природы. Единство материального мира приводит к поразительной идентичности уравнений, описывающих процессы в самых различных областях науки и техники. Это позволяет изучать явления, происходящие в оригинале, применив математическое моделирование, когда модель и оригинал различны по своей природе, но могут быть математически одинаково описаны. Таким образом, математическое моделирование использует модель иной физической природы по сравнению с оригиналом. Что же представляет собой математическая модель технического объекта?
7