ЭМС с позиции ТАУ. ЭПС как объект управления.

Структурная схема ЭМС и ее основные блоки

Электромеханической системой ЭМС мы будем называть электромеханическое устройство, содержащее управляемый электри-ческий преобразователь УЭП, электромеханический преобразователь ЭМП, передаточный механизм ПМ, рабочий механизм (рабочий орган) РМ и устройство управления УУ. Структурная схема системы может быть представлена в следующем виде

Рис.1.1

Электромеханический преобразователь (электрический двигатель) ЭМП преобразует электрическую энергию на выходе электрического проебразователя в механическую энергию на своем валу. Эта энергия через передаточный механизм ПМ, содержащий механические передачи и соединительные муфты, передается рабочему механизму РМ. В ряде случаев ПМ может отсутствовать (в безредукторных системах) или входить конструктивно в состав рабочего механизма РМ.

Управляемый электрический преобразователь УЭП предназначен для управления потоком электрической энергии, поступающей из сети с целью регулирования режимов работы ЭМП. Управляющим воздействием является электрический сигнал U_у.

Управляющее устройство в ЭМС представляет собой информа-ционную слаботочную часть системы, предназначенную для обработки информации о задающих воздействиях и координатах состояния системыи выработки на ее основе сигнала управления преобразовательным устройством U_у с целью обеспечения желаемого характера изменения координат системы. В состав устройства управления входят измерительно-преобразовательные устройства ИПУ и регулятор Р. Выходные переменные силовой части системы и механизма измеряются и преобразуются в пропорциональные им электрические сигналы с помощью измерительно-преобразовательного устройства ИПУ. В его состав могут входить тахогенераторы, измерители положения, напряжения, тока, АЦП и ЦАП и т.п.

Основные узлы ЭПС-управляемый преобразователь электрической энергии УЭП, электромеханический преобразователь ЭМП, передаточное устройство ПУ и рабочий механизм РМ образуют энергетическую подсистему ЭПС.

Информационную подсистему ИПС образуют устройства управления УУ, а в ряде случаев и устройства диагностирования УД и защиты УЗ. Взаимосвязь информационных и энергетических подсистем обычно осуществляется по принципу обратной связи.

Наличие в ЭМС обратных связей приводит к необходимости описания и анализа ЭМС как многоконтурной и многосвязной системы. Указанное обстоятельство, а также то, что ЭМС являются автоматическими системами, работающими в режимах с непрерывным и дискретным управлением, заставляют при разработке математических моделей и методик анализа и синтеза ЭМС использовать методологию теории автоматического управления.

 

ЭМС с позиции ТАУ. ЭПС как объект управления.

Рассматривая ЭМС как САУ выходной координатой, ее можно представить в виде простейшей структурной схемы

Рис.1.2

и выделить в ней объект управления ОУ и регулятор Р.

По ряду причин в качестве объекта управления мы будем рассматривать систему "УЭП-ЭМП-ПМ-РМ" или энергетическую подсистему ЭПС. Одна из них- периодическое изменение параметров и структуры силовой цепи и наличие нескольких коммутационных интервалов на периоде коммутации, приводящих к специфичным статическим и динамическим характеристикам. Это обстоятельство сложно учесть, представляя силовой канал двумя звеньями САР с независимыми и постоянными во времени параметрами.

В простом случае объекты управления, характеризующиеся вектором СОСТОЯНИЯ Y (t), имеют одну УПРАВЛЯЮЩУЮ переменную u(t), одну РЕГУЛИРУЕМУЮ координату X(t) и одно ВОЗМУЩАЮЩЕЕ воздействие W(t). (см. схему на рис. 1.2) В более сложных случаях объект является многоканальным, с несколькими управляющими и возмущающими воздействиями, несколькими регулируемыми координатами и с взаимосвязанными каналами.

По характеру переноса информации или энергии ЭПС как объекты управления можно разделить на

1. непрерывные объекты, преобразование энергии в которых происходит непрерывным потоком (Мат. модели их описываются дифференциальными уравнениями линейными или нелинейными, обыкновенными или в частных производных);

2. объекты с периодически возобновляемыми процессами преобразования (Мат. модели- дифф. уравнения с периодически изменяющимися коэффициентами или правыми частями или разностные уравнения).

 

Задачи управления

Системы локального уровня обеспечивают заданный характер изменения регулируемых координата ЭПС (момента, скорости, угла поворота). По характеру изменения регулируемых координат различают задачи стабилизации, слежения и терминального управления, одинаково распространенные как для одноканальных, так и для многоканальных объектов управления.

Задача стабилизации может быть сформулирована как задача поддержания выходной координаты (или вектора выхода) на постоянном уровне., т.е. X=const. ЭМС, реализующие эту задачу, называют системами стабилизации выходного параметра (момента на валу, скорости вращения или линейного перемещения вала РМ, угла поворота вала и т.п.).

Задача слежения состоит в выполнение условия X(t)= Xзад(t). Если закон изменения Xзад(t) заранее неизвестен- то такие системы называются следящими, если он заранее определен- то такие системы называют системами программного управления.

Задача терминального управления состоит в переводе объекта управления из исходной (начальной) в заданную (конечную) точку при соблюдении заданного критерия оптимизации (минимального времени перемещения, минимальных затрат энергии и т.п.).

 

Регуляторы

Управление, обеспечивающее решение рассмотренных локальных задач, осуществляется с помощью функциональных элементов САР, называемых регуляторами. Регулятор производит расчет управляющих сигналов u(t) на основании анализа текущих значений задающего воздействия, регулируемых координат и других сигналов, поступающих в устройство управления. Алгоритм расчета носит название алгоритма (закона) управления. Структурные решения регуляторов САУ и законы управления, формируемые ими во многом определяются как характе-ристиками объектов, так и целями управления.

По характеру изменения сигнала в канале управления (или в ИПС ЭМС) различают

регуляторы с непрерывными по амплитуде и во времени сигналами (непрерывные регуляторы),

регуляторы с непрерывными по амплитуде и дискретными во времени сигналами (регуляторы с квантованными во времени сигналами),

- регуляторы с дискретными по амплитуде и непрерывными во времени сигналами (регуляторы с квантованными по уровню сигналами),

- регуляторы с дискретными по амплитуде и дискретными во времени сигналами (цифровые регуляторы)

 

Принципы управления

С помощью регуляторов в систему управления вводятся цепи (контуры) прямых и обратных связей. В зависимости от структуры контуров различают разомкнутое управление, управление по отклонению и комбинированное управление.

Разомкнутое управление предусматривает использование контуров прямой связи по задающему воздействию (см. рис. 1.3)

Рис.1.3.

В системе с разомкнутой цепью воздействий отсутствует обратная связь, вследствие чего при возникновении отклонения выходной переменной от заданного значения, вызванные тем или иным возму-щающим воздействием, сигнал управления на входе объекта остается неизменным. Он является функцией только задающего воздействия и не связан со значение регулируемой координаты, т.е. u =u(Xзад). Примером может служить двигатель М, питающийся от преобразователя П и приводящий в движение механизм, который включает в себя исполнительный орган ИО и передаточный механизм ПМ. На преобразователь, двигатель и механизм действуют возмущения в виде изменения напряжения сети, изменения момента нагрузки и др. Эти возмущения приводят к отклонению выходной координаты (момента, скорости или угла) от предписанного значения, Поэтому разомкнутое управление в практических случаях используется очень редко.

С целью уменьшения, а в идеальном случае - исключения ошибки, обусловленной возмущением, может быть построена система с регулированием по возмущению. Принцип построения такой системы поясняется рис. 1.3. На регулятор через устройство компенсации К1, обеспечивающее измерение возмущений и придание определенных динамических свойств компенсационным каналам, подаются сигналы, зависящие от возмущающих воздействий. Теоретически при правильном выборе передаточных функций компенсационных каналов и точном измерении воздействий можно говорить о полной инвариантности системы к возмущениям, т.е. о полной компенсации влияния возмущений на силовую часть за счет воздействия регулятора. В этом случае управляющее воздействие на входе объекта является функцией от задающего Xзад и возмущающего W воздействий, но, как и ранее, не зависит от значения регулируемой координаты. Поэтому такая система относится к системам с разомкнутой цепью воздействий.

В системе с замкнутой цепью воздействий (замкнутая система) управление, действующее на силовую часть, изменяется при отклонении истинных значений выходных переменных от предписанных, что достигается путем введения обратных связей с выхода системы на ее входы (см. рис.1.4)

Рис. 1.4.

На входе регулятора Р организуется сигнал, пропорциональный отклонениям истинных значений регулируемых переменных от предписанных. Эти отклонения представляют собой ошибку регулирования e =X_зад -X. Таким образом управляющее воздействие u, формируемое регулятором на входе объекта зависит от ошибки регулирования или от разницы заданного и истинного значения регулируемой величины или u=u (e).

Абсолютная точность решения локальной задачи может быть достигнута при использовании комбинированного управления, предусматривающего прямые и обратные связи. Управляющее воздействие на входе объекта зависит, следовательно, как от ошибки регулирования e, так и от задающего воздействия X_зад, т.е. u= u(e,X_зад). Прямая связь через корректирующее звено К₂ показана на рис.1.4. штриховой линией