Принципы построения, характеристики и применение систем управления и регуляторов приводов.

Автоматическое управление.

Виды систем АУЭП.

Виды замкнутых СУ.

Проектирование СУ ЭП (общий подход).

Современные способы управления ЭП.

Формирование статических характеристик ЭП.

Формирование динамических характеристик ЭП.

Замкнутые системы автоматического управления ЭП.

Сущность подчиненного регулирования.

Стандартные настройки.

Пояснения к стандартным настройкам.

Схема управления с подчиненным регулированием координат.

Замкнутые схемы управления ЭП с асинхронными электродвигателями.

Следящий электропривод.

Импульсное регулирование.

Структура АЭП с СУ

Управление – организация процесса преобразования энергии (электрической в механическую или механической в электрическую) обеспечивающая в статических и динамических режимах требуемые параметры работы технологического процесса.

3 части – Система управления (СУ), Преобразователь (Пр), Объект управления (ОУ) (ДВ + РО)

КО – посредством его вводятся сигналы на пуск, остановку, реверс, на задание значений выходных параметров, на изменение режимов работы.

ФП – Формирует требуемые процессы управления.

ПУ – повышает уровень I, U, P до требуемого на выходе преобразователя.

Пр – преобразователь энергии.

ДВ – двигатель.

РО – рабочий орган.

1 – 4 – датчики обратных связей

1 – технологическая обратная связь.

Виды систем АУЭП

1. Разомкнутые – отсутствует измерение и контроль выходных величин, управляющее воздействие не зависит от выходных величин.

1 канал информации – управление невысокая точность (действуют возмущения)

Функции – пуск, реверс, торможение, обеспечение защит и блокировок.

2. Замкнутые – информация о выходных характеристиках участвует в формировании сигнала управления.

2 канала информации – задание и фактические значения выходных величин.

Виды обратных связей:

- главные и местные;

- положительные и отрицательные;

- жесткие и гибкие;

- линейные и нелинейные.

Обратная связь позволяет изменять выходную величину в небольших пределах.

Управление по отклонению.

Основная функция – сведение ошибки к нулю. Кроме этого – пуск, торможение, реверс, регулирование и ограничение коэффициента обеспечения заданного натяжения, согласование движения по нескольким координатам, обеспечение движения по заданной траектории, следящего режима, оптимизация, адаптация.

3. Комбинированные СУ – замкнутая и канал информации о возмущении (основной).

Качество регулирования выше, чем у замкнутых СУ.

Функции – аналогичные замкнутым.

Инвариантные СУ – нечувствительные к возмущениям.

3 канала информации – управление, фактические значения выходных величин, возмущения.

Виды замкнутых СУ.

1. 1. по отклонению;

2. по возмущению;

3. комбинированные.

II. 1. статические – воздействие к уст.знач. ошибке к пост. значению;

1. астатические – воздействие к уст.знач. ошибке к нулю.

III.1. попеременного управления – обратные связи действуют по отдельности;

2. с суммарным усилителем – одновременное управление по нескольким коэффициентам;

3. с подчиненным управлением – обратные связи действуют последовательно (друг за другом).

IV. 1. одноконтурные;

2. многоконтурные.

По виду действия:

1. по структуре;

2. по ошибке;

3. по обратной связи;

4. по количеству контуров.

Проектирование СУ ЭП. / Общий подход /

Проектирование СУ – составная часть общей задачи проектирования ЭМС.

Этапы

1. Анализ технологического процесса определение целевой функции формирование требований к СУ разработка ТЗ.

(В ТЗ входят: требование к статическим и динамическим характеристикам, форма управления, технико-экономические показатели, конструктивные и эксплуатационные характеристики).

2. Конструирование силовой части – род тока, напряжение, частота, тип преобразователя, выбор электрических двигателей, устройство сочленения с исполнительным органом механизма.

3. Разработка математической модели СЭП с учетом особенностей механизма.

4. Определяется структура СУЭП, проводится синтез ее параметров и анализ полученных характеристик.

Тенденции при проектировании – унификация элементов системы, использование типовых структур системы, серийно выпускаемых аппаратов, блоков, регуляторов.

Типовые унифицированные комплектные СУЭП.

Оптимизация при проектировании

1. Параметрическая – при заданной структуре и функциональных воздействиях определяются наилучшие параметры при которых получаются заданные показатели качества.

2. Структурная – поиск технического решения при котором используется минимум блоков и устройств.

3. Функциональная – определение закона управления, структуры и числовых значений параметров.

Чаще всего при проектировании производится комбинированная оптимизация.

Наиболее распространенный принцип проектирования – по прототипу – выбирается типовая структура СУ, определяются значение параметров, оценивается качество.

Модульный принцип заключается в выборе общей схемы управления, отвечающей требованиям ТЗ, из типовых блоков (модулей).

Принцип непосредственного синтеза СУ – по известной модели объекта и целевой функции специальными методами определяется структура, характеристики, числовые значения параметров и вид воздействия.

Ограничения при проектировании.

Физические – коэффициенты усиления;

Технические – постоянные времени;

Функциональные – насыщение, ускорение;

Энергетические – надежность;

Информационные –

Ограничения необходимо учитывать при проектировании.

При проектировании СУЭП приходится решать линейные и нелинейные задачи, использовать ручные и машинные методы проектирования, расчета и исследования, выбирать наиболее приемлемые методы и алгоритмы анализа и синтеза.

Реализация задача творческая, иттерационная.

В ТЗ входят следующие разделы:

1. назначение системы;

2. условия эксплуатации

общий срок, режимы, продолжительность непрерывной работы, климатические условия (t0 C, давление, влажность) вибрация. Ускорения, радиационные и биологические воздействия, требования к обслуживанию и ремонту, дизайн, транспортировка и хранение;

3. требования к габаритам и массе;

4. требования к показателям качества регулирования в статических и динамических режимах;

5. требования к надежности;

6. компоновка;

7. условия производства;

8. сроки проектирования.

Классифицировать СУЭП можно по виду управления:

1. стабилизирующие – .

2. программные – или – по программе.

3. следящие (позиционирование).

4. адаптивные (приспосабливающиеся).

Уровни управления СУ.

При построении АСУ ЭП следует выделять 2 уровня: внутренний и внешний.

Требования к СУ.

1. надежность – наработка на отказ;

2. точность – обеспечение заданной точности управления движением люфт – 1 мм;

3. быстродействие – реакция на воздействие min.

4. совместимость с другими устройствами;

5. удобство монтажа, обслуживания, ремонта;

6. помехозащищенность;

7. ресурсоемкость min (материалоемкость, энергоемкость, трудоемкость);

8. стоимость min.

Современные способы управления ЭП.

1. способы управления создаются в ТАР.

2. они распространены не только на ЭП, но и на другие объекты – технические, экономические, экспертные и даже социальные.

3. ЭП – наиболее представительный, распространенный и сложный технический объект.

4. можно выделить 2 уровня управления электроприводом:

· Внешний (верхний) уровень – технологическая программа работы ЭП (определяется механизмом или технологией).

· Внутренний (нижний) уровень – формирование статистических и динамических характеристик.

Пример: лифт – верхний уровень – заданный этап,

– нижний уровень – статические и динамические характеристи-ки, точность.

Система управления внутреннего уровня является составной частью регулируемого ЭП.

Для выделения уровней используются различные способы (методы) управления:

1. Классические – релейно-контакторное управление (жесткая логика).

2. Современные – возникли на основе классических

Скользящее, подчиненное, модальное, векторное, адаптивное управление - используются на внутреннем уровне. В них заложены критерии оптимизации быстродействие, точность, расход энергии. При модальном и векторном управлении требуется наблюдающее устройство (обязательно).

3. Перспективные способы – нейронные сети.

4. Интеллектуальные – фаззи управление.

Применимы для обоих уровней. Требуют наблюдающие устройства.

Универсальны – техника, экономика, экспертиза.

Скалярное управление – управление действующими значениями электрических величин.

Векторное управление – управление модулем и фазой мгновенных значений напряжения, тока, потокосцепления.

Модальное управление – управление корнями характеристического уравнения системы. Уменьшение датчиков, получение высокого качества, использование НУ.

Скользящее управление – релейный регулятор, переключающийся с высокой частотой, надежность, помехоустойчивость.

Адаптивное управление – приспособление к изменению параметров объекта.

Нейронная сеть – многоканальная модель нервно-мозговой системы человека.

Заложена способность к обучению путем изменения ω по определенному закону.

Свойство обучения используется в адаптивном регуляторе.

Фаззи управление – работает на основе модели процесса ассоциативного мышления человека, т. е. мышления в виде образов – терминов, которые оцениваются не телом, а числовым множеством. Больше – меньше; чуть больше – немного меньше.

Достоинства этих способов управления:

- адаптация к изменению параметров;

- реализация любого требуемого алгоритма управления;

- возможность работы с неточным описанием объекта (неполным) или при отсутствии его (нейронные сети).

Показатели качества регулирования.

1. Диапазон регулирования.

;

станки: D от 3 – 4 до 100;

станы: D от 20 до 50;

бумагоделательные машины: D ≈ 20.

2. Плавность регулирования.

; - отношение скоростей на двух соседних характеристиках.

изменяется – 1 ÷ 2;

– плавное (непрерывное) регулирование.

3. Экономичность регулирования.

; – оценка двигателя, как преобразователя электрической энергии в механическую.

С увеличением потерь () регулирование становится не экономичным.

;

4. Стабильность регулирования (статизм).

– способность держать нагрузку (отклонение скорости под действием нагрузки).

1. Направление регулирования.

2. Точность регулирования (максимальное отклонение частоты вращения, от заданной под действием нагрузки).

;

8. Допустимая нагрузка.

Допустимая нагрузка – нагрузка при которой двигатель работает без перегрева.

– условие работы двигателя без перегрева.

Показатели качества регулирования. (Динамический режим)

1. – время запаздывания;

2. – время первого согласования;

3. – время переходного процесса (быстродействие системы);

4. перерегулирование:

5. число колебаний:

6. скорость нарастания (ускорение):

Формирование статических характеристик ЭП.

1. Необходимость формирования статических характеристик связана с невысоким качеством естественной характеристики – низкая жесткость, малый диапазон, отсутствие ограничений тока и момента.

2. Повышение качества статических характеристик достигается в замкнутых системах (с обратными связями по скорости, току, напряжению, с отсечками).

3. Под формированием статических характеристик подразумевается подбор вида обратной связи (или их комбинации) и коэффициентов обратных связей, который дает необходимое качество регулирования.

Рассмотрим процесс формирования статических характеристик на примере тиристорный преобразователь – двигатель (ТП – Д).

1. Система с обратной связью по напряжению.

Система уравнений для статического режима:

В этих уравнениях:

– коэффициенты усилителя У и преобразователя П;

, – ЭДС преобразователя и двигателя;

, – сопротивления преобразователя и двигателя;

– коэффициент обратной связи по напряжению;

– постоянная двигателя, k – конструктивный коэффициент.

После подстановки уравнений и преобразователей получается уравнение механической характеристики замкнутой системы:

(*)

На графике:

1 – естественная механическая характеристика;

2 – разомкнутая, с учетом , ;

3 – характеристика замкнутой системы при максимальном коэффициенте системы;

4 – характеристика замкнутой системы при минимальном коэффициенте системы.

Анализ характеристик

· Первый член уравнения (*) определяет скорость идеального холостого хода, которую можно изменять путем изменения (характеристики 3 и 4).

· При жесткость механической характеристики не превосходит жесткость естественной характеристики.

· Диапазон регулирования будет зависить от падения напряжения в цепи якоря двигателя.

· Статизм при конечном значении будет возрастать по мере снижения напряжения задания .

;

· Такая система не обеспечивает большой диапазон и не обладает высокой точностью поддержания скорости.

· Фактически с помощью такой обратной связи компенсируется падение напряжения на внутреннем сопротивлении преобразователя и колебания напряжения сети.

· Применяется в комбинации с другими видами обратных связей.

2. Система с обратной связью по току.

Уравнения описывающие систему, за исключением первого, аналогичные.

где – .

В качестве шунта может быть использована обмотка дополнительных полюсов (стабилизирующая, компенсационная).

Уравнение механической характеристики:

;

где .

Анализ характеристик

· Статизм может быть равен нулю при – характеристика 3.

· При > 1 – характеристика восходящая 1.

· При < 1 – отрицательная жесткость – характеристика 2.

· Статизм определяется: ;

· Такая обратная связь компенсирует падение ω под действием нагрузки.

· Увеличение k ограничено устойчивостью системы.

3. Система с обратной связью по скорости.

Уравнения описывающие систему, за исключением первого. Аналогичные.

Уравнение механической характеристики:

;

где, , .

Анализ характеристик.

· Напряжение задания в замкнутой системе при обратных связях по скорости и напряжению выше чем в разомкнутых.

· Статизм определяется: при увеличении k статизм уменьшается.

· Возможно получение значительного диапазона (характеристики 2 – 4).

· Характеристика 1 – предельная при .

Формирование динамических характеристик.

Объект рассмотрения – система преобразователь – двигатель постоянного тока с различными обратными связями.

1. Управление осуществляется по цепи якоря, магнитный поток возбуждения постоянный и номинальный.

2. Задающее воздействие изменяется скачкообразно (переход с одной регулировочной характеристики на другую).

3. Изменение задания проводится в небольших пределах, чтобы считать систему линейной.

4. Механическая часть привода абсолютно жесткая, скоростное трение отсутствует.

5. Возмущающее воздействие и момент сопротивления равны нулю.

6. Индуктивностью внутренней силовой цепи преобразователя пренебрегаем.

1. Система с обратной связью по напряжению.

Принципиальная схема

П – преобразователь.

М – двигатель ПТ.

ОУ1 – ОУ3 – обмотки управления и обратных связей.

– напряжение задания (изменяется сигналом).

и – напряжения обратных связей по напряжению и току.

ДН и ДТ – датчики напряжения и тока.

С изменением тока двигателя изменяется напряжение преобразователя (ЭДС), поэтому в схеме с обратной связью по напряжению необходимо учитывать токовую составляющую, которая показана в виде положительной обратной связи по току.

Структурная схема

– коэффициенты усиления ОУ1

– коэффициенты усиления ОУ2

– коэффициент обратной связи по напряжению.

Передаточная функция по задающему воздействию:

;

Кривые реакции на скачок задания.

1 – кривая по передаточной функции Ф(Р);

2 – кривая без учета токовой составляющей;

3 – кривая разомкнутой системы.

– эквивалентная постоянная времени преобразователя.

– эквивалентный коэффициент усиления ОУ1.

– эквивалентный коэффициент усиления ОУ2.

Выводы:

1. Введение обратной связи по напряжению ускоряет переходный процесс на начальной стадии, но удлиняет на конечной (колебания).

2. Обратная связь по напряжению снижает коэффициент усиления и постоянную преобразователя.

3. Наличие в обратной связи по напряжению токовой составляющей ухудшает демпфирование системы – уменьшается коэффициент при первой производной .

4. Характер переходного процесса определяется в большей степени параметрами двигателя.

Обратная связь по скорости оказывает аналогичное действие.

Замкнутые системы автоматического управления электроприводом.

Назначение – управлять электроприводом по заданному закону;

– компенсировать влияние возмущений.

Система автоматического управления (САУ) вырабатывает сигнал управления в зависимости от сигналов датчиков и напряжения задания.

Требования к САУ.

1. Система должна быть устойчивой в установленном режиме, т. е. после изменения управляющего воздействия или исчезновения возмущения должны установиться заданные значения параметров.

2. Погрешность (ошибка регулирования) в установленном режиме не должна превышать заданной величины.

3. Система должна обеспечивать необходимое качество производственного процесса.

В электроприводе используются три основных принципа построения САУ

- попеременный

- параллельный

- последовательный.

Повышение качества работы САУ достигается введением корректирующих звеньев и связей, а также схемой построения регуляторов.

Параллельная и последовательная коррекция

сложность расчета сложность организации САУ

трудоемкость постройки энергоемкость (ист. питания)

необходимость перерасчета низкая помехозащищенность

при изменении одного параметра

высокое быстродействие удобное ограничение координат

простая реализация унифицированные узлы и блоки

простая наладка.

Попеременный принцип – наиболее простой, но не дающий высокого качества регулирования.

Сущность подчиненного регулирования – безынерционная система, отрабаты –

вающая напряжение управления без

перерегулирования.

Для этого последовательно с объектом необходимо поставить регулятор с W(p) обратнойW(p) объекта.

Это невозможно сделать по ряду причин.

1. Объект содержит несколько Т, перед некоторыми принципиально невозможно поставить регулятор.

2. Скорость нарастания тока якоря в этом случае должна быть недопустимо большой, что ограничивается коммутационной способностью коллектора двигателя и вызывает недопустимые ударные нагрузки на механизм.

Для отечественных машин допустимо .

3. Такая система чувствительна к различным помехам, что может привести к ложному открытию тиристоров.

Ищется компромиссное решение – максимальное быстродействие при допустимой помехозащищенности.

Строится САУ, состоящая из ряда контуров, число которых равно числу регулируемых координат.

Постоянные времени объекта разбиваются на:

большие – которые должны быть скомпенсированы;

малые – сумма которых не компенсируется.

Работа СПР.

Сигналом задания на ток является .

При наличии задания на ток, и изменяются до тех пор, пока фактическое значение тока якоря не станет равным . Величина пропорциональна отклонению скорости от заданного значения.