книги / Системы управления электромеханическими исполнительными механизмами
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.П. Казанцев
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ
Лабораторный практикум
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2018
1
УДК 62-83: 681.51: 681.587 К14
Рецензенты:
д-р техн. наук, директор А.В. Трусов (Центр научно-технической информации, Пермь)
д-р техн. наук, проф. С.В. Бочкарев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Казанцев, В.П.
К14 Системы управления электромеханическими исполнительными механизмами : лаб. практикум / В.П. Казанцев. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2018. – 93 с.
ISBN 978-5-398-01980-3
Включает восемь лабораторных работ по исследованию контактных и бесконтактных систем управления электромеханическими исполнительными механизмами постоянной и переменной скорости на лабораторных стендах и с применением персональных компьютеров.
Предназначены для студентов, обучающихся по направлениям подготовкибакалавров:
–15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», профилю программы бакалавриата «Автоматизация технологических процессов и производств в машиностроении и энергетике»;
–13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профилю программы бакалавриата «Электропривод и автоматика».
УДК 62-83: 681.51: 681.587
ISBN 978-5-398-01980-3 |
© ПНИПУ, 2018 |
2
|
СОДЕРЖАНИЕ |
Принятые сокращения |
.................................................................... 5 |
Введение............................................................................................. |
6 |
1.Общие принципы построения электромеханических систем управления исполнительными
механизмами.................................................................................. |
8 |
1.1. СУИМ постоянной скорости................................................ |
10 |
1.2. СУИМ переменной скорости................................................ |
15 |
2. Лабораторный практикум по СУИМ постоянной |
|
скорости........................................................................................ |
18 |
Лабораторная работа № 1 |
|
Релейно-контакторная СУИМ на базе типовой |
|
промышленной панели..................................................................... |
18 |
Лабораторная работа № 2 |
|
СУИМ постоянной скорости с бесконтактным |
|
реверсором и микропроцессорным регулятором |
|
типа МЕТАКОН 514-Т..................................................................... |
23 |
Лабораторная работа № 3 |
|
СУИМ постоянной скорости с интеллектуальным |
|
блоком управления электроприводом МСТ-351А |
|
серии «МикроСТАРТ-А»................................................................. |
36 |
3. Лабораторный практикум по СУИМ |
|
переменной скорости.................................................................. |
45 |
Лабораторная работа № 4 |
|
Математические модели электромеханических |
|
объектов управления........................................................................ |
46 |
Лабораторная работа № 5 |
|
Цифровые системы управленияскоростью |
|
рабочихоргановисполнительных механизмов |
|
с регуляторами состояния................................................................ |
53 |
|
3 |
Лабораторная работа № 6 |
|
Цифровые системы управления положением |
|
рабочих органов исполнительных механизмов |
|
с регуляторами состояния................................................................ |
62 |
Лабораторная работа № 7 |
|
Синтез и анализ цифровых систем управления |
|
скоростью рабочих органов исполнительных механизмов |
|
с регуляторами класса «вход – выход» .......................................... |
64 |
Лабораторная работа № 8 |
|
Синтез и анализ цифровых следящих систем |
|
управления положением исполнительных механизмов |
|
с регуляторами класса «вход – выход» .......................................... |
72 |
Заключение...................................................................................... |
78 |
Библиографический список ......................................................... |
80 |
Приложение А. Описание интерфейса программного |
|
продукта «Исследование САУ» ...................................................... |
83 |
Приложение Б. Последовательность работы |
|
с компьютерной программой «Исследование САУ» .................... |
88 |
4
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АД – асинхронный двигатель; АТПП – автоматизация технологических процессов и произ-
водств; АЭП – автоматизированный электропривод;
БДПТ – бесколлекторный двигатель постоянного тока; ВМУ – векторно-матричные уравнения; ДПТ – двигатель постоянного тока; ДПФ – дискретная передаточная функция; ЗРА – запорно-регулирующая арматура; ИМ – исполнительный механизм; КВ – конечный выключатель; ММ – математическая модель;
НПФ – научно-производственная фирма; ОДУ – обыкновенные дифференциальные уравнения; ОУ – объект управления; ПБР – пускатель бесконтактный реверсивный;
ПО – программное обеспечение; ПРР – переключатель режима работы;
РКСУ – релейно-контакторная система управления; РО – рабочий (регулирующий) орган;
САУ – система автоматического (автоматизированного) управления;
СД – синхронный двигатель; СПЭ – силовой преобразователь энергии;
СУИМ – система управления исполнительным механизмом; СУЭП – система управления электроприводом; ТАУ – теория автоматического (автоматизированного)
управления; ШИМ – широтно-импульсная модуляция;
ЭИМ – электрический исполнительный механизм; ЭМОУ – электромеханический объект управления; ЭМСУ – электромеханическая система управления; ЭД – электродвигатель; ЭП – электропривод.
5
ВВЕДЕНИЕ
Электромеханические системы управления (ЭМСУ) с применением электрических исполнительных механизмов (ЭИМ) и регулируемых автоматизированных электроприводов (АЭП) составляют основу современных систем автоматизации технологических процессов и производств (АТПП). В силу многочисленных преимуществ перед пневматическими и гидравлическими исполнительными механизмами ЭИМ доминируют в общей массе исполнительных механизмов (порядка 95 %), а удельный вес энергопотребления ЭМСУ на промышленных предприятиях зачастую превышает 70 %.
Целью лабораторного практикума является освоение студентами дисциплинарных компетенций, связанных с формированием умений и навыков разработки и исследования ЭМСУ по дисциплинам «Системы управления исполнительными механизмами» (СУИМ) и «Системы управления электроприводом» (СУЭП).
В последние десятилетия в энергетике наряду с регулированием параметров потока энергоносителей (давления, расхода, температуры и т.п.) за счет изменения проходного сечения арматуры (методом дросселирования) их регулирование осуществляют изменением скорости вращения электроприводов постоянного или переменного тока (методом объемного регулирования), что позволяет значительно снизить затраты электроэнергии. В первом случае применяют, как правило, приводы постоянной скорости, во втором – приводы переменной скорости. Наиболее перспективными в отношении функциональных возможностей и технических характеристик являются системы, сочетающие оба способа регулирования.
Лабораторный практикум посвящен задачам освоения студентами дисциплинарных компетенций в области применения ЭИМ как постоянной, так и переменной скорости, что дает основание в дальнейшем применить к ним обобщенное понятие – СУИМ. Вместе с тем СУИМ переменной скорости, не связанные
6
непосредственно с управлением запорно-регулирующей арматурой (ЗРА), обычно называют СУЭП, причем этот класс ЭМСУ значительно более разнообразен и существенно шире представлен на различных промышленных производствах.
Первые три лабораторных работы настоящего лабораторного практикума посвящены исследованию СУИМ постоянной скорости, следующие пять – СУИМ переменной скорости.
Основные теоретические сведения, справочно-информацион- ные данные об исполнительных механизмах (ИМ) и системах управления ими, в том числе интеллектуальных средств управления ИМ, приведены в [1–9]. Базовые положения теории оптимального управления ИМ представлены в [10–14]. Основные нормативно-правовые положения и инженерно-практические рекомендации, определяющие стадии и этапы проектирования автоматических (автоматизированных) систем на основе СУИМ и СУЭП, изложены в [15–18].
7
1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ
Принципы построения СУИМ, как и любой другой системы управления, базируются на известных положениях теории автоматического управления (ТАУ) [10–14] и предполагают необходимость контроля текущего состояния объекта управления и применение обратных связей по контролируемым координатам.
Вместе с тем для достаточно широкого класса простейших объектов управления вполне допустимым является управление без обратных связей. К таким объектам управления относятся производственные механизмы, требующие реализации лишь алгоритмов двухпозиционного («вкл. – выкл.» или, иначе, «пуск – стоп») или трехпозиционного («пуск – стоп – реверс») регулирования. Это сверлильные и наждачные станки, запорно-регулирующая арматура (ЗРА) на разного рода трубопроводах, некоторые подъемнотранспортные механизмы и т.п. СУИМ в этом случае выполняют на основе типовых релейно-контакторных панелей и станций управления с применением различных реле, контакторов и магнитных пускателей. Жестких требований к статическим и динамическим показателям таких СУИМ обычно не предъявляется, и контроль параметров технологического процесса ведется визуально по показывающим приборам. Однако применение бесконтактных электромеханических СУИМ постоянной скорости и оснащение их микропроцессорными измерительными регуляторами позволяет достаточно просто реализовать управление с обратной связью по регулируемой технологической переменной и получить достаточно высокие показатели качества стабилизации технологических параметров [3–9].
Принципы построения существенно более сложных замкнутых СУИМ и СУЭП определяются характером задач управления. При этом различают:
– системы стабилизации какой-либо технологической координаты объекта управления (ОУ);
8
–системы программного управления;
–следящие системы и системы воспроизведения движений. В зависимости от требований к статическим и динамиче-
ским показателям систем управления применяют различные принципы организации обратных и компенсирующих связей в замкнутых СУИМ:
–по ошибке регулирования (с регулированием по отклонению выходной координаты от заданного значения);
–по вектору состояния ОУ (полному или редуцированному);
–по вектору возмущающих воздействий ОУ (с регулированием по возмущению);
–одновременно по переменным состояния и возмущающих воздействий (с комбинированным управлением).
Таким образом, можно выделить два класса ЭМСУ – СУИМ постоянной скорости и СУИМ переменной скорости.
Первые, как правило, имеют небольшую мощность, их применяют преимущественно в режимах стабилизации той или иной технологической переменной (скорости, положения, температуры, давления, расхода, уровня и т.п.). При этом в качестве технологической среды, транспортируемой в трубопроводах, может быть вода, нефть, газ и пр., и СУИМ воздействуют на ЗРА, реализуя принцип дросселирования. Эти СУИМ используют в качестве силового преобразователя энергии (СПЭ) конструктивно простые реверсивные контактные и бесконтактные реверсоры [2, 3, 7, 9].
Вторые ЭМСУ часто называют системами управления электроприводом (СУЭП) [13, 14]. Диапазон мощностей здесь очень большой – от десятков ватт до десятков мегаватт. Их применяют
всамых различных системах АТПП, причем в режимах как стабилизации, так и программного или следящего управления технологическими процессами и установками. Применительно к транспорту той или иной технологической среды в этом случае реализуют принцип регулирования объемного или массового расхода этой среды.
9
1.1. СУИМ постоянной скорости
Различают релейно-контакторные системы управления (РКСУ) и СУИМ постоянной скорости с бесконтактными (полупроводниковыми) реверсорами. Последние позволяют достаточно просто реализовать управление с обратной связью по регулируемой технологической переменной и оснащаются микропроцессорными измерительными регуляторами [4–9].
РКСУ реализуют, как правило, по принципу разомкнутого управления и применяют для управления электроприводами производственных механизмов, к которым не предъявляются высокие требования по качеству управления и ограничению координат СУИМ на допустимых уровнях. Главное – возможность реализации пуско-тормозных режимов с применением простейших СПЭ – реверсоров. К ним относят СУИМ, содержащие преимущественно электроприводы переменного тока малой мощности. Наибольшее применение в РКСУ нашли одно- и трехфазные асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором. В технологическом процессе такие приводы призваны работать по принципам «пуск – стоп» или «пуск – стоп – реверс» и относятся к приводам постоянной (номинальной) скорости. В замкнутых по технологическим переменным СУИМ наиболее часто реализуют двухили трехпозиционное управление или управление с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) [9].
ВРКСУ различают режимы пуска, торможения (остановки)
иреверса скорости (изменения направления вращения).
Наиболее простой способ пуска короткозамкнутого АД – прямое включение обмотки статора в сеть с помощью коммутационной аппаратуры. Например, с помощью реле (для маломощных АД) или рубильников, контакторов, автоматических выключателей, тиристорных или симисторных пускателей, высоковольтных выключателей (для высоковольтных АД). Пуск двигателя при этом сопровождается броском тока (до 6–7-кратного по отношению к номинальному току статора). Очевидно, что максимально-
10