1.2. Основные этапы проектирования

Процесс проектирования может быть представлен как последовательное выполнение отдельных этапов. На каждом этапе действует обратная связь: например, информация, полученная при расчете системы и ее элементов, может быть использована для уточнения формулировки задачи проектирования и выбора принципиальной части системы.

Задание на проектирование выдается заказчиком.

В качестве заказчика может быть государственная организация или частная фирма, главный конструктор, технолог или сам проектировщик. В учебном проектировании в качестве заказчика выступает руководитель проекта. Задание может быть сформулировано в одной из следующих форм:

• в словесном изложении, при котором указывается назначение СУЭП и функции, выполняемые ею;

• числовыми характеристиками поведения системы;

• графическим изображением системы;

• совокупностью указанных форм.

Особенностью работы проектировщика систем автоматизированного электропривода является то, что он, как правило, не получает количественных характеристик, которым должна удовлетворять проектируемая электромеханическая система, а если и имеются характеристики, то далеко не в полном объеме. Поэтому проектировщик сам должен вникнуть в сущность технологического процесса, выявить основные характеристики и показатели качества электропривода, сформулировать задачи проектирования.

В задании на курсовое проектирование указываются следующие исходные данные: род тока, частота, напряжение, потребная мощность или момент сопротивления механизма, диапазон регулирования выходной координаты, время переходного процесса и т.д. Они могут дополняться требованиями по использованию определенных типов машин и средств автоматики, а также структурной схемой системы.

На первом этапе студент должен подробно проанализировать задание, выданное преподавателем, изучить технологический процесс и произвести окончательное уточнение исходных данных, необходимых для выбора силовой части электропривода и неизменяемой части системы управления. Здесь учитываются режимы работы, диапазон регулирования, возможность и необходимость ослабления поля, точность в статике и динамике, цель управления (стабилизация, слежение, программное управление) и устанавливаются основные возмущающие воздействия.

На втором этапе осуществляется выбор электродвигателя, характеристики которого наиболее полно соответствуют требованиям, выявленным на первом этапе проектирования. Далее, в соответствии с выбранным типом двигателя, намечается типовая принципиальная схема силовой части электропривода. Выбирается тип преобразователя электрической энергии и намечается неизменяемая часть системы управления. Выбор производится на основании предварительных расчетов, инженерных соображений, а также опыта проектирования электроприводов аналогичных установок. Завершается этот этап составлением функциональной схемы, которая в графической форме дает общее представление о решаемой задаче. На основании функциональной схемы составляется предварительный вариант принципиальной схемы. Составление принципиальной схемы сопровождается выбором и расчетом отдельных элементов схемы: электрических аппаратов, преобразователей энергии, элементов главной цепи (дросселей, реакторов, резисторов и др.), элементов системы управления, устройств защиты и сигнализации. Принципиальная схема, составляемая на этом этапе, может быть упрощенной, предварительной. На ней в свободной форме указываются механические, электрические и другие элементы с большими или меньшими подробностями, насколько это необходимо для проведения более детального проектирования и расчета элементов системы.

На третьем этапе проектирования по функциональной и предварительной принципиальной схемам составляется блок-схема САУ, на которой намечаются необходимые главные и предполагаемые дополнительные обратные связи. Определяются контролируемые координаты, для измерения которых выбираются типовые датчики с учетом их точности, надежности, конструктивных особенностей и нагрузочной способности. Уточняются все элементы управления, выбираются комплектные устройства. При этом обращается внимание на возможность согласования этих устройств между собой по мощности, току, напряжению, по входным и выходным сопротивлениям. Производится окончательный выбор устройств защиты, сигнализации и коммутации (автоматические выключатели, предохранители, контакторы, реле, защитные и сигнальные устройства, измерительная аппаратура).

На четвертом этапе осуществляется обработка схемы с целью замены реальных элементов и устройств эквивалентными им динамическими звеньями, в результате чего получают передаточные функции динамических звеньев и структурную схему системы. Составление структурной схемы осуществляется в две стадии: на первой проводится линеаризация характеристик элементов, определяются их передаточные функции. На второй по передаточным функциям элементов составляется структурная схема системы и определяются общие передаточные функции по отдельным воздействиям, или составляется дифференциальное уравнение системы с учетом всех воздействий. Последнее удобно тем, что позволяет записать любые передаточные функции и уравнения статики системы. Одновременно определяются параметры звеньев: коэффициенты, постоянные времени и т.п.

На пятом этапе производится статический расчет системы. Строятся статические характеристики во всем диапазоне изменения сигнала задания и нагрузки.

На шестом этапе по передаточным функциям СУЭП выполняется ее анализ, в процессе которого выявляется устойчивость работы системы, качественные показатели и соответствие разработанной системы заданным техническим требованиям. На этом этапе проектирования обычны громоздкие расчеты, поэтому здесь целесообразно применение вычислительной техники. Если система не отвечает требованиям устойчивости и качества регулирования, то переходят к следующему этапу проектирования.

Седьмой этап проектирования предполагает синтез корректирующих или управляющих устройств. При этом задача синтеза может оказаться неразрешимой. Тогда необходимо перейти к новой неизменяемой части системы. В результате синтеза определяется тип корректирующих устройств и их параметры. После того, как найдены тип и параметры корректирующих устройств, вносятся изменения в структурную схему системы.

На восьмом этапе скорректированная система еще раз проверяется на устойчивость и на обеспечение заданных качественных показателей в статике и динамике. Для этого рассчитываются переходные процессы в системе при типовых управляющих и возмущающих воздействиях и строятся статические характеристики. Если переходные процессы не удовлетворяют заданию, то необходимо изменить параметры корректирующих цепей или ввести дополнительные корректирующие звенья, то есть возникает необходимость повторения этапов расчета. Восьмой этап весьма трудоемкий, он облегчается применением вычислительной техники.

Завершается проектирование девятым этапом, составлением полной принципиальной схемы системы, подробной спецификацией используемых аппаратов и элементов, оформлением графической части и расчетно-пояснительной записки.

В проекте, выполняемом по специальному заданию, кроме указанных основных вопросов, должны быть решены и дополнительные, например:

• компоновка, размещение электрооборудования, внутренние и внешние соединения для отдельных частей проектируемой установки и установки в целом;

• техника безопасности и работа защит;

• обеспечение оптимальных режимов управления и др.