23.5. Нелинейные и псевдолинейные корректирующие устройства

Нелинейные корректирующие устройства (НКУ) широко исполь­зуются в системах автоматического управления. Простейшим нелиней­ным цифровым корректирующим звеном является звено типа "насы­щение", используемое для ограничения одной из координат системы. Нелинейные корректирующие устройства могут быть последователь­ными или параллельными, а также могут быть установлены в цепях обратной связи. Правильный выбор типа и параметров нелинейных

корректирующих устройств позволяет синтезировать оптимальные законы управления, обеспечивающие высокую точность и качество работы системы, улучшать переходные процессы и придавать системе инвариантные свойства. Нелинейные корректирующие устройства по­зволяют в нестационарных системах (системах с изменяющимися со временем коэффициентами) получать практически постоянные запа­сы устойчивости и показатели качества вне зависимости от изменения параметров объекта. Нелинейные звенья, имеющие характеристику, об­ратную регулировочной характеристике тиристорного преобразователя в зоне прерывистых токов, обеспечивают постоянство общего коэффици­ента передачи в режимах непрерывного и прерывистого токов.

Реализация корректирующих устройств осуществляется на ана­логовых нелинейных элементах или в виде управляющих программ (цифровые корректирующие устройства). В первом случае нелиней­ные корректирующие устройства подразделяются на три группы:

• нелинейные четырехполюсники, включаемые в прямой канал или в обратные связи;

• нелинейные управляющие устройства, позволяющие реализо­вать нелинейные законы управления;

• нелинейные устройства, использующие элементы неизменяе­мой части системы.

Псевдолинейными корректирующими уст­ройствами (ПЛКУ).

Кусочно-линейные корректирующие устройства (КЛКУ) позволяет значительно улучшить качество переходных процессов в системе.

В отличие от линейных корректирующих устройств нелинейные и псевдолинейные корректирующие устройства позволяют формиро­вать амплитудные и фазовые частотные характеристики практически независимо друг от друга, так как большинство из них имеет два неза­висимых канала - амплитудный и фазовый. НКУ и ПЛКУ позволяют реализовать оптимальные и квазиоптимальные законы управления, компенсировать вредное влияние некоторых сопутствующих нелиней­ностей. В качестве примера рассмотрим структурную схему релейной следящей системы с НКУ, рис. 23.10.

На рисунке:

БМ - блок выделения модуля; БУ - блок умножения; Р1, Р2 - реле;

W_K(p) - передаточная функция фазоопережающего звена;

W₁(p) - фильтр основного канала;

W₂(p) - передаточная функция линейной части системы.

Амплитудный канал содержит фильтр и блок взятия модуля БМ. В фазовом канале включены фазоопережающие звенья и блок сигна­туры. Выходные координаты обоих каналов перемножаются в блоке умножения БУ.

Одним из важнейших вопросов проектирования релейных сле­дящих систем является обеспечение режима устойчивого равнове­сия при известных параметрах линейной части и релейного элемен­та. В схеме (рис. 23.10) канал из блока выделения модуля БМ и реле Р2 формирует в основном амплитуду выходного напряжения блока умножения, а канал из фазоопережающего звена и реле Р1 форми­рует фазу выходного напряжения. Реле реверса Р1 управляет поляр­ностью нереверсивного реле Р2 основного канала в блоке умноже­ния. Функции БУ состоят в умножении сигнала основного канала на +1, 0 или -1 в зависимости от состояния реле Р1. Включение в канал реверса дифференцирующей цепочки привело к тому что реле Р1 срабатывает раньше, чем отпускает реле Р2, в результате чего обеспечивается срыв автоколебаний при заданных согласованных параметрах системы.

Форсирующие нелинейные корректирующие устройства. Одной из разновидностей нелинейных динамических корректирующих уст­ройств являются НКУ форсирующего типа. Для динамических НКУ характерным является то, что их действие проявляется только во вре­мя протекания переходных процессов в системе. Структурная схема такого НКУ представлена на рис. 23.11.

На схеме:

НКУФ - нелинейное корректирующее форсирующее устройство,

ДК1, ДК2 - дифференцирующие контуры,

L - логическое устройство,

W₁ (p) - передаточная функция апериодического звена системы.

Сигналы U^?_bx и U_Bыx со входа и выхода одного из инерционных звеньев системы через дифференцирующие контуры, имеющие пере­даточные функции типа W_д(p) = (1 + Т_др)/Т_д, подаются на логическое устройство. На выходе дифференцирующих контуров постоянная со­ставляющая входных сигналов будет отсутствовать, а переменные со­ставляющие сигналов будут иметь незначительный сдвиг в сторону опережения относительно входных сигналов. Логическое устройство анализирует знаки поступающих сигналов. В тех случаях, когда знаки сигналов не совпадают, логическое устройство формирует импульс­ный сигнал, который при помощи ключевой схемы НКУФ включает на вход инерционного звена дополнительный форсирующий сигнал U_ф. Принцип работы НКУФ иллюстрируется на рис. 23.12.

Д ействие форсирующего сигна­ла U_ф заключается в том, что он уско­ряет изменение выходного сигнала U_вых в тех интервалах, в которых он отстает от входного сигнала. Основ­ным назначением форсирующих НКУ является решение таких задач, когда необходимо "подтолкнуть" систему, например, при наличии в системе большого момента сухого трения.

ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Структурная схема цифровой системы управления

Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и созда­ние микроконтроллеров с встроенным набором специализированных периферийных устройств сделали необратимой тенденцию перехода систем управления электроприводами к прямому цифровому управлению. При этом имеет место непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключом силового преобразователя и пря­мой ввод в микроконтроллер сигналов обратных связей (дискретных, аналоговых, импульсных) с их последующей программно-аппаратной обработкой контроллером.

Особенностью цифровых систем управления является наличие квантователя сигналов по уровню в цепях обратных связей, в цепях параллельной коррекции и в ряде случаев в устройстве задающего сиг­нала. Погрешность цифровых устройств не превышает величины еди­ничного значения младшего разряда кода, с которым эти устройства оперируют. Кроме квантования по уровню цифровым системам прису­ще квантование по времени. Период (такт) временного квантования Т_о для большинства систем лежит в пределах 0,001-0,01 с. Очевидно, что если поставлена задача обеспечения высокого качества управления, такт квантования следует выбирать как можно меньшим. При выборе такта квантования следует учитывать следующие факторы:

• требуемое качество управления;

• динамику объекта управления;

• спектры возмущений;

• тип электропривода;

• измерительные устройства.

Как правило, требования оказываются противоречивыми и такт квантования выбирают из компромиссного решения.

Преимущество цифровых регуляторов заключается в реализации любой требуемой передаточной функции, возможности введения адап­тации, нелинейной коррекции.

Обобщенная функциональная схема цифровой системы регули­рования представлена на рис. 28.1.

На рисунке: 1 - задающий квантователь; 2 - квантователь обрат­ной связи; 3 - дискретная передаточная функция цифрового регулято­ра; 4 - звено с чистым запаздыванием, отражающее конечное время вычислений в регуляторе; 5 - непрерывная передаточная функция объекта управления; 6 - квантователь цепи параллельной коррекции.

Передаточная функция корректирующего дискретного регулято­ра в общем виде записывается следующим образом

Значения коэффициентов находят из выражения

где W_o (z) - дискретная передаточная функция объекта управления, полученная с помощью таблиц z - преобразования, Ф(z) - желаемая дискретная передаточная функция системы в замкнутом состоянии.

Функция Ф(z) должна быть реализуема. Для этого она должна представлять собой отношение двух полиномов относительно z^-1 с дей­ствительными коэффициентами, причем свободный член в знаменате­ле должен быть отличным от нуля, а модуль степени полинома числи­теля должен быть больше, чем у знаменателя. При применении микропроцессоров стоимости цифровых и аналоговых систем управления практически не отличаются. Подробный анализ элементов цифровой системы управления представлен ниже.