3.6. Регулирование по возмущению

Идея рассматриваемого способа регулирования заключается в том, чтобы, непосредственно измерив величину действующего на электропривод возмущения (в нашем случае  М_С), изменить уставку на входе контура регулирования скорости так, чтобы скорость вращения двигателя не изменялась при приложении М_С. На схеме (рис. 3.10) измерение возмущения и подача компенсирующего сигнала U_К на вход системы электропривода производится специальным компенсирующим устройством КУ.

Поставим сначала задачу достижения абсолютной инвариантности скорости вращения двигателя от приложенного возмущения М_С как в установившихся, так и в переходных режимах. Физически это означает создание противодействия, равного и противоположного по знаку внешнему возмущению М_С. Для выполнения указанного условия необходимо, чтобы передаточные функции каналов передачи возмущения и компенсирующего каналов были равны, т.е.

1 = W_КУ (р) W_П (р) W_ЯЦ (р).

Здесь W_КУ (р)  передаточная функция компенсирующего устройства КУ; W_П (р)·W_ЯЦ (р)  передаточная функция последовательно включенных П и ЯЦ, т.е. части системы электропривода между местом приложения компенсирующего сигнала U_К и возмущения М_С. Из приведенного уравнения желаемая передаточная функция звена КУ

W_КУ (р) = 1 / W_П (р) W_ЯЦ (р).

Если учесть, что звенья П и ЯЦ содержат инерционности, то для выполнения условия абсолютной инвариантности необходимо, чтобы звено КУ, кроме пропорционального канала, содержало также идеальные дифференциаторы в общем случае того же порядка, что и звенья П и ЯЦ. Это физически невозможно. Поэтому, если измеряется только возмущение М_С, то в переходных режимах, вызванных приложением М_С, динамическая ошибка неизбежна.

Потребуем выполнения условий компенсации возмущения только в установившихся режимах, что достигается при К_КУ К_П К_ЯЦ = 1. Для этого случая, во-первых, оценим величину динамической ошибки по скорости при приложении М_С и, во-вторых, выясним, как и до каких пределов можно улучшить динамические показатели электропривода, не усложняя существенно схему.

Преобразуем структурную схему электропривода, приведя воздействие U_К к тому же сумматору, что и возмущение М_С (рис. 3.11 а). Звеном А учитывается совместное влияние на изменение скорости n и возмущения М_С и компенсирующего сигнала U_К. Так как в звене А оба канала суммируются с противоположными знаками, образуя неминимально-фазовое соединение звеньев, то найдем точное аналитическое выражение для передаточной функции этого звена. Чтобы не усложнять выкладки, учтем инерцию только в звене ЯЦ постоянной времени Т_ЯЦ, а звенья П и КУ примем безынерционными. Тогда передаточная функция звена А

W_А = 1  W_КУ (p) W_П (p) W_ЯЦ (p) =

= 1  K_КУ K_П K_ЯЦ / (1 + T_ЯЦ p) =

= 1  1 / (1 + + T_ЯЦ p) = T_ЯЦ p / (1 + T_ЯЦ p).

В соответствии с полученным выражением построена ЛАЧХ L_А звена А, которая показывает, как происходит подавление приложенного возмущения М_С на разных частотах: так, воздействия в диапазоне частот   _К  1  Т_ЯЦ полностью проникают на вход системы электропривода, не будучи ослаблены действием компенсирующей связи. Наоборот, при   _К происходит ослабление приложенного возмущения. Другими словами, действие компенсирующего канала эффективно лишь в полосе частот _К, когда частотные характеристики каналов передачи возмущения и компенсирующего канала совпадают.

Сказанное позволяет сформулировать идею наиболее простого способа улучшения динамических показателей электропривода с регулированием по возмущению: необходимо с помощью дополнительных корректирующих связей максимально расширить полосу равномерного пропускания частот канала передачи компенсирующего сигнала (звеньев П и ЯЦ). Самым естественным в этом случае решением является охват звеньев П и ЯЦ местной обратной связью по току якоря. Здесь достижимая полоса равномерного пропускания частот, определяемая частотой среза контура регулирования тока якоря, доходит в существующих вентильных электроприводах до _Т  100...150 рад с. Следовательно, в этом же диапазоне частот будет эффективно работать и канал передачи компенсирующего сигнала U_К. Динамическое падение скорости вращения двигателя, связанное с неполной компенсацией М_С из-за инерционности звеньев канала передачи U_К, можно приближенно оценить выражением:

n_Д  ( Т_Д _К) М_С.

Заметим, что приведенное соотношение справедливо при _К  _Э. В тех редких случаях, когда указанное неравенство не выполняется, динамическое падение скорости в электроприводе с регулированием по возмущению остается таким же, как и в исходной системе.

Динамические показатели регулирования по возмущению оказываются более высокими, чем во всех рассмотренных предыдущих случаях даже при весьма простой схеме компенсирующего устройства КУ (пропорциональный регулятор). Однако данный способ не нашел широкого применения в системах регулирования скорости вращения двигателя. Во-первых, рассмотренная схема реагирует лишь на один вид возмущения  изменение момента статической нагрузки. Другие возмущения, например, колебания напряжения питающей сети, этой схемой не учитываются. Во-вторых, реализация рассматриваемого способа требует специальных датчиков момента, номенклатура которых оказалась бы непомерно широкой из-за большого количества типоразмеров применяемых электродвигателей.

Между тем, в тех случаях, когда возмущение, действующее на электропривод, может быть измерено стандартными датчиками, данный способ оказывается весьма эффективным. Наиболее показательный пример  электроприводы моталок станов холодной прокатки [3]. Почти на всех существующих электроприводах моталок поддержание заданного натяжения наматываемой полосы осуществляется косвенным способом  в функции тока якоря двигателя. Изменение же скорости выходящей из клети полосы для системы регулирования натяжения на моталке является весьма сильным возмущением, которое может не только изменить натяжение сверх допустимых значений, но даже вызвать нагон петли. Чтобы сохранить поддерживаемое натяжение в заданных пределах, на вход системы регулирования натяжения на моталке подают сигналы с выхода тахогенератора электропривода клети (пропорционально скорости полосы) и из схемы узла задания скорости стана (пропорционально производным скорости).