
- •Министерство образования России
- •Используемая аббревиатура
- •Введение
- •1. Классификация систем управления электроприводами
- •1. По степени автоматизации функций управления:
- •2. По характеру протекания процессов в су эп и, соответственно, форме математического описания:
- •3. По наличию существенных нелинейностей в су эп:
- •По типу обратных связей:
- •По принципу управления (характеру задач управления):
- •По числу и связности каналов управления:
- •По способу преобразования подводимой энергии:
- •По типу регулируемой локальной координаты:
- •По типу регуляторов, применяемых в устройстве управления:
- •По типу элементной базы устройства управления:
- •2. Обобщенная функциональная схема су эп
- •3. Основные задачи исследования и этапы проектирования
- •3.1. Основные задачи исследования су эп
- •3.2. Основные положения системного подхода при проектировании су эп
- •3.3. Стадии проектирования, регламентированные госТом
- •4. Математические модели элементов су эп
- •4.1. Методы описания и исследования динамических управляемых объектов в частотной и временной области
- •4.2. Уравнение Лагранжа и дифференциальные уравнения электромеханических систем управления (эмсу)
- •4.3. Линеаризация элементов су эп
- •4.4. Двигатель постоянного тока как объект управления
- •4.5. Асинхронный двигатель как объект управления
- •4.6. Электромашинный преобразователь как объект управления
- •4.7. Тиристорные преобразователи как объекты управления
- •4.8. Математические модели датчиков координат су эп
- •4.9. Математические модели регуляторов су эп
- •5. Статические и динамические характеристики су эп
- •5.1. Статика су эп. Коэффициенты ошибок су эп по положению, скорости и ускорению
- •6.2. Динамика су эп. Свободные и вынужденные переходные процессы
- •Общие принципы построения су эп
- •6.1. Релейно-контакторные су эп. Реализация пуско-тормозных режимов су эп постоянного и переменного тока
- •6.1.1. Рксу асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором
- •6.1.2. Рксу асинхронным двигателем с фазным ротором
- •6.1.3. Рксу двигателем постоянного тока
- •6.2. Системы стабилизации выходной координаты объекта управления. Типовые методы улучшения динамики су эп
- •В статике, т. Е. В установившихся (квазиустановившихся) режимах функционирования систем стабилизации можно сформулировать два основных тесно взаимосвязанных требования:
- •Динамическую точность систем стабилизации оценивают по величине
- •6.2.1. Форсирование управляющего воздействия.
- •6.2.2. Компенсация больших постоянных времени объекта управления
- •6.3. Системы программного управления. Способы ограничения координат су эп
- •6.3.1. Ограничение координат сау применением дополнительных нелинейных обратных связей.
- •6.3.3. Ограничение координат сау посредством ограничения задающих воздействий. Этот способ ограничения координат нашел широкое распространение в
- •6.4. Следящие системы управления и системы воспроизведения движений. Понятие добротности су эп
- •7. Методы синтеза су эп
- •7.1. Общая постановка задачи синтеза
- •7.2. Типовые регуляторы и корректирующие звенья су эп
- •7.3. Последовательная коррекция су э п частотными методами
- •7.3.1. Коррекция с опережением по фазе
- •7.3.2. Коррекция с отставанием по фазе
- •7.3.3. Коррекция введением интеграторов
- •7.4. Синтез систем с подчиненным регулированием координат
- •7.5. Методика структурно-параметрического синтеза контуров регулирования су эп по желаемой передаточной функции
- •7.6. Синтез оптимальных по быстродействию су эп с апериодической реакцией
- •8. Су эп постоянного тока
- •8.1. Синтез системы регулирования скорости “Тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока”
- •8.1.1. Синтез контура регулирования тока якоря
- •8.1.2. Синтез контура регулирования скорости.
- •Интегрирующей сар скорости при ударном приложении нагрузки на валу электропривода
- •8.2. Синтез системы регулирования скорости “Генератор - двигатель постоянного тока”
- •8.2.1. Одноконтурная сар тока якоря
- •8.2.2. Двухконтурная сар тока якоря
- •8.3. Синтез системы регулирования э.Д.С. Двигателя
- •Для расчета параметров принципиальной схемы пи-регулятора э.Д.С.
- •8.4. Система двухзонного регулирования скорости Применяется в тех случаях, когда требуется обеспечить работу
- •8.5. Системы регулирования положения рабочего органа
- •8.5.1. Сар положения с линейным регулятором
- •Подставляя в это соотношение выражение для Kрп в режиме средних перемещений получим
- •8.6. Следящие системы управления электроприводами
- •8.6.1. Добротность сау, синтез инвариантных сау по отношению к задающим и возмущающим воздействиям
- •8.6.2. Типовые структуры следящих электроприводов
- •9. Су эп переменного тока
- •9.1. Способы управления асинхронным двигателем
- •9.2. Силовые преобразователи, применяемые для управления асинхронными электродвигателями
- •9.2.1. Преобразователи частоты с автономным инвертором напряжения
- •9.2.2. Преобразователи частоты с автономным инвертором тока
- •9.2.3. Преобразователи частоты с непосредственной связью с сетью
- •9.3. Су эп со звеном постоянного тока
- •9.3.1. Система частотного управления ад с iR- компенсацией
- •9.3.2. Система частотно-токового управления ад
- •10. Дискретные и дискретно-непрерывные сау
- •10.1. Дискретизация сигналов и z-преобразование
- •10.2. Дискретные передаточные функции и разностные уравнения
- •10.3. Синтез цифровых систем управления
- •10.3.1. Метод дискретизации аналоговых регуляторов класса “вход - выход”
- •10.3.2. Метод переменного коэффициента усиления
- •10.3.3. Метод синтеза апериодических дискретно-непрерывных сау с регуляторами состояния
- •Синтез свободного движения сау
- •Синтез вынужденного движения сау
По способу преобразования подводимой энергии:
- СУ ЭП без силового преобразователя (с непосредственной коммутацией электродвигателя к промышленной электросети);
- СУ ЭП с силовым преобразователем энергии (с электромашинным, тиристорным, транзисторным и др.).
По типу регулируемой локальной координаты:
- система регулирования линейной или угловой скорости механизма или соотношения скоростей механических подсистем;
- система регулирования линейного или углового перемещения рабочего органа механизма;
- система регулирования нагрузки на валу механизма;
- система регулирования натяжения нити, полотна, ленты, проволоки и т. п.;
- система регулирования температуры, давления, расхода, уровня и др. технологических координат.
По типу регуляторов, применяемых в устройстве управления:
- с регуляторами класса “вход-выход”;
- с регуляторами состояния.
По типу элементной базы устройства управления:
- на основе операционных усилителей в интегральном исполнении;
- на основе логических (комбинационных и последовательностных) интегральных микросхем малой и средней степени интеграции;
- на основе унифицированных блочных систем регуляторов типа УБСР-АИ, УБСР-ДИ и т. п.;
- на основе микропроцессорных комплектов БИС, промышленных микро-ЭВМ, микропроцессорных контроллеров, микропроцессорных комплексов технических средств управления и др.
Сложные автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) на основе СУ ЭП классифицируют также по функционально-структурным признакам (централизованные и распределенные, локальные одноуровневые и иерархические многоуровневые и т. п.).
2. Обобщенная функциональная схема су эп
Функциональная схема (функциональная структура) СУ ЭП, как и любой САУ, отражает признаки ее функционально-структурной организации и определяет взаимосвязь, соподчиненность ее функциональных элементов.
Следует отметить, что понятие «СУ ЭП» в технической литературе трактуется неоднозначно. Ряд авторов склонен рассматривать СУ ЭП лишь как совокупность регуляторов, корректирующих устройств, фильтров и др. элементов, образующих собственно устройство управления ЭП, т.е. в достаточно узком аспекте. Подавляющее большинство исследователей рассматривает СУ ЭП, как совокупность и устройства управления, и силового преобразователя, и электродвигателя, и исполнительного механизма. Такой подход наиболее полно отвечает структурным принципам построения САУ, включающей как управляющую, так и управляемую подсистемы. При этом в структуре САУ выделяют два основных структурных модуля: объект управления и устройство управления (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Обобщенная функциональная схема системы управления
Объект управления (ОУ) представляет собой какой-либо технологический процесс или промышленную установку. В СУ ЭП исполнительные механизмы ОУ приводятся в движение электроприводами.
В качестве устройств оценивания состояния ОУ и возмущения внешней среды могут выступать устройства непосредственного измерения координат ОУ и внешней среды (датчики координат), либо устройства косвенного измерения или вычисления значений координат (наблюдающие устройства).
Устройство управления (УУ) представляет собой совокупность регуляторов, фильтров, корректирующих устройств, обеспечивающих требуемые статические и динамические характеристики СУ ЭП.
В зависимости от соподчиненности подсистем контроля и управления различают следующие функциональные структуры СУ ЭП:
- локальные (одноуровневые) и иерархические (многоуровневые) СУ ЭП;
- централизованные (объединяющие и координирующие работу нескольких локальных) СУ ЭП и децентрализованные (распределенные) СУ ЭП.
Взаимосвязь и соподчиненность различных функциональных структур СУ ЭП определяется топологией и иерархией системы. Ниже рассмотрена обобщенная функциональная структура простейшей одноуровневой локальной СУ ЭП.
Необходимо отметить, что электромеханические САУ, обладая массой преимуществ в сравнении с гидромеханическими и пневмомеханическими системами, нашли наибольшее применение в современных системах автоматизации. Более того, свыше 60% потребляемой промышленными предприятиями электроэнергии приходится на силовые электромеханические приводы (электроприводы) производственных установок. Обобщенная функциональная схема локальной электромеханической САУ (ЭМСУ) приведена на рис. 2.2.
СУ ЭП, как и любая САУ, содержит две основные подсистемы: объект управления (ОУ) и устройство управления (УУ).
Рис. 2.2. Обобщенная функциональная схема
локальной электромеханической системы управления
На схеме используются следующие обозначения:
УЗ – устройство задания. Формирует задающее, как правило программно-временное, воздействие XЗ изменения выходной координаты ОУ.
УР – устройство регулирования или собственно устройство управления, состоящее из регуляторов, корректирующих звеньев, фильтров, преобразователей координат и т. п. Формирует управляющие воздействия UУ, обеспечивая оптимальные динамические и статические характеристики системы в соответствие с заданным критерием качества управления.
СПЭ – силовые преобразователи энергии (электромашинные, тиристорные, транзисторные и т. п.). Преобразуют электрическую энергию питающей сети в энергию управления электродвигателем, формируя вектор выходных сигналов Eп (для ДПТ - регулируемые напряжения и токи цепей якоря и возбуждения, для АД с короткозамкнутым ротором – регулируемые напряжение или токи и частота питающей сети статора, для СД – регулируемые напряжение статора и ток возбуждения).
ЭД – электродвигатель постоянного или переменного тока. Обеспечивает преобразование подводимой электрической энергии в механическую энергию. X – вектор координат состояния (вектор переменных) электродвигателя (напряжения, токи, частота питающей сети, скорость вращения или угловое положение вала);
ПМ – передаточный механизм (редуктор, ременная, цепная передача и др.). Передает энергию вращения электродвигателя в энергию вращения или поступательного движения исполнительного механизма (ИМ) рабочего органа (РО) ОУ. X - выходная координата передаточного механизма электромеханической СУ ЭП (линейная или угловая скорость или линейное или угловое положение ИМ).
ИО - исполнительный орган ОУ.
Исполнительным механизмом ОУ может быть механизм суппорта токарного станка, шток или штурвал привода задвижки нефте- или газопровода, центробежный механизм насоса и др. В этом случае суппорт станка, задвижка, центробежный насос представляют собой рабочие органы (РО) ОУ. Совокупность ИМ и РО на функциональных схемах СУ ЭП часто обозначают как ИО (см. рис. 2.2).
Y - выходная технологическая координата ОУ (давление газа или жидкости в магистрали, расход газа или жидкости, натяжение нити или полотна, уровень нефти в резервуаре и др.). В чисто электромеханических системах управления (ЭМСУ) выходной координатой являются скорость или положение ИО (ЭМСУ металлорежущих станков, промышленных роботов-манипуляторов, электрического транспорта и др.).
УИс – устройство измерения координат состояния СУ ЭП, представляющее собой совокупность датчиков координат состояния ОУ (измеряют напряжения, токи, частоту силового питающего напряжения, скорость вращения вала двигателя и ИМ и др.), а также датчика выходной переменной ОУ. Формирует вектор Xс сигналов обратных связей по состоянию ОУ.
УИв – устройство измерения контролируемых возмущающих воздействий СУ ЭП (датчики координат возмущения ОУ). Формирует вектор Xв сигналов обратных связей по возмущению системы управления.
Все возмущения, действующие на СУ ЭП, подразделяются на 3 вида:
аддитивные – приходят из внешней по отношению к ОУ среды, суммируясь с полезными сигналами (координатами) ОУ; к ним относятся отклонения напряжения и частоты питающей среды от номинальных значений, изменения климатических факторов, изменения нагрузки на валу ЭП и т. п. (см. вектор возмущения F на рис. 2.1, 2.2);
мультипликативные – возникают внутри или вне системы, умножаясь на координаты ОУ (обусловлены естественными или искусственными перекрестными связями ОУ и внешней среды);
параметрические – обусловлены временным или температурным дрейфом параметров ОУ; например, изменением величин активных сопротивлений обмоток двигателя при их нагреве, изменением приведенного к валу двигателя момента инерции ЭП при изменении параметров кинематической схемы ИО (изменением массогабаритных параметров ИО, например, при обработке заготовки в токарном станке, изменении груза лифта или транспортного механизма).
При синтезе СУ ЭП, как правило, пренебрегают влиянием внешних возмущений, а при анализе учитывают лишь существенные возмущения, действующие на ОУ. Оценка влияния вариаций параметров объекта управления на показатели качества управления – предмет анализа так называемой чувствительности СУ ЭП к параметрическим возмущениям.
Основные функциональные элементы СУ ЭП (элементную базу) можно разбить на несколько групп:
1) задающие элементы, позволяющие установить заданное значение выходной переменной ОУ (источники эталонного напряжения или тока, потенциометры, сельсины и др.); они могут содержать блоки памяти (от уставок реле и напряжений до устройств хранения программ и данных, записанных на магнитных и электронных носителях информации); задающие воздействия на рис. 2.2 обозначены переменной Xз;
2) чувствительные элементы, обеспечивающие непосредственное измерение переменных ОУ (датчики координат состояния ОУ);
3) усилительные элементы, служащие для усиления сигналов чувствительных элементов (транзисторные усилители, масштабирующие операционные усилители и др.); выходные сигналы усилительных элементов на рис. 2.2 обозначены переменной Xс;
4) исполнительные элементы, предназначенные для приведения в движение исполнительных механизмов ОУ (электрические двигатели постоянного или переменного тока);
5) преобразовательные элементы, обеспечивающие преобразование входного сигнала (энергии) одного вида или уровня в другой; различают силовые преобразовательные элементы (электромашинные и полупроводниковые преобразователи постоянного тока для питания обмоток якоря и возбуждения двигателя постоянного тока, частотные преобразователи для питания статора асинхронного двигателя, тиристорные возбудители для питания обмотки возбуждения синхронного двигателя) и преобразователи сигналов информационных каналов СУ ЭП (преобразователи частота-напряжение, частота-код, напряжение-ток и др.);
6) корректирующие элементы, обеспечивающие изменение статических и динамических свойств СУ ЭП (фильтрующие элементы, дифференцирующие и интегрирующие звенья в прямом или обратном канале регулирования, параметрические регуляторы).
7) блоки связи микропроцессорных средств управления (МСУ) с объектом управления (модули ввода/вывода информации) и иными периферийными устройствами, в частности сетевые аппаратные средства.
Наиважнейшей задачей проектирования СУ ЭП является синтез оптимального устройства управления, т.е. определение структуры и параметров УУ, обеспечивающих достижение цели управления. При этом целью управления задаются в виде какого-либо формального критерия качества управления, например критерия максимального быстродействия отработки задающих и возмущающих воздействий, критерия минимальной интегральной ошибки регулирования и др.