И информационной частей системы автоматизированного электропривода

Возмущающие и командные воздействия генерируются логическими цепочками на основании сигналов регуляторов, полученных в соответствии с протеканием процессов в системе электроснабжения, силовой электронной схеме и нагрузке. Эти процессы отображаются интегрированием уравнений состояния схем замещения по интервалам работы ключевых элементов с добавлением в число переменных вектора инерциальных изменений сигналов управления Y_X. Таким образом, воспроизводится функционирование замкнутой системы управления. При этом должно предусматриваться определение моментов подачи управляющих сигналов на вентили схемы замещения силовой части.

Вычисление правых частей уравнения состояния информационной части V_X сводится к расчёту процессов прохождения сигналов в цепочках от задающих элементов и датчиков до входов динамических, или инерциальных звеньев. Полученные в результате интегрирования этих уравнений значения Y_X позволяют определить выходные сигналы динамических звеньев, а затем и выходные управляющие сигналы информационной части. Управляющие воздействия на силовые элементы требуется учитывать применением неформальных операций анализа переключений вентилей и изменения параметров в схемах замещения. На основе такого подхода построено взаимодействие библиотеки SimPowerSystems с пакетом Simulink системы Matlab [11,17].

Для более наглядного представления возможностей моделирования аналоговых систем управления можно рассмотреть характерные особенности алгоритма воспроизведения процессов в информационной части. В комплексе имитационного моделирования вентильных преобразовательных устройств, разработанном на кафедре электропривода Нижегородского государственного технического университета [36], предусматривается изображение звена блок-схемы системы управления в виде прямоугольника, разделённого на три поля, идентифицирующих топологические данные, функцию и параметры (рис.4.3).

Рис.4.2. Звено однонаправленного действия

В первом приближении, звенья разделяются по следующим типам выполняемых функций:

- динамические, или инерционные;

- безынерционные;

- предусматривающие запоминание передаваемых сигналов;

- осуществляющие связь с элементами силовой части;

- выполняющие управляющие воздействия на элементы силовой части.

Динамическому звену приводится в соответствие передаточная функция, представляющая собой частное от многочленов

(4.1)

где s – оператор дифференцирования. В (4.1) полагается, что порядок полинома числителя не больше, чем у знаменателя ( N ≥ M ).

Функции (4.1) соответствует система дифференциальных уравнений, составленная с введением вспомогательных переменных состояния Y₁,Y₂…Y_N рассматриваемого звена:

(4.2)

Интегрирование (4.2) требует определения начальных значений переменных состояния, а также вычисления значения входного сигнала, т.е. расчёта процесса прохождения сигналов через все звенья, находящиеся перед рассматриваемым динамическим звеном. При втором и более высоких порядках могут возникнуть затруднения с определением ненулевых начальных условий при запуске модели. В особых случаях необходимо предварительное корректное вычисление начальных значений переменных состояния в соответствии с (4.2).

Безынерционные звенья выполняют вычисления выходных сигналов по определённым формулам или алгоритмам при имеющихся значениях сигналов на входах. В том числе это могут быть логические действия, а также соотношения, задаваемые пользователем при формировании модели. Особое значение имеют элементы сравнения, или компараторы, которые выдают логические сигналы при сравнивании входных сигналов. Для отображения некоторых особенностей функционирования устройств может оказаться слишком грубым определение момента сравнения с точностью до начального шага интегрирования уравнения состояния. Поэтому моменты срабатывания таких элементов следует определять с дроблением шага, т.е. так же, как моменты переключений силовых ключей.

Для воспроизведения задержек сигналов, вычисления средних и действующих значений, гармонического состава сигналов и других подобных операций требуется запоминание передаваемых сигналов на определённых промежутках времени. Звенья, осуществляющие подобные действия, выделены в особый тип. Во многих случаях они используются для выполнения функций обработки и наглядного представления результатов моделирования, а не для непосредственного управления системой. Например, цепочка из семи звеньев с условными номерами, соответствующими последовательности их расчёта, (рис. 4.4) позволяет определить потери в вентильном плече в соответствии с формулой

где I_{V_EFF} , I_{V_SR} – эффективное и среднее значение тока вентильного плеча, R_din , E₀ – динамическое сопротивление и пороговая ЭДС прямой вольт-амперной характеристики вентильного плеча.

Рис. 4.3. Схема вычисления потерь в вентильном плече

Обратные связи в замкнутых системах управления реализуются с применением датчиков, которые передают в модель информационной части значения физических переменных силовой части. Такого рода функции также являются специфическими, требующими их учёта в алгоритме взаимодействия силовой и информационной частей.

Управляющее воздействие информационной части проявляется в формировании сигналов управления вентилями, а также может обеспечивать вычисление значений параметров отдельных элементов силовой части как зависимых величин. Моменты изменения сигналов управления проверяются на факты попадания в рассчитываемый шаг. В таких случаях запускается процедура дробления шага. Вычисленные значения сигналов, представляющие параметры элементов силовой части, могут присваиваться соответствующим элементам векторов и матриц математического представления схемы замещения в заданные или вычисляемые моменты времени, либо в конце очередного шага расчёта. В случае отображения непосредственных нелинейных зависимостей эти вычисления включаются в процедуры расчёта правых частей уравнений состояния.

На рис. 4.5 представлена функционально-структурная схема системы управления электропривода постоянного тока с трёхфазным мостовым преобразователем напряжения на тиристорах, силовая схемой замещения которого рассмотрена ранее (см. рис.3.5).

Рис. 4.4. Схема модели системы управления электропривода ТПН-ДПТ

Звенья 1 и 16 присваивают значения задания по частоте вращения и величине момента сопротивления. Сигнал обратной связи по току считывается звеном 6 как ток 10 ветви схемы замещения мостового преобразователя напряжения. Пропорциональный регулятор скорости представляется звеном 4. Усилитель и фильтр на выходе датчика тока образуют звенья 7 и 8. Пропорционально-интегральный регулятор тока сформирован на 10, 11 и 12 звеньях. На базе интегратора 19 реализована функция электромеханического преобразования энергии. На входе формируется сигнал M_d/J, представляющий частное от деления динамического момента на момент инерции, т.е. угловое ускорение вала двигателя. На выходе получается частота вращения в соответствии с уравнением движения привода

Умножением частоты вращения на параметр сФ двигателя находится его противоЭДС E_d. По номеру ветви, хранящемуся, как параметр звена 21, эта величина присваивается соответствующему элементу вектора ЭДС ветвей в уравнении состояния силовой части (см. 3.10).

Функцию системы формирования импульсов управления тиристорами (СИФУ) выполняют звенья 22 – 25. Предусмотрена реализация её регулировочной характеристики, как функции

где U_у.max соответствует ограничению уровня сигналов в электронной схеме управления.

При воспроизведении процессов управления определяются с необходимой точностью моменты изменения сигналов звеньев, формирующих логические сигналы, таких, как генераторы, компараторы, СИФУ. На каждом шаге проверяются факты изменения этих сигналов вместе с проверкой переключений вентилей силовой схемы (см. рис.3.4). При положительном результате проверки («Да») управление передаётся на дробление шага.

При отображении процессов функционирования решающих цепочек на операционных усилителях нужно иметь в виду, что их выходные сигналы по абсолютному значению не могут выходить за физически определённые пределы, например, напряжение питания. В случаях алгебраических операций это несложно учесть включением звеньев, ограничивающих величины сигналов. Например, звено 5 на выходе пропорционального регулятора скорости реализует функцию токовой отсечки.

Однако, при наличии инерциальных преобразований, как в случае пропорционально-интегрального регулятора тока (10-13 звенья), воздействие звена 14, ограничивающего выходной сигнал регулятора на уровне U_у.max , допустимо только при случайных кратковременных выходах этого сигнала за указанный предел. Полагается, что изменение сигналов происходит преимущественно в зоне линейных изменений. Например, при выходе на установившийся режим в диапазоне рабочих нагрузок.

При анализе качества протекания переходных процессов управления или воспроизведении процессов с периодически повторяющимися возмущениями, когда возможно получение расчётных значений сигналов динамических звеньев за физически реализуемыми пределами, применение упрощенного способа ограничения величин этих сигналов существенно снижает достоверность результатов. Дело в том, что принудительное изменение результата расчёта инерционного сигнала означает внесение искажения в процесс интегрирования уравнений состояния. По мере развития этой ситуации происходит накопление ошибки и может произойти нарушение устойчивости процесса вычислений.

Можно заметить, что функционирование операционного усилителя с подключёнными к нему инерциальными элементами в определённой мере подобно процессам преобразования энергии в обычной электрической схеме с нелинейными ключевыми элементами. При использовании соответствующих взаимозависимостей между переменными и параметрами элементов электрической схемы замещения и звеньями функционально-структурной схемы управления появляется возможность формирования совместно протекающих процессов в этих разнородных частях объекта, которые аналогичны процессам в электронной схеме с инерционными сигналами. Отображение процесса функционирования пропорционально-интегрального регулятора можно представить как заряд-разряд емкости в искусственной решающей цепочке с нелинейным элементом – стабилитроном (рис. 4.5).

Рис.4.5. Искусственная цепь для отображения функционирования