5. Ограничение переменных в структурах подчиненного регулирования

Помимо решения основных задач (управления скоростью, положением и т.д.) система управления должна обеспечивать безопасный режим работы объекта. Это достигается путем ограничения регулируемых величин на допустимых уровнях.

Так как в структурах подчиненного регулирования для основных регулируемых величин предусмотрены локальные системы регулирования, то ограничение этих величин осуществляется путем наложения ограничений на сигналы задания для данных локальных САР.

Реализацию этого принципа рассмотрим на примере однократной САР, в которой предусмотрено ограничение тока якоря двигателя и ЭДС силового преобразователя (рис. 5.1).

Механическая характеристика электропривода с однократной САР скорости, в которой не предусмотрено ограничение переменных (см. раздел 4.5), является линейной. При работе электропривода в условиях значительных перегрузок (например, механизмов экскаваторов и др.) использование такой характеристики не допустимо.

Задача ограничения тока якоря i_я решается путем введения в структуру САР нелинейного элемента (НЭ1), ограничивающего задание u_зт для САР тока якоря. Так как это задание формируется регулятором скорости, то нелинейный элемент НЭ1 включается в канал обратной связи данного регулятора и имеет характеристику типа "зона нечувствительности". Ширина зоны нечувствительности задается сигналом u_огр1, величина которого устанавливается в процессе настройки САР в соответствии с требуемым уровнем ограничения тока якоря. Принцип ограничения тока якоря и пропорционального ему электромагнитного момента двигателя заключается в следующем.

Если выходной сигнал регулятора скорости, поступающий на вход САР тока якоря и одновременно на вход НЭ1, укладывается в зону нечувствительности НЭ1, то выходной сигнал данного нелинейного элемента, поступающий на вход регулятора скорости, равен нулю. Поэтому нелинейный элемент НЭ1 не оказывает никакого влияния на работу регулятора скорости и соответственно на механическую характеристику электропривода.

Если же выходной сигнал регулятора скорости выходит за пределы зоны нечувствительности НЭ1, то выходной сигнал нелинейного элемента резко возрастает. Поскольку этот сигнал поступает по цепи отрицательной обратной связи снова на вход регулятора скорости, то результирующий входной сигнал регулятора уменьшается. Благодаря этому происходит ограничение выходного сигнала регулятора скорости на уровне порога зоны нечувствительности НЭ1. Подчиненная регулятору скорости система регулирования тока якоря, отрабатывая ограниченный сигнал задания, обеспечивает ограничение величины тока якоря (i_я._мах = u_огр1) и соответственно электромагнитного момента двигателя (m_мах = φ i_я._мах). При срабатывании данного ограничителя происходит излом механической характеристики электропривода, которая приобретает вид экскаваторной.

Рис. 5.1. Функциональная схема однократной САР скорости с ограничением

переменных: НЭ1 - ограничитель выхода регулятора скорости;

НЭ2 - ограничитель выхода регулятора тока

На рис. 5.2 изображены статические механические характеристики электропривода при наличии ограничителя задания тока якоря. Задавая различные значения u_огр1, т.е. изменяя ширину зоны нечувствительности НЭ1, можно изменять положение точки излома и соответственно момент упора m_уп экскаваторной характеристики.

Рис. 5.2. Статические механические характеристики электропривода

с ограничителем задания тока якоря: а - Однократной САР; б - Двукратной САР

При настройке системы ограничения выполняют условие: u_огр1 = i_zдоп ,

где i_{я доп} – относительная величина допустимого тока якоря двигателя.

Задача ограничения ЭДС преобразователя решается путем установки аналогичного ограничителя НЭ2 в цепь обратной связи регулятора тока, который вырабатывает сигнал задания ЭДС силового преобразователя.

Аналогичным образом решаются задачи ограничения других величин. В частности, для ограничения скорости вращения двигателя необходимо предусмотреть устройство, ограничивающее сигнал задания скорости.

Рассмотренные ограничители используются в структурах не только одно-, но и двукратных САР скорости. Они обеспечивают ограничение переменных при реакции электропривода, как на управляющее, так и на возмущающее воздействия. Например, в структуре САР скорости, изображенных на рис. 5.1, ограничитель выхода регулятора скорости обеспечивает ограничение тока якоря как в пусковых и тормозных режимах, так и при изменении нагрузки на валу двигателя, в том числе в режиме стопорения механизма.

Недостаток рассмотренного способа ограничения переменных состоит в том, что САР, снабженная ограничителями регуляторов, становится существенно нелинейной. При этом в общем случае не гарантируется нормированный характер переходных процессов, присущих линейным структурам подчиненного регулирования.

Практически это наблюдается при выходе САР из нелинейной зоны (из режима ограничения) и возвращении ее в линейную зону действия регуляторов. Более того, при большом количестве регуляторов и соответственно их ограничителей оказывается непредсказуемой последовательность входа в режим ограничения и выхода из него каждого из регуляторов.

Существенно то, что при входе какого-либо регулятора в режим ограничения соответствующий контур регулирования выходит из подчинения внешнего регулятора. Это приводит к накоплению ошибок во внешних САР. Анализ показывает, что отмеченные обстоятельства могут привести не только к отклонению процессов регулирования от стандартных, но даже и к нарушению устойчивости многоконтурной САР. Поэтому в структурах подчиненного регулирования используются дополнительные средства ограничения переменных, уменьшающие опасность проявления отмеченных выше нежелательных факторов. Одним из наиболее распространенных средств ограничения переменных при реакции САР на управляющие воздействия являются задатчики интенсивности.