Методическое пособие 469

воздействий u(t).

Пример объекта управления – двигатель постоянного тока (ДПТ) с возбуждением от постоянных магнитов (рис. 2.9).

К якорю (ротору) двигателя постоянного тока М1 приложено управляющее воздействие – напряжение якоря U (рис. 2.9, а). Двигатель развивает электромагнитный момент М. На ротор ДПТ действует возмущающее воздействие – момент нагрузки Мс. В качестве выходной величины выбрана скорость двигателя .

М1

+

-

Рис. 2.9. Входные и выходные величины двигателя постоянного тока

При выбранных входных и выходной величинах ДПТ может быть представлен в виде рис. 2.9, б.

Входные и выходные величины ДПТ связаны системой дифференциальных уравнений. На первом этапе для упрощения рассмотрим уравнения ДПТ в установившемся режиме. В этом случае ДПТ описывается уравнением механической характеристики (2.1). Так как в установившемся режиме М=Мс, уравнение (2.1) можно переписать в виде

21

где U /C – скорость идеального холостого хода.

Как видно из (2.5), скорость ДПТ (выходная величина) зависит как от управляющего воздействия (напряжения якоря U), так и от возмущающего воздействия – момента нагрузки Мс.

Управлять объектом – вырабатывать управляющее воздействие u(t) таким образом, чтобы вектор регулируемых ко-

ординат хвых (t) изменялся по требуемому закону с необходимой точностью независимо от возмущающих воздействий

f (t).

К примеру, управлять скоростью ДПТ – изменять напряжение якоря U таким образом, чтобы обеспечивалось регулирование с требуемыми точностью и быстродействием.

Обобщенная функциональная схема управляемой сис-

темы с одной регулируемой величиной хвых(t) может быть представлена в виде рис. 2.10.

Рис. 2.10. Схема управляемой системы

На вход устройства управления УУ поступает задающее воздействие хвх (t) и измерительная информация хизм(t) о со-

стоянии объекта управления ОУ.

В зависимости от вида используемой измерительной информации или не использования ее выделяют упомянутые

22

выше фундаментальные принципы управления: разомкнутое управление; управление по отклонению; управление по возмущению.

При разомкнутом управлении измерительная информация не используется (рис. 2.11).

Рассмотрим в качестве примера разомкнутую систему регулирования скорости ДПТ в системе “вентильный преобра-

Рис. 2.12. К работе системы “вентильный преобразователь-двигатель”

К выходу вентильного преобразователя ВП, питаемого от сети переменного напряжения, подключен якорь двигателя постоянного тока М1. В первом приближении ВП можно представить как идеальный усилитель, выходное напряжение U которо-

23

го пропорционально входному напряжению управления uвх :

где КП – коэффициент усиления.

Исходя из (2.1), (2.6), можно записать уравнение механической характеристики системы ВП-Д:

где 0 КПuвх /С – скорость идеального холостого хода.

Семейство механических характеристик системы ВП-Д при различных значениях uвх имеет вид параллельных прямых. На рис. 2.12, б приведены два графика механических характеристик при двух значениях напряжения управления uвх1 и uвх2 .

Установившееся значение скорости определяется точкой пересечения механической характеристики привода и механической характеристики нагрузки. При фиксированном моменте нагрузки Мс1 двум значениям напряжения управления uвх1 и uвх2 соответствуют установившиеся значения скорости

1 и 2 (рис. 2.12, б).

При фиксированном напряжении управления uвх изме-

нение нагрузки приводит к изменениям скорости. Степень изменения скорости зависит от наклона механических характеристик. Колебания скорости могут быть недопустимыми по условиям требуемой точности. Увеличить точность позволяет использование замкнутых систем, в которых используется управление по отклонению или возмущению.

Рассмотрим пример управления по возмущению.

Если возмущение f (t) велико и разомкнутая система не обеспечивает требуемой точности, можно, измерив возмущение и зная характеристики объекта управления, ввести корректировку в алгоритм управления, которая бы компенсировала отклонение, вызванное возмущением. Обобщенная структура системы с управлением по возмущению приведена на рис. 2.13.

24

висит от возмущающего воздействия – момента нагрузки Мс. Основное достоинство управления по возмущению

(компенсационного управления) – высокое быстродействие, так как система реагирует на причину отклонений, а не на следствие. Основной недостаток – трудно и не всегда возможно измерять и учитывать все возмущения.

Наиболее универсальным является способ управления по отклонению, который позволяет управлять и неустойчивыми объектами, обеспечивает высокую точность независимо от причин, вызывающих отклонение.

Обобщенная структура системы с управлением по отклонению (с отрицательной обратной связью) приведена на рис. 2.15.

f (t)

С1

обратная связь

Рис. 2.15. Система с управлением по отклонению

Управляющее устройство включает сумматор С1 (элемент сравнения) и регулирующее устройство РУ. Управляющее воздействие u(t) на объект управления вырабатывается на

Часто системы с управлением по отклонению называют системами автоматического регулирования (САР). В САР используется обратная связь по той величине, которой управляют.

На рис. 2.16 приведена структура САР скорости в системе ВП-Д.

26

Рис. 2.16. Структура САР скорости

Кроме рассмотренных ранее элементов САР содержит последовательное корректирующее устройство ПКУ (регулятор скорости РС) и тахогенератор ТГ, установленный на валу двигателя М1. Тахогенератор является датчиком обратной связи по скорости. Его выходное напряжение Uтг пропорционально скорости:

Пусть ПКУ – пропорциональное звено с коэффициентом передачи Ку, то есть uвх КУ . В этом случае с учетом ра-

нее приведенных уравнений элементов системы ВП-Д можно записать

uвх . Величина является установившейся ошибкой по воз-

мущению.

Увеличение коэффициента передачи КУ корректирую-

щего устройства приводит к уменьшению ошибки, то есть к уменьшению наклона механических характеристик привода.

При больших КУ установившуюся ошибку в данной системе можно сделать весьма малой, однако нельзя свести к

27

нулю.

Системы, в которых установившаяся ошибка не равна нулю, называют статическими. В астатических системах установившаяся ошибка равна нулю. Астатизм системы обеспечивается наличием интегрирующих звеньев.

При анализе САР скорости применялись уравнения для установившихся режимов. Реально САР описывается системой дифференциальных уравнений.

В рассмотренной САР скорости величина КУ не может выбираться произвольно. Увеличение КУ приводит к умень-

шению установившейся ошибки, что ухудшает качество переходных процессов. При определенных КУ система даже может

стать неустойчивой.

Для обеспечения требуемого качества управления и в статике и в динамике в состав управляющих систем включают корректирующие устройства, описываемые теми или иными дифференциальными уравнениями. Корректирующие устройства, включаемые в прямую цепь (не цепь обратной связи), называют последовательными (пример на рис. 2.16).

Последовательные корректирующие устройства также называют регуляторами – регуляторами скорости, если системой регулируется скорость (рис. 2.16), регуляторами положения, если системой регулируется положение, и т. д.

Управляемые системы (УС), в том числе и регулируемые электроприводы, разделяют по разным признакам. По виду дифференциальных уравнений, описывающих УС, выделяют линейные и нелинейные системы. Линейные УС описываются линейными уравнениями, нелинейные – нелинейными.

По характеру передачи сигналов выделяют непрерывные, дискретные и релейные УС.

По величине установившейся ошибки различают статические и астатические системы (см. выше).

По принципу управления различают системы: разомкнутые; с управлением по отклонению; с управлением по воз-

28

мущению; комбинированные, когда используется управление по отклонению и возмущению.

В зависимости от характера изменения задающего воздействия хвх (t) выделяют:

системы стабилизации, обеспечивающие поддержание с заданной точностью постоянного значения управляемой величины;

программные системы, в которых хвх (t) изменяется по заранее составленной программе;

следящие системы, в которых хвх (t) заранее неиз-

вестная величина.

Регулируемые электроприводы разделяют по типу основной управляемой координаты на системы регулирования скорости, положения, момента.

Рис. 2.17. Обобщенная структура САР скорости

Серийно выпускаемые (комплектные) электроприводы обычно выполняются как системы регулирования скорости. Замкнутые системы регулирования скорости обычно имеют структуру в виде рис. 2.17. Схема включает элемент сравнения С1, регулятор скорости РС (корректирующее устройство КУ), блок ограничения БО1 и внутренний контур регулирования ВКР. На вход сумматора С1 поступают сигнал задания скорости * и сигнал обратной связью по скорости . Элемент БО ограничивает величину управляющего сигнала на входе ВКР. Структура ВКР во многом зависит от типа электродвигателя.

Частным случаем приведенной САР скорости является

29

схема на рис. 2.16. Данная схема не содержит блока ограничения, а ВКР включает вентильный преобразователь ВП и двигатель М1. На вход ВКР поступает сигнал задания напряжения.

Вприводах постоянного тока часто на вход ВКР поступает сигнал задания тока двигателя. При этом ограничением с помощью БО входного сигнала ВКР обеспечивается ограничение тока двигателя.

Во многих рабочих машинах необходимо регулирование положения – позиционирование. В приводах, не имеющих обратной связи по положению, позиционирование часто обеспечивается с помощью конечных (путевых) выключателей, которые устанавливаются в нужной точке пространства перемещения. При достижении рабочим органом нужной точки двигатель отключается от питания. Точность позиционирования при этом невысока, а число точек позиционирования определяется количеством конечных выключателей.

Позиционирование в большом числе точек при отсутствии датчиков положения обеспечивают шаговые приводы.

Высококачественные позиционные приводы выполняются как системы, замкнутые по положению.

Всоответствии с приведенной выше классификацией управляемых систем по характеру изменения задающего воздействия среди замкнутых позиционных приводов выделяют программно-управляемые и следящие приводы. Замкнутые позиционные электроприводы обычно имеют внешний контур регулирования положения, которому подчинен внутренний контур регулирования скорости. При этом обобщенная структура следящего электропривода может быть представлена в виде рис. 2.18. По сравнению со схемой на рис. 2.17 рассматриваемая структура дополнена элементом сравнения С2, регулятором положения РП, блоком ограничения БО2 и передаточным механизмом ПМ.

30