Системы управления исполнительными механизмами

УДК 62-52 К62

Рецензенты:

доктор технических наук, проф. С.В. Бочкарев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

канд. техн. наук А.В. Трусов (Центр научно-технической информации г. Перми)

Казанцев, В.П.

К62 Системы управления исполнительными механизмами : учеб. пособие / В.П. Казанцев. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. поли-

техн. ун-та, 2015. – 274 с.

ISBN 978-5-398-01446-4

Рассмотрены основные понятия, классификационные признаки, общее устройство и характеристики исполнительных механизмов и систем управления исполнительными механизмами, нашедших самое широкое применение в управлении технологическими процессами и установками. Освещены обобщенные функциональные структуры СУИМ, математические модели функциональных элементов СУИМ, задачи и методы исследования систем управления электромеханическими, электропневматическими и электрогидравлическими приводами исполнительных механизмов, обеспечивающих требуемое качество регулирования тех или иных технологических координат. Рассмотрены вопросы синтеза и анализа систем стабилизации, программного и следящего управления. При этом отмечено два основных класса СУИМ: с применением «дросселирования» – СУИМ постоянной скорости и «объемного регулирования» – СУИМ переменной скорости.

Требуемые показатели качества технологических процессов во многом определяются качеством управления такими координатами СУИМ, как угловые и линейные скорости и положения рабочих органов, в том числе регулирующих органов запорнорегулирующей арматуры электроэнергетических, теплоэнергетических и иных объектов. Именно поэтому наибольшее внимание уделено синтезу систем управления координатами скорости и положения рабочих органов.

Предназначено для студентов, обучающихся по следующим направлениям подготовки:

–220700 «Автоматизация технологических процессов и производств»;

–140400 «Электроэнергетика и электротехника».

Учебное пособие может быть полезно также для магистров, аспирантов, преподавателей учебных дисциплин, связанных с автоматизацией технологических процессов и установок на основе применения автоматизированных электроприводов в различных отраслях промышленности (энергетической, машиностроительной, химической, нефтегазовой и др.).

УДК 62-52

4

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АД – асинхронный двигатель; АСУТП – автоматизированная система управления техноло-

гическим процессом; АЭП – автоматизированный электропривод;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь; БДПТ – бесколлекторный двигатель постоянного тока; БКВ – блок концевых выключателей;

БСПИ – блок сигнализации положения (выходного вала) индуктивный;

БСПР – блок сигнализации положения (выходного вала) резистивный;

БСПТ – блок сигнализации положения (выходного вала) токовый;

ВД – вентильный двигатель; ВМУ – векторно-матричные уравнения; Ду – условный диаметр прохода; ДПТ – двигатель постоянного тока;

ЗРА – запорно-регулирующая арматура; ЗЭиМ – завод электроники и механики (г. Чебоксары); ИМ – исполнительный механизм; ИН – инвертор напряжения; ИТ – инвертор тока;

МЗТА – Московский завод тепловой автоматики; МИМ – мембранный исполнительный механизм; ММ – математическая модель;

МПИМ – мембранный пневматический исполнительный механизм;

МСУ – микропроцессорные средства управления; МЭМ – механизм электрический многооборотный; МЭО – механизм электрический однооборотный;

5

МЭОФ – механизм электрический однооборотный фланце-

вый;

МЭП – механизм электрический прямоходный; МЭПК – механизм электрический прямоходный кривошип-

ный;

НИОКР – научно-исследовательская и опытно-конструктор- ская работа;

НИР – научно-исследовательская работа; ОДУ – обыкновенные дифференциальные уравнения; ОУ – объект управления; ПБР – пускатель бесконтактный реверсивный;

ПВ – продолжительность включения; ПИМ – пневматический исполнительный механизм;

ППИМ – поршневой пневматический исполнительный механизм;

РИМ – ручной исполнительный механизм; РКСУ – релейно-контакторная система управления; РО – рабочий (регулирующий) орган; САР – система автоматического регулирования;

САУ – система автоматического (автоматизированного) управления;

СД – синхронный двигатель; СПЭ – силовой преобразователь энергии;

СУИМ – система управления исполнительным механизмом; СУЭП – система управления электроприводом; ТЗ – техническое задание;

ТП – тиристорный (транзисторный) преобразователь; ТЭН – тепловой электрический нагреватель; УВМ – управляющая вычислительная машина; УСО – устройство связи с объектом; УУ – устройство управления;

ЦАП – цифроаналоговый преобразователь; ЧРП – частотно-регулируемый привод; ШД – шаговый двигатель;

6

ЭГИМ – электрогидравлический исполнительный механизм; ЭИМ – электрический исполнительный механизм; ЭМИМ – электромагнитный исполнительный механизм; ЭМП – электромашинный преобразователь; ЭМСУ – электромеханическая система управления; ЭП – электропривод;

ЭПГИМ – электропневмогидравлический исполнительный механизм;

ЭПИМ – электропневматический исполнительный механизм.

7

ВВЕДЕНИЕ

Целью преподавания дисциплины «Системы управления исполнительными механизмами» (СУИМ) является подготовка высококвалифицированных специалистов, знающих основы теории и принципы построения систем управления приводами рабочих регулирующих органов (РО) как общепромышленных, так и специализированных исполнительных механизмов (ИМ).

В общем случае для управления ИМ применяют электромеханические (ЭИМ), пневматические (ПИМ), гидравлические (ГИМ) и электромагнитные (ЭМИМ) исполнительные механизмы.

ЭИМ доминируют в общей массе ИМ (порядка 95 %) в силу многочисленных преимуществ, и именно на основе этих электромеханических систем управления (ЭМСУ), или, иными словами, автоматизированных электроприводов (АЭП), реализовано большинство автоматизированных промышленных систем управления.

В последние годы в энергетике наряду с регулированием параметров потока энергоносителей (давление, расход, температура и т.п.) за счет изменения проходного сечения арматуры (дросселирования) их регулирование осуществляют изменением скорости электроприводов постоянного или переменного тока (объемное регулирование), что позволяет значительно снизить затраты электроэнергии. В первом случае в основе СУИМ – приводы постоянной скорости, во втором – приводы переменной скорости. Наиболее перспективны в этом плане системы, сочетающие оба способа регулирования.

Сравнительно недавно в практике отечественного машиностроения преобладали электроприводы, в том числе комплектные, с аналоговым (непрерывным) управлением. В последние годы стала доминировать тенденция интеллектуализации СУИМ за счет применения цифровых методов и средств управления. При этом наблюдается устойчивая тенденция к удешевлению цифровых средств управления электроприводами переменного тока и приме-

8

нению частотно-регулируемых асинхронных, синхронных и прежде всего вентильных АЭП.

Современные микропроцессорные контроллеры позволяют не только реализовать управление электроприводом одной локальной технологической координаты какого-либо объекта (скорости или положения ИМ, давления газа или жидкости в трубопроводе, температуры в топке котла и др.), но и осуществить взаимосвязанное оптимальное управление несколькими параметрами технологических объектов, причем самой различной физической природы. Это обстоятельство потребовало применения рационального сочетания иерархических и децентрализованных принципов управления электроприводами, пневмоприводами, гидроприводами и иными приводами управляющих органов объектов управления (ОУ). Очевидно, что современная СУИМ – лишь подсистема в сложной системе автоматизации технологических процессов. Знание роли и места СУИМ и микропроцессорных средств управления в таких системах автоматизации – одна из основных задач настоящего учебного курса.

Многообразие технических ОУ и, как следствие, законов движения исполнительных механизмов и требований к статическим и динамическим показателям качества регулирования выходных координат ОУ предполагает применение различных принципов построения и аргументированный подход к выбору элементной базы СУИМ. Вместе с тем к любому объекту управления можно применить традиционные в теории управления методы математического описания (математические модели), принципы построения, методы синтеза и анализа систем управления. Отсюда понятно, что учебная дисциплина «СУИМ» базируется на таких фундаментальных понятиях теории автоматического управления, как «математическая модель объекта управления», «критерии качества управления», «обратные связи», «регулятор», «система управления» и т.п. Управление современными техническими объектами основано на применении обратных связей по координатам (переменным состояния) объектов, компенсации возмущений

9

внешней по отношению к ОУ среды и реализации принципа подчиненного регулирования координат ОУ. Фундаментальными свойствами СУИМ являются быстродействие (время регулирования или полоса пропускания), точность регулирования (статическая и динамическая), добротность, инвариантность, чувствительность и др.

Логическим развитием структур СУИМ в направлении их децентрализации является интеллектуализация самого нижнего уровня систем – датчиков и исполнительных органов. В связи с этим значительное внимание в учебном пособии уделено вопросам синтеза дискретных и дискретно-непрерывных СУИМ, а также применению в структурах СУИМ средств интеллектуализации исполнительных механизмов (применению бесконтактных реверсивных интеллектуальных пускателей, блоков сигнализации положения, микропроцессорных контроллеров исполнительных механиз-

практические рекомендации, определяющие стадии и этапы проектирования СУИМ как неотъемлемого атрибута любой современной системы автоматизации технологических процессов, изложены в работах [1–6]. Основные теоретические сведения и справоч- но-информационные данные об исполнительных механизмах и системах управления ими приведены в работах [7–11]. Основные положения теории оптимального управления электромеханическими системами, включая управление интеллектуальными ИМ, приведены в работах [12–31].

10