Системы управления исполнительными механизмами

2. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОБОБЩЕННАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУИМ

2.1. Классификация СУИМ

СУИМ как технические системы управления можно классифицировать по ряду основных признаков.

1. По степени автоматизации функций управления:

–системы ручного управления: человек-оператор вырабатывает и реализует стратегию управления; как правило, это СУИМ без регуляторов координат объекта управления (ОУ), например релейно-контакторные системы управления (РКСУ) электроприводами мостового крана на основе типовых релейно-контакторных панелей управления;

–системы автоматизированного управления (человеко-ма- шинные СУИМ): человек-оператор задает и корректирует задание (уставки) процесса управления ОУ, а СУИМ (аналоговые или дискретные) осуществляют оптимальную в некотором смысле отработку задающих воздействий;

–системы автоматического управления ИМ (без участия человека); в этом случае аналоговые или микропроцессорные средства управления берут на себя функции и выработки оптимальных заданий (уставок), и управления технологическим процессом; оператор в таких АСУТП вмешивается в ход технологического процесса лишь в нештатных ситуациях.

2. По типу исполнительного механизма:

–электрические (электромеханические) СУИМ на основе ЭИМ (ЭМСУ, или, что то же самое, СУЭП);

–гидравлические СУИМ на основе ГИМ;

–пневматические СУИМ на основе ПИМ;

–электромагнитные СУИМ на основе ЭМИМ;

–комбинированные СУИМ (электрогидравлические, электропневматические, электропневмогидравлические и иные).

61

3.По характеру протекания процессов в СУИМ и, соответственно, форме математического описания:

– непрерывные (аналоговые) СУИМ;

– дискретные (релейные, импульсные, цифровые) СУИМ;

– дискретно-непрерывные, в том числе цифроаналоговые СУИМ.

4.По принципу управления (характеру задач управления):

– системы стабилизации;

– системы программного управления;

– следящие системы и системы воспроизведения движений.

5.По наличию существенных нелинейностей в СУИМ:

–линейные (линеаризованные) СУИМ;

–нелинейные СУИМ.

6. Поналичиюсиловогопреобразователяподводимойэнергии:

–СУИМ без силового преобразователя энергии (с непосредственной коммутацией электродвигателя к промышленной электросети, непосредственным ручным подключением ПИМ и ГИМ соответственно к пневматической или гидравлической линии);

–СУИМ с силовым преобразователем энергии (с электромашинным, тиристорным, транзисторным, симисторным, электропневматическим, электрогидравлическим преобразователем и др.).

7.По виду выходной координаты ИМ или технологической координаты ОУ:

–системы регулирования скорости РО ИМ;

–системы регулирования положения РО ИМ;

–системы регулирования давления или расхода;

–системы регулирования температуры;

–системы регулирования уровня жидкости;

–системы регулирования иных технологических координат.

8.По наличию и типу обратных связей:

–разомкнутые СУИМ (без обратных связей);

–замкнутые СУИМ:

по ошибке регулирования (с регулированием по отклонению выходной технологической координаты от заданного значения);

62

по вектору состояния ОУ (полному или редуцирован-

ному);

с компенсацией возмущающих воздействий ОУ (с регулированием по возмущению);

с комбинированным управлением.

9.По принципу управления:

–СУИМ постоянной скорости с релейно-импульсным управлением;

–СУИМ переменной скорости с аналоговым или цифровым управлением.

10. По типу регуляторов, применяемых в устройстве управления:

–с аналоговыми или цифровыми регуляторами класса «входвыход»;

–с релейными регуляторами класса «вход-выход»;

–с аналоговыми или дискретными регуляторами состояния.

11. По числу и связности каналов управления:

–одномерные СУИМ (со скалярным управлением);

–многомерные СУИМ с автономными (невзаимосвязанными) каналами управления (с субвекторным управлением);

–многомерные многосвязные СУИМ (с векторным управле-

нием).

12. 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 (аналоговых или дискретных);

–на основе микропроцессорных комплектов БИС, промышленных микропроцессорных компактных или модульных контроллеров, микропроцессорных комплексов технических средств управления технологическими процессами.

63

Сложные автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) на основе СУИМ классифицируют также по функционально-структурным признакам (централизованные и распределенные, локальные одноуровневые и иерархические многоуровневые и т.п.).

2.2. Обобщенная функциональная схема

Функциональная схема (функциональная структура) СУИМ, как и любой системы управления [12–23], отражает признаки ее функционально-структурной организации и определяет взаимосвязь, соподчиненность ее функциональных элементов.

В структуре СУИМ выделяют два основных структурных модуля: объект управления и устройство управления (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Обобщенная функциональная схема системы управления: Xз – вектор задающих воздействий; Y – вектор выходных (управляемых) координат; X – вектор координат состояния объекта; F – вектор возмущающих воздействий; Xс – вектор контролируемых (наблюдаемых) координат объекта; Xв – вектор контролируемых

аддитивных воздействий; U – вектор управляющих воздействий

64

Объект управления (ОУ) представляет собой какой-либо технологический процесс или промышленную установку. Рабочие органы исполнительных механизмов ОУ приводятся в движение электроприводами, пневмоприводами или гидроприводами.

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, вычисления значений координат (наблюдающие устройства).

Устройство управления (УУ) представляет собой совокупность регуляторов, фильтров, корректирующих устройств, преобразователей координат, обеспечивающих требуемые статические и динамические характеристики СУИМ.

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. На рис. 2.2 рассмотрена обобщенная функциональная структура простейшей одноуровневой локальной электромеханической СУИМ (СУЭП).

Рис. 2.2. Обобщенная функциональная схема локальной электромеханической системы управления

65

На схеме используются следующие обозначения:

УЗ – устройство задания. Формирует задающее 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

истатические характеристики системы в соответствии с заданным критерием качества управления.

СПЭ – силовые преобразователи энергии (электромашинные, тиристорные, транзисторные и т.п.). Преобразуют электрическую энергию питающей сети в электромагнитную энергию управления

электродвигателем, формируя вектор выходных сигналов Eп (для ДПТ – регулируемые напряжения цепей якоря и возбуждения, для АД с короткозамкнутым ротором – регулируемые напряжения или токи и частота питающей сети статора, для СД – регулируемые напряжение и частота питающей сети статора и ток возбуждения

ит.п.).

ЭД – электродвигатель постоянного или переменного тока. Обеспечивает преобразование подводимой электрической энергии в механическую энергию. X – вектор координат состояния (вектор переменных) электродвигателя (напряжения, токи, электромагнитные моменты, частота напряжения обмоток статора, скорость вращения или угловое положение вала и др.).

ПМ – передаточный механизм (редуктор, ременная, цепная передача и др.). Передает энергию вращения электродвигателя в энергию вращения или поступательного движения рабочего органа (РО) исполнительного механизма (ИМ). X′ – выходная координата передаточного механизма электромеханической СУИМ (линейная или угловая скорость либо линейное или угловое положение ИМ).

Исполнительным механизмом ОУ может быть механизм суппорта токарного станка, шток или штурвал привода задвижки нефте- или газопровода, схват робота-манипулятора и др. В этом случае суппорт станка, задвижка, центробежный насос представляют собой рабочие органы (РО) ОУ.

66

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 является скорость или положение РО (ЭМСУ металлорежущих станков, промышленных роботов-манипуляторов, электрического транспорта и др.).

УИс – устройство измерения координат состояния СУИМ, представляющее собой совокупность датчиков внутренних 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 СУИМ (датчики координат, наблюдающие устройства). Формирует вектор Xв сигналов компенсирующих связей по возмущению системы управления.

Все возмущения, действующие на СУИМ, подразделяются на три вида:

–аддитивные – приходят из внешней по отношению к ОУ среды, суммируясь с полезными сигналами (координатами ОУ);

кним относятся отклонения напряжения и частоты питающей среды от номинальных значений, изменение климатических факторов, изменение нагрузки на валу ЭИМ и другие (см. вектор возмуще-

ния 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 значений активного сопротивления обмоток двигателя при их нагреве, изменением приведенного к валу двигателя момента инерции ЭП при изменении параметров кинематической схемы привода (массогабаритных параметров ИО, например при обработке заготовки

67

в токарном станке, изменении груза лифта или транспортного механизма).

При синтезе СУИМ, 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 СУИМ к параметрическим возмущениям.

Основные функциональные элементы СУИМ (элементную ба-

зу) 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

иэлектронных носителях информации); задающие воздействия на рис. 2.2 обозначены переменной Xз;

2)чувствительные элементы, обеспечивающие непосредственноеизмерение 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 рабочих органов исполнительных механизмов ОУ (электрические двигатели постоянного или переменного тока, пневмоприводы, гидроприводы, электромагнитные приводы);

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 или синхронного двигателя, тиристорные возбуди-

68

тели для питания обмотки возбуждения синхронного двигателя)

ипреобразователи сигналов информационных каналов СУИМ (преобразователи «частота – напряжение», «частота – код», «напряжение – ток» и др.);

6)корректирующие элементы, обеспечивающие изменение статических и динамических свойств СУИМ (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)

ииными периферийными устройствами, в частности сетевые аппаратные средства.

2.3. Статические и динамические режимы и характеристики

Статические режимы СУИМ характеризуются установившимися состояниями при неизменных входных воздействиях. Уравнения статики легко получить из уравнений динамики СУИМ, приравняв в них к нулю все производные переменных (координат состояния) по времени и внешних воздействий. В операторных уравнениях и структурных схемах линейных САУ это эквивалентно приравниванию к нулю оператора p. Таким образом,

статическая характеристика системы (элемента) – это зави-

симость выходной переменной системы (элемента) от какой-либо входной переменной в установившемся режиме.

Примером статической характеристики является механическая характеристика электропривода – зависимость угловой частоты вращения вала двигателя от момента статической нагрузки на валу в установившихся режимах. Для электропривода постоянного тока такая характеристика приведена на рис. 2.3.

Как видим, при увеличении нагрузки на валу двигателя скорость вращения вала двигателя падает и появляется статическая ошибка регулирования скорости. При изменении нагрузки от нуля до номинального значения Mсн скорость вращения уменьшается от скорости холостого хода ω0 до номинальной скорости ωн.

69

В номинальном режиме абсолютная величина статической ошибки регулирования скорости вращения

c 0 н.

Найдем выражения для установившейся ошибки регулирования в общем случае изменения входного (задающего или возмущающего) воздействия линейной СУИМ.

ω

ω0

Δωс

ωн

Mсн

M

Рис. 2.3. Статическая механическая характеристика двигателя постоянного тока

Передаточная функция любого замкнутого контура регулирования электропривода с отрицательной обратной связью (рис. 2.4) определяется передаточными функциями прямого W1(p) и обратного W2(p) каналов регулирования [13, 14]:

70