2033

и электромагнитная цепь, учитывающая свойства двигателя и преобразователя по возмущению и имеющая ПФ

Управляющим воздействием этой цепи (сигналом задания тока), является входное напряжение uз.т пропорционального регулятора тока (РТ) с коэффициентом передачи kРТ. Возмущающим воздействием, изменяющим регулируемую величину (ток) при неизменном uз.т, является ЭДС двигателя ед.

Коэффициент передачи цепи тока по управляющему

сигнале датчика.

Для суммирования сигналов задания uз.т и обратной связи uо.т служит регулятор тока (РТ). Коэффициент передачи разомкнутого контура тока

k kРT kп ki . (20)

Коэффициенты передачи контура тока по управляющему uз.т и возмущающему eд воздействиям уменьшаются при ООС в (1+ kPi) раз, т.е. определяются из уравнений:

51

Это можно интерпретировать как увеличение активного эквивалентного сопротивления якорной цепи в (1 + kРi) раз против Rа, рассматривать как эффект стабилизации тока, как существенное уменьшение влияния возмущения на взаимосвязь управляющего воздействия с регулируемой величиной.

Другими словами, ошибка по управлению и возмущению уменьшается в (1 + kРi) раз. Во столько же, т.е. в (1 + kРi) раз увеличивается быстродействие от воздействий к току, уменьшается эквивалентная инерционность. В итоге введение ООС по току существенно улучшает управляемость двигателя в отношении развиваемого им момента в статике и динамике, снижает ошибку по управлению и возмущению относительно момента, повышает быстродействие управления моментом. Это создает предпосылки для быстрого и с малыми ошибками регулирования других координат электропривода – частоты вращения и положения вала (перемещения).

Величину kРi нетрудно сделать существенно больше единицы. Проблем с устойчивостью контура и электропривода в целом при этом обычно не возникает. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, контур имеет порядок не выше третьего при одной большой Та и двух малых Тп и Тi постоянных времени, поэтому достаточно устойчив. Вовторых, большое перерегулирование и даже высокая колебательность этого контура не ухудшают свойств электропривода, так как колебания тока имеют высокую частоту и хорошо сглаживаются интегрирующим звеном

цепи с большой по сравнению с периодом этих колебаний электромеханической постоянной времени Tм.

Нагрузочные свойства привода относительно скорости с ООС по току вытекают из свойства замкнутого контура

52

стабилизировать ток. Анализируя поведение привода по скорости, следует иметь в виду, что сигнал задания uз.т преобразуется сначала в ток; потом скорость формируется как выходной сигнал звена с ПФ (11), стоящего после контура тока. На входе этого звена – разность тока двигателя и статического тока. При этом важен факт стабилизации первого. Это означает, что коэффициент передачи цепи формирования тока к изменениям ЭДС двигателя, зависящей от скорости, становится в (1 + kРi) раз меньше, до замыкания ОС. Отсюда и слабое влияние на ток (момент) двигателя изменений скорости, в том числе и от изменений нагрузки.

При стабилизации тока с увеличением нагрузки сигнал на входе звена, формирующего скорость, быстро уменьшается. В итоге получается очень мягкая скоростная характеристика; существенно большая инерционность процессов изменения скорости. Отмеченные особенности наглядно описываются структурной схемой и соответствующими передаточными функциями электропривода с ООС по току.

Управляемость привода относительно скорости при введении ООС по току остается такой же, как и без обратной связи. Экспериментальное подтверждение этого факта затруднительно из-за существенного смягчения нагрузочной характеристики (коэффициент передачи по управлению оценивается, как известно, при неизменной нагрузке).

Экспериментальные исследования свойств контура формирования тока имеют особенность – возмущением при этом является ЭДС двигателя. При исследовании свойств по возмущению необходимо исключить управление, то есть не менять последнее. Воздействие формируется механическим стопорением двигателя. Его величина будет

Предварительно следует уменьшить подаваемое на двигатель напряжение, чтобы ток при стопорении не превышал номинальный.

53

Положительная обратная связь (ПОС) по току придает приводу статические и динамические свойства, противоположные описанным. Эти свойства, как и при ООС, хорошо видны из передаточных функций замкнутой системы по управлению и возмущению. Величина (1 + kРi) при этом заменяется на (1 – kРi).

СТОПОРЕНИЕ двигателя при положительной обратной связи по току НЕДОПУСТИМО!

ПОС используется, как простое средство стабилизации скорости, поэтому и свойства систем с ПОС рассматриваются в основном относительно скорости.

Эффект от ПОС, аналогично ООС, можно интерпретировать как изменение эквивалентного сопротивления Rа* в (1 – kРi) раз относительно Rа. Нетрудно видеть, что Rа* при |kРi| < 1 уменьшается, при kРi = 1 равно нулю, а при kРi > 1 становится отрицательным. Как известно, увеличение kРi до единицы соответствует увеличению жесткости электромеханической характеристики, kРi = 1 – ее абсолютной, а kРi > 1 – отрицательной жесткости.

Последнее означает увеличение скорости привода с ростом нагрузки, что можно пояснить следующим образом. Введение ПОС по току в системе управления скоростью эквивалентно регулированию по возмущению. При |kРi| <1 влияние возмущения на скорость компенсируется частично, при kРi = 1 полностью, а при kРi > 1 происходит перекомпенсация. Такой эффект обеспечивается за счет увеличения сигнала управления ШИП с увеличением нагрузки. В результате внешняя характеристика ШИП при неизменном сигнале задания становится более жесткой, абсолютно жесткой, потом приобретает отрицательный наклон, описываемый

|– Rп| > Rа.

Практически ПОС используется для стабилизации скорости в системе "генератор – двигатель" и в других

54

случаях, где постоянная времени управляемого источника питания оказывается существенно больше всех остальных. Лишь такой электропривод сохраняет устойчивость при ПОС по току.

Для экспериментальных исследований систем с ПОС по току на лабораторном стенде следует увеличить Тп до единиц секунд.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1.Получить у преподавателя исходные данные по состоянию стенда, определяющему значения параметров исследуемой системы. Получить задание по значениям коэффи-

циентов передачи датчика тока ki и усиления разомкнутого контура тока kРi .

2.Из паспортных данных выписать значения Lа, Rа, J , Tп, Ti для заданного состояния стенда, а также уточнить зна-

чения kд, kп.

3.Изобразить структурную схему системы ШИП-Д с обратной связью по току, суммированием сигналов задания и обратной связи на входе регулятора тока (РТ) П-типа. Записать передаточные функции относительно тока, а также относительно скорости по управлению и возмущению, как без ОС по току, так и при ее наличии. Привести их к нормальному ви-

ду. Записать выражение для определения kРi через параметры системы. ООС и ПОС учитывать знаком перед kРi.

4.Сделать выводы о влиянии ОС по току, положительной и отрицательной, на статические и динамические свойства относительно тока, относительно скорости.

5.Разработать методику исследований согласно рабочему заданию с учетом методических рекомендаций.

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Собрать на стенде систему ШИП-Д с параметрами, соответствующими варианту задания, с пропорциональным регулятором тока, с суммированием сигналов задания и об-

55

ратной связи на его инвертирующих входах. Установить требуемые значения ki и kРТ, используя регулировки усиления ДТ и РТ.

2.Экспериментально исследовать влияние ООС по току на статические свойства системы. Для этого необходимо для разомкнутой и замкнутой систем определить:

–коэффициент передачи цепи формирования тока по управлению;

–коэффициент передачи цепи формирования тока по возмущению и эквивалентное сопротивление якорной цепи, соответствующее ему;

–коэффициент передачи цепи формирования скорости по управлению;

–коэффициент передачи цепи формирования скорости по возмущению и эквивалентное сопротивление якорной цепи, соответствующее ему.

3.Получить осциллограммы переходных процессов по управлению в цепи формирования тока при застопоренном двигателе для разомкнутой и замкнутой (с ООС по току) системы ШИП-Д. Получить осциллограммы переходных процессов по управлению цепи формирования скорости разомкнутой

изамкнутой (с ООС по току) системы ШИП-Д. Оценить статические свойства системы по возмущению, построив электромеханическую характеристику для разомкнутой и замкнутой по току системы.

4.Исследовать влияние ПОС по току на свойства сис-

темы:

– по электромеханической характеристике (Iа) и по зависимости напряжения на выходе ШИП от тока якоря

Uп(Iа);

– по переходной характеристике (t) по управлению. При экспериментах с ПОС уменьшить коэффициент

усиления контура тока до величины 0,4 0,6. Устойчивость обеспечивать увеличением инерционности ШИП по управлению (подключить на клемму Uу' конденсатор емкостью

200 мкФ).

56

ЗАДАНИЕ НА ИНДИВИДУАЛЬНУЮ РАБОТУ

На основе математической модели системы ШИП-Д в среде MATLAB исследовать влияние обратной связи по току на динамические и статические свойства цепей формирования тока и скорости.

1. Составить в среде MATLAB структурную схему системы ШИП-Д, которая включает в себя регулятор тока, ШИП, двигатель постоянного тока и цепь обратной связи по току, как показано на рис. 5. Выходное напряжение регулятора тока ограничить значением напряжения питания ±14 В. Задать в m-файле значения параметров передаточных функций неизменяемой части ИС и регулятора тока. ООС по току разомкнуть.

ДТ

Рис. 5. Система ШИП-Д с ООС по току

2.Значение задающего напряжения рассчитать исходя из обеспечения скорости 2000 об/мин.

2.1.Исследовать переходные процессы по управлению в цепи формирования тока, исключив возмущающее воздействие в этой цепи, т.е. разорвав в двигателе связь по ЭДС. Зарегистрировать время нарастания (первого согласования) tн

иперерегулирование .

2.2.Восстановить в двигателе связь по ЭДС. Исследовать переходные процессы в цепи формирования скорости и тока по управлению при пуске двигателя.

57

Зарегистрировать время нарастания (первого согласования) tн и перерегулирование в исследуемых переходных процессах,

атакже максимальное значение пускового тока Ia max .

2.3.Построить электромеханическую характеристику

системы (Ia), а также зависимость выходного напряжения ШИП от тока, то есть Uп(Ia), при скорости холостого хода

пхх = 2000 об/мин.

3.Замкнуть ООС по току и выполнить п.2.

4.Поменять знак обратной связи по току (ПОС) и выполнить п.2.

5.Соответствующие графики в п.2 п.4 расположить в одних координатных осях.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1.Знак сигнала ОС определять без замыкания цепи, по полярности соответствующих сигналов.

2.Установку заданного значения ki выполнять на за-

стопоренном двигателе и определять как Uо.т/ Iа. Цепь ОС при этом должна быть разомкнута, выход ДТ нагружен на регулятор. Величину kРi определять как Uо.т/ Uу и обеспечивать за счет изменения kРТ.

Значения ki и kРi удобно замерять по характеристикам Uо.т(Iа) и Uо.т(Uу), получая последние с помощью осциллографа.

3.При эксперименте следить за тем, чтобы выходные сигналы всех устройств находились в зоне линейности.

4.При выполнении п.2 рабочего задания определять коэффициенты передачи как

58

Удобно оценивать коэффициенты передачи по статическим характеристикам на экране осциллографа.

5.Коэффициенты передачи и другие параметры системы при наличии ОС отмечать знаком *.

6.Переходные процессы оценивать временем нарастания (первого согласования).

7.При регистрации переходных процессов по скорости рекомендуется брать ее установившееся значение 2000 об/мин.

8.При выполнении индивидуального задания ДПТ представлять структурной схемой с ОС по ЭДС, учитывающей возмущающее воздействие. Получение графиков и реализацию задающих воздействий выполнять в соответствии с п.7 и п.8 методических рекомендаций лабораторной работы № 4.

ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЁТУ

Требования к отчету – такие же, как в лабораторной работе № 1. Для допуска к экспериментам предъявить результаты выполнения предварительного задания.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.С какой целью в системах ШИП-Д вводится отрицательная обратная связь по току?

2.С какой целью, и в каких случаях используется положительная обратная связь по току?

3.Чем объясняется повышение устойчивости цепи формирования скорости при введении отрицательной обратной связи по току?

4.Объясните причину уменьшения быстродействия по скорости электропривода с отрицательной обратной связью по току.

5.Докажите, что коэффициент передачи по управлению относительно скорости остается при введении отрицательной обратной связи по току неизменным.

6.Докажите утверждение предыдущего вопроса, используя лишь структурную схему.

59

7.Как рассчитать коэффициент передачи системы к каждому из воздействий через параметры ее устройств? Запишите эти выражения.

8.Запишите выражение для коэффициента усиления разомкнутого контура тока.

9. Изобразите типичные переходные процессы (t) по управлению и возмущению для системы без ОС по току, с ООС и ПОС по току.

10.Изобразите типичные переходные процессы iа(t) по управлению и возмущению для цепи тока без ОС, с ООС и ПОС по току.

11.Как рассчитать эквивалентное сопротивление якорной цепи через параметры устройств системы без ОС по току,

сООС и ПОС по току?

ме с ОС по току эквивалентная Тм* существенно изменяется?

13.Как изменится зависимость Uп(Iа) при введении ПОС или ООС по току.

14.С чем связано отсутствие проблем с устойчивостью контура тока?

15.Объясните, какие процессы, протекающие в системе

сОС по току, влияют на значение эквивалентного внутреннего сопротивления широтно-импульсного преобразователя.

16.Запишите коэффициент kРТ через параметры устройств. Определите соотношение последних, при котором ПОС по току обеспечивает абсолютную жесткость электропривода.

17.Каким должен быть закон Uп(Iа) для получения жесткости скоростной характеристики электропривода такой же, как естественной характеристики двигателя?

18.Докажите, что система с быстродействующим ШИП не работоспособна при ПОС по току.

19.Почему опасно стопорить электропривод с положительной обратной связью по току?

60