2033

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

СОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПО СКОРОСТИ

ИЗАДЕРЖАННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПО ТОКУ

Цель работы: Экспериментальное исследование задержанной обратной связи по току, как средства токоограничения, исследование взаимосвязи параметров структуры со статическими и переходными характеристиками, с устойчивостью.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Всистемах управления скоростью отрицательная обратная связь по току, стабилизирующая ток двигателя, является эффективным средством ограничения тока. Для получения экскаваторной скоростной характеристики с крутопадающим за счет отрицательной обратной связи участком при нагрузках, превышающих допустимую, используются следующие структурные решения.

Всистему с отрицательной обратной связью по скорости, в цепь отрицательной обратной связи по току вводится нелинейное звено (НЗ) с характеристикой типа зоны нечувствительности. За счет такого НЗ в зоне малых нагрузок (токов) отрицательная обратная связь будет отсутствовать, т.е. будет задержана. В результате коэффициент передачи электропривода по возмущению окажется незначительным, определяемым стабилизирующими свойствами контура скорости; скоростная характеристика будет жесткой. Фактическое отсутствие отрицательной обратной связи по току сохранится в зоне нагрузок, при которых напряжение датчика тока не выходит за пределы зоны нечувствительности НЗ.

Увеличение нагрузки приводит к включению отрицательной обратной связи по току. Коэффициент передачи системы по возмущению резко увеличивается. Скоростная характеристика становится мягкой, крутопадающей. Электропривод

61

из зоны стабилизации скорости переходит в зону токоограничения.

Для высокой жесткости в зоне стабилизации и эффективного токоограничения при перегрузках необходимо, чтобы РТ имел усиление существенно большее, чем РС. Однако высокую жесткость обеспечить не удается из-за возможной потери устойчивости.

Второе решение для получения экскаваторной характеристики сводится к следующему. Отрицательную обратную связь по току делают включенной постоянно. Высокую жесткость в зоне стабилизации обеспечивают за счет отрицательной обратной связи по скорости с большим усилением в контуре ее регулирования. Эффективное токоограничение при перегрузках получают за счет разрыва контура регулирования скорости. Для этого в цепь прямой связи, на выходе РС ставят НЗ с зоной насыщения и единичным коэффициентом передачи.

Этот вариант обеспечения экскаваторной характеристики электропривода получил название последовательного токоограничения и рассматривается в следующей лабораторной работе.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1.Выписать из паспортных данных стенда заданные преподавателем параметры Lа = ΣLi, Rа, J .

2.Изобразить структурную схему ИС с отрицательной обратной связью по скорости и нелинейной (задержанной) отрицательной обратной связью по току, представляя ШИП и датчики обратных связей безынерционными звеньями. По структурной схеме объяснить работу системы в зоне стабилизации скорости и в зоне отсечки.

3.Выполнить анализ влияния параметров устройств на статические и динамические свойства исполнительной системы без обратной связи, с отрицательной обратной связью по скорости, а также с одновременно действующими отрицательными обратными связями по скорости и току.

62

4.Определить взаимосвязь значений тока отсечки Iотс с напряжением UНЭ цепи нелинейной обратной связи и коэффициентом передачи датчика тока ki.

5.Установить взаимосвязь превышения тока стопорения Iст над током отсечки Iотс с коэффициентом передачи по

возмущению kf в зоне отсечки и скоростью отс при токе отсечки.

6. Записать систему уравнений для экскаваторной характеристики через напряжение управления Uу, коэффициент передачи по управлению kу, а также коэффициент передачи по возмущению до зоны отсечки kf1 и в зоне отсечки kf2.

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Собрать цепь прямой связи из последовательно соединенных устройств задания, РС, РТ, ШИП, дросселей и двигателя. К выходам ДС и ДТ подключить фильтры для сглаживания помех с конденсаторами минимальной емкости С1 и С4. Установить регулировки: ki – на максимум; k– на минимум; kРТ и kРС – близко к минимуму. Установить такую полярность выходных сигналов ДТ и ДС, чтобы отрицательная обратная связь обеспечивались на инвертирующих входах РТ и РС. На выходе ДТ включить нелинейное звено.

2.Получить экспериментально статическую характери-

стику Uос(Iа) для НЗ. При помощи амперметра на панели стенда определить ток отсечки Iотс.

3.Включить обратную связь по скорости, установить

максимум коэффициента kРТ. Регулировками kРC и k установить максимально возможное усиление в контуре скорости, при котором перерегулирование не превышает 30 50 %, т.е. система сохраняет достаточную устойчивость.

4. Исследовать влияние задержанной обратной связи по току на скоростную характеристику электропривода, а также влияние kРТ и ki на коэффициент передачи по возмущению в зоне отсечки и вне ее, на значения токов отсечки и стопорения.

63

5. Исследовать влияние задержанной обратной связи по току на динамические свойства системы по управлению, наблюдая переходные процессы (t) и iа(t) с обратной связью и без нее для установившихся скоростей 500, 1000 и 2000 об/мин. Исследовать влияние коэффициентов kРТ и ki на динамику.

6. Сделать вывод о количественном и качественном согласовании результатов эксперимента и теоретического анализа.

ЗАДАНИЕ НА ИНДИВИДУАЛЬНУЮ РАБОТУ

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

1. Составить в среде MATLAB структурную схему системы ШИП-Д с отрицательной обратной связью по скорости и задержанной отрицательной обратной связью по току, которая включает в себя РС, РТ, ШИП, двигатель постоянного тока и цепи обратных связей по скорости ДС и току ДТ. В цепи отрицательной обратной связи по току установить нелинейный элемент, как показано на рис. 6.

ДС

Рис. 6. Система ШИП-Д с ООС по скорости и задержанной ООС по току

64

Выходные напряжения регуляторов РС и РТ ограничить значением напряжения питания ±14 В. Задать в m-файле значения параметров передаточных функций неизменяемой части исполнительной системы. Задать коэффициент передачи ДС, обеспечивающий на выходе цепи 10 В при частоте вращения 3000 об/мин. Задать коэффициент передачи ДТ, обеспечивающий на выходе цепи 10 В при токе якорной цепи

5 А.

2. Рассчитать коэффициенты передачи регуляторов скорости kРС и тока kРТ, а также значение порогового напряжения нелинейного элемента UНЭ для получения экскаваторной нагрузочной характеристики электропривода со следующими параметрами: nхх = 1500 об/мин; nотс = 1000

об/мин; Iотс = 3 А; Iст = 4 А.

2.1.Построить электромеханическую характеристику

системы (Ia), а также зависимость выходного напряжения ШИП от тока, то есть Uп(Ia).

2.2.Исследовать переходные процессы в цепи формирования скорости и тока по управлению при пуске двигателя. Зарегистрировать максимальное значение пускового тока.

3. Разомкнуть отрицательную обратную связь по току и выполнить п.п. 2.1 и 2.2.

4.Замкнуть задержанную отрицательную обратную

связь по току и, изменяя значение UНЭ в большую и меньшую сторону, выполнить п.п. 2.1 и 2.2.

5.Восстановить рассчитанное в п.2 значение UНЭ. Уменьшить значение kРТ и выполнить п.п. 2.1 и 2.2.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. При выполнении п.2 пересчитывать сигнал задания тока Uу в Ia, замеряя напряжение осциллографом и отсчитывая ток амперметром стенда.

65

2. Статические характеристики по п.2 и п.4 рабочего задания получать на осциллографе, отключив развертку и подав напряжение, соответствующее независимой переменной, на верхний канал (горизонтальное отклонение), а напряжение зависимой переменной на нижний канал (вертикальное отклонение).

3. При выполнении п.5 рабочего задания процессы (t) и ia(t) осциллографировать одновременно двулучевым осциллографом. В качестве ia(t) наблюдать сигнал на выходе датчика тока.

4.Анализируя осциллограммы скорости (t) и тока

ia(t), обратить основное внимание на элементы, связанные с токоограничением.

5.Влияние kРТ и ki на свойства системы оценивать при

изменении их величин на 30 60 %.

6. Получать графики зависимостей и реализации задающих воздействий 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.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Изобразите идеальную и реальную экскаваторные характеристики электропривода.

2.Для чего скоростную характеристику делают экскаваторной?

3.Какими параметрами описывается экскаваторная характеристика?

4.Какой параметр экскаваторной характеристики определяет коэффициент передачи системы по возмущению в зоне отсечки?

5.Какие средства используются для получения экскаваторной скоростной характеристики ИС?

66

6.Какова взаимосвязь тока отсечки и параметров структурной схемы ИС с задержанной обратной связью по току?

7.Почему в системе с задержанной отрицательной обратной связью по току необходимо иметь усиление РТ существенно больше, чем у РС?

8.Как влияет коэффициент усиления РТ на скоростную характеристику ИС в зоне отсечки?

9.Как влияет усиление РС на скоростные характеристики в зоне стабилизации скорости?

10.Как влияет усиление РТ на скоростные характеристики в зоне стабилизации скорости?

11.Как влияет усиление РС на скоростные характеристики в зоне отсечки?

12.Как влияет усиление РС и РТ на устойчивость ИС?

13.В какой зоне – стабилизации или отсечки – происходит в первую очередь потеря устойчивости ИС с задержанной ООС по току?

14.Как рассчитать ток стопорения через параметры передаточной функции устройств, через параметры скоростной характеристики в зоне стабилизации скорости?

15.Изобразите изменение во времени скорости и тока при пуске ИС с задержанной отрицательной обратной связью по току и без нее.

16.Как влияет ток отсечки на переходные характеристики ИС по управлению?

17.Каковы недостатки ИС с задержанной отрицательной обратной связью по току по сравнению с ИС, где НЗ включено последовательно?

18.Изобразите схему и характеристику вход – выход нелинейного звена для получения задержанной ОС.

19.Почему отрицательная обратная связь по току является эффективным средством его ограничения?

20.С чем связана невозможность большого усиления в контуре скорости для получения хорошей стабилизации ско-

рости?

67

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ С ПОДЧИНЕННЫМ КОНТУРОМ ТОКА И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ТОКООГРАНИЧЕНИЕМ

Цель работы: Практическая реализация и экспериментальное исследование процессов в системе подчиненного регулирования с ограничением регулируемой координаты тока.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Подчиненное регулирование момента (тока) и скорости – это эффективное средство улучшения статических и динамических свойств ИС [8]. Основные принципы построения и функционирования систем подчиненного регулирования (СПР) следующие:

–регулирование каждой из координат по отклонению;

–вложенность контуров один в другой (обратные связи, образующие контуры, не перекрещиваются);

–простота расчета, реализации и проверки настройки на заданные статические и динамические свойства каждого из контуров;

–подчиненность координаты, регулируемой во внутреннем контуре, внешнему (для внутреннего контура задание – сигнал с выхода регулятора внешнего контура);

–возможность ограничения каждой из регулируемых координат за счет ограничения сигнала задания на соответствующий контур.

ВСПР гораздо проще получить экскаваторную характеристику с большой жесткостью в зоне стабилизации и с круто падающим участком в зоне отсечки, эффективное токоограничение в переходных процессах, чем в системе с задержанной отрицательной обратной связью. Объясняется это тем, что отрицательная обратная связь по току значительно улучшает управляемость и уменьшает эквивалентную постоянную цепи тока. В контуре скорости увеличивается различие элек-

68

тромеханической и эквивалентной электромагнитной постоянных времени. Это позволяет иметь большое усиление и жесткость без потери устойчивости.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1. Получить у преподавателя исходные данные – значения постоянной времени преобразователя энергии Тп, индуктивности Lа и активного сопротивления Rа цепи якоря, суммарного момента инерции J , коэффициентов передачи преобразователя kп и двигателя kд, уровень ограничения выходного напряжения регулятора скорости UPCm, а также значения коэффициентов передачи регуляторов kРТ и kРС. Рассчитать значения постоянных времени Та и Тм.

2.Изобразить структурную схему системы широтноимпульсный преобразователь – двигатель с отрицательной обратной связью по скорости и подчиненным контуром тока. Датчики обратных связей считать безынерционными, регуляторы тока и скорости – пропорциональными.

3.Рассчитать коэффициенты передачи датчиков ско-

рости kи тока ki, приводя выходные сигналы этих датчиков к задающему воздействию 10 В при n = 3000 об/мин и

Iа = 20 A.

4.Определить ток отсечки Iотс, соответствующий исходным данным и структуре по п.2.

5.Получить для исследуемой системы шесть передаточных функций: для контура тока по управлению и возмущению; для всей системы по управлению и по возмущению, как с учетом внутренней обратной связи двигателя по ЭДС, так и пренебрегая этой связью.

6.По полученным передаточным функциям рассчитать

коэффициенты передачи контура тока по управляющему kyi и возмущающему kfi воздействиям; всей системы к управлению kyω и возмущению kfω, с учетом и без учета ЭДС двигателя.

7.Рассчитать ток стопорения для характеристики, про-

ходящей через точку ( = отс , I = Iотс).

69

8. Определить эквивалентную постоянную времени контура тока Тa*.

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Реализовать на стенде заданные исходные данные – Тп, La, Ra, J . Получить на осциллографе регулировочные характеристики регуляторов скорости и тока, установить заданные преподавателем значения коэффициентов kРС и kРТ. Обеспечить ограничение выходного напряжения регулятора скорости на уровне UPCm, используя имеющиеся на стенде или внешние стабилитроны. Установить значения kи ki в соответствии с расчетами по п.3 предварительного задания. На выход датчика тока включить для сглаживания пульсаций емкость фильтра С1.

2.Собрать систему управления скоростью с подчиненным контуром тока, с ограничением выходного сигнала регулятора скорости.

3.Получить на осциллографе скоростную характери-

стику системы. По ней определить токи отсечки Iотс и стопорения Iст, а также коэффициенты передачи по возмущению в зонах стабилизации и отсечки.

4.Экспериментально определить значения коэффициентов передачи, перечисленные в п.6 предварительного задания, и сопоставить их с расчетными значениями.

5.Зарегистрировать двулучевым осциллографом переходные процессы по току и скорости при пуске двигателя на

скорости 500 2000 об/мин. Выделить зоны отсечки и стабилизации.

ЗАДАНИЕ НА ИНДИВИДУАЛЬНУЮ РАБОТУ

На основе математической модели системы подчиненного регулирования в среде MATLAB исследовать влияние ограничения сигнала задания контура тока на динамические и статические свойства цепей формирования тока и скорости.

70