Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Новые технические решения в современных следящих электроприводах. Учебное пособие по дисциплине «Системы управления электроприводов»
.pdf
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
«Самарский государственный технический университет»
А.В. Стариков, С.Л. Лисин, В.А. Арефьев, Д.Н. Джабасова
высшего образования
(ФГБОУ ВО «СамГТУ»)
НОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ
В СОВРЕМЕННЫХ СЛЕДЯЩИХ
ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ
Самара, 2018
1
Печатается по решению учёного совета СамГТУ (протокол № 9 от 27.04.2018)
УДК 62-831:681.587.7 (075.8)
ББК 31.291:32.965.8я73
Н 766
Стариков А.В.
Н 766 Новые технические решения в современных следящих электроприводах: учебное пособие по дисциплине «Системы управления электроприводов» /
А.В. Стариков, С.Л. Лисин, В.А. Арефьев, Д.Н. Джабасов. – Самара: Самарский
государственный технический университет, 2018. – 93 с.
Учебное пособие по дисциплине «Системы управления электроприводов»
содержит пять разделов, отражающих новые тенденции в развитии быстродействующих следящих электроприводов.
Материал предназначен для студентов, обучающихся на направлении
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Электропривод и
автоматика промышленных установок и технологических комплексов».
Рецензенты: Козловский В.Н., доктор технических наук
Макаричев Ю.А., доктор технических наук
УДК 62-831:681.587.7 (075.8)
ББК 31.291:32.965.8я73
Н766
© А.В. Стариков, С.Л. Лисин,
В.А. Арефьев, Д.Н. Джабасов
© Самарский государственный
технический университет
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…….…………………………………………………………………….....5
1 МНОГОКОНТУРНЫЕ СИСТЕМЫ С ОДНОЙ ИЗМЕРЯЕМОЙ
КООРДИНАТОЙ…………………………………………………………………….....7
1.1 Структурная схема и основные требования, предъявляемые к
многоконтурным системам с одной измеряемой координатой (МСОИК)……...…7
1.2 Методика выбора параметров регуляторов МСОИК с объектом
управления в виде последовательно соединенных двойного
апериодического и интегрального звеньев………………………………………….10
1.3 Методика выбора параметров регуляторов МСОИК
с интегро-колебательным объектом управления…………………………………... 15
2 ДУХКОНТУРНЫЙ СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
С ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО
ТОКА (СТРУКТУРНО-МИНИМАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД)………………..23
2.1 Структурная схема и передаточные функции аналогового прототипа
двухконтурного следящего электропривода с исполнительным
двигателем постоянного тока……………………………………………………..….23
2.2 Области показателей качества регулирования СМЭП….……………………...25
2.3 Методика выбора параметров регуляторов СМЭП ………………………….....31
2.4 Пример расчета параметров регуляторов СМЭП………….…………………....33
3 ДИСКРЕТНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВУХКОНТУРНОГО
СЛЕДЯЩЕГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА…………………...35
3.1 Особенности цифровых систем и метод непрерывного прототипа……………35
3.2 Структурная схема цифрового СМЭП с учетом квантования
по времени …………………………………………………………………………….37
3.3 Дискретные передаточные функции цифрового СМЭП…...………………...38
3.4 Результаты компьютерного моделирования СМЭП ………...…………………41
ТРЕХКОНТУРНЫЙ СЛЕДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
4
С СИНХРОННЫМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ………………………43
3
4.1 Структурная схема и передаточные функции следящего
электропривода с синхронным исполнительным двигателем…………..………....43
4.2 Выбор параметров пропорционально-дифференциального
регулятора внутреннего контура……………………………………………………..49
4.3 Выбор коэффициента передачи пропорционального регулятора
второго контура …………………………………………………………..…………..52
4.4 Выбор параметров настройки интегрального регулятора и уточнение
величины постоянной времени пропорционально-дифференциального
регулятора …………………………………………………………..………………...55
4.5 Алгоритм и методика выбора параметров регуляторов следящего
электропривода с синхронным исполнительным двигателем…..…………………59
4.6 Пример расчета регуляторов и компьютерное моделирование
следящего электропривода поворотного стола…...………………………………...62
5 ДИСКРЕТНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ТЕХНИЧЕСКАЯ
РЕАЛИЗАЦИЯ ЦИФРОВОГО СЛЕДЯЩЕГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
С СИНХРОННЫМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ………………...…....71
5.1 Структурная схема цифрового следящего электропривода
с синхронным исполнительным двигателем……………………………………......71
5.2 Дискретные передаточные функции цифрового управляющего
устройства и непрерывного объекта управления в следящем электроприводе
с синхронным исполнительным двигателем……………..………………………....73
5.3 Дискретные передаточные функции замкнутых контуров цифрового
следящего электропривода с синхронным исполнительным двигателем…………76
5.4 Компьютерное моделирование цифрового трехконтурного следящего
электропривода с синхронным исполнительным двигателем..……………………70
5.5 Техническая реализация опытного образца цифрового трехконтурного
следящего электропривода с синхронным исполнительным двигателем…………83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………..…89
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………………………..90
4
ВВЕДЕНИЕ
Современные следящие электроприводы предъявляют все более высокие
требования к точности позиционирования и быстродействию при отработке
управляющих и возмущающих воздействий. Кроме того, отдельной задачей является создание электроприводов, отличающихся простотой технической реализации средствами цифровой и микропроцессорной техники.
Системы подчиненного регулирования (СПР) хорошо решают задачу создания регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока, удовлетворяющих стандартным требованиям [1 – 3]. В то же время применение принципов
построения СПР (рис. 1) при реализации следящих электроприводов прецизионного оборудования ограничивает их быстродействие. Прежде всего, это связано с
необходимостью борьбы с перебегом исполнительного механизма (перерегулированием) относительно заданной координаты. Как правило, односторонний подход
к заданной координате в СПР обеспечивается применением нелинейного регулятора положения, снижающего общее быстродействие системы. В результате независимо от быстродействия регулируемого электропривода, входящего в состав
следящей СПР, которое может характеризоваться полосой пропускания частот
замкнутого контура скорости в сотни герц, аналогичный показатель для контура
положения составляет единицы герц. Следует также отметить сложность технической реализации следящих электроприводов, построенных по принципам СПР,
поскольку они содержат три контура: тока, скорости и положения, – с соответствующими регуляторами и датчиками.
Одним из подходов для повышения быстродействия следящих электроприводов и упрощения их технической реализации является создание систем управления, использующих другой, отличный от СПР, принцип структурного построения. Такими системами являются многоконтурные системы с одной измеряемой
координатой [4, 5].
5
6
1 МНОГОКОНТУРНЫЕ СИСТЕМЫ С ОДНОЙ ИЗМЕРЯЕМОЙ
( )
R p
( )nR p
дп
k
( )оуW p
( )спW p
( )nR p
( )оуW p
КООРДИНАТОЙ
1.1 Структурная схема и основные требования, предъявляемые
к многоконтурным системам с одной измеряемой координатой (МСОИК)
Структурная схема МСОИК приведена на рис. 2 [4, 5]. В самом общем случае она содержит n контуров регулирования с регуляторами
мкнутых по одной выходной координате объекта управления
x,
мощью безынерционного датчика обратной связи с коэффициентом передачи
–
1
, за-
измеряемой с по
Объект управления, например двигатель с исполнительным механизмом, описы
вается передаточной функцией
зователь на структурной схеме представлен передаточной функцией
произвольного порядка. Силовой преобра
.
В основу синтеза регуляторов МСОИК положены следующие основные
требования
1.
Система должна быть астатической ко всем помехам, охваченным обратной
связью
2.
Переходный процесс выходной координаты должен быть монотонным в усло
виях обеспечения предельно достижимого быстродействия
:
.
.
.
-
-
-
3.
Количество
n
регуляторов должно быть минимальным
.
Очевидно, что для выполнения первого требования необходимо в регулято
ре
иметь интегральную составляющую закона регулирования. Если синтез
МСОИК ведется применительно к позиционно-следящим электроприводам, то
следует учитывать, что передаточная функция объекта управления
содержит интегральную составляющую
–
связь перемещения со скоростью. По
уже
этому МСОИК не может быть одноконтурной, иначе система станет структурно
неустойчивой из-за наличия двух интеграторов в одном замкнутом контуре
.
-
-
7
8
В идеале МСОИК должна иметь безынерционный замкнутый
(
)
1
−
1
n
k
−
1
T p
и
T
p c j
= + ω
1
+
и
T
сп сп
W p k
=
(
)
1
−
n
-й
кон
-
тур с коэффициентом передачи
ный регулятор
( )
R p
n
где
–
постоянная времени интегрального регулятора
переменная
= ,
и
.
и
содержать во внешнем контуре интеграль
;
–
комплексная
Тогда динамика замкнутой МСОИК будет описываться апериодическим звеном
1
( )
W p
=
n
k p
дп
T
k k
1
n дп
−
и
.
Очевидно, что в этом случае в системе будет наблюдаться односторонний
подход к заданной координате, а быстродействие
–
фактически определяться по
-
-
стоянной времени
интегрального регулятора
.
Если ориентироваться на то, что в МСОИК применен безинерционный си
ловой преобразователь
жить следующий способ достижения безинерционности
( )
,
например, транзисторный, то можно предло
n
-го
контура. Во
первых, во всех контурах, начиная с первого, необходимо ввести m пропорцио
нально-дифференциальных регуляторов, где m
уравнения объекта управления. Причем постоянная
регулятора
(
регулятора внутреннего контура) должна компенсировать наиболь
–
порядок дифференциального
времени первого ПД
шую постоянную времени объекта управления. Постоянные времени второго и
последующих ПД-регуляторов должны компенсировать наибольшие инерционно
сти предыдущих замкнутых контуров
.
-
-
-
-
-
-
-
9
1.2 Методика выбора параметров регуляторов МСОИК с объектом
( 1)( 1)
T p T p p
оу
k
1
T
2
T
2 1
T T
>
( ) ( 1)
= +
1 2
T T
=
1
+ +
дп
k
пд сп оу дп
k k k k k
=
управления в виде последовательно соединенных двойного апериодического
и интегрального звеньев
Методику выбора параметров регуляторов МСОИК можно продемонстрировать на примере следящего электропривода постоянного тока с объектом
управления
k
( )
W p
оу
=
1 2
оу
+ +
,
(1)
где
ным механизмом);
– коэффициент передачи объекта управления (двигателя с исполнитель-
и
- постоянные времени объекта, получаемые из разло-
жения полинома знаменателя его передаточной функции, причем для определенности будем считать, что
.
В условиях ограничений, наложенных на динамику МСОИК, система должна содержать в этом случае четыре контура (рис. 3) [5]. Первый пропорционально-дифференциальный регулятор с передаточной функцией
R p k T p
1 1 1
пд пд
(2)
предназначен для компенсации наибольшей постоянной времени объекта управ
ления, поэтому выбор постоянной времени регулятора производится из условия
пд
. (3)
При этом передаточная функция первого (внутреннего) замкнутого контура при
-
-
нимает вид
( )
W p
1
где
– коэффициент передачи датчика положения;
ент передачи внутреннего разомкнутого контура.
10
=
T
дп
1
k k
k p p
1
, (4)
1
2
1
– коэффици-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]