книги из ГПНТБ / Кулесский, Р. А. электропривод постоянного тока с цифровым управлением

Р.А.КУ/1ЕССКИЙ

5.А. ШУБЕНКО

н-

У- Lty

Эл е кт р о приводы

по сто я н н о го

то н н

с цифровым упровлением

Р.А. КУЛЕССКИЙ,

В.А. ШУБЕНКО

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

« Э Н Е Р Г И Я»

М О С К В А 1973

6П2.1.081

НАУЧ‘'С\ . RKblW-L!

14 ~ V Q S ' f

Кулесский Р. А. и Шубенко В. А.

К 90 Электроприводы постоянного тока с цифровым управлением. М., «Энергия», 1973.

208 с. с ил.

В книге изложены принципы проектирования электроприводов по­

стоянного тока с цифровым управлением, предназначенных для регу­ лирования скорости и положения рабочего органа механизма. Рас­ смотрены структурные схемы, критерии качества работы, синтез опти­ мальных цифровых и цифро-аналоговых регуляторов н некоторые во­ просы математического моделирования. Дается методика распределе­ ния функций между цифровым и аналоговым регуляторами, обеспе­ чивающими высокое качество сглаживания помех при заданной точ­ ности работы электропривода. Приводятся некоторые способы реали­ зации устройств, позволяющих получить близкие к оптимальным про­ цессы управлепня.

© Издательство «Энергия», 1973 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последние годы вычислительная техника получи­ ла значительное распространение для управления про­ мышленными электроприводами и, в частности, электро­ приводами постоянного тока. Это обусловило повышен­ ный интерес к вопросам их построения и расчета.

Проблемы теории и практики дискретных систем наш­ ли широкое освещение в технической литературе. Вслед за общеизвестными работами Я. 3. Цыпкина, Л. Т. Кузи­ на, Г. С. Поспелова и других авторов в последние годы опубликованы результаты новых исследований в области теории работы и проектирования промышленных циф­ ровых систем управления [Л. 4—9].

В настоящей книге рассмотрен ряд новых вопросов-, связанных с принципами проектирования цифровых управляющих устройств электроприводов постоянного тока. При проектировании цифровых систем управления важной задачей является обеспечение оптимальных или близких им характеристик работы в основных режимах, позволяющих более полно использовать возможности силовой части электрического привода. Решение этой за­ дачи осложняется нелинейностью устройств цифрового управления. В книге рассмотрен ряд методов линеариза­ ции и на основе детерминистского и статистического критериев качества, сформулированных с учетом специ­ фики работы электроприводов различного назначения, предложены методы синтеза цифровых и цифро-аналого­ вых регуляторов.

При использовании цифровой формы представления управляющих сигналов возникает необходимость оценки влияния квантования сигналов по уровню на качество работы электропривода. В книге для различных струк­ турных построений устройств управления предлагаются эквивалентные схемы, позволяющие оценить влияние по­ мех от квантования по уровню на динамическую точ-

3

ность и энергетические показатели работы электроприво­ да. Статическая точность работы электропривода при цифровом управлении определяется весом единицы младшего разряда вычислительного устройства. При слишком малом значении физической величины, прихо­ дящемся на единицу младшего разряда, усложняются конструкции датчиков и цифровых регуляторов, сни­ жается надежность их работы. В книге рассматривается использование технических способов линеаризации, по­ зволяющих в ряде случаев увеличить вес единицы ди­ скретности при заданной статической точности. Предла­ гается также решение ряда задач, связанных с опреде­ лением областей применимости различных методов ли­ неаризации, цифровых и цифро-аналоговых регуляторов, а также некоторых вопросов математического моделиро­ вания работы и конструирования цифровых устройств управления.

Книга содержит введение и семь глав. Во введении даются основные определения, приводится классифика­ ция электроприводов с цифровым управлением, характе­ ризуются области II возможные режимы их работы.

Вгл. 1 рассмотрены общие принципы построения цифрового управления электроприводами постоянного тока, предназначенными для регулирования и стабили­ зации скорости и положения изменением напряжения как со стороны якоря, так и возбуждения двигателя. Анализируются свойства силовой части электропривода как объекта цифрового управления и эквивалентные структурные схемы систем различного назначения.

Вгл. 2 формулируются задачи и последовательность

проектирования как сочетания синтеза оптимального ре­ гулятора при некоторых упрощающих допущениях и уточненного анализа качества при полном учете специ­ фики задачи. Обосновываются расчетные структурные схемы для синтеза регулятора, построенные с учетом компенсации помех от квантования по уровню, опти­ мальной фильтрации по совокупности большого числа отработок и вибрационной линеаризации статической ха­ рактеристики аналого-цифрового преобразователя. Рас­ четные схемы разработаны для зоны линейного измене­ ния координат объекта.

В гл. 3 и 4 рассмотрены вопросы синтеза регулятора на основе соответственно детерминистского и статисти­ ческого критериев качества.

4

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость использования .цифровых вычисли­ тельных устройств в локальных системах управления промышленными электроприводами обычно вызывается двумя обстоятельствами: либо повышенными требова­ ниями к качеству продукции, если эти требования в ко­ нечном итоге сводятся к получению статической точ­ ности, не достижимой для аналоговых средств управле­ ния (выше 1%), либо работой электропривода в составе системы комплексной автоматизации производственных механизмов, если команды управления поступают из единого информацпонно-управляющего комплекса, роль которого выполняет цифровая вычислительная машина.

Одной из особенностей указанных электроприводов является то, что электродвигатель здесь выступает не как исполнительное устройство, а как основной элемент объекта управления. При этом динамические свойства рабочей машины учитываются при проектировании пу­ тем коррекции динамических параметров двигателя. Та­ кие электроприводы охватывают подавляющую часть промышленных электромеханических систем и включают главные н вспомогательные приводы металлорежущих станков, реверсивных и нереверсивных прокатных ста­ нов, бумагоделательных машин, машин непрерывной разливки стали, большинство электроприводов сталепла­ вильных, доменных цехов и т. д.

Структурная схема автоматизированного электропри­ вода, включающего регулятор (корректирующее устрой­ ство) и объект управления (неизменяемую часть), пред­ ставлена на рис. В-1. Большинство современных регули­ руемых электроприводов выполняются на основе двига­ телей постоянного тока с независимым возбуждением. Под объектом управления в связи с этим в дальнейшем будем понимать указанный двигатель с устройствами питания цепей якоря и обмотки возбуждения и с анало­ говыми системами регулирования тока якорной цепи и

6

с пропорциональным законом регулирования, быстродей­ ствующие электроприводы, для которых уровень помех, связанных с дискретизацией сигналов, меньше уровня помех аналоговых датчиков, и т. п. Все разнообразие технологических задач, решаемых с использованием цифрового управления, обеспечивается приводами двух типов. К первому типу отнесем приводы, в которых регу­ лируемой выходной координатой является скорость, а ко второму — приводы, выходной координатой которых слу­ жит угол поворота вала двигателя (положения меха­ низма), т. е. позиционные приводы. При этом возмож­ ными режимами работы для обоих типов приводов явля­ ются программный, стабилизации и следящий.

В программном режиме регулятор изменяет регули­ руемую координату объекта по заранее известному зако­ ну, задаваемому управляющим воздействием X(t). В за­ дачах электропривода обычно

где Uh — величины, принимающие на каждом этапе про­ граммы определенные значения из некоторого интервала (Uhu Ум); п = 0, 1, 2 ...

Вбольшом числе практических случаев п = 0 и X(t) =

=UQ. Иногда при проектировании определяют частоту различных значений Uh по-большому числу этапов раз­ личных программ и интерпретируют ее как случайную

величину, распределенную по определенному закону в интервале (Uhu Uhz)- Особенностью программного ре­ жима работы является то, что до окончания отработки одного воздействия из числа (В-1) последующее не за­ дается. Такой режим является характерным, например, для электропривода нажимных винтов реверсивного ста­ на горячей прокатки. Общепринятой на сегодня оценкой качества работы такого рода автоматических систем является время процесса отработки управляющего сиг­ нала.

В режиме стабилизации регулятор поддерживает зна­ чение регулируемой координаты объекта на постоянном уровне, задаваемом управляющим сигналом X(t) = U0 при действии внешних помех и возмущений. Этот режим

8