книги / Системы управления электроприводом

Краткие теоретические сведения и описание работы

При структурном синтезе СУЭП общепринято применять принцип подчиненного регулирования координат [4, 5, 8–10], при этом в системе регулирования скорости внутренним (подчиненным) контуром выступает контур регулирования тока (момента).

Контур регулирования скорости, как правило, настраивают на симметричный оптимум, что обеспечивает астатизм СУЭП при изменении нагрузки на валу. Тогда структура и параметры регулятора скорости будут отвечать передаточной функции [4, 8]:

	WPC (p)	4Тμс p 1			.	(2.22)
		8Т2	RэKдKс	p
		μс	KтТм

С целью снижения перерегулирования при ступенчатых изменениях задающего воздействия на входе замкнутого контура регулирования скорости необходимо установить апериодический фильтр с передаточной функцией [4]

	Wф (p)	1	.	(2.23)
		4Тμс p 1

В основе наиболее распространенных методов синтеза дискретных (цифровых) регуляторов класса «вход-выход» лежат методы аналогий и билинейного преобразования, сводящиеся к «переоборудованию» регулятора из непрерывной формы в дискретную форму методом подстановки вместо оператора Лапласа p его дискретного аналога в соответствии с выражениями:

– при нуль-экстраполяции по методу прямоугольников

	p	1 z 1	;	(2.24)
		T

– при квазилинейной экстраполяции по методу трапеций (Тастина)

64

	p	2(1 z 1 )		,	(2.25)
		T (1	z 1 )

где z – оператор Z-преобразования; T – такт (период) дискретного управления.

Выбор такта T дискретного управления предопределен теоремой Котельникова – Шеннона, хотя многочисленные практические исследования сводятся к рекомендациям более жесткого плана. Например, для электромеханических систем управления на основе современных интеллектуальных электроприводов такт T дискретного управления принимают, как правило, на порядок ниже минимальной постоянной времени объекта управления, что составляет единицы миллисекунд, а для прецизионных микропроцессорных следящих сервоприводов – доли миллисекунд.

В общем случае дискретная передаточная функция (ДПФ) регулятора в форме рекурсивного звена может быть представлена в виде [1–3]:

	D(z)	U (z)		a	a z 1		... a		z n	,	(2.26)
				0	1			n
		(z)		1 b z 1		... b		z m
					1		m

где U(z) – управляющее воздействие, вырабатываемое регулятором; ε(z) – сигнал ошибки регулирования выходной координаты; a0 , a1, ..., an , b0 , b1, ..., bm – параметры регулятора.

Порядок выполнения работы

иметодические указания

1.Получить от преподавателя задание на выполнение лабораторной работы, т.е. номер варианта (табл. 2.1). Рекомендуется при параметрическом синтезе дискретного регулятора внешнего контура скорости в качестве ЭМОУ принять структурную схему, приведенную на рис. 2.12, б или 2.12, в.

2.Для синтеза ДПФ регуляторов класса «вход-выход» методами прямоугольников и трапеций рекомендуется воспользо-

65

ваться методом подстановки соответственно выражений (2.24) и (2.25) в (2.22). Результирующую ДПФ регулятора скорости целесообразно представить в форме отношения полиномов, т.е. в виде (2.26). На вход замкнутого контура для снижения перерегулирования необходимо установить дискретный апериодический фильтр первого порядка с постоянной времени 4Tµс. Для получения его передаточной функции необходимо воспользоваться методами прямоугольников и трапеций при подстановке соответственно выражений (2.24) и (2.25) в (2.23).

3. Для анализа синтезированной СУЭП необходимо воспользоваться компьютерной средой «Matlab/Simulink». Сначала набрать и запустить схему моделирования аналоговой СУЭП с ПИ-регулятором скорости и предшествующим фильтром на входе. Пример такой схемы моделирования для структуры ЭМОУ, соответствующей рис. 2.12, б, приведен на рис. 2.14. Здесь параметр Tµс, определяющий быстродействие контура регулирования скорости, принят равным 0,04 с, остальные параметры понятны из обозначения звеньев библиотеки Simulink. Снять осциллограмму переходного процесса при приложении ступенчатого задающего воздействия «в малом».

Рис. 2.14. Схема моделирования аналоговой СУЭП

4. Затем набрать и запустить на исполнение две схемы моделирования СУЭП с дискретными регуляторами класса «вход-выход» и апериодическими фильтрами (см. п. 2). Пример такой схемы моделирования для метода прямоугольников приведен на рис. 2.15.

66

Рис. 2.15. Схема моделирования СУЭП с дискретным регулятором скорости класса «вход-выход»

На входе замкнутого контура регулирования скорости установлен дискретный фильтр, полученный с использованием соответствующей подстановки. Для согласования сигналов дискретной и аналоговой частей СУЭП служит звено «Zero-Order-Hold» из библиотеки «Simulink», обеспечивающее экстраполяцию сигналов нулевого порядка. Для ограничения выходного сигнала регулятора скорости на уровне ± 10 В на его выходе установлено звено ограничения – «Saturation».

5.Снять осциллограммы переходных процессов при приложении ступенчатого задающего воздействия «в малом» для двух моделей СУЭП, полученных дискретизацией аналоговых регуляторов и предшествующих фильтров методами прямоугольников и трапеций. Убедиться, что регулятор скорости не входит в режим насыщения,

впротивномслучаеуменьшить величину задающего воздействия.

6.Снять осциллограммы переходных процессов при ступенчатом приложении нагрузки к валу электропривода для двух моделей СУЭП, полученных дискретизацией аналоговых регуляторов и предшествующих фильтровметодами прямоугольниковитрапеций.

7.Снять осциллограммы переходных процессов при ступенчатом приложении задающего воздействия «в большом» для двух моделей СУЭП, полученных дискретизацией аналоговых регуляторов и предшествующих фильтров методами прямоугольников и трапеций, подав на вход СУЭП напряжение 10 В, соответствующее номинальной скорости электропривода.

67

Примечания:

–крайне важно правильно выбрать период квантования, удовлетворяющий теореме Котельникова – Шеннона; для большинства СУЭП этот период находится в пределах нескольких миллисекунд, рекомендуется задаться тактомдискретизацииT = 0,005 c;

–результаты моделирования аналоговой и цифровых СУЭП при двух методах реализации ДПФ регуляторов скорости и предшествующих фильтров на входе контура регулирования скорости должны быть близки и соответствовать типовой настройке замкнутого контура регулирования скорости – динамике фильтра Баттерворта 3-го порядка [3, 8];

–преподаватель может предложить провести имитационное моделирование СУЭП при ненулевых начальных условиях, при различных задающих и возмущающих воздействиях, при изменении параметров ЭМОУ и др., исходя, прежде всего, из реалий временного регламента.

8. Составить отчет о лабораторной работе.

Содержание отчета:

1.Титульный лист, отвечающий требованиям к оформлению лабораторных работ, представленным на сайте кафедры МСА.

2.Задание (номер варианта и перечень параметров ЭМОУ

всоответствии с табл. 2.1).

3.Результаты расчета параметров аналогового регулятора скорости и предшествующего фильтра.

4.Результаты «переоборудования» аналоговых регулятора скорости и предшествующего фильтра в дискретные звенья методом прямоугольников.

5.Результаты «переоборудования» аналоговых регулятора скорости и предшествующего фильтра в дискретные звенья методом трапеций.

6.Результаты моделирования аналоговой и дискретнонепрерывных СУЭП с двумя вариантами «переоборудования» регуляторов и фильтров.

7.Выводы по результатам исследования.

68

Контрольные вопросы

1.Подчиненное регулирование координат электропривода и основные принципы построения систем подчиненного регулирования координат СУЭП.

2.«Переоборудование» аналоговых регуляторов в дискретную форму; применение метода прямоугольников и трапеций при экстраполяции сигналов.

3.Типовые настройки контуров регулирования скорости СУЭП. Установка предшествующего фильтра на входе замкнутого контура регулирования скорости. Прямые показатели качества регулирования этих контуров.

4.Пример «переоборудования» ПИ-регулятора скорости и предшествующего фильтра в апериодическое звено первого порядка методом прямоугольников.

5.Пример «переоборудования» ПИ-регулятора скорости и предшествующего фильтра в апериодическое звено первого порядка методом трапеций (Тастина).

6.Сравнительный анализ результатов имитационного моделирования аналогового и дискретно-непрерывных контуров регулирования скорости при приложении ступенчатого задающего воздействия «в малом».

7.Сравнительный анализ результатов имитационного моделирования дискретно-непрерывных СУЭП с П- и ПИ-регуляторами скорости принабросенагрузкина валу привода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В последние десятилетия СУЭП претерпевают существенные изменения, что связано, прежде всего, с бурным развитием теории управления, а также микропроцессорной техники и ее доступностью. Отметим основные моменты, определяющие сегодняшнее состояние, а также основные тенденции в развитии СУЭП:

1. Становление российских научно-производственных фирм (НПФ), предприятий-разработчиков и производителей микропро-

69

цессорных средств автоматизации (НПФ «КонтрАвт», НПФ «ОВЕН», «МЗТА», «ЗЭиМ», «Тулаэлектропривод» и др.).

2.Интенсивное развитие дилерских сетей, рост числа и развитие фирм-поставщиков средств автоматизации, выпускаемых зарубежными компаниями, такими, как «Siemens», «Omron», «Schneider Electric», «Danfoss», и многими другими.

3.Создание многочисленных специализированных центров подготовки и переподготовки специалистов в области автоматизации, а также становление и развитие различных пуско-нала- дочных организаций.

4.Интенсивный переход от локальной автоматизации к построению интегрированных, полнофункциональных многоуровневых и распределенных (децентрализованных) систем управления. Учитывая место СУЭП в АСУТП (нижний уровень контроля

иуправления), нельзя не отметить появление на рынке многоканальных модулей ввода-вывода и управления (MDS-модулей).

5.Доминирование в СУЭП электродвигателей переменного тока: асинхронных с короткозамкнутым ротором, синхронных с постоянными магнитами, а также бесколлекторных двигателей постоянного тока (вентильных двигателей).

6.Доминирование в СУЭП частотно-регулируемых микропроцессорных электроприводов.

7.Модернизация приводов постоянного тока в части замены аналоговых силовых преобразователей для питания цепей якоря

ивозбуждения на полностью цифровые преобразователи.

8.Оснащение СУЭП средствами интеллектуализации (идентификации, адаптивной настройки алгоритмов управления, самодиагностики, сетевого обмена информацией и др.).

70

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Теория автоматического управления: учебник для вузов / В.Н. Брюханов [и др.]; ред. Ю.М. Соломенцев. – М.: Высш. шк., 2000. – 268 с.

2.Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления: пер. с англ. – М.: Машиностроение, 1986. – 448 с.

3.Казанцев В.П. Теория автоматического управления (линейные системы): учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн.

ун-та, 2007. – 165 с.

4.Казанцев В.П. Системы управления исполнительными механизмами: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 271 с.

5.Лыков А.Н. Системы управления электроприводами. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. – 190 с.

6.Системы управления электроприводов: учебник для вузов / В.М. Терехов, О.И. Осипов; под ред. В.М. Терехова. – 3-е изд.,

стер. – М.: Академия, 2008. – 300 с.

7.Москаленко В.В. Системы автоматизированного управления электропривода: учебник. – М.: Инфра-М, 2007. – 208 с.

8.Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. – Л.: Энергоиздат, 1982. – 392 с.

9.Борцов Ю.А., Поляхов Н.Д., Путов В.В. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением. – Л.: Энергоатомиздат, 1984. – 216 с.

10.Казанцев В.П. Методологические аспекты синтеза регуляторов класса «Вход-Выход» цифровых систем управления // Информационные управляющие системы: сб. науч. тр. / Перм.

гос. техн. ун-т. – Пермь, 2006. – С. 285–296.

11.Simoreg DС Master. Siemens AG, 2012. Инструкция по эксплуатации [Электронный ресурс]. – URL: http://www.siemens.com/ motioncontrol (датаобращения: 17.01.18).

71

12.Sinamics S120. Siemens AG, 2012. Руководство по вводу в

эксплуатацию [Электронный ресурс]. – URL: http://www.siemens.ru/ sinamics-s120 (датаобращения: 17.01.18).

13.Микроприводы МИК-1 фирмы National Instruments. Руководство пользователя NI ELVIS II [Электронный ресурс]. – URL: http://oplib.ru/ran-dom/view/506955 (датаобращения: 17.01.18).

72

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Описание интерфейса программного продукта «Исследование САУ»

(обязательное)

Программа «Исследование САУ» написана в интегрированной среде программирования Delphi и является полноценным 32-битным приложением Windows, что обеспечивает отличное быстродействие и удобство общения с ней пользователя. Любой пользователь, немного знакомый с интерфейсом Windows, без труда сможетосвоить общениес даннойпрограммой.

Запуск программы осуществляется стандартным образом через меню «Пуск» или двойным щелчком указателя «мыши» на ярлыке приложения. После запуска программы в левой верхней части экрана появляется панель управления программой с двумя вкладками «Синтез» и «Анализ» (рис. А.1).

Рис. А.1. Панель управления «Синтез»

На вкладках размещены управляющие пиктограммы (кнопки). Действие, выполняемое при нажатии той или иной кнопки, не подписано непосредственно на кнопке, а обозначено цветной иконкой. Это позволяет существенно экономить место на экране, а наличие подсказки при наведении указателем мыши на кнопку позволяет пользователю понять и быстро запомнить назначение каждой из них.

Приведем описание кнопок панели управления «Синтез» слева направо (см. рис. А.1).

Кнопка «Открыть» (рис. А.2) выводит на экран стандартное диалоговое окно открытия сохраненного на диске файла.

73