книги из ГПНТБ / Андрющенко, В. А. Автоматизированный электропривод систем управления учеб. пособие

СЗАМКНУТОЙ ЦЕПЬЮ УПРАВЛЕНИЯ

ГЛ А В А

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Проектирование замкнутых систем автоматизированного элек­ тропривода предстазляет собой достаточно сложную задачу, ре­ шение которой может быть достигнуто различными путями. Чтобы спроектировать привод, удовлетворяющий всем требованиям тех­ нического задания, обычно приходится просчитывать и сравнивать между собой несколько вариантов поэлементной и принципиальной схемы. Многозначность решения делает проектирование автомати­ зированного электропривода творческой инженерной задачей, поэ­ тому рекомендуемая ниже примерная последовательность расчета является хотя и достаточно общей, но не универсальной и может корректироваться в зависимости от конкретной системы.

Расчет замкнутой системы электропривода обычно делится на статический и динамический; это деление в достаточной мере ус­ ловно: оба этапа расчета тесно связаны и переплетаются друг с дру­ гом. При изучении материала пособия необходимо иметь в виду, что отделение одной части от другой вызвано, главным образом, удобством изложения.

Как правило, расчет электропривода выполняется в следующем порядке.

Анализ технического задания. Прежде всего необходимо изу­ чить и тщательно проанализировать техническое задание на проек­ тирование. В ходе анализа следует убедиться в обоснованности каждого требования задания, сопоставив проектируемый электро­ привод с аналогичными существующими или выполнив прикидочные расчеты. В некоторых случаях приходится задаваться допол­ нительными исходными данными, не указанными в задании. Чтобы провести такой анализ, проектировщик должен глубоко изучить физические процессы, происходящие в проектируемом электропри-

70

воде, иметь четкое представление о назначении электропривода и его связи с другими устройствами общей системы управления.

Анализ технического задания заканчивается рассмотрением возможных вариантов поэлементной схемы основной цепи замкну­ того электропривода. При составлении поэлементной схемы не сле­ дует забывать о необходимости корректирующих устройств и нужно предусматривать возможность их включения.

Статический расчет системы. Первый шаг статического расчета заключается в выборе типовых нестандартных элементов основной цепи замкнутого электропривода и составлении принципиальной электрической и кинематической схем.

Выбор элементов основной цепи определяется рабочим процес­ сом объекта регулирования, мощностью, необходимой для управ­ ления объектом, родом энергии, имеющейся в распоряжении, ус­ ловиями эксплуатации, требуемой надежностью, допустимым ве­ сом и габаритами и другими факторами того же порядка.

Выбор и расчет элементов системы целесообразно делать в такой последовательности:

1. Выбрать чувствительный элемент (тип, марку, количество каналов измерения рассогласования).

2. Рассчитать мощность, требующуюся для управления объек­ том, и выбрать исполнительный двигатель (тип, марку) и переда­

(по величине статической ошибки и для систем с астатизмом пер­ вого порядка — скоростной) найти требующийся передаточный коэффициент разомкнутого следящего привода.

5. Зная передаточные коэффициенты чувствительного элемента, двигателя, редуктора, усилителя мощности и задаваясь на этом этапе расчета передаточными коэффициентами вспомогательных элементов (синхронизирующего устройства, повторителей, ФЧВ, дискриминаторов и т. д.), найти коэффициент усиления предвари­ тельного усилителя системы по двум условиям: а) требуемой стати­ ческой точности; б) обеспечения нормального режима работы ис­ полнительного двигателя.

Полученное значение коэффициента усиления иногда приходится

предварительного усилителя устанавливается в результате выпол­ нения динамического расчета.

6. Выбрать или рассчитать вспомогательные элементы основ­ ной цепи, не связанные с включением корректирующих устройств (синхронизирующие устройства, ограничители амплитуды и т. п.).

71

7. Составить принципиальную электрическую схему рассчи­ танной части системы. При построении схемы необходимо преду­ смотреть возможность включения последовательных корректирую­ щих элементов или корректирующих обратных связей; особенное внимание обратить на места соединения элементов друг с другом, следя за тем, чтобы было обеспечено правильное их сопряжение.

После выбора элементов основной цепи определяются их ста­ тические передаточные характеристики и передаточные функции и строится структурная схема системы с учетом основных нелинейностей (насыщения усилительных элементов, зоны чувствительно­ сти, передаточной характеристики двигателя и т. д.). Основная часть характеристик и параметров определяется расчетным путем, часть берется из справочной литературы и часть определяется экс­ периментально.

Для определения параметров передаточных функций (переда­ точных коэффициентов и постоянных времени) статические харак­ теристики линеаризуются в рабочем диапазоне изменения величин.

В конечном результате статического расчета по структурной схеме записывается передаточная функция основной цепи системы электропривода в разомкнутом состоянии; при определении пере­ даточного коэффициента разомкнутой системы используется наи­ больший из найденных ранее коэффициентов усиления предвари­ тельного усилителя.

Динамический расчет системы. Динамический расчет системы заключается в определении схемы, параметров и места включения корректирующих устройств, обеспечивающих устойчивость замкну­ той системы электропривода и придающих ему требуемое качество. Выбранный вариант коррекции обусловливает необходимость вклю­ чения в систему дополнительных сопрягающих или преобразующих устройств; соответственно изменяется или дополняется поэлемент­ ная, принципиальная и структурная схемы привода. В результате этого этапа проектирования устанавливается окончательная вели­ чина коэффициента усиления предварительного усилителя Ку, определяется его схема и рассчитывается передаточная характе­ ристика.

Необходимо подчеркнуть, что динамический расчет привода весьма целесообразно сочетать с экспериментальным исследованием макета проектируемой системы. Каждый шаг расчета следует по возможности сопровождать экспериментом, сопоставлять резуль­ таты расчета и опыта и вносить соответствующие коррективы в рас­

72

4)проверка точности работы системы в заданном режиме ра­

боты ;

5)оценка полученных результатов;

6)иногда производится оценка работы системы при изменении

различных внешних факторов (температуры, напряжения питания

ит. д.);

7)внесение дополнительных корректив и окончательная оценка системы.

Наибольшее распространение получил метод синтеза корректи­ рующих устройств с помощью логарифмических амплитудных ха­ рактеристик (ЛАЧХ) и фазовых частотных характеристик (ЛФЧХ). При использовании этого метода динамический расчет системы электропривода включает в себя следующие операции:

1) построение ЛЧХ нескорректированной системы электропри­ вода и ее оценку;

2)построение желаемой ЛЧХ из условий, которые предъяв­ ляются к проектируемой системе электропривода;

3)определение вида и параметров корректирующих устройств системы электропривода;

4)техническую реализацию корректирующих устройств в про­ ектируемой системе;

5)поверочный расчет и построение переходных процессов. Следует отметить^ что качество электропривода определяется

статической точностью и динамическими свойствами системы в замк­ нутом состоянии. Для проверки статической точности находят пе­ редаточные характеристики замкнутой системы по управляющему воздействию. Передаточные характеристики строятся графическим способом с учетом основных нелинейностей системы. При их построе­ нии входная величина изменяется в заданных (или несколько боль­ ших — на 30—40%) пределах; построение выполняется для двух крайних значений основных возмущений (статического момента нагрузки, температуры, погрешности чувствительного элемента и т. д.).

Передаточные характеристики замкнутого электропривода мо­ гут строиться не только по управляющему воздействию, но и по любому возмущению, действующему на какое-либо звено системы, входная величина при этом остается постоянной. Такие передаточ­ ные характеристики целесообразно находить, в частности, для ас­ татических по управляющему воздействию систем.

Для оценки динамических свойств электропривода следует по­ строить кривую переходного процесса при скачкообразном измене­ нии управляющего или возмущающего воздействия; переходную характеристику целесообразно находить не только для линеаризо­ ванного замкнутого привода, но и с учетом его основных нелиней­ ностей (например, типа насыщения).

Показатели качества линеаризованной замкнутой системы мо­ гут быть определены и по ее ЛАЧХ и ЛФЧХ в разомкнутом состоя­ нии. Для учета влияния медленно меняющихся возмущений доста-

73

точно построить ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы для крайних значений возмущающих факторов; все характеристики полученной таким образом области должны удовлетворять требованиям задания.

Если проверка покажет правильность выполненных расчетов, то можно переходить к разработке конструкции узлов системы ав­ томатизированного электропривода.

Вопросы для самопроверки

1.Каковы основные задачи проектирования замкнутых систем автома­ тизированного электропривода?

2.Назовите оптимальную последовательность проектирования замкну­

той системы электропривода.

3. Как можно охарактеризовать качество автоматизированного элек­ тропривода?

СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ' ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

§ 18. Ч У В С Т В И Т Е Л Ь Н Ы Е Э Л Е М Е Н Т Ы

Чувствительные элементы в замкнутых системах автоматизиро­ ванного электропривода выполняют функции задающих, измери­ тельных и суммирующих устройств.

Измерение угла рассогласования в замкнутых системах элек­ троприводов выполняется при помощи трех основных методов элек­ трических измерений: дифференциального, мостового и компенса­ ционного. Выходной сигнал чувствительного элемента может быть представлен в виде непрерывной, релейной или дискретной (цифро­ вой) функций угла рассогласования.

Чувствительные элементы могут быть дистанционного действия, фиксирующие углы рассогласования удаленных друг от друга осей, и местного действия, фиксирующие углы рассогласования осей, расположенных рядом.

К чувствительным элементам автоматизированных электропри­ водов предъявляются следующие общие требования:

1)малая собственная ошибка нулевого положения;

2)большой передаточный коэффициент элемента, который оп­ ределяется как отношение приращения выходной величины к при­ ращению входной;

74

3) однозначность зависимости выходной величины от входной;

4)минимальная зона нечувствительности;

5)минимальные собственные помехи чувствительного элемента (высшие гармоники, квадратурная помеха и т. п.);

6)малая инерционность;

7)малый собственный момент трения (для максимального сни­ жения нагрузки на задающую ось системы);

Исходными данными для выбора того или иного типа чувстви­ тельного элемента являются:

1) диапазон изменения входной величины следящего электропривода;

2)максимальная скорость отработки

3)допустимая статическая ошибка системы (при неподвижном

Вавтоматизированных электроприводах систем управления технологическим оборудованием в качестве чувствительных эле­ ментов широкое применение находят потенциометрические, индук­ ционные, индуктивные, емкостные, фотоэлектрические элементы и тахогенераторы. Основные технические данные устройств, которые могут быть использованы в качестве чувствительного элемента си­ стемы, приведены в табл. 5.

Втабл. 6, 7 и 8 помещены основные технические данные некото­ рых типов бесконтактных сельсинов, вращающихся трансформато­

ров и тахогенераторов постоянного тока.

В качестве исполнительных устройств в автоматизированных электроприводах систем управления наибольшее распространение получили электродвигатели постоянного тока с независимым воз­ буждением и асинхронные двухфазные электродвигатели перемен­ ного тока.

ческих характеристик электродвигателя во многом зависит ка­ чество всей системы.

Вне зависимости от типа исполнительного электродвигателя, применяемого в автоматизированном электроприводе, к нему предъявляются следующие основные требования:

75