книги / Системы управления электроприводом

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

В.П. Казанцев

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2018

1

УДК 62-83: 681.51 К14

Рецензенты:

д-р техн. наук, доцент А.В. Трусов (Пермский центр научно-технической информации);

д-р техн. наук, профессор Р.А. Файзрахманов (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Казанцев, В.П.

К14 Системы управления электроприводом: учеб.-метод. пособие / В.П. Казанцев. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2018. – 84 с.

ISBN 978-5-398-02037-3

Приведены общие теоретические принципы построения систем управления электроприводом. Представлены краткие теоретические сведения и методические указания к выполнению десяти лабораторных работ, посвященных исследованию широко распространенных в промышленности электроприводных систем постоянного и переменного тока с применением учебных лабораторных стендов и программных продуктов в компьютерном классе.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профилю программы бакалавриата «Электропривод и автоматика».

УДК 62-83: 681.51

2

4

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АД – асинхронный двигатель АТПП – автоматизация технологических процессов и произ-

водств АЭП – автоматизированный электропривод

ВМУ – векторно-матричные уравнения ДПТ – двигатель постоянного тока ММ – математическая модель

ОДУ – обыкновенные дифференциальные уравнения ОУ – объект управления ПИ – пропорционально-интегральный (регулятор)

ПИД – пропорционально-интегрально-дифференциальный (регулятор)

ПК – персональный компьютер РКСУ – релейно-контакторная система управления

САУ – система автоматического (автоматизированного) управления

СД – синхронный двигатель СПЭ – силовой преобразователь энергии

СУЭП – система управления электроприводом ТАУ – теория автоматического (автоматизированного)

управления ТП – тиристорный (транзисторный) преобразователь

УУ – устройство управления ЭМОУ – электромеханический объект управления

ЭМСУ – электромеханическая система управления

5

ВВЕДЕНИЕ

Электромеханические системы управления с применением регулируемых автоматизированных электроприводов составляют основу современных систем автоматизации технологических процессов и производств. В данном методическом руководстве к проведению лабораторных работ в качестве выходных (регулируемых) переменных ЭМСУ рассматриваются собственно механические переменные – угловые или линейные скорости и положения рабочих органов механизмов.

Целью лабораторного практикума является освоение следующих дисциплинарных частей компетенций, связанных с формированием умений и навыков разработки и исследования ЭМСУ в рамках изучениядисциплины«Системыуправленияэлектроприводом»:

–готовность работать над проектами типовых систем управления электроприводами электроэнергетических и электротехнических объектов (ПК-8);

–готовность обосновывать применение принципов построения и выбора компонентов систем управления электроприводами при создании электроэнергетического и электротехнического оборудования (ПК-14);

–готовность понимать существо задач анализа и синтеза систем управления электроприводами в интегрированных средах их разработки и исследования (ПК-41).

В описании каждой лабораторной работы методические указания по ее выполнению предваряются краткими теоретическими сведениями об электроприводных системах, описанием состава, функций и технических характеристик каждой из рассматриваемых структур СУЭП. Задачи синтеза и анализа СУЭП рассмотрены на примерах типовых систем подчиненного регулирования координат электроприводов постоянного и переменного тока.

Изучению принципов построения и исследования СУЭП постоянного и переменного тока с применением учебных лабораторных стендов посвящены лабораторные работы 1–6.

6

Изучению принципов построения и исследования СУЭП с применением ПК и компьютерной среды «Matlab/Simulink» посвящены лабораторные работы 7–10.

При проведении лабораторных работ помимо методических рекомендаций, приведенных в данном пособии, предполагается ознакомление студентов с техническими описаниями и инструкциями по эксплуатации современных промышленных электроприводов ряда ведущих отечественных и зарубежных фирм.

Базовые положения теории оптимального управления ЭМСУ приведены в работах [1–3]. Основные положения теории электропривода и СУЭП изложены в работах [4–10]. Кроме того следует ознакомиться с техническими описаниями и инструкциями по эксплуатации основных используемых в лабораторных стендах микропроцессорных СУЭП [11–13].

Правила оформления лабораторных работ изложены в методических указаниях кафедры МСА и ГОСТ 7.32–2001 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.

В каждой лабораторной работе приводятся контрольные вопросы для подготовки к ее защите.

7

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Принципы построения СУЭП, как и любой другой системы управления, базируются на известных положениях теории автоматического управления [1–3] и предполагают необходимость контроля текущего состояния объекта управления с применением обратных связей по контролируемым координатам.

Вместе с тем для достаточно широкого класса простейших объектов управления вполне допустимым является управление без обратных связей. К таким объектам управления относятся простейшие производственные механизмы, требующие реализации лишь алгоритмов двухпозиционного регулирования («вкл. – выкл.» или «пуск – стоп») или трехпозиционного регулирования («пуск – стоп – реверс»). Это сверлильные и наждачные станки, запорно-регули- рующая арматура на разного рода трубопроводах, некоторые подъ- емно-транспортныемеханизмыи т.п.

Вэтом случае СУЭП выполняют на основе типовых релей- но-контакторных панелей и станций управления с применением контактных реле и пускателей или бесконтактных пускателей и реверсоров с применением тиристорных и симисторных ключей. Жестких требований к статическим и динамическим показателям таких СУЭП обычно не предъявляется.

Принципы построения существенно более сложных замкнутых СУЭП на основе применения регулируемых электроприводов определяются характером задач управления. Среди таких систем различают:

– системы стабилизации какой-либо технологической координаты объекта управления;

– системы программного управления;

– следящие системы и системы воспроизведения движений.

Взависимости от требований к статическим и динамическим показателям автоматизированных систем управления технологи-

8

ческими процессами применяют различные принципы организации обратных и компенсирующих связей в замкнутых СУЭП:

–по ошибке регулирования (с регулированием по отклонению выходной координаты от заданного значения);

–по вектору состояния ОУ (полному или редуцированному);

–по вектору возмущающих воздействий ОУ (с регулированием по возмущению);

–одновременно по векторам состояния и возмущающих воздействий (с комбинированным управлением).

СУЭП требуют, как правило, не только регулирования скорости или положения вала электродвигателя, но и оптимизации режимов изменения электрических (электромагнитных) координат электропривода. В основе синтеза таких СУЭП лежит соподчинение координат объекта управления и, соответственно, метод подчиненного регулирования [5–10].

Пример структурной схемы многоконтурной СУЭП с таким регулированием приведен на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структурная схема многоконтурной СУЭП с подчиненным регулированием координат объекта управления

Здесь приняты следующие обозначения:

WОУ,1, …, WОУ,n – передаточные функции подобъектов управления (1, …, n – номер подобъекта);

Wр,1, …, Wр,n – передаточные функции регуляторов соответствующих контуров регулирования;

9

WОС,1, …, WОС,n – передаточные функции звеньев обратных связей соответствующих контуров регулирования;

x1, …, xn – регулируемые переменные (координаты) объекта управления (1, …, n – номер контура регулирования);

xз,1, …, xз,n – сигналы заданий значений переменных соответствующих контуроврегулирования, В, мА, цифровойкод;

uу – сигналуправлениянавходеобъекта, В, мА, цифровойкод. Метод подчиненного регулирования координат базируется

на следующих основных положениях:

1.Объект управления представляют в виде n последовательно соединенных простейших линейных динамических звеньев

содним-двумя доминирующими полюсами (интегральных, апе-

риодических первого-второго порядка) WОУ,1(p), WОУ,2(p), …, WОУ,n(p), где n – число контролируемых переменных.

2.В передаточную функцию младшего подобъекта управления WОУ,1(p) включают фильтр с эквивалентной малой (некомпен-

сированной) постоянной времени контура T , определяющей такие важнейшие свойства системы управления, как быстродействие, точность и помехозащищенность.

3.Устройство управления представляют в виде n последовательно соединенных регуляторов класса «вход – выход» [3, 4, 8].

4.Синтез СУЭП начинают с младшего (внутреннего) контура регулирования и заканчивают старшим (внешним) контуром, применяя единую типовую методику [5, 8].

5.Каждый замкнутый синтезированный контур регулирования представляет собой оптимальный в некотором смысле линейный фильтр первого-третьего порядка. При синтезе оперируют понятием «оптимальные настройки контура» [4, 5, 8].

6.Каждый синтезированный замкнутый контур регулирования аппроксимируют оптимальным звеном первого-второго порядка и после синтеза присоединяют к объекту управления последующего контура.

10