Проектирование самонастраивающейся системы автоматизированного электропривода

Настройка контура тока

Настройку контура обычно производят так, чтобы получить технически оптимальный переходной процесс (настройка  на технический оптимум). Это такой  процесс, при котором время t изменения регулируемой величины от 0 до установившегося значения было бы минимально возможным при перерегулировании .

Характер переходного  процесса замкнутой системы определяется соотношением постоянных времени системы, и оптимальному переходному процессу соответствует оптимальное соотношение  постоянных времени. Заданная исходная система  обычно не обладает оптимальным  соотношением постоянных времени, поэтому, используя коррекцию, нужно изменять постоянные времени системы.

Контур тока имеет вид:

Рис. 5. Контур тока

График изменения тока якоря при подаче управляющего воздействия  от Uз=10В и подаче возмущений в  виде скачка напряжения сети на 25% и  скачка сопротивления цепи якоря  на 2с без регулятора:

Рис. 6. График переходного  процесса тока якоря без регулятора

Система имеет большую статическую ошибку. Установившееся значение тока якорной цепи  что не удовлетворяет исходному значению номинального тока .

Используем ПИ – регулятор с передаточной функцией:

 

Тогда передаточная функция  разомкнутого контура тока равна

 

С целью компенсации большой  постоянной времени контура примем (необходимую форсировку для этой компенсации будет создавать регулятор, воздействуя на преобразователь). Тогда передаточная функция разомкнутого контура равна

 

а передаточная функция замкнутого контура равна

 

т.е. замкнутый контур представляет собой систему второго порядка.

Для того чтобы получить в этой системе оптимальный переходный процесс, нужно, чтобы коэффициент  затухания был равен . Это условие будет выполнено, если коэффициент при р в характеристическом уравнении системы будет равен

 

Откуда

 

Вид:

 

Переходный процесс примет вид:

Рис. 7. График переходного процесса тока с  регулятором

Из графика видно, что  при действии возмущений система  возвращается в установившееся состояние

Перерегулирование 5,5%

Время переходного процесса 0,12 с

Установившееся значение

 

Настройка контура скорости

Контур скорости предназначен для стабилизации  скорости двигателя  на заданном уровне. Контур включает в себя регулятор скорости (РС) и датчик скорости (ДС). На РС  поступают управляющие импульсы с внешнего контура и ДС. Предполагается, что цепи РС защищены от протекания недопустимо большого тока.

Контур скорости имеет  вид:

Рис. 8. Структурная схема  регулятора скорости

Переходный процесс скорости при управляющем воздействии в форме единичного скачка, без регулятора скорости:

Рис. 9. График переходного  процесса скорости без регулятора

Система имеет большую статическую ошибку. Время переходного процесса равно 1,5 с, коэффициент перерегулирования равен нулю

Применим ПИ-регулятор.

 

Передаточная функция  ПИ – регулятора имеет вид:

 

где

 

 

Рис. 10. График переходного процесса скорости с регулятором

Однако при таком регуляторе при скачке входного сигнала перерегулирование  составит 44% Перерегулирование уменьшают установкой на входе инерционного звена (фильтра) с передаточной функцией:

Рис. 11. График переходного процесса скорости с регулятором и фильтром

Перерегулирование

Время переходного процесса 0,22 с

Установившееся значение

 

Настройка контура тока возбуждения

Контур тока имеет вид:

Рис. 12. Структурная схема контура потока

Переходный процесс контура тока возбуждения при подаче возмущения на 2 с:

Рис. 13. График переходного процесса контура тока без регулятора

Статическая ошибка составляет 22%.

В соответствии со структурной  схемой передаточная функция тиристорного преобразователя и цепи обмотки  возбуждения двигателя равна:

 

Используем ПИ-регулятор  с передаточной функцией

 

Тогда передаточная функция разомкнутого контура  тока

 

С целью компенсации большой  постоянной времени контура примем . Тогда

 

 

Передаточная функция  регулятора потока примет вид:

 

Переходной процесс контура  тока возбуждения с регулятором:

Рис. 14. График переходного процесса контура тока с регулятором

Как видно из графика, полученная САР компенсирует действие возмущения и стабилизирует значение потока возбуждения.

Перерегулирование

Время переходного процесса 0,6 с

Установившееся значение

 

Настройка контура ЭДС

В замкнутой системе регулирования  скорости переход от режима регулирования  потоком возбуждения обеспечивается за счет того, что на скоростях выше основной с помощью специального регулятора, воздействующего на цепь возбуждения, поддерживается равенство  ЭДС двигателя номинальному значению. Поскольку ЭДС двигателя есть в условиях, когда , а значение задается входным сигналом, поток возбуждения будет изменяться обратно пропорционально скорости двигателя.

Контур ЭДС имеет вид:

Рис. 15. Структурная схема контура ЭДС

Пока сигнал задания на скорость соответствует скорости меньше номинальной сигнал с датчика  ЭДС (ДЭ) по модулю меньше напряжения задания  ЭДС, поэтому регулятор ЭДС (РЭ) находится  на ограничении, задавая максимальный поток двигателя, равный номинальному, поэтому ЭП работает только в первой зоне и скорость регулируется только за счет напряжения на якоре.

Пусть скорость двигателя  равна номинальной. Так как РЭ обладает интегральными свойствами, то только при скорости больше номинальной, сигнал ДЭ станет больше сигнала задания  ЭДС, РЭ сойдет с ограничения и  будет задавать поток меньше номинального.

 

 

 

Переходный процесс скорректированной  системы:

Рис. 16. График переходного процесса контура ЭДС с регулятором

Перерегулирование

Время переходного процесса 0,6 с

Установившееся значение

 

Настройка контура положения

Системы регулирования положения  являются, как правило, нелинейными  системами, так как работают в  режиме ограничения координат движения. В зависимости от режима работы механизма  и параметров привода регулятор  положения может быть линейным или  нелинейным, регулирование – статическим  или астатическим.

Контур положения:

Рис. 17. Структурная схема контура положения

Коэффициент передачи линейного  регулятора положения К_РП=15

Переходный процесс

Рис. 18. График переходного процесса контура положения с регулятором

Перерегулирование

Время переходного процесса 1,1 с

Установившееся значение

 

Обоснование необходимости применения самонастраивающейся системы

При действии указанных выше возмущений изменяется коэффициент  передачи разомкнутой системы. В  процессе регулирования статической  точности добиваются выбором минимального значения Крс не ниже расчетного, но динамические свойства САР стабилизировать  таким образом не удаётся и  поэтому невозможно получить качество переходных процессов, указанное в  техническом задании. Для компенсации  действия параметрических возмущений необходимо применение адаптивного  регулятора, который будет подстраивать коэффициент усиления разомкнутой  системы. В СУ АЭП достижение требуемого качества осуществляется с помощью  эталонной модели (ЭМ) объекта управления, которая создается на основе заранее  известной информации об объекте  и включается в адаптивную систему  управления. ЭМ выполняет функции  корректирующего устройства, по сигналам которого устройство управления изменяет характеристики системы нужным образом. В данной работе речь идет о настройке скорости вращения вала на необходимую величину, таким образом, обеспечивая постоянство характеристики АЭП в динамических режимах. При отклонении выходной координаты от желаемого значения, УУ вырабатывает соответствующий сигнал, который компенсирует ошибку (разность желаемого и текущего значения скорости ). На выходе РАК вырабатывается соответствующее управляющее воздействие ( ), которое сравнивается с заданным управляющим воздействием ( ), таким образом, осуществляется настройка системы. 

На вход основной системы  и эталонной модели подаётся одинаковое задающее воздействие. Сигнал с выхода системы через обратную связь  и сигнал модели подаются в регулятор  основного контура. Он меняет параметры  корректирующих устройств так, чтобы  рассогласование было как можно  меньше.

В качестве эталонной модели примем модель, реализующую желаемое изменение выходной координаты. Выберем  колебательное звено c характеристическим уравнением второго порядка, настроенное на технический оптимум:

 

Реализация регулятора адаптивного  контура

 

 

Структурная схема СНС

 

Структурная схема СНС реализованная в MAtlab

 

Анализ переходных функций

Рассмотрим переходные процессы при разомкнутых САР и без  действия самонастройки.

Переходные функции тока якоря на скоростях двигателя 0,1; 0,9; 1,1; 1,9 номинальной:

Рис.19. График переходного процесса тока якоря при 0,1ω_Н

Рис.20. График переходного процесса тока якоря при 0,9ω_Н

Рис.21. График переходного процесса тока якоря при 1,1ω_Н

Рис.22. График переходного процесса тока якоря при 1,9ω_Н

Переходные функции скорости при изменении управляющего воздействия, возмущающего воздействия на скоростях  двигателя 0,1; 0,9; 1,1; 1,9 номинальной:

Рис.23. График переходного процесса скорости при 0,1ω_Н

Рис.24. График переходного процесса скорости при 0,9ω_Н

Рис.25. График переходного процесса скорости при 1,1ω_Н

Рис.26. График переходного процесса скорости при 1,9ω_Н

При разомкнутых САР выходная координата не устанавливается в  заданное положение. Система является неустойчивой, при воздействии возмущений система выходит из установившегося  положения.

 

 

Проанализируем поведение  системы при включенной САР и системе самонастройки.

Переходные функции скорости при скачкообразном изменения момента  сопротивления  Мс=5,678 Н*м на 2 секунде:

Рис. 27. График переходного процесса скорости двигателя при 0,1ω_Н

Рис. 28. График переходного процесса скорости двигателя при 0,9ω_Н

 

 

 

 

Рис. 29. График переходного процесса скорости двигателя при 1,1ω_Н

Рис. 30. График переходного процесса скорости двигателя при 1,9ω_Н

Из графиков изменения  скорости для замкнутой САР видно, что при скачкообразном изменении нагрузки система возвращается в исходное состояние, то есть поддерживает заданную выходную координату.

 

Переходные процессы при  пуске системы от нуля до максимального значения скорости двигателя, при остановке и реверсе

Разгонная кривая скорости двигателя