Разработка системы автоматизированного управления регулируемым электроприводом

 

 

Система дифференциальных уравнений составляется на основе структурной схемы, показанной на рисунке 3.1. На схеме выходные и  выходные параметры звеньев, в знаменателе  передаточных функций которых содержится оператор p, обозначаются через и y с соответствующими индексами. Нелинейные звенья НЭ1 и НЭ2 представлены в виде функций F1 и F2 соответственно. Дифференциальные уравнения, описывающие каждое из указанных звеньев, получают путем преобразования их передаточных функций. Уравнения, записанные в форме Коши, имеют следующий вид:

1. интегральная часть регулятора тока:

 

 

2. тиристорный преобразователь:

 

 

3. электрическая составляющая двигателя (статор):

 

 

4. механическая составляющая двигателя (ротор):

Входные параметры  описываются следующими алгебраическими уравнениями:

 

1.   
2.     
3.     

                                      4. 

 

3.2.2 Построение переходного процесса  в РЭП

 

По полученным передаточным функциям и ранее расчитанным  коэффициентам, в прикладной программе  MatLab для оценки устойчивости системы построим переходные процессы изменения угловой скорости и силы тока при включении электропривода.

Характер  переходных процессов, построенных используя коэффициенты, рассчитанные ранее не соответствует нормам, поэтому была произведена их коррекция. Структурная схема с подобранными коэффициентами приведена на рисунке 3.2. Для эстетичности некоторые элементы были сгруппированы в подсистемы Subsystem и Subsystem1, содержимое которых представлено на рисунках 3.3 и 3.4 соответственно.

Исходные  и откорректированные графики переходных процессов скорости, тока и напряжения с тиристорного преобразователя приведены соответственно на рисунках 3.5 и 3.6 . Вид этих графиков говорит о том, что система устойчива. Для удобства построения переходных процессов по току и скорости  составим таблицу исходных данных (таблица 3.1).

Таблица 3.1 – Исходные данные

Параметр	Обозначение	Значение	Наименование величины
tпп	T	0,83 с	Время переходного процесса
КРС	КРС	4,851	Коэффициент передачи регулятора скорости
КРТ	КРТ	4,851	Коэффициент передачи регулятора тока
КРТ.ИНТ	КРТ.ИНТ.	1,25	Коэффициент передачи интегрирующей  части
КТП	КТП	78	Коэффициент передачи ТП
ТТП	ТТП	0,01 с	Постоянная времени ТП
КД1	КД1	5,95	Коэффициент передачи Д1 КД1=1/RЯЦ
ТЭ	ТЯ	0,042 с	Электромагнитная постоянная времени
ТМ	ТМ	0,5 с	Электромеханическая постоянная времени
КД2	КД2	0,09	Коэффициент передачи Д2
С	КФн	1,962	Коэффициент ЭДС
КТ	КРТ	0,108 В/А	Коэффициент обратной связи по току
Ic	Ic	7,8 А	Статический ток нагрузки (0,1-1,15)Iн
UСР1	UСР1	6,18 В	Напряжение сравнения в НЭ1
UСР2	UСР2	0,848 В	Напряжение сравнения в НЭ2

 

Рисунок 3.2 – Модель РЭП с коррекцией

Содержимое  блока Subsystem, предназначенного для реализации нагрузки при прямом ходе, приведено на рисунке 3.3.

 

 

Рисунок 3.3 – Содержимое блока Subsystem

 

Содержимое  блока Subsystem1, предназначенного для реализации нагрузки при реверсе, приведено на рисунке 3.4.

 

 

Рисунок 3.4 – Содержимое блока Subsystem1

 

Из графика (рисунок 3.5)определяем параметры качества регулироования:

1. время переходного процесса: t_пп = 0,78 (с);
2. перерегулирование по скорости:

- при пуске: ;

- при набросе нагрузки: .

 

Рисунок 3.5 – Графики переходных процессов без коррекции при пуске, реверсе и останове привода

 

Из графика (рисунок 3.6) определяем параметры качества регултрования:

 

1.  время переходного процесса: t_пп = 0,4 (с);
2. перерегулирование по скорости:

- при пуске: ;

- при набросе нагрузки: .

 

Рисунок 3.6 – Графики переходных процессов с коррекцией при пуске, реверсе и останове привода

 

 

Полученные  значения показателей динамики САУ  РЭП свидетельствуют о том, что  в целом система соответствует  заданным требованиям устойчивости и точности.

 

 

4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СРЕДСТВ СОПРЯЖЕНИЯ  ЭЛЕКТРОПРИВОДА С СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ

 

Управление  тиристорным регулируемым электроприводом  производится путем изменения угла управления тиристоров через дискретные промежутки времени. Эти свойства регулируемого  электропривода создают предпосылки  для использования цифровых регуляторов  на основе микроЭВМ. При таком подходе  процесс проектирования электропривода сводится к выбору оптимальной структуры  системы и ее программированию.

 

4.1 Определение  периода дискретного времени  управления в цифровом электроприводе

 

 

Проектирование  средств сопряжения МПС с объектом связано с определением конкретных величин, обеспечивающих требуемые  показатели работы цифрового электропривода по точности и быстродействию, которые  зависят от периода дискретности времени управления в цифровом электроприводе.

При выборе периода дискретности возможно использование  различных подходов. В качестве расчетного значения принимают наименьшее.

1. Для электропривода с тиристорным преобразователем период дискретности равен:

 

 

где – число фаз преобразователя; – частота питающей сети.

тогда .

2. Для выбранного порядка астатизма период дискретности рассчитывается по формуле:

 

 

где – порядок астатизма; – линейное ускорение.

Принимая  усредненные значения , , получим .

 Тогда:

 

.

 

3. Для избранной точности управления период дискретности рассчитывается по формуле:

 

 

где – порядок экстраполяции для данного цифрового электропривода.

Тогда .

Исходя из полученных значений периода дискретности, выбираем период дискретности .

 

4.2 Выбор  средств сопряжения измерительных  преобразователей (ИП) с микропроцессорной  системой (МПС)

 

 

Сигналы в САУ ЭП являются аналоговыми  и имеют различную форму. ЭВМ, напротив, оперирует с сигналами  строго определенными формой и уровнем. В связи с этим встает задача сопряжения, например, САУ РЭП с ЭВМ.

Из  ЭВМ код задания передается на регистр-защелку, который поддерживает его постоянным на время преобразования в сигнал управления α_Р. Преобразование осуществляет ЦАП. Далее сигнал поступает на регулятор тока и тиристорный преобразователь, управляющие скоростью двигателя. Скорость двигателя определяется датчиком импульсов, который преобразует скорость вращения ротора двигателя в последовательность импульсов. Количество импульсов данного сигнала подсчитывается счетчиком импульсов, который преобразует его в код N_ОС и передает на регистр-защелку и далее в ЭВМ. Все операции записи-чтения синхронизируются ЭВМ. Полный цикл вычисления производится за время – период дискретности системы. Регистры-защелки выбираем из серии К555: К555ИР20 – 8-ми разрядный регистр-защелка отображения данных, выходные буферные усилители которого имеют третье Z-состояние.

Разрядность цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) определится:

 

,

 

где - заданное значение скорости (в относительных единицах);

σ_РЭП - заданная статическая погрешность регулирования скорости.

Согласно  рассчитанному значению разрядности  выбирается интегральный ЦАП типа К572ПА1.

Количество  импульсов подсчитывается двумя  счетчиками импульсов К555ИЕ19, работающими  совместно (при выборе кодового датчика достаточно выбрать регистры). Питание К555ИЕ19 производится от напряжения 5 В. Подсчитанное количество импульсов за период дискретности Т₀ счетчик преобразует в код N_ОС и передает на регистр-защелку и далее в ЭВМ. Счетчик обнуляется сигналом с ЭВМ, поданным на вход R.

Реализация  схемы сопряжения РЭП с цифровой системой управления приведена на рисунке 4.1.

 

 

Рисунок 4.1 –  Реализация схемы сопряжения РЭП  с цифровой системой управления

 

ВЫВОДЫ

 

 

Основной  задачей данного курсового проекта  являлось проектирование регулируемого  электропривода главного движения станка. В ходе решения поставленной задачи были пройдены следующие этапы:

1. Расчет и выбор компонентов силовой части привода. Существуют различные методики выбора силового трансформатора, тиристорных комплектов, но все они сводятся к одному – обеспечить оптимальный режим питания двигателя, при котором затраты энергии будут минимальны, но в то же время должен обеспечиваться максимальный необходимый динамический запас по напряжению, обеспечивающий стабильность характеристик привода в переходных режимах. Результатом этой части работы является выбор комплектного тиристорного преобразователя, соответствующего рассчитанным характеристикам;

2. Исследование статических характеристик привода – обеспечивает ли он необходимый диапазон регулирования скорости и ее стабильность при различных нагрузках, и, соответственно, поиск оптимальной системы питания, расчет параметров настройки регуляторов для получения максимально жесткой электромеханической характеристики. На данном этапе осуществлен переход от простой схемы «двигатель – источник питания (сеть или ТП)» к полноценной замкнутой автоматической системе управления электроприводом (САУ ЭП), включающей в себя два контура управления: внутренний – токовый, внешний – по скорости. Таким образом реализуется идея подчиненного регулирования с последовательной коррекцией: регуляторы тока и скорости включены последовательно, как последовательные корректирующие звенья, обработка сигнала в них производится с учетом влияния всех обратных связей (ОС). При проектировании использовался также принцип задержанных ОС, когда они действуют в определенном интервале изменения регулируемого параметра, свидетельством этого является вид упорной электромеханической характеристики.

3. Исследована динамика привода в различных режимах работы: пуск, торможение, наброс и снятие нагрузки. На данном этапе основным являлось правильно определить настройки регуляторов, чтобы обеспечить максимальное быстродействие при минимальном перерегулировании и сохранении устойчивости. Одним из способов определения параметров регуляторов является метод технического оптимума (использовавшийся в данном курсовом проекте). В целом он позволил получить систему с достаточно высокими динамическими показателями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПЕРЕЧЕНЬ  ССЫЛОК

 

 

1 Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине "Автоматизированный электропривод" для студентов специальности 7.092501 /Сост. И.М. Сагайда, О.В. Субботин - Краматорск: ДГМА, 2004 – 112с.

2 Справочник по автоматизированному электроприводу /Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. - M.: Энергоатомиздат, 1983. - 616 с.

3 Терещук Р.М., Терещук К.М., Седов  С.А. Справочник радиолюбителя.  – К.: Наукова думка, 1981

4 Конспект лекций по курсу «Автоматизированный электропривод» (для студентов специальности 7.092501) /Сост. О.В. Субботин - Краматорск: ДГМА, 2003 – 96с.

5 Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Идентификация и моделирование технологических объектов» (для студентов направления 6.0925, «Автоматизация и компьютерно-интегрированные технологии») (Сост. А.А. Сердюк. – Краматорск: ДГМА, 2003 – 18 с.

6 Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. – М.: Наука, 1972. – 768 с.

7 Бесекерский В.А. Сборник задач  по теории автоматического регулирования  и управления. - М.: Наука, 1969. - 588 с.

8 Робототехника и гибкие автоматизированные  производства. В 9-ти кн. Кн. 2. Приводы  робототехнических систем: Учеб. пособие  для втузов / Ж.П. Ахромеев, Н.Д.  Дмитриева и др.; Под ред. И.М.  Макарова. – М.: Высш. шк., 1986. -175 с.

9 Батоварин А.А. Цифровые системы  управления электроприводами. Л.: Энергия, 1977. – 256 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А