Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПОДЧИНЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Изучение экспериментальной методики синтеза двухконтурной системы подчиненного регулирования скорости вращения электро­привода постоянного тока.

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Принципиальная схема типовой двухконтурной системы подчи­ненного регулирования электропривода приведена на рис.1.

Система содержит реверсивный тиристорный преобразователь ТП с двумя комплектами тиристоров В и Н, включенных встречно-параллельно, и с соответствующими системами импульсно-фазового управления СИФУ В и СИФУ Н. Для ограничения уравнительного то­ка включены реактора Р1 и Р2, для формирования благоприятных переходных процессов при, пуске и реверсе - задатчик интенсив­ности ЗИ и бесконтактный командоаппарат БКК.

В системе подчиненного регулирования i-й контур представляется в виде объекта регулирования и регулятора. В передаточную функцию объекта включают, кроме непосредственно объекта регулирования, датчик регулируемой величины и преобра­зователь энергии. Это позволяет представить i-й контур регули­рования структурной схемой с единичной отрицательной обратной связью.

В большинстве случаев объект регулирования задан и необ­ходимо создать регулятор, соответствующий данному объекту. От регулятора требуется высокое быстродействие и точность поддер­жания регулируемой величины на требуемом уровне, т.е. чтобы в установившемся режиме ошибка регулирования была минимальной или, отсутствовала. В замкнутых системах нулевая статическая ошибка означает, что коэффициент передачи этой системы равен 1.

Быстродействие регулятора оценивается минимальным временем реакции регулятора на ступенчатое управляющее воздействие.

В случае, когда объект регулирования является апериодическим звеном с передаточной функцией W(р) = Ко / (Т_о р + 1), для компенсации постоянной времени объекта применяют ПИ-регулятор с передаточной функцией Wp(p) = (Т_из р + 1)/Т_ир. Передаточная функций регулятора содержит в числителе многочлен соответствующий форсирующему звену, постоянная времени которого может быть выбрана равной постоянной времени объекта Т_из = Т_о.

Тогда передаточные функции разомкнутого и замкнутого контуров регулирования имеют вид:

Таким образом, применение ПИ - регулятора в замкнутой системе регулирования, где объект регулирования описывается простым апериодическим звеном, приводят к тому, что замкнутая система регулирования имеет передаточную функцию также аперио­дического звена, но с постоянной времени τ = Т_и /К_о, которая может быть получена любой малой величины за счет увеличения коэффициента передачи объекта регулирования К_о или выбора таких параметров регулятора при которых постоянная времени интегрирования Т_и станет малой величиной.

Принцип последовательной коррекции предусматривает деление объекта регулирования на последовательно соединенные, звенья, которые, как правило, содержат одну постоянную времени, подлежащую компенсации. Выходные сигналы каждой части объекта являются регулируемыми переменными и для каждой регулируемой переменной строится свой замкнутый контур, содержащий соответ­ствующую часть объекта регулирования, и регулятор. На входе каж­дого регулятора сравниваются сигналы, пропорциональные задан­ному и действительному значениям регулируемой величины. Выходной сигнал регулятора является задающим воздействием последую­щего замкнутого контура.

Если в объекте регулирования есть обратная связь, то необходимо оценить ее влияние на показатели процесса регулирования и сделать вывод о необходимости ее компенсации структурными методами.

В двигателе постоянного тока существует обратная связь по э.д.с. вращения. Ее влиянием пренебрегают в случае, когда выполняется условие: Т_эм + 0, 2 Т_э > 5 Т_тп.

В теории систем подчиненного регулирования рассматриваются случаи применения П-, ПД-, ПИ-, ПИД- регуляторов при оп­тимизации i-го контура в соответствии с условиями модульного (Betrags optimum) или симметричного оптимумов.

Требования модульного оптимума:

1) точная компенсация действия больших инерционностей (Т_из = Т_о);

2) выбор коэффициентов демпфирования а₁=а₂=…=а_i=2;

3) логарифмическая амплитудно-частотная характеристика разомкнутого контура имеет частоту среза ω _ср =½ σ. Запас по амплитуде, на частоте сопряжения ω _с =1/ σ равен 6 дб.

При выполнении этих условий максимальное перерегулирование при реакции системы на единичный скачок составляет 4, 3%, а время переходного процесса, определяемое моментом входа переходной характеристики в зону 5% является минимальным и составляет 4, 7 суммы малых постоянных времени контура σ.

Требования симметричного оптимума.

1) коэффициент пропорционального усиления регулятора выбирается из условия модульного оптимума.

2) время изодрома (ПИ- или ПИД - регулятора) принимается равным учетверенной сумме малых постоянных времени контура.

3) логарифмическая амплитудно-частотная характеристика имеет частоту среза ω _ср =½ σ и частоты сопряжения ω _с1 =¼ σ и ω _с2 =1/σ. Запас по амплитуде на частотах сопряжения соответственно равны +6 дБ и – 6 дБ.

При настройке контура в соответствии с указанными требованиями переходный процесс имеет перерегулирование 43, 4 % и время достижения установленного значения 3, 1 σ.

Выше приведены показатели качества процесса регулирования замкнутого контура при ступенчатом задающем воздействии. Если при разработке системы регулирования основными являются показатели процесса регулирования по возмущающему воздействию, то следует руководствоваться рекомендациями по применению различных типов регуляторов и их целесообразных настроек, приведенных в таблице 1[3].

Наладка многоконтурной системы подчиненного регулирования достигается последовательной оптимизацией контуров, начиная с внутреннего и кончая внешним.

В системе регулирования, приведенной на рис.1, существует контур регулирования тока (внутренний) содержащий якорную цепь ДПТ, тиристорный преобразователь ТП и датчик тока ВА и контур регулирования скорости (внешний), содержащий звено механического равновесия ДПТ, замкнутый и оптимизированный контур тока, регулятор скорости РС и датчик скорости BR.

Компенсируемыми постоянными времени являются электромагнитная Т_э и электромеханическая Т_эм. Малой, некомпенсируемой постоянной времени, считается постоянная времени тиристорного преобразователя Т_тп.

Таблица 1.

Тип объекта Wo(p)	Соотношение постоянных времени	Тип регулятора	Условия настройки
	4σ > T1	ПИ	МО
4σ < T1	ПИ	СО
4σ < < T1	И	МО
(Т1р+1)(Т2р+1)(σ р+1) Т1 > Т2	4σ > T1	ПИД	МО
4σ < T1	ПИД	СО
4σ < < T1	ПД	МО
	4σ > T1	ПИ	СО
4σ < T1	ПИ	СО
4σ < < T1	П	МО
	4σ > T1	ПИД	СО
4σ < T1	ПИД	СО
4σ < < T1	ПД	МО

Структурная схема такой системы приведена на рис.2.

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная работа проводится на универсальном стенде путем исследования модели системы подчиненного регулирования (рис.3). Звенья с передаточными функциями W₁(p) и W₂(p) выполняют функции регуляторов скорости и тока. Модель двигателя содержит звенья W₄(p), W₅(p) и W₆(p). Датчики тока и скорости реализованы на звеньях W₇(p), и W₈(p).

ПИ – регулятор выполняется на стенде путем параллельного соединения пропорционального (регулируется К) и интегрального (регулируется Т_и) регуляторов, т.е. его передаточная функция имеет вид:

.

Следовательно, постоянная времени изодрома ПИ-регулятора устанавливается на стенде совместными изменениями К и Т_и.

4. ПРОГРАММА РАБОТЫ

4.1. Набор на стендесистемы подчиненного регулирования рекомендуется начать с модели двигателяпостоянного тока. Послепроверкиее работоспособности разомкнутьцепь внутренней обратной связи по э.д.с. двигателя и определитьэкспериментально параметрывсех звеньев модели двигателя.

4 2. Включить регуляторы тока и скорости в режиме П- регуляторов и установить К_рс=К_рт =1, после чего настроить звенья W₇(p) и W₈(р) для реализации отрицательных обратныхсвязей.

4.3. Включить датчик тока и настроитьконтур тока в следующей последовательности:

- регулятор тока перевестив режим ПИ - регулятора;

- установить минимальное значение постояннойвремени интегрирования;

- регистрируя графики I_я= f(t)при различных значениякоэффициента передачи регулятораК и, следовательно, Т_из получить оптимальный переходный процесспо задающемувоздействию.

4.4. Включить датчикскорости и настроить контур скорости для двух вариантов:

- регулятор скорости - пропорциональный (модульныйоптимум);

- регулятор скорости - пропорционально-интегральный (симметричный оптимум);

Во всех случаях необходимо фиксироватьграфикиω = f(t) при скачке задающего воздействия. После оптимизации контура скорости по каждому варианту необходимозарисовать переходныепроцессы I_я = f(t) при пуске инабросе нагрузки

Внимание! Настройку ПИ - регулятораскорости выполнить аналогично п.4.2.

4.5. Включить обратную связь по э.д.с. двигателя и оценить ее влияние на показатели качества процесса регулирования по задающему и возмущающему воздействиям для каждого контура регулирования.

5 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

- цель работы;

- схему набора модели системы подчиненного регулирования;

- графики переходных процессов;

- выводы.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1. В чем заключается физический смысл компенсации действия инерционности с помощью ПД- и ПИ-регуляторов?

6.2. Каков физический смысл постоянной времени интегрирования и постоянной времени изодрома ПИ – регулятора?

6.3. Приведите принципиальную схему ПИ - регулятора на основе интегрального

операционного усилителя при инвертирующем и не инвертирующем включении.

6.4. Из каких соображений выбирается желаемая передаточная функция разомкнутого контура?

6.5. Почему оптимизированный контур тока можно принять за инерционное звено?

6.6. Определите по экспериментальным данным коэффициент передачи замкнутого контура тока по задающему воздействию. Является ли этот, контур астатическим?

6.7. Настройка контура тока на модели производится без обратной связи по э.д.с. вращения двигателя. Как выполнить это условие на практике?

6.8. Чему равен сигнал на входе П (ПИ-) - регулятора скорости в установившемся режиме при следующих условиях:

a) U_зс = l(t), I_яс = О;

б) U_зс = К t, I_яс = О;

в) U_зс = l(t), I_яс = О;

г) U_зс = К t, I_яс = О.

6.9. B каких случаях целесообразна настройка контура скорости в соответствии с симметричным оптимумом?

6.10. Для i-ro контура, имеющего одну компенсируемую и одну некомпенсируемую постоянные времени и оптимизированного по модульному оптимуму, постройте логарифмическую амплитудно-частотную характеристику?

6.11. Сравните качества процесса регулирования систем параллельного (лабораторная работа № 2) и последовательного (лабораторная работа № 3) действия и выявите их достоинства и области применения.

6.12. Приведите примеры применения систем подчиненного регулирования в станках и промышленных роботах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Михайлов О. П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. Учебник для вузов – М. Машиностроение. 1990 – 304с.

2 Зимин Е. Н, Яковлев В. И. Автоматическое управление электроприводами. Учебное пособие для студентов вузов – М. Высш школа. 1979 – 318с.

3 Ананьев В. П. Синтез и наладка квазиоптимальных систем подчиненного регулирования и управления в металлургии. Учебное пособие – М. Центр институт повышения квалификации руководящих работников и специалистов черной металлургии. 1984 – 123с.