Автоматизированный электропривод механизма перемещения стола продольно-строгального станка

        Электромеханическая постоянная времени:

, где

        φ - магнитный поток в о.е. (при однозонном регулировании скорости φ = 1).

3. структурная схема объекта  управления

        На структурной схеме объекта управления (рис. 8) представлены следующие звенья:

        ТП - тиристорный  преобразователь (безынерционное звено);

        ЯЦ - якорная цепь двигателя (апериодическое звено с  постоянной времени Т_э);

        МЧ - механическая часть привода (интегрирующее  звено с постоянной времени Т_j).

         В объекте присутствует внутренняя обратная связь по скорости. На объект управления воздействуют напряжение управления ТП (управляющее воздействие) и момент сопротивления (возмущающее воздействие). Звено умножения на поток связывает переменные электрической и механической части привода.  

6. ВЫБОР ТИПА СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ  СКОРОСТИ

        в настоящее время в электроприводе при создании системы автоматического управления нашел применение принцип подчиненного регулирования с последовательной коррекцией.

         Системы подчиненного регулирования выполняются по определенной многоконтурной структуре (см. рис. 9).

         Сущность построения таких систем заключается в следующем:

1. объект управления представляется в виде цепочки последовательно соединенных звеньев с передаточными функциями W₀₁(p), W₀₂(p), …, W_0i-1(p), W_0i(p), выходными параметрами которых являются контролируемые координаты объекта: напряжение, ток, скорость и т.д.
2. Количество регуляторов с передаточными функциями Wр₁(p), Wр₂(p), …, Wр_i(р) в СПР устанавливается равным количеству регулируемых величин. Все регуляторы соединяются последовательно, так что выход одного является входом другого. Кроме того на вход каждого регулятора подается отрицательная обратная связь по той переменной, которая регулируется данным регулятором. В результате этого в системе образуются как бы вложенные друг в друга контуры регулирования. Таким образом, число контуров регулирования равно количеству регулируемых координат объекта.
3. Каждый внутренний контур управления подчинен следующему по порядку внешнему контуру, т.е. выходной сигнал регулятора любого внешнего контура является задающим для последующего, заключенного в него, контура. В итоге все внутренние контуры работают как подчиненные задаче регулирования выходной координаты системы.
4. Ограничение любой координаты достигается ограничением ее задания, т.е. выходного сигнала регулятора, внешнего по отношению к рассматриваемому контуру.
5. На выходе регулирующей части системы управления устанавливается фильтр. Постоянная времени Т_μ этого фильтра является основным параметром системы авторегулирования и определяет важнейшие свойства системы.
6. Синтез регуляторов СПР осуществляется методом последовательной коррекции (начиная с внутреннего контура и кончая внешним). Практически при выборе передаточной функции регулятора Wp_i(p) i-го контура стремятся решить две основные задачи:

• обеспечить за счет действия регулятора компенсацию наиболее существенных инерционностей объекта, входящих в данных контур, и тем самым улучшить быстродействие системы;

• обеспечить определенный порядок астатизма данного контура за счет введения в регулятор интегрирующего звена.

        Передаточная функция  регулятора i-го контура будет иметь вид:

        Настройка системы  производится путем последовательной оптимизации контуров регулирования. Каждый контур оптимизируется по модульному или симметричному оптимумам, в основе которых лежит обеспечение вполне определенных показателей по выполнению, колебательности и точности системы автоматического управления, т.е. получение технически оптимального переходного процесса.

        СПР имеют следующие  достоинства:

1. Простота расчета регуляторов каждого контура при настройке по тому или иному оптимуму.
2. Высокие статические и динамические показатели, обеспечиваемые настройкой контуров регулирования по модульному или симметричному оптимумам.
3. Простота ограничения регулируемых координат.
4. Унификация оборудования, обусловленная особенностями регуляторов СПР и наличием унифицированных блочных систем регулирования, специально выпускаемых для СПР.
5. Простота настройки.

        Основной недостаток - некоторый проигрыш по быстродействию.

         На рис. 10 представлена структурная схема двухконтурной  системы подчиненного регулирования электропривода постоянного тока.

         В соответствие с требованиями к  электроприводу принимаем двухконтурную САР скорости с внутренним контуром регулирования тока якоря. Выбираем однократно интегрирующую САР скорости, поскольку астатизм системы по моменту сопротивления не требуется и однократно интегрирующая САР обладает динамическими свойствами по сравнению с двукратно интегрирующей. Контуры тока якоря и скорости настроены на модульный оптимум. Поэтому в системе применяется ПИ-регулятор тока и П-регулятор скорости. Ускорение и замедление привода обеспечивается путем формирования линейно изменяющегося сигнала задания на скорость задатчиком интенсивности. Функциональная схема САР скорости представлена на рис. 11.

 

7. РАСЧЕТ КОНТУРА  РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА ЯКОРЯ И ЦЕПИ КОМПЕНСАЦИИ  ЭДС ЯКОРЯ

1. ВЫБОР КОМПЕНСИРУЕМОЙ ПОСТОЯННОЙ

        Величина Т_μ является "базовой" при расчете СПР, для которых характерно, что динамические свойства системы не зависит от параметров объекта регулирования и определяется только величиной постоянной времени Т_μ фильтра, установленного на выходе регулирующей части системы управления. Таким образом , в стандартных системах регулирования величина Т_μ является единственным средством воздействия на систему управления.

        С одной стороны  уменьшение Т_μ приводит к увеличению быстродействия и снижению статической и динамической ошибок по скорости при приложении внешних возмущающих воздействий, с другой стороны величина этой постоянной времени должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить высокую помехозащищенность системы, ограничение тока якоря на допустимом уровне и устойчивость работы САУ с учетом дискретность тиристорного преобразователя.

        Следовательно фильтр с постоянной времени Т_μ должен реально присутствовать в САУ электроприводом.

        В реальных САУ с  подчиненным регулированием параметров величина Т_μ лежит в пределах 0,004-0,01 с.

        Для нашей системы выберем Т_μ = 0,007 с.

2. расчет  контура регулирования  тока якоря

1. Расчетная структурная схема  контура тока

         Контур регулирования  тока якоря является внутренним контуром САУ электроприводом. Он образуется регулятором тока, фильтром с постоянной времени Т_μ, тиристорным преобразователем, якорной цепью и обратной связью по току через датчик тока (k_дт = 1). В объекте управления имеет место внутренняя обратная связь по ЭДС якоря двигателя. Структурная схема контура тока представлена на рис. 12.

 

2. Передаточная функция регулятора тока

        При синтезе регулятора внутренняя обратная связь оп ЭДС  не учитывается.

        Передаточная функция  регулятора тока, найденная по условию  настройки на модульный оптимум:

, где

Т_i1 = T_э = 0,07с;

        При выборе данной передаточной функции регулятора тока замкнутый  контур тока будет описываться передаточной функцией фильтра Баттерворта II порядка:

         При условии неподвижного якоря двигателя (когда ω = 0, е_я = 0). В этом случае реакция контура на единичное ступенчатое задание тока представлена кривой 1 на 
рис. 13.

 

3. Компенсация влияния ЭДС якоря  двигателя

        Действие ЭДС якоря  приводит к погрешности регулирования  тока. Появляется астатизм контура по задающему воздействию. При единичном задании на ток статическая ошибка составит:

, где

         Статическая ошибка по току оказывается существенной, поэтому пренебречь влиянием обратной связи по ЭДС нельзя. Для компенсации влияния ЭДС якоря используют принцип комбинированного управления. В систему управления вводится положительная обратная связь по ЭДС. Для удобства технической реализации эта обратная связь подается на вход регулятора тока, а фильтр выносится из контура в цепь задания и обратной связи по току. Структурная схема контура тока с компенсирующей связью по ЭДС представлена на рис. 14.

         Передаточная функция звена компенсации  ЭДС будет иметь вид:

, где

 

4. Реализация  датчика ЭДС

        ЭДС якоря двигателя, в отличие от тока якоря и скорости, недоступна для прямого измерения. Датчик косвенного измерения ЭДС якоря использует сигналы датчика тока якоря и датчика напряжения на якоре двигателя. Связь между током якоря, напряжением якоря и ЭДС якоря устанавливает уравнение электрического состояния равновесия в якорной цепи. В операторном виде оно имеет вид:

, где

         Выразив ЭДС, получим уравнение датчика. Структурная схема датчика тока приведена ниже. Для возможности  практической реализации форсирующего звена и защиты системы от помех в сигналах датчиков в канале тока и напряжения датчика ЭДС добавлено инерционное звено с постоянной времени Т_μ. Таким образом реальный датчик ЭДС будет инерционным.

3. Конструктивный  РАСЧЕТ

        Рассмотрим реализацию управляющей части контура тока якоря в аналоговой системе автоматического  управления электроприводом на базе операционных усилителей.

        Принципиальная схема  регулятора тока и цепи компенсации  ЭДС представлена на рис. 16.

        Регулятор реализован на усилителе DA1, звено компенсации  ЭДС - на усилителе DA2. Усилитель DA3 предназначен для суммирования сигналов в датчике ЭДС.

        Для расчета элементов схемы по известным значениям параметров в относительных единицах используем базисные величины:

        I_бр = 0,5 мА - базисный ток регулирования принимаем, как рекомендуется в [5].

        U_бр = 10 В - базисное напряжение регулирования.

 

         Базисное сопротивление системы регулирования:

        Принимаем величины сопротивлений

        Емкость фильтров в  цепи задания и обратной связи  по току:

        Емкость в цепи обратной связи усилителя DA1:

 

        Сопротивления в  цепи обратной связи усилителя DA1:

        Емкость во входной  цепи усилителя DA2