Система управлення скоростью (рис. 2-12, а) включает в себя силовую часть в виде двигателя постоянного тока с независимым возбуждением (обмотка возбуждения ОВМ), получающего питание

от ТП, и управляющую часть в виде регулятора скорости (PC) и измерительно-преобразовательного устройства, представляющего собой датчик скорости. В аналоговой системе в качестве датчика скорости используется тахогенератор постоянного или переменною

7 Ip. cUct}
—V
	±ввм1 J
и

Г/7 егл я ЛР

В)

AM,

/ к________

1 Сд ' Тэмр{ТЯцр+1)+1

Vек ТзнІГГ^р+1)+ї

Аи,

Дш

Ни,

-ЕЪ

		%'(р)	Д Ир с	кгп	п
Rjc				ТтР+1

ІДС

КА С

Тд сР*1

'J&ep

Рис 2-12

тока Гг со сглаживающим фильтром Ф. Сопротивления и

представляют собой нагрузку тахогенератора. Сглаженное напря­жение датчика скорости иЛшС> пропорциональное истинному значе­нию скорости, подается и а вход PC по каналу обратной связи по скорости с сопротивлением Rc и сравнивается с предписанным зна­чением иу, задающим значение скорости на входном сопротивле­нии R3 с.‘

В соответствии с (1-20) в установившемся режиме для входных цепей PC можно записать

откуда, например, для номинальной скорости двигателя со,,, кото­рой соответсівчет входной сигнал Vy н,

/?=, С Uу н

(228>

Зцесь кА с = «д с/со — передаточный коэффициент датчика ско­рости.

Зная i/j н, kx с И (Оп, можно определить требуемое отноше­ние /?3 JRc и при известных допустимых значениях входных сопро­тивлений используемого операционного усилителя, задавшись одиим сопротивлением, определить второе.

Предполагая, что якорный ток имеет непрерывный характер, прн рассмотрении динамики линеаризованной системы с использо­ванием а. е. нужно воспользоваться передаточными функциями двигателя в виде (2-14) и (2-16) с учетом сказанного в п. 2-1-2 о зна­ченнях их коэффициентов в а. е Стр> ктурная схема системы управ­ления электроприводом получается в виде рис. 2-12, б. Через с'л обозначен коэффициент сдФ]]ач при Фкатг = Ф„. Постоянная времени фильтра тахогенератора определяется как Гд. с = CфRфlR<^>2/(Rф1 4- — R<*>2). коэффициент RJR3 с учитывает различие коэффициентов передачи регулятора скорости по каналу задания скорости и каналу обратной связи. На изменение напряжения сети 777 реагирует мгновенным изменением своей ЭДС Поэтому передаточный коэф­фициент (2-22) характеризует реакцию преобразователя на изменение Еф и в динамике.

Если электромеханическая постоянная времени и постоянная времени якорион цепи таковы, что 7,„ ;>= 4ТЯц, то передаточная функция двнгаїеля по управлению может быть записана в виде

(р) 1'с' 1 !с'

Н/ (п — . =, ____________ д_______

Д &е1 п(Р) Т-жР [Т н. цР+ 1) ~Г 1 іХаіРЛ' I) (7,даР + 0 ’

где Гд1 и Тлч определяются в результате нахождения корней поли­нома знаменателя.

На основании изложенного в п. 1-3-1 для настройки системы с таким объектом надо применить ЛЯД-регулятор (см. табл. 1-1), в результате чего передаточная функция разомкнутой системы запи­шется как

* о <тр =1Р-И)(тР С2Р + 1) w

траО<П^+‘) М' .

где передаточная функция неизменяемой части есть

k k Me'

(Р) = (74. „Р+1)(ГІ J> + 1) (Гм/> + 1)(ëР+ 1)- (2_29)

Прн пилообразном опорном напряжении системы управления тиристорами (как иа рнс. 2-6, б) коэффициент передачи преобразо­вателя kT'U меняется в зависимости от значения щ,,, которое соответствует скорости в рассматриваемом режиме. В соответствии с изложенным в п. 1-3-2 надо выбрать некоторое значение £г.„ = = &?.„ за настроечное, определив параметры регулятора скорости на основании выражений

у* ^

Pp. с — /,« z ' ’''р. сі ~ тл; Тр С2 ~ ^д2>

о 'Г Г, П д С

V-

А

В суммарную малую постоянную времени Гц должны быть вклю­чены постоянные времени преобразователя, фильтра тахогенератора и постоянная времени Тр. с2, которая значительно меньше, чем тр<с2: Тц = Гт. п + 7YC + Тр>с2. Реальное значение Тр. с2 определяется возможностями применяемого операционного усилителя, который чаще всего возбуждается, если на его вход включен конденсатор без небольшого добавочного резистора #1 (R'qі в табл, 1-1). Обычно можно сделать R[ 0,1 Rlt тогда т'р. са ^ 0.1 тр. с2*

При таком выборе параметров регулятора в настроечном ре­жиме

W {Р) = 2V(rT. nP + 1)(7’,.cP+1)(4-

Это, как цоказаио в п. 1-3-3, позволяет утверждать, что при &Т. П — ^т, п процесс изменения скорости при скачке сигнала uv на входе PC будет близок к стандартному, показанному на рис. 1-7. Установившееся значение скорости будет «у(.т = UyRcl{R4. сАм:)-

Реакция на возмущающее воздействие в виде изменения мо­мента нагрузки определится передаточной функцией

ум(п) = ^І£І = (— Гя-цР + 1--------------------------------------------------------- J----- . (2-30)

Шс(р) к Тьчр (Тл цР +1) +1 l + W(p) *

При Tw ^ 10 Гя>ц можно считать, что Тл1 ъ ТШУ Тл2 ^ Т„^п. Это тем более справедливо, чем больше Г9М по сравнению с THt ц.

Тогда

(/))<« (—1) ^-------------------------------------------- !------------ !—.

< тдіР+І i+iго>)

В настроечном режиме, когда W (р) есть передаточная функция контура, настроенного на ОМ, это соответствует формуле (1-14а) прн Т0 = ТА1 и £возм = (—1) ^я. цАд2 и все сказанное в п. 1-3-1 о виде переходного процесса по возмущению в настроенном на ОМ контуре с объектом в виде апериодического звена справедливо для рассматриваемого случая. Вид переходного процесса при скачке момента нагрузки будет таким, как показано на рис. 1-7, б прн аг = (-1) Тж1с?1(2Т^)-

При 4Г*,.ц < Гэм <С 10 Т„ ц точную оценку динамики при изме­нении нагрузки надо произвести на основании полной передаточ­

ной функции (2*30), хотя можно утверждать, что результат будет близок к показанному иа рис. 1-7, б.

Если ТдЛ велика и полученное в системе, настроенной на ОМ, время восстановления скорости при изменении нагрузки недопу­стимо большое, то прн условии, что ГД1 > 4 Тр, а изменение kua и рабочих режимах незначительно, можно произвести выбор пара­метров регуляторов в соответствии с формулами (1-17) гг (1-18):

Т с' Т

1 ДІСД 1 Д2,

прн Тд2 > 47^ : тр с1 = Тд2‘, ^р. сг ~ 47^, Pp. с= 2Т~ kv п^д с

Тс'

Т'дз <С 47'ц! Тр. сі ~ 47^; тр>са — Pp. с= 2Т k

Переходные процессы будут тем ближе к таковым в системе, настроенной на СО, чем больше Гд1 по сравнению с 47^.

Прн Т9и < 4Га. цсправедливо равенство Твыр (Гя. ир + I) + 1 =

= Пр* + 2|д7> + 1. где Гд = У I, = (1/2) УТ,./Т..„.

Для точной настройки на ОМ в этом случае потребовался бы регу­лятор, числитель передаточной функции которого представлял бы собой выражение вида Т2р2 + %%Тр + 1 прн Т = Тд> | = £д. Прин­ципиальная возможность создания такого регулятора путем вклю­чения цепочки RLC в цепь обратной связи усилителя существует. Однако, как правило, удается ограничиться применением обычного Я ЯД-регулятор а прн тр. с1 = тр>сй = 7V Динамика системы будет тем ближе к соответствующей настройке на ОМ, чем больше Тл по сравнению с постоянной времени 2Тц, определяющей частоту среза ЛАЧХ разомкнутой системы.

Показанный на рис. 2-12, а /7ЯД-регулятор скорости выполнен на двух операционных усилителях / и 2, что позволяет разделить функции суммирования сигналов и получения пропорциоиально - интегрально-днфференциальных характеристик. Динамический ко­эффициент усиления по каналу обратной связи по скорости опре­деляется через параметры входной цепи н цепн обратной связи регулятора как

Рр. с

Rg. сі *о. с2 __________________________ Во.__ сі &о. С2

ri+r;~ Яс Ri 1

Передаточный коэффициент разомкнутой системы определяе­мый как произведение коэффициента неизменяемой части и коэф­фициента усиления регулятора скорости в статике, будет тем выше, чем выше собственный коэффициент операционного усилителя kQ. При kfj —► оо статические ошибки от изменения момента нагрузки и напряжения сети будут стремиться к нулю:

/________________ | #в. Ц _ а. / Q

mjycx 1 l)w+b*) * wjycr ^(i+*S)' ■

Нели при Гвм ^ 47,в ц отнести Тл2 к числу малых постоянных времени, можно, пойдя на ухудшение быстродействия, вместо Я ЯД-регулятор а применить ЯЯ* регулятор скорости» При Теы <

< 47Ya параметры ЯЯ-регулятора можно подобрать на основании рассмотрения частотных характеристик разомкнутой системы.

С целью задания допустимого темпа разгона и торможения при­вода в системе может быть применен задатчик интенсивности (3M)t формирующий на своем выходе линейно-иарастающее напряжение при ступенчатой форме входного сигнала Показанный на рнс, 2-12, а ЗИ (481 включает в себя усилитель 3 с высоким коэф­фициентом усиления, интегратор 4 и инвертор 5. Предельное напря­жение усилителя 3 ограничено некоторым значением {/а. огр с по­мощью блока ограничения {БО), Если на вход ЗИ поступает сту­пенчатый сигнал С/у, иа выходе усилителя 3 сразу устанавливается напряжение задания С/3.ОГр и напряжение усилителя 4 меняется в соответствии с выражением — t/8.orPi/W Ускорение прн разгоне и торможении двигателя, определяемое темпом изменения сигнала иу, будет:

ГДЄ Т3> и /?3> ИС3> л.

Значение ускорения должно быть выбрано так, чтобы при из* вестном характере зависимости момента нагрузки Aic от скорости якорный ток, определенный нз выражения

не превышал допустимого значения.

Установка требуемого значення ускорения может быть осуществ­лена изменением U^orp ИЛИ т3,и.

В момент, когда напряжение иа выходе ЗИ достигнет значения напряжения на его входе, усилитель 3 выйдет из ограничения, обратная связь через усилитель 5 замкнется и далее будет поддер­живаться равенство иу — С/у.

Значение скорости задается с помощью задатчика скорости (ЗС), направление вращения — включением контактов В или Н.

Рассмотренная одноконтурная система регулирования скорости достаточно проста, что является ее достоинством, однако она обла­дает рядом недостатков, из которых можно отметить следующие:

1. Для ограничения тока якоря должна быть предусмотрена специальная схема токоограничеиня, например описанная в п. 2-3-1 и ие показанная на рис. 2-12, а.

2. Система имеет сравнительно большую динамическую ошибку при изменении напряжения сети, так как процесс восстановления ЭДС преобразователя начинается только после возникновения отклонения скорости. Это особенно сильно сказывается при при­менении тиристорного преобразователя, когда колебания напряже­ния сети вызывают такие же колебания выходного напряжения пре­образователя.

3. Нелинейность характеристик преобразователя сказывается непосредственно на работе контура скорости.

2- 2-2. УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ В СИСТЕМЕ С ПОДЧИНЕННЫМ ТОКОВЫМ КОНТУРОМ

Схема системы управления скоростью двигателя за счет регу­лирования напряжения на якоре при наличии подчиненного токо­вого контура (рис. 2-13, а) находит сегодня самое широкое распро­странение. Токовый контур включает в себя регулятор тока (РТ).

Рис 2-13

На его входные сопротивления R3 T и Дт подаются сигналы задания тока якоря «р>с с регулятора внешнего контура скорости и датчика тока (,ДТ) «ДіТ. Назначением ЦТ, включенного на шунт III, является преобразование тока якоря в пропорциональное ему напряженке, соответствующее уровню стандартного напряжения элементов си­стемы управления, а также гальваническая развязка якорной цепи двигателя и цепей управлення. Выходное напряжение РТ подано на систему управления 777. Благодаря применению блока / огра­ничения (БО) выходное напряжение регулятора скорости (PC) ие может превысить значения t/p. LOrp. Этим достигается ограниче­ние тока якоря иа заданном уровне.

Рассмотрим режим пуска, предполагая пока, что задатчика интенсивности (ЗИ) нет и пуск осуществляется подачей на вход PC напряжения «у, значение которого Uy определяет заданный уро­вень скорости [1]. Под действием большого входного сигнала на выходе PC сразу устанавливается напряжение Wp. c = ^Р. с.огр = -- const и коэффициент усиления PC становится равным нулю, т. е. контур скорости размыкается. Поскольку «р. с является за­дающим сигналом для контура тока, ток якоря /я. „акс> больший тока, соответствующего моменту нагрузки Мс, поддерживается примерно постоянным - При /Vfc — const это соответствует разгону двигателя с постоянным ускорением. В этот период пуска для входных цепей регулятора тока можно записать

(2-31)

я3.т дт

ГДЄ Uд. т. мвкс ^д. т макс* ^я. ыакс МЭКСИМаЛЬИО ДОПуСТНМЫН ТОК

в переходных режимах; &д. т — передаточный коэффициент датчика тока, вычисленный как отношение напряжения на выходе ДТ к соответствующему ему значению якорного тока.

По мере разгона двигателя напряжение тахогенератора мд<с = = ka cfo растет н, когда оно достигнет значения, близкого к опре­деляемому равенством

~ (2-32)

регулятор скорости выйдет из ограничения.

Вследствие еще продолжающегося увеличения скорости напря­жение и ток якоря будут уменьшаться. Установившееся состояние, к которому придет система, будет характеризоваться значением Ор. с, которое соответствует данному току нагрузки.

Система в любом режиме будет ограничивать якорный ток зна­чением /ц. макс. которое МОЖЄТ быть ПрЄВЬШІЄИ0 ТОЛЬКО В ПЄрВЬІЙ момент после ограничения PC за счет переходного процесса в то­ковом контуре.

За счет действия токового контура система быстро отрабатывает возмущения в виде изменений напряжения сети. Если напряженке сети изменится скачком, то в первый момент так же изменится и ЭДС ТП. Это приведет к изменению якорного тока, и лишь затем начнет изменяться скорость. Регулятор тока будет восстанавли­вать ток за счет воздействия на ТП. Если быстродействие токового контура велико, прежнее значение тока будет быстро восстановлено за счет изменения напряжения ису на входе ТП и отклонение ско­рости вследствие изменения напряжения сети будет небольшим.

Примерные равенства (2-31) н (2-32) могут бить использованы для определения соотношений между внешними входными сопро­тивлениями РТ и PC, если известны /я, макс и шуст и соответсґвую - шие им значения Up. c огр и VY.

При описании настройки автоматической системы управления будем считать, что ток якоря непрерывный, а входные воздействия достаточно малы, благодаря чему при рассмотрении структурной схемы системы можно воспользоваться линеаризованным описа­нием двигателя и считать, что выходное напряжение регулятора скорости, а следовательно, и ток якоря не ограничиваются (рис. 2-13, б). Структура двигателя изображена в соответствии с вы­ражениями (2-6) и (2-7) при сдФ = СдФн = Сд. Тиристорный пре­образователь, датчик тока и тахогенератор с фильтром представлены апериодическими звеньями с соответствующими коэффициентами передачи и постоянными времени.

Нетрудно видеть, что основное отличие рассматриваемой схемы от схемы рис. 1-13, в, поясняющей принцип подчиненного регули­рования, состоит в том, что на вход звеиа 1ДЯя. ц (Тя пр 4- 1)1, представляющего собой объект внутреннего контура, действует сигнал обратной связи по ЭДС двигателя Дед. Положив АЕ$ = О и ДМС = 0 и перенося точку а с выхода контура скорости и а выход контура тока, можно записать передаточную функцию образовав­шегося в токовом контуре объекта с прямым каналом 1ДЯя. ц (Ти. и/,+ + 1)] и каналом обратной связи (—1) (cjJ*l(Jp) в виде

г гг nmlil 1 1 = ^°(7,'^+1>Л(Р)’

*Я. Ц (7 пР +1) [1 + ^ Тя ^ + 1 j

где А (р) = Тшр (Т,.ар 4- )jTbup (Тв 4- 1) + 1] — сомножи­тель, отражающий влияние обратной связи по ЭДС; Тди = = JРя. ц/(Сд)а — электромеханическая постоянная времени привода.

Передаточная функция разомкнутого токового контура будет тогда иметь вид

Wi № = WV.» (Р) (Гт. п/?+1)Гд. тР41) Ri. aiT'.uP+l) Л

Если для настройки на ОМ использовать ПИ-регулятор тока на базе операционного усилителя с высоким коэффициентом усиле­ния, выбрав

= ^ = ' (2-33)

где малая постоянная времени токового контура есть Т= Т1шП 4

4- Тд.,, можно записать:

Wl(p) = W7T(p)A(p). (2-34)

Здесь

VT (р)=2Т^Р (7ipP+ 1)(г,.^+1) <2'35)

• —передаточная функция токового контура, настроенного на ОМ прн пренебрежении влиянием обратной связи по ЭДС двигателя.

Часто при рассмотрении динамики системы подчиненного регу­лирования пренебрежение влиянием связи по ЭДС оказывается возможным. Физически это объясняется тем, что, как всякая замкну­тая систола, токовый контур стремится воспроизводить на выходе входной сигнал, которым в данном случае является напряжение регулятора скорости. Изменение ЭДС, возникающее при изменении скорости двигателя, является для него возмущением и приводит к отклонению тока якоря от значения, задаваемого входным сшна­лом. Если изменения скорости вследствие значительной Т9« про­исходят сравнительно медленно, а быстродействие токового кон­тура, определяемое частотой среза его ЛАЧХ, равной 1/(27^), велико, ток якоря изменяется в соответствии с изменением напря­жения регулятора скорости независимо от действующего на контур возмущения в виде изменения ЭДС двигателя.

Анализ частотных характеристик, соответствующих сомножи­телю А (р) при различных соотношениях Тя. ц и позволяет утверждать, что если частота среза контура хотя бы в 10 раз пре­вышает частоту 1/7^, т. е. выполняется условие Тьк > 10-2TvJt то частої и ые характеристики, соответствующие передаточным функ­циям (2-34) и (2-35), в области частоты среза практически не отли­чаются друг от друга, что дает основание считать выполнение этого неравенства достаточным условием для пренебрежения обратной связью по ЭДС двигателя.

В передаточной функции неизменяемой части коитура скорости

замкнутый токовый контур описывается передаточной функцией ^>Лг) = ^г~~(Тл.-,р+). (2-36)

Считая в дальнейшем, что условия пренебрежения влиянием обратной связи по ЭДС двигателя выполняются, в соответствии с изложенным в п. 1-3-3 при определении параметров регулятора скорости передаточную функцию контура тока можно заменить приближенной:

тф+1'

где Ті, = 2Ttll — эквивалентная постоянная-времени ионтурадАка.

Поскольку объект контура скорости представляет собой интегри­рующее звено
то для настройки на ОМ следует применить пропорциональный регу­лятор с передаточным коэффициентом

*П =------------------------------------ ьЧ „ . (2-37)

к от, Д*.ц"д. с

з. т вд. т ^Д

где Тца = Тд, с + 77а — суммарная малая постоянна* времени кон­тура скорости.

Передаточная функция разомкнутого контура скорости по воз­мущению ДМс есть

A®(p) / L. п^я. ц I

дмс(р) ' l>Jp = {—4 с'* 'Т9у

В соответствии с (1-15) при TQ = Т9Н, квож =* — ^Сдя статиче­ская ошибка системы определяется как

/ Яя. Ц

(ллГ) л ~ Т с!*"'

с/уст вм Д

Поскольку величина —#Я. Ц/Сд3 характеризует ошибку разомкну­той системы, ясно, что в замкнутой системе с подчиненным токовым контуром ошибка будет тем меньше, чем меньше Тую по сравнению с Тэм. Еслн эта статическая ошибка недопустимо велика, коитур можно настроить на СО, применив ////-регулятор скорости с тр с = = 4Тт и значением рр с = £jncT определяемым в соответствии с (2-37).

Выше, при рассмотрении принципа действия системы, предпо­лагалось, что пуск осуществляется путем подачи полного напряже­ния i/y на вход PC (рис. 2-13, а) в результате чего PC ограничи­вался и пуск осуществлялся под контролем якорного тока при /я. н#кс = const. В соответствии с выражением

= (2-38.)

такой режим соответствует постоянному ускорению только при Мс = const и J = const.

Постоянное ускорение при любом характере изменения Мй в про­цессе разгона может быть обеспечено, когда пуск осуществляется при контроле скорости с использованием ЗИ. Основная часть ЗИ, состоящая из усилителей 3—5, описана в предыдущем параграфе. Очевидно, что прн пуске с помощью ЗИ контур скорости должен быть замкнут, т. е. PC не должен ограничиваться. Это означает, что значение ускорения

у

fd& 1 Rc da

,di J з. и ^д. с Яз. с dt f

обеспечиваемое с помощью ЗИ> должно быть таким», чтобы при любом возможном значении момента нагрузки Мс значение така

при заданном ускорении было меньше значения /*.„««» ПРИ кото­ром PC ограничивается. Роль ограничения регулятора скорости сводится при этом к ограничению тока якоря в ненормальных режимах.

Предположим, что в процессе разгона двигателя по каким-то причинам момент нагрузки возрос настолько, что для обеспечения

задаваемого ЗИ ускорения ток должен стать больше тока

ограничения /я. макс' Тогда, за счет действия блока ограничения БОІ, PC ограничится и контур скорости разомкнется. Разгон будет

происходить под контролем тока с ускорением меньшим, чем () .

В этом случае должны быть приняты меры к снижению темпа нарастания напряжения му на выходе ЗИ. Если этого не сделать, то пока разгон идет под контролем тока, напряжение на выходе ЗИ

duv

будет меняться ПО Прежнему закону -£■ = const. Если теперь,

пока разгои еще не закончен, Мс сиова уменьшится» напряже­ние иу будет больше, чем «д. с, PC будет оставаться ограниченным,

и ускорение будет больше, чем Д° тех П0Р. пока

не войдет в силу примерное равенство Если ускоре­ние было выбрано как предельно допустимое, такой режим

должен быть исключен. В схеме рис, 2-13, а это достигается с по­мощью усилителей 1 и 2, на входе первого из которых сравниваются напряжения ЗИ и датчика скорости. Когда разница между ними превысит значение, соответствующее напряжению пробоя стаби­литронов ДІ и Д2, на вход интегратора 4 будет поступать сигнал, заставляющий изменяться иу по закону, близкому ыдс. После уменьшения Мс PC сразу выйдет из ограничения и дальнейший

fda

разгон будет происходить с ускорением | •