книги / Системы управления электроприводом
..pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.П. Казанцев
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2018
1
УДК 62-83: 681.51 К14
Рецензенты:
д-р техн. наук, доцент А.В. Трусов (Пермский центр научно-технической информации);
д-р техн. наук, профессор Р.А. Файзрахманов (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Казанцев, В.П.
К14 Системы управления электроприводом: учеб.-метод. пособие / В.П. Казанцев. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2018. – 84 с.
ISBN 978-5-398-02037-3
Приведены общие теоретические принципы построения систем управления электроприводом. Представлены краткие теоретические сведения и методические указания к выполнению десяти лабораторных работ, посвященных исследованию широко распространенных в промышленности электроприводных систем постоянного и переменного тока с применением учебных лабораторных стендов и программных продуктов в компьютерном классе.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профилю программы бакалавриата «Электропривод и автоматика».
УДК 62-83: 681.51
ISBN 978-5-398-02037-3 |
© ПНИПУ, 2018 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Принятые сокращения.................................................................... |
5 |
Введение............................................................................................. |
6 |
1. Общие принципы построения систем управления |
|
электроприводом.......................................................................... |
8 |
2. Лабораторный практикум........................................................ |
12 |
Лабораторная работа № 1 |
|
Релейно-контакторная панель управления ПУ-5522 |
|
асинхронным короткозамкнутым электродвигателем............. |
12 |
Лабораторная работа № 2 |
|
Исследование аппаратурной реализации СУЭП |
|
на основе стендов МИК-1 фирмы National Instruments ........... |
17 |
Лабораторная работа № 3 |
|
Исследование программно-аппаратурной |
|
реализации СУЭП на основе стендов МИК-1 |
|
фирмы National Instruments ........................................................ |
25 |
Лабораторная работа № 4 |
|
Исследование электроприводных систем |
|
«Тиристорный преобразователь – двигатель |
|
постоянного тока» (Стенд «ТП – ДПТ – нагрузка») ................ |
29 |
Лабораторная работа № 5 |
|
Исследование электроприводных систем |
|
«Преобразователь частоты – асинхронный двигатель» |
|
(Стенд «ПЧ – АД – нагрузка») ................................................... |
36 |
Лабораторная работа № 6 |
|
Исследование электроприводных систем |
|
«Преобразователь частоты – синхронный двигатель» |
|
(Стенд «ПЧ – СД – нагрузка») ................................................... |
43 |
|
3 |
Лабораторная работа № 7 |
|
Синтез и анализ непрерывных двухконтурных |
|
статических систем регулирования скорости |
|
с применением ПК....................................................................... |
45 |
Лабораторная работа № 8 |
|
Синтез и анализ непрерывных двухконтурных |
|
астатических систем регулирования скорости |
|
с применением ПК....................................................................... |
50 |
Лабораторная работа № 9 |
|
Синтез и анализ микропроцессорных систем |
|
регулирования скорости с регуляторами состояния |
|
с применением ПК....................................................................... |
53 |
Лабораторная работа № 10 |
|
Синтез и анализ микропроцессорных систем |
|
регулирования скорости с регуляторами класса |
|
«вход-выход» в среде Matlab/Simulink...................................... |
63 |
Заключение...................................................................................... |
69 |
Список рекомендуемой литературы........................................... |
71 |
Приложение А. Описание интерфейса программного |
|
продукта «Исследование САУ»................................................. |
73 |
Приложение Б. Последовательность работы |
|
с компьютерной программой «Исследование САУ»............... |
79 |
4
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АД – асинхронный двигатель АТПП – автоматизация технологических процессов и произ-
водств АЭП – автоматизированный электропривод
ВМУ – векторно-матричные уравнения ДПТ – двигатель постоянного тока ММ – математическая модель
ОДУ – обыкновенные дифференциальные уравнения ОУ – объект управления ПИ – пропорционально-интегральный (регулятор)
ПИД – пропорционально-интегрально-дифференциальный (регулятор)
ПК – персональный компьютер РКСУ – релейно-контакторная система управления
САУ – система автоматического (автоматизированного) управления
СД – синхронный двигатель СПЭ – силовой преобразователь энергии
СУЭП – система управления электроприводом ТАУ – теория автоматического (автоматизированного)
управления ТП – тиристорный (транзисторный) преобразователь
УУ – устройство управления ЭМОУ – электромеханический объект управления
ЭМСУ – электромеханическая система управления
5
ВВЕДЕНИЕ
Электромеханические системы управления с применением регулируемых автоматизированных электроприводов составляют основу современных систем автоматизации технологических процессов и производств. В данном методическом руководстве к проведению лабораторных работ в качестве выходных (регулируемых) переменных ЭМСУ рассматриваются собственно механические переменные – угловые или линейные скорости и положения рабочих органов механизмов.
Целью лабораторного практикума является освоение следующих дисциплинарных частей компетенций, связанных с формированием умений и навыков разработки и исследования ЭМСУ в рамках изучениядисциплины«Системыуправленияэлектроприводом»:
–готовность работать над проектами типовых систем управления электроприводами электроэнергетических и электротехнических объектов (ПК-8);
–готовность обосновывать применение принципов построения и выбора компонентов систем управления электроприводами при создании электроэнергетического и электротехнического оборудования (ПК-14);
–готовность понимать существо задач анализа и синтеза систем управления электроприводами в интегрированных средах их разработки и исследования (ПК-41).
В описании каждой лабораторной работы методические указания по ее выполнению предваряются краткими теоретическими сведениями об электроприводных системах, описанием состава, функций и технических характеристик каждой из рассматриваемых структур СУЭП. Задачи синтеза и анализа СУЭП рассмотрены на примерах типовых систем подчиненного регулирования координат электроприводов постоянного и переменного тока.
Изучению принципов построения и исследования СУЭП постоянного и переменного тока с применением учебных лабораторных стендов посвящены лабораторные работы 1–6.
6
Изучению принципов построения и исследования СУЭП с применением ПК и компьютерной среды «Matlab/Simulink» посвящены лабораторные работы 7–10.
При проведении лабораторных работ помимо методических рекомендаций, приведенных в данном пособии, предполагается ознакомление студентов с техническими описаниями и инструкциями по эксплуатации современных промышленных электроприводов ряда ведущих отечественных и зарубежных фирм.
Базовые положения теории оптимального управления ЭМСУ приведены в работах [1–3]. Основные положения теории электропривода и СУЭП изложены в работах [4–10]. Кроме того следует ознакомиться с техническими описаниями и инструкциями по эксплуатации основных используемых в лабораторных стендах микропроцессорных СУЭП [11–13].
Правила оформления лабораторных работ изложены в методических указаниях кафедры МСА и ГОСТ 7.32–2001 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.
В каждой лабораторной работе приводятся контрольные вопросы для подготовки к ее защите.
7
1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
Принципы построения СУЭП, как и любой другой системы управления, базируются на известных положениях теории автоматического управления [1–3] и предполагают необходимость контроля текущего состояния объекта управления с применением обратных связей по контролируемым координатам.
Вместе с тем для достаточно широкого класса простейших объектов управления вполне допустимым является управление без обратных связей. К таким объектам управления относятся простейшие производственные механизмы, требующие реализации лишь алгоритмов двухпозиционного регулирования («вкл. – выкл.» или «пуск – стоп») или трехпозиционного регулирования («пуск – стоп – реверс»). Это сверлильные и наждачные станки, запорно-регули- рующая арматура на разного рода трубопроводах, некоторые подъ- емно-транспортныемеханизмыи т.п.
Вэтом случае СУЭП выполняют на основе типовых релей- но-контакторных панелей и станций управления с применением контактных реле и пускателей или бесконтактных пускателей и реверсоров с применением тиристорных и симисторных ключей. Жестких требований к статическим и динамическим показателям таких СУЭП обычно не предъявляется.
Принципы построения существенно более сложных замкнутых СУЭП на основе применения регулируемых электроприводов определяются характером задач управления. Среди таких систем различают:
– системы стабилизации какой-либо технологической координаты объекта управления;
– системы программного управления;
– следящие системы и системы воспроизведения движений.
Взависимости от требований к статическим и динамическим показателям автоматизированных систем управления технологи-
8
ческими процессами применяют различные принципы организации обратных и компенсирующих связей в замкнутых СУЭП:
–по ошибке регулирования (с регулированием по отклонению выходной координаты от заданного значения);
–по вектору состояния ОУ (полному или редуцированному);
–по вектору возмущающих воздействий ОУ (с регулированием по возмущению);
–одновременно по векторам состояния и возмущающих воздействий (с комбинированным управлением).
СУЭП требуют, как правило, не только регулирования скорости или положения вала электродвигателя, но и оптимизации режимов изменения электрических (электромагнитных) координат электропривода. В основе синтеза таких СУЭП лежит соподчинение координат объекта управления и, соответственно, метод подчиненного регулирования [5–10].
Пример структурной схемы многоконтурной СУЭП с таким регулированием приведен на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Структурная схема многоконтурной СУЭП с подчиненным регулированием координат объекта управления
Здесь приняты следующие обозначения:
WОУ,1, …, WОУ,n – передаточные функции подобъектов управления (1, …, n – номер подобъекта);
Wр,1, …, Wр,n – передаточные функции регуляторов соответствующих контуров регулирования;
9
WОС,1, …, WОС,n – передаточные функции звеньев обратных связей соответствующих контуров регулирования;
x1, …, xn – регулируемые переменные (координаты) объекта управления (1, …, n – номер контура регулирования);
xз,1, …, xз,n – сигналы заданий значений переменных соответствующих контуроврегулирования, В, мА, цифровойкод;
uу – сигналуправлениянавходеобъекта, В, мА, цифровойкод. Метод подчиненного регулирования координат базируется
на следующих основных положениях:
1.Объект управления представляют в виде n последовательно соединенных простейших линейных динамических звеньев
содним-двумя доминирующими полюсами (интегральных, апе-
риодических первого-второго порядка) WОУ,1(p), WОУ,2(p), …, WОУ,n(p), где n – число контролируемых переменных.
2.В передаточную функцию младшего подобъекта управления WОУ,1(p) включают фильтр с эквивалентной малой (некомпен-
сированной) постоянной времени контура T , определяющей такие важнейшие свойства системы управления, как быстродействие, точность и помехозащищенность.
3.Устройство управления представляют в виде n последовательно соединенных регуляторов класса «вход – выход» [3, 4, 8].
4.Синтез СУЭП начинают с младшего (внутреннего) контура регулирования и заканчивают старшим (внешним) контуром, применяя единую типовую методику [5, 8].
5.Каждый замкнутый синтезированный контур регулирования представляет собой оптимальный в некотором смысле линейный фильтр первого-третьего порядка. При синтезе оперируют понятием «оптимальные настройки контура» [4, 5, 8].
6.Каждый синтезированный замкнутый контур регулирования аппроксимируют оптимальным звеном первого-второго порядка и после синтеза присоединяют к объекту управления последующего контура.
10