- •Методические указания
- •1. Цель работы
- •2. Теоретические пояснения
- •3. Предварительное задание
- •4. Рабочее задание
- •5. Индивидуальное задание
- •6. Методические рекомендации
- •7. Требования к отчёту
- •8. Контрольные вопросы
- •1. Цель работы
- •2. Теоретические пояснения
- •3. Предварительное задание
- •4. Рабочее задание
- •5. Индивидуальное задание
- •6. Методические рекомендации
- •7. Требования к отчёту
- •8.Контрольные вопросы
- •1. Цель работы
- •2. Теоретические пояснения
- •3. Предварительное задание
- •4. Рабочее задание
- •5. Индивидуальное задание
- •6. Методические рекомендации
- •7. Требования к отчёту
- •8. Контрольные вопросы
- •1. Цель работы
- •2. Теоретические пояснения
- •3. Предварительное задание
- •4. Рабочее задание
- •5. Индивидуальное задание
- •6. Методические рекомендации
- •7. Требования к отчёту
- •8. Контрольные вопросы
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
1. Цель работы
Исследование влияния отрицательной и положительной обратных связей по току в системе преобразователь-двигатель, на статические и динамические свойства цепей формирования тока и скорости.
2. Теоретические пояснения
Высокоточное воспроизведение ИС заданного закона движения это достаточно малые ошибки воспроизведения самой регулируемой величины (положения) и ее производных (скорости и ускорения). Эффективным способом уменьшения ошибок является регулирование названых параметров по отклонению, т.е. регулирование с отрицательной обратной связью (ООС). Это уменьшает ошибки по управляющему и возмущающему воздействиям одновременно.
Использование ОС по скорости рассмотрено в предыдущей работе. Для введения ОС по второй производной от положения необходим датчик, сигнал которого пропорционален ускорению. Такие датчики - акселерометры - сложны и громоздки. В то же время ускорение можно оценить по моменту, развиваемому двигателем. Кроме ускорения момент характеризует и нагруженность в статике. Регулирование момента позволяет уменьшить ошибку управления им как в динамических, так и в установившихся режимах. Последнее очень важно, так как создает дополнительную возможность формирования требуемого вида скоростной характеристики, в том числе и нелинейной. В приводах системы ШИП-Д регулирование момента сводится к регулированию тока и реализуется достаточно просто.
В системе без обратной связи формирование тока обеспечивается двумя динамическими звеньями. Это преобразователь, свойства по управлению которого описываются передаточной функцией (ПФ)
(1)
и электромагнитная цепь, учитывающая свойства двигателя и преобразователя по возмущению и имеющая ПФ
. (2)
Управляющим воздействием этой цепи (сигналом задания тока), является входное напряжение Uзад пропорционального регулятора тока (РТ) с коэффициентом передачи Крт. Возмущающим воздействием, изменяющим регулируемую величину (ток) при неизменном Uзад, является ЭДС двигателя Ед.
Коэффициент передачи цепи тока по управляющему воздействию , по возмущающему воздействию , эквивалентная инерционность по управлению определяется как сумма инерционностей обоих звеньев Тэкв = Тп + Та, по возмущению – Та.
При ООС по току контур регулирования замыкается через датчик тока (ДТ) и ПФ этой цепи
, (3)
где - постоянная фильтра для сглаживания пульсаций в сигнале датчика. Для суммирования сигналов задания Uзад и обратной связи Uос I служит регулятор тока (РТ). Коэффициент передачи разомкнутого контура тока
. (4)
Коэффициент передачи контура тока по управляющему Uзад и возмущающему Eд воздействиям уменьшается при ООС в (1+ Крi) раз, т.е. становится
, . (5)
Это можно интерпретировать как увеличение эквивалентного сопротивления якорной цепи в (1+Крi) раз против Rа, рассматривать как эффект стабилизации тока, как существенное уменьшение влияния возмущения на взаимосвязь управляющего воздействия с регулируемой величиной. Другими словами, ошибка по управлению и возмущению уменьшается в (1+Крi) раз. Во столько же, т.е. в (1+Крi) раз увеличивается быстродействие от воздействий к току, уменьшается эквивалентная инерционность. В итоге введение ООС по току существенно улучшает управляемость двигателя в отношении развиваемого им момента в статике и динамике, снижает ошибку по управлению и возмущению относительно момента, повышает быстродействие управления моментом. Это создает предпосылки для быстрого и с малыми ошибками регулирования других координат привода - частоты вращения и положения вала (перемещения).
Величину Крi нетрудно сделать существенно больше единицы. Проблем с устойчивостью контура и привода в целом при этом обычно не возникает. Причин здесь две. Во-первых, контур имеет порядок не выше третьего при одной большой Та и двух малых Тп и Тi постоянных времени, поэтому достаточно устойчив. Во-вторых, большое перерегулирование и даже высокая колебательность этого контура не ухудшают свойств привода, так как колебания тока имеют высокую частоту и хорошо сглаживаются интегрирующим звеном
(6)
электромеханической цепи с большой по сравнению с периодом этих колебаний постоянной времени Tм привода.
Нагрузочные свойства привода относительно скорости с ООС по току вытекают из свойства замкнутого контура стабилизировать ток. Анализируя поведение привода по скорости, следует иметь в виду, что сигнал задания Uзад преобразуется сначала в ток, потом скорость формируется как выходной сигнал звена с ПФ (6), стоящего после контура тока. На входе этого звена - разность токов двигателя и сил статического сопротивления. При этом важен факт стабилизации первого. Это означает, что коэффициент передачи цепи формирования тока к изменениям ЭДС двигателя (зависит скорости) стала существенно, в (1+Крi) раз меньше, чем была до замыкания ОС. Отсюда и слабое влияние на ток (момент) двигателя изменений скорости, в том числе и от изменений нагрузки. При стабилизации тока двигателя с увеличением нагрузки сигнал на входе звена, формирующего скорость, быстро уменьшается. Итог: очень мягкая скоростная характеристика; существенно большая инерционность процессов изменения скорости. Отмеченные особенности наглядно описываются структурной схемой и соответствующими передаточными функциями привода с ООС по току.
Управляемость привода относительно скорости при введении ООС по току остается такой же, как и без обратной связи. Экспериментальное подтверждение этого факта затруднительно из-за существенного смягчения нагрузочной характеристики (коэффициент передачи по управлению оценивается, как известно, при неизменной нагрузке).
Экспериментальные исследования свойств цепи (контура) формирования тока имеют особенности, связанные с тем, что возмущением здесь является ЭДС двигателя. Как известно, при исследовании свойств по возмущению необходимо исключить управление, т.е. не менять последнее. Воздействие формируется механическим стопорением двигателя. Его величина будет
. (7)
Предварительно следует уменьшить подаваемое на двигатель напряжение, чтобы ток при стопорении не превышал номинальный.
Положительная обратная связь (ПОС) по току придает приводу статические и динамические свойства, противоположные описанным. Эти свойства, как и при ООС, хорошо видны из передаточных функций замкнутой системы по управлению и возмущению. Величина (1 + Крi) заменяется на (1 - Крi)
СТОПОРЕНИЕ двигателя при ПОС по току НЕДОПУСТИМО!
Используется ПОС, как простое средство стабилизации скорости, поэтому и свойства систем с ПОС рассматриваются в основном относительно скорости.
Эффект от ПОС, аналогично ООС, можно интерпретировать как изменение эквивалентного Rа* в (1 - Крi) раз относительно Rа. Нетрудно видеть, что Rа* при |Крi| < 1 уменьшается, при крi = 1 равно нулю, а при Крi > 1 становится отрицательным. Как известно, увеличение Крi до единицы соответствует увеличению жесткости электромеханической характеристики, Крi = 1 - ее абсолютной, а Крi > 1- отрицательной жесткости.
Последнее означает увеличение скорости привода с ростом нагрузки, что можно пояснить так. Введение ПОС по току в системе управления скоростью эквивалентно регулированию по возмущению. При |крi|<1 влияние возмущения на скорость компенсируется частично, при крi=1 полностью, а при крi >1 происходит перекомпенсация. Эффект обеспечивается за счет увеличения сигнала управления ШИП с увеличением нагрузки. В результате внешняя характеристика ШИП при неизменном сигнале задания становится более жесткой, абсолютно жесткой, потом приобретает отрицательный наклон, описываемый
. (8)
При Крi=1 получим |-Rп| = Rа, при перекомпенсации - |-Rп| > Rа.
Практически ПОС используется для стабилизации скорости в системе "генератор - двигатель" и в других случаях, где постоянная времени управляемого источника питания оказывается существенно больше всех остальных. Лишь такой привод сохраняет устойчивость при ПОС по току.
Для экспериментальных исследований систем с ПОС по току на лабораторном стенде следует увеличить Тп до единиц секунд.