06 марта 2016г.
Современные электроприводы (ЭП) представляют собой сложные динамические системы, обеспечивающие высокую точность и быстродействие при отработке управляющего воздействия в условиях интенсивного влияния различных помех и возмущений. Проектирование ЭП заключается в выборе структуры и параметров системы с целью обеспечения заданных требований к показателям качества процесса управления. Обеспечение высокой надежности функционирования элементов ЭП при воздействиях, имеющих эксплуатационную природу, также является важной задачей, решаемой в процессе проектирования, который можно разбить на несколько характерных этапов.
На первом этапе производится анализ системы исходных данных, устанавливается принцип управления, который должен быть реализован в управляющем устройстве ЭП, и обосновывается общая структура информационного и силового каналов. Далее производится сравнительная оценка структурных схем существующих образцов ЭП и намечаются пути улучшения показателей качества процесса управления.
На основе анализа условий применения определяется требуемая точность, требуемые динамические свойства и обосновываются эксплуатационные рабочие условия.
В результате проведенного анализа формируются показатели назначения:
параметры нагрузки (момент инерции Jн, угловая скорость Ωн и угловое ускорение εн исполнительного вала ЭП);
законы изменения и значения управляющих и возмущающих воздействий; максимально допустимая установившаяся ошибка Δαдоп;
максимально допустимое отклонение управляемой величины Δαmax;
время регулирования tр, перерегулирование σ и показатель колебательности М;
диапазоны изменения рабочих температур, давлений, влажности, максимально допустимые перегрузки,
вибрации и акустические шумы.
На втором этапе устанавливается общая структурная схема ЭП, состоящая из неизменяемой и изменяемой частей, производится выбор и расчет элементов неизменяемой части ЭП. Этап начинается с энергетического расчета ЭП, который включает:
анализ характеристик возмущающих моментов;
определение требуемого момента Мтр и типа электродвигателя;
расчет мощности и выбор электродвигателя (ЭД) по заданным значениям параметров исполнительного вала (Jн, εн);
расчет передаточного числа редуктора i; выбор типа усилителя мощности;
сопоставление требуемых и располагаемых характеристик механической части ЭП; проверку правильности выбора ЭД по перегрузочной способности и тепловому режиму; выбор типа источника питания.
После энергетического расчета переходят к выбору измерительных преобразователей (датчиков положения, датчиков скорости и т.д.) информационно-измерительной системы ЭП. Как правило, выбор рекомендуется осуществлять на основании серийно производимых элементов по каталогам и справочникам. Выбранные элементы силового и информационного каналов объединяют в неизменяемую часть ЭП. Кроме того, на втором этапе может быть принято решение о месте включения элементов (регуляторов, усилителей) изменяемой части ЭП.
Этап заканчивается построением функциональной схемы ЭП и описанием алгоритма его функционирования.
На третьем этапе осуществляется построение структурной схемы динамической модели (ССДМ) неизменяемой части ЭП и выбор его параметров по заданной точности.
Для построения ССДМ определяются передаточные функции элементов силового и информационного каналов ЭП. Полученные звенья соединяют в ССДМ и приступают к ее преобразованию с целью выбора параметров ЭП по заданной точности.
Обычно, количественная оценка установившейся ошибки определяется при совместном влиянии задающего (αз) и возмущающего (Мс) воздействий.
На основании требований к точности ЭП определяют условие
Δαдоп ≤ Δαз + Δαм.
Установившаяся ошибка по каналу управления Δαз и моментная составляющая ошибки Δαм рассчитываются с помощью теоремы о предельном значении по ССДМ. Для обеспечения заданной точности определяют коэффициент передачи изменяемой части (усилителя, регулятора) ЭП.
При расчете следящих позиционных ЭП обычно задаются постоянная угловая скорость Ω0 и постоянное угловое ускорение ε0.
Если контур положения содержит одно интегрирующее звено, то без ошибки будет отрабатываться постоянное входное воздействие
αз = α0 = const.
Если в контуре положения применен ПИ-регулятор, то без ошибки будет отрабатываться линейно- изменяющееся входное воздействие
αз = Ω0t, Ω0 = const.
Повышение порядка астатизма ν системы приводит к уменьшению запасов устойчивости по фазе θз и амплитуде Lз, к увеличению показателя колебательности М, что, в свою очередь, ухудшает демпфирующие свойства ЭП. Поэтому при проектировании следящих ЭП является эффективным применение комбинированных методов регулирования за счет введения в структуру неизменяемой части ЭП дополнительных цепей компенсации.
На четвертом этапе рассчитываются динамические характеристики ЭП.
Четвертый этап начинается с определения передаточных функций нескорректированного ЭП и построения его ЛЧХ, по которым анализируется устойчивость и соответствие показателей качества переходного процесса (tр, σ) требуемым значениям.
Для ЭП, имеющих сложную многосвязную структуру определение передаточных функций может быть выделено в отдельную задачу, которая предполагает применение моделирующих программ. В процессе решения этой задачи по ССДМ составляют уравнения в векторно-матричной форме, рассчитывают матричную передаточную функцию, элементы которой устанавливают связь между входами воздействиями и управляемым величинами, строят ЛЧХ нескорректированной системы и по ним анализируют устойчивость и качество процесса управления.
Если требования, предъявляемые к ЭП по устойчивости и показателям качества, не удовлетворяют заданным, переходят к построению желаемых ЛЧХ (ЖЛЧХ). Отметим, что при разработке ЭП, состоящего из минимально-фазовых динамических звеньев, не требуется построения логарифмических фазочастотных характеристик, а достаточно рассмотреть логарифмическую амплитудно-частотную характеристику (ЛАЧХ).
Желаемая ЛАЧХ (ЖЛАЧХ) условно разделяется на три участка. Низкочастотный участок определяет точность ЭП в установившемся режиме.
Для следящих ЭП наклон первого участка составляет –20 дБ/дек (ν = 1) или –40дБ/дек (ν=2). Среднечастотный участок определяет запасы устойчивости (θз , Lз) и, следовательно, показатели качества переходного процесса (tр, σ). Высокочастотный участок ЖЛАЧХ незначительно влияет на динамические свойства. Для улучшения фильтрующих свойств ЭП и уменьшения требуемой мощности электродвигателя лучше обеспечить больший наклон асимптот высокочастотного участка ЖЛАЧХ. Наклон низкочастотного участка ЖЛАЧХ определяется структурой неизменяемой части системы, а его расположение зависит от коэффициента передачи К разомкнутого ЭП.
Среднечастотный участок ЖЛАЧХ должен иметь наклон –20 дБ/дек. Для расчета частоты среза ωс применяют обобщенные номограммы Солодовникова [1]. Исходя из требований к перерегулированию σ и быстродействию tр, находят частоту среза
где коэффициенты k определяются по номограммам.
Протяженность среднечастотного участка Lс(ω) ЖЛАЧХ, при заданном показателе колебательности М, ограничивается интервалом
После построения ЖЛАЧХ и ЛАЧХ нескорректированного ЭП графически определяют ЛАЧХ корректирующего устройства (КУ).
При выборе схемы могут быть применены активные и пассивные четырехполюсники. Пассивные КУ уменьшают коэффициент передачи разомкнутого ЭП, поэтому после выбора такого КУ необходимо увеличить коэффициент усиления усилителя в соответствии с требованиями к допустимой ошибке Δαдоп.
Если для коррекции контуров ЭП применены стандартные настройки [2], то структура и параметры регуляторов определяются аналитически. По результатам синтеза регуляторов производится моделирование контура с целью сопоставления его динамических характеристик со стандартными характеристиками настроенного контура.
На пятом этапе производят моделирование структурной схемы динамической модели скорректированного ЭП с применением моделирующих программ. По построенным ЛЧХ определяются запасы устойчивости по фазе и амплитуде. По переходной характеристике рассчитываются показатели качества переходного процесса.
Если результаты моделирования соответствуют условиям технического задания, то процесс проектирования заканчивается.
Список литературы
1. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования. -М.: Машиностроение, 1989.
2. Рудаков В.В., Мартикайнен Р.П., Оранский Г.В. и др. Системы непрерывного управления электроприводами. – Л.: Изд-во «Наука», Ленингр. отд., 1968.