Обобщенная функциональная схема СУ ЭП

Функциональная схема (функциональная структура) СУ ЭП, как и любой САУ, отражает признаки ее функционально-структурной организации и определяет взаимосвязь, соподчиненность ее функциональных элементов.

Следует отметить, что понятие «СУ ЭП» в технической литературе трактуется неоднозначно. Ряд авторов склонен рассматривать СУ ЭП лишь как совокупность регуляторов, корректирующих устройств, фильтров и др. элементов, образующих собственно устройство управления ЭП, т.е. в достаточно узком аспекте. Подавляющее большинство исследователей рассматривает СУ ЭП, как совокупность и устройства управления, и силового преобразователя, и электродвигателя, и исполнительного механизма. Такой подход наиболее полно отвечает структурным принципам построения САУ, включающей как управляющую, так и управляемую подсистемы. При этом в структуре САУ выделяют два основных структурных модуля: объект управления и устройство управления (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Обобщенная функциональная схема системы управления

Объект управления (ОУ) представляет собой какой-либо технологический процесс или промышленную установку. В СУ ЭП исполнительные механизмы ОУ приводятся в движение электроприводами.

В качестве устройств оценивания состояния ОУ и возмущения внешней среды могут выступать устройства непосредственного измерения координат ОУ и внешней среды (датчики координат), либо устройства косвенного измерения или вычисления значений координат (наблюдающие устройства).

Устройство управления (УУ) представляет собой совокупность регуляторов, фильтров, корректирующих устройств, обеспечивающих требуемые статические и динамические характеристики СУ ЭП.

В зависимости от соподчиненности подсистем контроля и управления различают следующие функциональные структуры СУ ЭП:

- локальные (одноуровневые) и иерархические (многоуровневые) СУ ЭП;

- централизованные (объединяющие и координирующие работу нескольких локальных) СУ ЭП и децентрализованные (распределенные) СУ ЭП.

Взаимосвязь и соподчиненность различных функциональных структур СУ ЭП определяется топологией и иерархией системы. Ниже рассмотрена обобщенная функциональная структура простейшей одноуровневой локальной СУ ЭП.

Необходимо отметить, что электромеханические САУ, обладая массой преимуществ в сравнении с гидромеханическими и пневмомеханическими системами, нашли наибольшее применение в современных системах автоматизации. Более того, свыше 60% потребляемой промышленными предприятиями электроэнергии приходится на силовые электромеханические приводы (электроприводы) производственных установок. Обобщенная функциональная схема локальной электромеханической САУ (ЭМСУ) приведена на рис. 2.2.

СУ ЭП, как и любая САУ, содержит две основные подсистемы: объект управления (ОУ) и устройство управления (УУ).

Рис. 2.2. Обобщенная функциональная схема

локальной электромеханической системы управления

На схеме используются следующие обозначения:

УЗ – устройство задания. Формирует задающее, как правило программно-временное, воздействие X _Зизменения выходной координаты ОУ.

УР – устройство регулирования или собственно устройство управления, состоящее из регуляторов, корректирующих звеньев, фильтров, преобразователей координат и т. п. Формирует управляющие воздействия U _У, обеспечивая оптимальные динамические и статические характеристики системы в соответствие с заданным критерием качества управления.

СПЭ – силовые преобразователи энергии (электромашинные, тиристорные, транзисторные и т. п.). Преобразуют электрическую энергию питающей сети в энергию управления электродвигателем, формируя вектор выходных сигналов E _п (для ДПТ - регулируемые напряжения и токи цепей якоря и возбуждения, для АД с короткозамкнутым ротором – регулируемые напряжение или токи и частота питающей сети статора, для СД – регулируемые напряжение статора и ток возбуждения).

ЭД – электродвигатель постоянного или переменного тока. Обеспечивает преобразование подводимой электрической энергии в механическую энергию. X – вектор координат состояния (вектор переменных) электродвигателя (напряжения, токи, частота питающей сети, скорость вращения или угловое положение вала);

ПМ – передаточный механизм (редуктор, ременная, цепная передача и др.). Передает энергию вращения электродвигателя в энергию вращения или поступательного движения исполнительного механизма (ИМ) рабочего органа (РО) ОУ. X¢ - выходная координата передаточного механизма электромеханической СУ ЭП (линейная или угловая скорость или линейное или угловое положение ИМ).

ИО - исполнительный орган ОУ.

Исполнительным механизмом ОУ может быть механизм суппорта токарного станка, шток или штурвал привода задвижки нефте- или газопровода, центробежный механизм насоса и др. В этом случае суппорт станка, задвижка, центробежный насос представляют собой рабочие органы (РО) ОУ. Совокупность ИМ и РО на функциональных схемах СУ ЭП часто обозначают как ИО (см. рис. 2.2).

Y - выходная технологическая координата ОУ (давление газа или жидкости в магистрали, расход газа или жидкости, натяжение нити или полотна, уровень нефти в резервуаре и др.). В чисто электромеханических системах управления (ЭМСУ) выходной координатой являются скорость или положение ИО (ЭМСУ металлорежущих станков, промышленных роботов-манипуляторов, электрического транспорта и др.).

УИ_с – устройство измерения координат состояния СУ ЭП, представляющее собой совокупность датчиков координат состояния ОУ (измеряют напряжения, токи, частоту силового питающего напряжения, скорость вращения вала двигателя и ИМ и др.), а также датчика выходной переменной ОУ. Формирует вектор X _с сигналов обратных связей по состоянию ОУ.

УИ_в – устройство измерения контролируемых возмущающих воздействий СУ ЭП (датчики координат возмущения ОУ). Формирует вектор X _в сигналов обратных связей по возмущению системы управления.

Все возмущения, действующие на СУ ЭП, подразделяются на 3 вида:

- аддитивные – приходят из внешней по отношению к ОУ среды, суммируясь с полезными сигналами (координатами) ОУ; к ним относятся отклонения напряжения и частоты питающей среды от номинальных значений, изменения климатических факторов, изменения нагрузки на валу ЭП и т. п. (см. вектор возмущения F на рис. 2.1, 2.2);

- мультипликативные – возникают внутри или вне системы, умножаясь на координаты ОУ (обусловлены естественными или искусственными перекрестными связями ОУ и внешней среды);

- параметрические – обусловлены временным или температурным дрейфом параметров ОУ; например, изменением величин активных сопротивлений обмоток двигателя при их нагреве, изменением приведенного к валу двигателя момента инерции ЭП при изменении параметров кинематической схемы ИО (изменением массогабаритных параметров ИО, например, при обработке заготовки в токарном станке, изменении груза лифта или транспортного механизма).

При синтезе СУ ЭП, как правило, пренебрегают влиянием внешних возмущений, а при анализе учитывают лишь существенные возмущения, действующие на ОУ. Оценка влияния вариаций параметров объекта управления на показатели качества управления – предмет анализа так называемой чувствительности СУ ЭП к параметрическим возмущениям.

Основные функциональные элементы СУ ЭП (элементную базу) можно разбить на несколько групп:

1) задающие элементы, позволяющие установить заданное значение выходной переменной ОУ (источники эталонного напряжения или тока, потенциометры, сельсины и др.); они могут содержать блоки памяти (от уставок реле и напряжений до устройств хранения программ и данных, записанных на магнитных и электронных носителях информации); задающие воздействия на рис. 2.2 обозначены переменной X_з;

2) чувствительные элементы, обеспечивающие непосредственное измерение переменных ОУ (датчики координат состояния ОУ);

3) усилительные элементы, служащие для усиления сигналов чувствительных элементов (транзисторные усилители, масштабирующие операционные усилители и др.); выходные сигналы усилительных элементов на рис. 2.2 обозначены переменной X_с;

4) исполнительные элементы, предназначенные для приведения в движение исполнительных механизмов ОУ (электрические двигатели постоянного или переменного тока);

5) преобразовательные элементы, обеспечивающие преобразование входного сигнала (энергии) одного вида или уровня в другой; различают силовые преобразовательные элементы (электромашинные и полупроводниковые преобразователи постоянного тока для питания обмоток якоря и возбуждения двигателя постоянного тока, частотные преобразователи для питания статора асинхронного двигателя, тиристорные возбудители для питания обмотки возбуждения синхронного двигателя) и преобразователи сигналов информационных каналов СУ ЭП (преобразователи частота-напряжение, частота-код, напряжение-ток и др.);

6) корректирующие элементы, обеспечивающие изменение статических и динамических свойств СУ ЭП (фильтрующие элементы, дифференцирующие и интегрирующие звенья в прямом или обратном канале регулирования, параметрические регуляторы).

7) блоки связи микропроцессорных средств управления (МСУ) с объектом управления (модули ввода/вывода информации) и иными периферийными устройствами, в частности сетевые аппаратные средства.

Наиважнейшей задачей проектирования СУ ЭП является синтез оптимального устройства управления, т.е. определение структуры и параметров УУ, обеспечивающих достижение цели управления. При этом целью управления задаются в виде какого-либо формального критерия качества управления, например критерия максимального быстродействия отработки задающих и возмущающих воздействий, критерия минимальной интегральной ошибки регулирования и др.