Назначение регуляторов состоит в том, чтобы устанавливать и поддерживать на заданном уровне (задающий параметр) определенную физическую величину X (регулируемую величину). Для этого регулятор должен определенным образом противодействовать воздействию возмущений.
Принципиальная блок-схема простого контура регулирования представлена на рис. 26.1. Регулятор влияет на регулируемую величину X с помощью регулирующего воздействия так, чтобы рассогласование регулирования было возможно меньшим. Воздействующее на объект регулирования возмущение формально можно представить величиной помехи аддитивно накладывающейся на задающий параметр. Ниже мы будем исходить из предположения, что регулируемая величина является электрическим напряжением и что объект настраивается электрическим способом. Поэтому можно использовать электронный регулятор.
Простейшим примером такого регулятора служит усилитель, на вход которого подается отклонение регулируемой величины Если регулируемая величина X превышает заданное значение разность становился отрицательной. Благодаря этому регулирующее воздействие У уменьшается в соответственно увеличенном масштабе Это уменьшение компенсирует разность . В установившемся состоянии остаточное рассогласование тем меньше, чем выше коэффициент усиления регулятора. Для линейной системы, представленной на рис. 26.1, справедливы соотношения
Рис. 26.1. Блок-схема контура регулирования.
Отсюда получаем выражение для определения регулируемой величины
Понятно, что способность системы следовать за изменением задающего параметра тем ближе к 1, чем выше коэффициент усиления цепи обратной связи:
Переходная характеристика при возмущении тем ближе к нулю, чем больше коэффициент усиления регулятора. Однако при этом следует учитывать то обстоятельство, что коэффициент усиления цепи обратной связи нельзя сделать сколь угодно большим, так как тогда неизбежный сдвиг фазы в контуре регулирования приведет к возникновению колебаний. С подобной проблемой мы уже встречались при рассмотрении вопросов коррекции частотной характеристики операционных усилителей. Задача регулирования заключается в том, чтобы, несмотря на указанные ограничения, обеспечить возможно меньшее рассогласование регулирования и хорошую переходную характеристику. С этой целью к линейному усилителю добавляют интегратор и дифференциатор и получают таким образом вместо пропорционального регулятора -регуля-тора) ПИ- или ПИД-регулятор. Реализации такого регулятора с помощью электронных схем посвящены следующие разделы.
Регулятор выполняет вычисление рассогласования и его преобразование в управляющее воздействие в соответствии с определенной математической операцией. ВСАУ используются в основном следующие типы регуляторов: пропорциональный (П), интегральный (И), пропорционально-интегральный (ПИ), пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД). В зависимости от вида преобразуемых сигналов различают аналоговые и цифровые регуляторы. Аналоговые регуляторы (АР) реализуются на основе операционных усилителей, цифровые - на основе специализированных вычислительных устройств или микропроцессоров. Аналоговые регуляторы преобразуют только аналоговые сигналы, являющиеся непрерывными функциями времени. При прохождении через АР преобразуется каждое мгновенное значение непрерывного сигнала.
Для реализации АР операционный усилитель (ОУ) включается по схеме суммирующего усилителя с отрицательной обратной связью. Тип регулятора и его передаточная функция определяются схемой включения резисторов и конденсаторов в цепях на входе и в обратной связи ОУ.
При анализе регуляторов воспользуемся двумя основными допущениями, которые с высокой степенью точности выполняются для ОУ с отрицательной обратной связью в линейном режиме работы:
Дифференциальное входное напряжение U вх ОУ равно нулю;
Инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ тока не потребляют, т.е. входные токи (рис. 2.2). Так как неинвертирующий вход подключен к шине «нуль», то, согласно первому допущению, потенциал φ а инвертирующего входа также равен нулю.
Рис. 2.2. Функциональная схема пропорционального регулятора
Перейдя к приращению переменных в уравнении (2.1) и использовав преобразование Лапласа, получим передаточную функцию П-регулятора:
где - коэффициент пропорционального усиления.
Таким образом, в П-регуляторе осуществляется пропорциональноеусиление (умножение на постоянную )сигнала рассогласования u рас.
Коэффициент может быть как больше, так и меньше единицы. На рис. 2.3 представлена зависимость u у = f(t) П-регулятора при изменении сигнала рассогласования u рас.
Интегральный регулятор (И-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ конденсатора С ОУ (рис. 2.4). Передаточная функция И-регулятора
где - постоянная интегрирования, с.
Рис. 2.4. Функциональная схема интегрального регулятора
В И-регуляторе осуществляется интегрирование сигнала рассогласования u рас.
Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) реализуется включением в обратную связь резистора R оу и конденсатора С ОУ (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Функциональная схема ПИ-регулятора
Передаточная функция ПИ-регулятора
является суммой передаточных функций пропорционального и интегрального регуляторов. Так как ПИ-регулятор обладает свойствами П- и И-регуляторов, то он осуществляет одновременно пропорциональное усиление и интегрирование сигнала рассогласования u рас.
Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор) реализуется в простейшем случае включением в ПИ-регуляторе параллельно резисторам R 3 и R OC конденсаторов С 3 и С ОС (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Функциональная схема ПИД-регулятора
Передаточная функция ПИД-регулятора
где – коэффициент пропорционального усиления ПИД-регулятора; - постоянная дифференцирования; - постоянная интегрирования; ; .
Передаточная функция ПИД-регулятора является суммой передаточных функций пропорционального, интегрального и дифференциального регуляторов. ПИД-регулятор осуществляет одновременно пропорциональное усиление, дифференцирование и интегрирование сигнала рассогласования u рас.
17 Вопрос Датчики координат АЭП.
Структурная схема датчика. В АЭП (автоматизированный электропривод) для получения сигналов обратной связи по управляемым координатам используются датчики.Датчик представляет собой устройство, информирующее о состоянии управляемой координаты АЭП путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрический сигнал.
Управляемыми в АЭП являются электрические и механические координаты: ток, напряжение, ЭДС, момент, скорость, перемещение и т.д. Для их измерения используют соответствующие датчики.
Датчик координат АЭП структурно может быть представлен в виде последовательного соединения измерительного преобразователя (ИП) и согласующего устройства (СУ) (рис. 2.9). Измерительный преобразователь преобразует координату х в электрический сигнал напряжения и (или тока i ), пропорциональный х. Согласующее устройство осуществляет преобразование выходного сигнала и ИП в сигнал обратной связи u ОС , который по величине и форме удовлетворяет САУ.
Рис. 2.9. Структурная схема датчика координат АЭП
Датчики тока. Датчики тока (ДТ) предназначены для получения информации о силе и направлении тока двигателя. К ним предъявляют следующие требования:
Линейность характеристики управления в диапазоне от 0,1I ном до 5 I ном не менее 0,9;
Наличие гальванической развязки силовой цепи и системы управления;
Высокое быстродействие.
В качестве измерительных преобразователей в ДТ используются трансформаторы тока, дополнительные (компенсационные) обмотки сглаживающих дросселей, элементы Холла, шунты.
Широкое распространение для измерения тока двигателей получили датчики тока на основе шунтов. Шунт представляет собой четырехзажимный резистор с чисто активным сопротивлением R ш (безындуктивный шунт), к токовым зажимам которого подключается силовая цепь, а к потенциальным - измерительная.
По закону Ома падение напряжения на активном сопротивлении и=R ш i.
Для ослабления влияния шунта на прохождение тока в цепи двигателя его сопротивление должно быть минимальным. Номинальное падение напряжения на шунте составляет обычно 75 мВ, поэтому его необходимо усилить до требуемых значений (3,0...3,5 В). Так как шунт имеет потенциальную связь с силовой цепью, датчик тока должен содержать устройство гальванической развязки. В качестве таких устройств применяются трансформаторные и оптоэлектронные устройства. Структурная схема датчика тока на основе шунта приведена на рис. 2.13.
Рис. 2.13. Структурная схема датчика тока на основе шунта
В настоящее время все большее распространение получают датчики тока на основе элементов Холла, которые выполняются из полупроводникового материала в виде тонкой пластинки или пленки (рис. 2.14). При прохождении электрического тока I Х по пластинке, расположенной перпендикулярно к магнитному полю с индукцией В, в пластинке наводится ЭДС Холла e Х:
где - коэффициент, зависящий от свойств материала и размеров пластинки.
Датчики напряжения. В качестве измерительного преобразователя напряжения в электроприводе используются резистивные делители напряжения (рис. 2.16).
Рис. 2.16. Функциональная схема датчика напряжения
Выходное напряжение делителя.
Датчики ЭДС. При невысоких требованиях к диапазону регулированияскорости (до 50) в качестве главной обратной связи в электроприводе применяется обратная связь по ЭДС.
Рис. 2.17. Функциональная схема датчика ЭДС якоря
Датчики скорости. Для получения электрического сигнала, пропорционального угловой скорости ротора двигателя, используются тахогенераторы и импульсные датчики скорости. Тахогенераторы применяются в аналоговых САУ, импульсные - в цифровых.
К датчикам скорости предъявляются жесткие требования по линейности характеристики управления, стабильности выходного напряжения и уровню его пульсаций, так как они определяют статические и динамические параметры привода в целом.
Широкое распространение в электроприводе получили тахогенераторы постоянного тока с постоянными магнитами. Для уменьшения уровня оборотных пульсаций тахогенераторы встраиваются в электродвигатель.
В импульсных датчиках скорости в качестве первичного измерительного преобразователя используются импульсные преобразователи перемещения, у которых количество импульсов пропорционально углу поворота вала.
Датчики положения. В настоящее время в электроприводе для измерения пермещения подвижных частей машин и механизмов применяются индукционные и фотоэлектронные преобразователи.
К индукционным относятся вращающиеся трансформаторы, сельсины и индуктосины. Индуктосины могут быть круговыми и линейными.
Вращающимися трансформаторами (ВТ) называются электрические микромашины переменного тока, преобразующие угол поворота α в синусоидальное напряжение, пропорциональное этому углу. В системе автоматического регулирования вращающиеся трансформаторы используются в качестве измерителей рассогласования, фиксирующих отклонение системы от некоторого заданного положения.
Вращающийся трансформатор имеет на статоре и роторе по две одинаковые однофазные распределенные обмотки, сдвинутые между собой на 90°. Напряжение с обмотки ротора снимается с помощью контактных колец и щеток или с помощью кольцевых трансформаторов.
Принцип действия ВТ в синусном режиме основан на зависимости напряжения, наведенного в обмотке ротора пульсирующим магнитным потоком статора, от углового положения осей обмоток статора и ротора.
Сельсин представляет собой электрическую микромашину переменного тока, имеющую две обмотки: возбуждения и синхронизации. В зависимости от числа фаз обмотки возбуждения различают одно- и трехфазные сельсины. Обмотка синхронизации всегда трехфазная. В САУ широкое распространение получили бесконтактные сельсины с кольцевым трансформатором.
Обмотка синхронизации бесконтактного сельсина с кольцевым трансформатором размещается в пазах статора, обмотка возбуждения - в пазах или на явно выраженных полюсах ротора сельсина. Особенность кольцевого трансформатора состоит в том, что его первичная обмотка располагается на статоре, а вторичная - на роторе. Обмотки имеют вид колец, размещенных в магнитной системе, состоящей из кольцевых магнитопроводов статора и ротора, которые на роторе соединяются внутренним магнитопроводом, а на статоре - внешним. В САУ сельсины используются в амплитудном и фазовращательном режимах.
Схема включения обмоток сельсина в амплитудном режиме представлена на рис. 2.19. Входной координатой сельсина в этом режиме является угол поворота ротора τ. За начало отсчета принята осевая линия обмотки фазы А.
Рис. 2.19. Функциональная схема включения обмоток сельсина в амплитудном режиме
Схема включения обмоток сельсина в фазовращательном режиме представлена на рис. 2,20. Входной координатой сельсина в этом режиме является угол поворота τ, а выходной - фаза φ выходной ЭДС е вых по отношению к переменному питающему напряжению.
Рис. 2.20. Функциональная схема включения обмоток сельсина в фазовращательном режиме
18 Вопрос Системы импульсно-фазового управления. Принципы управления тиристорами.
В выпрямителях в качестве управляемых ключей используются тиристоры. Для открывания тиристора необходимо выполнение двух условий:
Потенциал анода должен превышать потенциал катода;
На управляющий электрод необходимо подать открывающий (управляющий) импульс.
Момент появления положительного напряжения между анодом и катодом тиристора называется моментом естественного открывания. Подача открывающего импульса может быть задержана относительно момента естественного открывания на угол открывания. Вследствие этого задерживается начало прохождения тока через вступающий в работу тиристор и регулируется напряжение выпрямителя.
Для управления тиристорами выпрямителя используется система импульсно-фазового управления (СИФУ), выполняющая следующие функции:
Определение моментов времени, в которые должны открываться те или иные конкретные тиристоры; эти моменты времени задаются сигналом управления, который поступает с выхода САУ на вход СИФУ;
Формирование открывающих импульсов, передаваемых I в нужные моменты времени на управляющие электроды тиристоров и имеющих требуемые амплитуду, мощность и длительность.
По способу получения сдвига открывающих импульсов относительно точки естественного открывания различают горизонтальный, вертикальный и интегрирующий принципы управления.
При горизонтальном управлении (рис. 2.28) управляющее переменное синусоидальное напряжение u y сдвигается по фазе (по горизонтали) по отношению к напряжению u 1 , питающему выпрямитель. В момент времени ωt=α из управляющего напряжения формируются прямоугольные отпирающие импульсы U gt . Горизонтальное управление в электроприводах практически не применяется, что обусловлено ограниченным диапазоном регулирования угла α (около 120°).
При вертикальном управлении (рис. 2.29) момент подачи открывающихся импульсов определяется при равенстве управляющего напряжения u y (постоянного по форме) с переменным опорным напряжением (по вертикали). В момент равенства напряжений формируются прямоугольные импульсы U gt .
При интегрирующем управлении (рис. 2.30) момент подачи открывающих импульсов определяется при равенстве переменного управляющего напряжения и у с постоянным опорным напряжением U o п.В момент равенства напряжений формируются прямоугольные импульсы U gt .
Рис. 2.28. Горизонтальный принцип управления
Рис. 2.29. Вертикальный принцип управления
Рис. 2.30. Интегрирующий принцип управления
По способу отсчета угла открывания а СИФУ делят на многоканальные и одноканальные. В многоканальных СИФУ отсчет угла а для каждого тиристора выпрямителя производится в собственном канале, в одноканальных - в одном канале для всех тиристоров. В промышленном электроприводе преимущественное применение получили многоканальные СИФУ с вертикальным принципом управления.
Основные типы регуляторов, применяемых в системах управления электроприводами исполнительных механизмов буровых установок
Аналоговые регуляторы в системах подчиненного управления электроприводами строятся на основе операционных усилителей (ОУ) - усилителей постоянного тока с высоким входным и очень низким выходным сопротивлениями. Технология интегральных микросхем позволяет в настоящее время изготавливать высококачественные и недорогие ОУ. В некоторой части своего рабочего диапазона ОУ ведет себя как линейный усилитель напряжения с очень большим коэффициентом усиления (10 5 - 10 6). Если в схеме ОУ не предусмотрена отрицательная обратная связь с выхода на вход, то из-за высокого коэффициента усиления, он обязательно попадает в режим насыщения. Поэтому схемы регулятора на базе ОУ содержат отрицательную обратную связь.
Операционный усилитель получил свое название благодаря тому, что с его помощью могут выполняться различные математические операции, такие как умножение, суммирование, интегрирование и дифференцирование. Типовые регуляторы строятся на базе инвертирующего усилителя, причем входные и выходные цепи, кроме сопротивлений, могут содержать емкости.
Поскольку коэффициент усиления ОУ велик (Ку
= = 10 5 +10 6), а выходное напряжение Увых ограничено напряжением питания Цп,
то потенциал точки А
(рис. 1, а) срА = = ивых/Ку близок к нулю, т.е. точка А
выполняет функцию кажущейся земли (заземлять точку А
нельзя, иначе схема станет неработоспособной).
Рис. 1. Структура аналогового регулятора, выполненного на операционном усилителе (а). Схема пропорционального регулятора с управляемым ограничением выходного сигнала (б). Характеристика вход-выход регулятора с управляемым ограничением выходного сигнала (в)
Схемы, передаточные функции и переходные функции регуляторов различных типов приведены в табл.
Схемы и динамические характеристики различных типов регуляторов
Для получения пропорционального регулятора (П-регулятора) на вход и в цепь обратной связи ОУ включают резисторы; интегрального регулятора (И-регулятора) во входную цепь включает резистор, а в цепь обратной связи - конденсатор; ПИ-регулятора во входную цепь-резистор, а в цепь обратной связи - последовательно соединенные резистор и конденсатор. ПИД-регулятор может быть выполнен на одном усилителе с помощью активно-емкостных цепей на входе и в цепи обратной связи.
Промышленностью выпускаются различные типы операционных усилителей на интегральных микросхемах (ИМС) - как круглой, так и прямоугольной формы. Наибольшее распространение для построения регуляторов получили ОУ типов К140УД7, К553УД2, К157УД2 и др.
Уменьшить размеры и повысить надежность устройств аналоговых систем управления электроприводами можно при внедрении гибридной технологии для их изготовления. При изготовлении гибридных интегральных схем (ГИС) активные элементы (ОУ) устанавливаются на печатной плате в твердотельном (бескорпусном) исполнении, а конденсаторы и резисторы - методом пленочной технологии (напылением пленок из проводящих, полупроводящих и непроводящих материалов). Полученный модуль может быть залит компаундом или помещен в корпус.
Ограничение координат электропривода (тока, скорости и др.) осуществляется включением в структуру регулятора внешнего контура регулирования узлов ограничения. Последние могут быть управляемыми и неуправляемыми. На рис., 6
приведена схема ограничения выходного напряжения пропорционального регулятора с отсекающими диодами VD1, VD2 и управляемым опорным напряжением Уоп. Схема позволяет получить несимметричную относительно начала координат характеристику вход-выход с различным уровнем ограничиваемого выходного напряжения (рис.) Возможны и другие варианты схем управляемого ограничения выходного напряжения ОУ с использованием транзисторов.
До последнего времени в автоматизированном электроприводе исполнительных механизмов отечественных буровых установок основное применение получили средства аналоговой вычислительной техники. За последние годы рядом проектных и научно-исследовательских организаций ведутся работы по созданию микропроцессорных систем управления. По сравнению с аналоговыми системами микропроцессорные системы обладают рядом преимуществ. Отметим некоторые из них.
Гибкость.
Возможность путем перепрограммирования изменения не только параметров системы управления, но и алгоритмов и даже структуры. При этом аппаратная часть системы остается неизменной. В аналоговых системах потребовалась бы перекомпоновка аппаратной части. Программное обеспечение микроЭВМ можно легко корректировать как в предпусковой период, так и в процессе их эксплуатации. Благодаря этому снижаются затраты и сроки проведения наладочных работ и изменяется их характер, поскольку необходимые эксперименты по определению характеристик и параметров, а также настройка регуляторов могут быть произведены автоматически самой микроЭВМ по заранее подготовленной программе.
Снятие всех ограничений
на структуру управляющего устройства и законы управления. При этом показатели качества цифровых систем могут значительно превышать показатели качества управления непрерывных систем управления. Путем введения соответствующих программ могут быть реализованы сложные законы управления (оптимизация, адаптация, прогнозирование и др.), в том числе и такие, которые весьма сложно осуществить с помощью аналоговых средств. Появляется возможность решения интеллектуальных задач, обеспечивающих правильность и эффективность ведения технологических процессов. На основе микроЭВМ могут быть построены системы любых типов, включая системы с подчиненным управлением, многомерные системы с перекрестными связями и др.
Самодиагностика и самотестирование
цифровых управляющих устройств. Возможность проверки исправности механических узлов привода, силовых преобразователей, датчиков и другого оборудования во время технологических пауз, т.е. автоматическая диагностика состояния оборудования и раннее предупреждение аварий. Эти возможности дополняются развитыми средствами борьбы с помехами. Главное здесь - замена аналоговых линий передачи информации цифровыми, содержащими гальванические развязки, волоконно-оптические каналы, помехоустойчивые интегральные микросхемы в качестве усилителей и коммутаторов.
Более высокая точность
вследствие отсутствия дрейфа нуля, характерного для аналоговых устройств. Так, цифровые системы регулирования скорости электропривода могут обеспечить повышение точности регулирования на два порядка по сравнению с аналоговыми.
Простота визуализации
параметров процесса управления путем применения цифровых индикаторов, индикаторных панелей и дисплеев, организации диалогового режима обмена информацией с оператором.
Большая надежность, меньшие габариты, масса и стоимость.
Высокая надежность микроЭВМ по сравнению с аналоговой техникой обеспечивается применением больших интегральных микросхем (БИС), наличием специальных систем защиты памяти, помехозащищенности и другими средствами. Благодаря высокому уровню технологии производства БИС снижаются затраты на изготовление систем управления электроприводами. Эти преимущества особо проявляются при использовании одноплатных и однокристальных ЭВМ.
Достоинства ШИМ-регуляторов с применением операционных усилителей так это то что можно применять практически любой ОУ (в типовой схеме включения, конечно).
Уровень выходного эффективного напряжения регулируется путём изменения уровня напряжения на неинвертирующем входе ОУ, что позволяет использовать схему как составную часть различных регуляторов напряжения и тока, а также схем с плавным зажиганием и гашением ламп накаливания.
Схема
легка в повторении, не содержит редких элементов и при исправных элементах начинает работать сразу, без настройки. Силовой полевой транзистор подбирается по току нагрузки, но для уменьшения тепловой рассеиваемой мощности желательно использовать транзисторы, рассчитанные на большой ток, т.к. у них наименьшее сопротивление в открытом состоянии.
Площадь радиатора для полевого транзистора полностью определяется выбором его типа и током нагрузки. Если схема будет использоваться для регулирования напряжения в бортовых сетях + 24В, для предотвращения пробоя затвора полевого транзистора, между коллектором транзистора
VT1
и
затвором
VT2
следует включить резистор сопротивлением 1 К, а резистор
R6
зашунтировать любым подходящим стабилитроном на 15 В, остальные элементы схемы не изменяются.
Во всех ранее рассмотренных схемах в качестве силового полевого транзистора используются n - канальные транзисторы, как наиболее распространённые и имеющие наилучшие характеристики.
Если требуется регулировать напряжение на нагрузке, один из выводов которой подключен к "массе" , то используются схемы, в которых n - канальный полевой транзистор подключается стоком к + источника питания, а в цепи истока включается нагрузка.
Для обеспечения возможности полного открытия полевого транзистора схема управления должна содержать узел повышения напряжения в цепях управления затвором до 27 - 30 В, как это сделано в специализированных микросхемах U 6 080B ... U6084B , L9610, L9611 , тогда между затвором и истоком будет напряжение не менее 15 В. Если ток нагрузки не превышает 10А, можно использовать силовые полевые p - канальные транзисторы, ассортимент которых гораздо уже из - за технологических причин. В схеме изменяется и тип транзистора VT1 , а регулировочная характеристика R7 меняется на обратную. Если у первой схемы увеличение напряжения управления (движок переменного резистора перемещается к " +" источника питания) вызывает уменьшение выходного напряжения на нагрузке, то у второй схемы эта зависимость обратная. Если от конкретной схемы требуется инверсная от исходной зависимость выходного напряжения от входного, то в схемах необходимо поменять структуру транзисторов VT1 , т.е транзистор VT1 в первой схеме необходимо подключить как VT1 у второй схемы и наоборот.
