Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Особенности,характеристики и требования к системам широкорегулируемых электроприводов постоянного тока для механизмов подач 15
1.1. Требования к системам электроприводов подач 15
1.2. Основные характеристики и особенности широ-корегулируемых электроприводов постоянного тока механизмов подач 18
1.2.1. Системы электропривода с реверсивными вен -тильными преобразователями с совместным управлением 18
1.2.2. Системы электропривода с реверсивными вентильными преобразователями с раздельным управлением 22
1.2.3. Системы электропривода с широтно-импульсны-ми преобразователями 38
1.3. Анализ структур широкорегулируемого вентильного электропривода постоянного тока 40
1.4. Выводы по первой главе 56
ГЛАВА 2. Разработка методов и алгоритмов управления, повышающих динамическую и статическую точ -ность широкорегулируемых быстродействующих электроприводов постоянного тока 58
2.1. Анализ возможностей улучшения динамических свойств электроприводов с подчиненным регулированием параметров 58
2.1.1. Исследование влияния алгоритмов управления обратной связью по току на динамические свойства электропривода по управляющему и возмущающему воздействию 59
2.1.2. Исследование влияния частотных свойств широ-корегулируемого электропривода с фильтрами на входе регулятора скорости 67
2.2. Исследование влияния алгоритмов управления и типа регуляторов на статическую точность широкорегулируемых электроприводов... 77
2.3. Выводы по второй главе 85
ГЛАВА 3. Синтез электропривода постоянного тока по нескольким критериям качества регулирования при детерминированных и стохастических воздействиях 86
3.1. Анализ методов синтеза вентильного электропривода постоянного тока
3.2. Разработка методики синтеза широкорегулиру-емого электропривода постоянного тока по нескольким критериям качества регулирования... 99
3.2.1. Синтез по заданным динамическим свойствам по управляющему воздействию 99
3.2.2. Синтез по заданным динамическим свойствам по возмущающему воздействию
3.2.3. Синтез по заданной динамической точности при действии стохастических возмущений в электроприводе 117
3.2.4. Синтез по заданной полосе пропускания частот электропривода с нелинейными фильтрами на входе регулятора скорости 122
3.2.5. Синтез по заданньм динамическим свойствам по возмущающему воздействию в электроприводе с алгоритмом изменения обратной связи по току 130
3.3. Выводы по третьей главе. 139
ГЛАВА 4. Влияние основных нелинейностей и переменных параметров на характеристики электропривода и улучшение их динамических свойств с использованием адаптивного управления 141
4.1. Моделирование тиристорних широкорегулируемых электроприводов постоянного тока с учетом основных нелинейностей на ЭЦВМ 141
4.2. Исследование влияния основных нелинейностей на качество переходных процессов в электроприводе
4.3. Разработка и исследование инвариантной самонастраивающейся системы регулирования скорости электропривода
4.4. Разработка и исследование электропривода с адаптивным управлением со стабилизацией частотных характеристик 191
4.5. Выводы по четвертой главе 197
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования быстродействующих широкорегулируемых электроприводов постоянного тока с улучшенными динамическими и статическими характеристиками 202
5.1.Реализация и экспериментальные исследования широкорегулируемого электропривода постоянного тока с адаптивными регуляторами 202
5.1.1. Исследование электропривода с нелинейными фильтрами на входе регулятора скорости..
5.1.2. Исследование электропривода с адаптивной системой управления контуром регулирования тока
5.1.3. Исследование широкорегулируемого электропривода с прецизионным регулятором скорости... 217
5.1.4. Реализация токовой защиты в быстродействующем широкорегулируемом электроприводе с высоко -моментным электродвигателем 222
5.1.5. Реализация адаптивной системы регулирования скорости вращения электроприводом 229
5.2. Результаты стендовых испытаний разработанного широкорегулируемого электропривода с высоко- моментными электродвигателями 235
5.3. Выводы по пятой главе 240
Заключение 242
Литература 247
- Системы электропривода с реверсивными вен -тильными преобразователями с совместным управлением
- Исследование влияния алгоритмов управления обратной связью по току на динамические свойства электропривода по управляющему и возмущающему воздействию
- Синтез по заданным динамическим свойствам по управляющему воздействию
- Моделирование тиристорних широкорегулируемых электроприводов постоянного тока с учетом основных нелинейностей на ЭЦВМ
Введение к работе
Актуальность работы. Основные направления развития народного хозяйства СССР, намеченные ХХУІ съездом КПСС, базируются на росте производительности труда, повышении эффективности произ -водства и всемерном улучшении качества продукции. Для решения этих задач необходимо использование современных автоматизированных электроприводов, обеспечивающих высокую точность отработки заданных механических движений рабочего органа. Поэтому в ди -рективах ХХУІ съезда КПСС отмечается необходимость быстрыми темпами развивать производство автоматизированных электроприводов с полупроводниковыми преобразователями, обладающих широкими воз -мощностями для создания различных систем автоматизации производственных процессов, в том числе участков гибкого автоматизиро -ванного производства.
Постоянный рост требований к электроприводам вызвали коренные качественные улучшения их статических и динамических харак -теристик, энергетических, массо-габаритных и эксплуатационных показателей. В нашей стране разработаны и выпускаются быстродействующие электроприводы постоянного тока с диапазоном регулиро -вания скорости 10000, 30000 и полосой пропускания частот до 30 -50 Гц (ЭТбС, ЭТУ3601, ПРП, ЭШИР-1). Создание этих электроприво -дов было обусловлено успехами в дальнейшей разработке теории вентильных преобразователей и теории автоматизированного электропривода, достижениями электронной и электротехнической промыш -ленности, опытом эксплуатации автоматизированных электроприводов в различных производственных установках. Разработки и исследования широкорегулируемых быстродействующих электроприводов в Со -ветском Союзе ведутся ВНИИ Электропривода (г.Москва),ВНИИ Реле-строения (г.Чебоксары), Институтом комплектного электропривода
(г.Новосибирск), ЭНИМС (г.Москва), ОКБС (г.Ленинград), Укр
НИИСИП (г.Одесса), а также Московским энергетическим, Ленин -
градским и Новосибирским электротехническим, Горьковским, Ки
евским, Томским, Харьковским, Челябинским политехническими ин
ститутами, Ленинградским институтом точной механики и оптики и
другими научно-исследовательскими и проектными организациями,
за рубежом эту работу активно ведут предприятия фирм Gene га В
SBectrtk ,ІпЄапо/ , frettus (СШ), Siemens , Bosch , ЛЄ,
Indramat (ФРГ), A Eca Ьев; СЭМ (Франция), Brown BowerL (Швейцария),
FAMUC (Япония) luCAS (Англия) и другие.
Вопросам теории и практики современных быстродействующих широкорегулируемых электроприводов постоянного тока посвящены работы советских и иностранных специалистов: В.Л.Анхимюка, А.В. Башарина, A.M.Быстрова, А.М.Корнтина, А.Д.Поздеева, В.А.Ратми-рова, О.В.Слежановского, В.П.Шипилло, Б.Ш.Бургина, Т.А.Глазен-ко, Ю.А.Борцова, Ю.А.Сабинина, А.И.Зайцева, В.И.Ключева, СВ. Демидова, В.Г.Кагана., А. ВихЗаит , X Schwarz , С. HessBer и ряд других ученых.
Однако для многих промышленных механизмов и машин, а именно, механизмов подачи металлорежущих станков с ЧПУ, меха -низмов подачи автоматических процессов, промышленных мани пу-ляторов (роботов), механизмов перемещения в кристаллиза -ционных установках необходимы быстродействующие высокоточные приводы с диапазоном регулирования скорости 50000 и выше, имеющие малые динамические и статические ошибки (особенно в нижней части диапазона регулирования скорости) и широкую полосу пропускания частот при малых амплитудах входного гар -ионического сигнала. Прецизионные электроприводы постоянно -го тока таких механизмов должны обладать стабильными динамическими характеристиками во всем диапазоне изменения скорости
вращения электродвигателя и нагрузки.
Ряд задач по созданию таких прецизионных широкорегулируе-мых быстродействующих электроприводов до настоящего времени не решен в полном объеме. Их решение затруднено наличием нелиней-ностей, нестабильностью характеристик и параметров, сложностью протекающих процессов. Одной из актуальных задач является разработка методики синтеза широкорегулируемых электроприводов постоянного тока по заданным динамическим и статическим показателям отработки управляющих и возмущающих детерминированных и стохастических воздействия во всем диапазоне регулирования скорости и изменения нагрузки электродвигателя. Решение этой задачи может быть достигнуто на основе применения принципа адаптации.
Цель работы. Исследование и разработка структуры, алгоритмов управления, методики проектирования и реализация электро -приводов постоянного тока для механизмов подач, обеспечивающих широкий диапазон регулирования скорости, высокое быстродействие и заданное качество регулирования при детерминированных и стохастических воздействиях с учетом многокритериальной оценки.
Основные задачи исследования
Анализ известных структур широкорегулируемых быстродей -ствующих электроприводов постоянного тока и разработка алгоритмов управления обеспечивающих улучшение их динамических и ста -тических характеристик.
Исследование влияния стохастических воздействий на ка -чество регулирования в широкорегулируемом быстродействующем электроприводе и разработка принципов,уменьшающих влияние ста-хостических воздействий на электропривод.
Разработка методики синтеза широкорегулируемых быстродействующих электроприводов постоянного тока по нескольким критериям качества регулирования при детерминированных и стохастических воздействиях.
Исследование влияния режима прерывистого тока в ревер -сивных вентильных преобразователях с раздельным управлением и разработка способов управления, исключающих этот режим работы.
Исследование адаптивных регуляторов и способов адаптивного управления широкорегулируемым электроприводом, позволяющих улучшить и стабилизировать динамические характеристики системы при изменении параметров объекта регулирования.
Исследование влияния основных нелинейностей на динамические характеристики широкорегулируемого вентильного электропривода и разработка принципов и средств стабилизации характеристик нелинейных систем электропривода.
Разработка широкорегулируемых электроприводов постоянного тока с диапазоном регулирования скорости вращения 40000+ 50000, отвечающих современным требованиям для механизмов подач
в станкостроении, приборостроении и химическом машиностроении. Методы исследования. При выводе аналитических зависимостей в работе использованы методы дифференциального и интегрального исчисления, а также классические методы анализа САУ. Анализ и синтез широкорегулируемого электропривода постоянного тока при наличии стахостических воздействий проводился с использованием методов теории случайных процессов и теории оптимального управления, расчеты проводились на ЭВМ. Исследования влияния нели -нейностей проведены методом гармонической линеаризации. Иссле -дования динамики адаптивных регуляторов, переменных структур и алгоритмов управления широкорегулируемого электропривода постоянного тока проведены на ЭВМ методом математического моделиро -вания. Выводы и результаты, полученные теоретически, проверялись
экспериментально на опытных образцах широкорегулируемого электропривода постоянного тока.
Научная новизна. При решении поставленных задач получен ряд новых результатов:
Разработана методика оценки влияния стохастических си -гналов на динамическую точность регулирования в широкорегулиру-емом электроприводе постоянного тока с учетом отношения "сигнал/ шум".
Разработана новая методика синтеза параметров регуляторов широкорегулируемого электропривода по нескольким критериям качества регулирования по управляющему и возмущающему воздействиям при детерминированных и стохастических воздействиях.
Разработаны новые структуры и алгоритмы управления широкорегулируемого электропривода с переменными параметрами, обе -спечивающие улучшение динамических и статических характеристик электропривода с подчиненным регулированием параметров.
Разработана самонастраивающаяся инвариантная система регулирования скорости электропривода постоянного тока, обеспечивающая стабилизацию динамических характеристик электропривода во всем диапазоне регулирования скорости вращения и тока электродвигателя.
Построены уточненные диаграммы качества переходных процессов в широкорегулируемом электроприводе с учетом основных не-линейностей.
Разработано два новых способа управления тиристорным электроприводом с раздельным управлением реверсивным вентильным преобразователем исключающих режим прерывистого тока.
Предложен новый способ адаптивного управления электро -приводом постоянного тока, обеспечивающий стабилизацию частот -ных характеристик электропривода постоянного тока.
-II-
Новизна предложенных в работе технических решений, подтверждена 14 авторскими свидетельствами на изобретения и 2 положительными решениями по заявкам на изобретения.
Практическая ценность. Применение разработанной инженерной методики синтеза параметров широкорегулируемого электропривода по нескольким критериям качества регулирования позволяет создавать электроприводы постоянного тока с широким диапазоном регулирования, обеспечивающие высокую динамическую и статическую точность регулирования при отработке детерминированных и стохастических воздействий.
Применение разработанных адаптивных регуляторов, алгоритмов управления, переменных структур и способов управления широкорегу-лируемым электроприводом постоянного тока позволяет получить высокое быстродействие и стабилизировать динамические характеристики во всем диапазоне регулирования скорости вращения и тока электродвигателя.
Практическая реализация. Разработанные по результатам прове^ денных исследований прецизионные широкорегулируемые электроприводы постоянного тока внедрены на кристаллизационных установках в 1983 г. в ОКБ Института кристаллографии АН СССР (г.Москва). Разработанная методика синтеза широкорегулируемого электропривода постоянного тока по нескольким критериям качества регулирования, переменные структуры, алгоритмы управления и способы управления широкорегулируемым электроприводом приняты для использования и внедрения в новых разрабатываемых электроприводах в ВШИ электропривода (г.Москва). Разработанный термостабильный регулятор скорости включен в состав электропривода УПЛ-І с током нагрузки ІОО А, принятого к серийному производству в 1984 году на заводе "Электроавтоматика" (г.Ставрополь).
Разработанный прецизионный регулятор скорости внедрен в
1983 г. в серийное производство в электроприводах на Томском
приборном заводе. Разработанные новые технические решения, за
щищенные авторскими свидетельствами СССР, используются в широ-
корегулируемых электроприводах серии ЭТ6С, изготавливаемых за
водом "Электромашина" (г.Прокопьевск) с 1979 г., в электропри -
водах предприятия п/я Г-4І84 и в НИИ АЭМ при ТИАСУРе.
Апробация работы и публикации: Основные положения диссер -тационной работы докладывались и обсуждались: на УІ Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники" г.Киев, 1979 г.; семинаре Севастопольского Дома научно -технической пропаганды "Состояние и перспективы развития робототехники", г.Севастополь, 1980 г.; на региональной научно -практической конференции "Молодые ученые и специалисты в развитии производственных сил Томской области", г.Томск, 1980 г.; на региональной научно-технической конференции "Электромашинные и машинно-вентильные источники импульсной мощности", г.Томск, 1981 г.; на научно-технической конференции молодых ученых и студентов "Разработка и исследование радиотехнических систем и устройств", г.Томск, 1981 г.; На Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы управления промышленными электромеханиче -скими системами", г.Тольятти, 1982 г.; на Всесоюзной конференции "Робототехника и автоматизация производственных процессов", г.Барнаул, 1983 г.; на второй Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов приборостроительной промышленности, г.Москва, 1983 г.; на XX областной научно-технической конференции "Системы и средства управления", г.Пермь,
1984 г.; на Всесоюзной научно-технической конференции "Приме -
нение преобразовательной техники в электроэнергетике, техноло
гических установках и электроприводе", г. Тольятти,1984 г.
По результатам диссертационной работы опубликовано 18 статей и докладов, получено 14 авторских свидетельств и 2 положительных решения о выдаче авторских свидетельств на изобретения, опубликовано 3 отчета по НИР,
К защите представлены следующие положения:
Стохастические сигналы оказывают значительное влияние на динамическую и статическую точность регулирования выходных координат электропривода постоянного тока, особенно в нижней части диапазона регулирования скорости, которые необходимо учитывать при создании высокоточных широкорегулируемых электроприводов .
Улучшение динамических и статических характеристик двухконтурных систем электроприводов с подчиненным регулирова -нием достигается при использовании предложенных в работе пере -менных структур контура регулирования тока и нелинейных фильтров с переменной структурой, включаемых на входе регулятора скоро -сти.
Предложенные в работе новые способы управления электроприводом с реверсивным вентильным преобразователем с раздельным управлением, позволяют исключить режим прерывистого тока и улучшить их динамические и статические свойства.
Выбор параметров регуляторов широкорегулируемого электропривода по разработанной методике синтеза с учетом нескольких критерий качества регулирования обеспечивает получение заданных динамических и статических показателей по управляющему и возмущающему воздействиям как детерминированного, так и стохастического характера.
Разработанные диаграммы качества нелинейных переходных процессов позволяют по заданным показателям качества регулирования выбирать параметры регуляторов электропривода, имеющего
нелинейности типа насыщения, нелинейного токоограничение, мо -мента сухого трения.
Для стабилизации частотной характеристики электропри -вода в широком диапазоне изменения входного сигнала целесооб -разно применять разработанный новый способ адаптивного управления электроприводом постоянного тока.
Использование предложенной в работе инвариантной самонастраивающейся системы в электроприводах позволяет улучшить и стабилизировать их динамические характеристики по управляющему воздействию при изменении параметров двигателя.
Автор выражает благодарность канд.техн.наук, завлабораторией НИИ АЭМ при ТИАСУРе Фадееву B.C. за постоянное внимание и консультации по работе.
Системы электропривода с реверсивными вен -тильными преобразователями с совместным управлением
Вентильным преобразователем (ВП) будем называть управляемый выпрямитель, который может переходить в режим инвертора ведомого сетью.
Электроприводы с ВП с совместным управлением широко ис -пользуются и производятся серийно как в нашей стране, так и за рубежом. Технические характеристики электроприводов приведены в приложении I. Достоинством электроприводов с ВП с со -гласованным управлением является отсутствие режима прерывистого тока и бестоковой паузы, высокая линейность регулировочной характеристики, а также достаточная простота системы управле -ния. К недостаткам систем электропривода с ВП с совместным управлением следует отнести необходимость наличия уравнительных реакторов в уравнительном контуре, устройств ограничения динамического уравнительного тока и специального силового трансфор матора (например, шестифазного, как в электроприводе ЭТбС), Системы регулирования токов в электроприводах с совмест -ным управлением ВП с одним контуром уравнительного тока под -разделяются на следующие типы: - одноканальная система [21] ; - двухканальная система [3,21,22] ; - система с раздельным регулированием тока двигателя и уравнительного тока [53] ; - система с "перекрестными обратными связями" [22,101,53]. Одноканальная система является самой простой и применяет ся в реверсивных электроприводах не требующих автоматического регулирования уравнительного тока. Статический уравнительный ток ограничивается индуктивностью уравнительных реакторов и индуктивностью силового трансформатора. При асимметрии управля ющих импульсов в СИФУ (системе импульсно-фазового управления) возникает постоянно протекающий уравнительный ток во всех ре жимах, ухудшающий к.п.д. электропривода, Двухканальная система регулирования тока содержит два независимых канала регулирова -20 ния тока, каждый из которых управляет только одной вентильной группой реверсивного ВП. Управляющее напряжение в этой системе автоматически подается через разделительные диоды только на вход регулятора тока той группы вентилей, которая работает при данном направлении тока двигателя. На вход каждого из регулято ров также поступает сигнал задания уравнительного тока. Таким образом, группа вентилей проводящая ток двигателя управляется сигналом пропорциональным сумме заданных значений тока двигателя и уравнительного тока, а другая группа вентилей - только сигналом задания уравнительного тока,- Параметры систем регулирования в контуре тока двигателя и в контуре уравнительного то ка отличаются друг от друга и при одинаковых настройках регуля торов не обеспечивается оптимальное регулирование в обоих контурах 2,3,22,67] . В динамических режимах имеет место силь -ное влияние тока двигателя на контур уравнительного тока, что приводит при пуске двигателя к большому броску уравнительного тока. Для уменьшения бросков уравнительного тока [22] на входе регуляторов ставят корректирующие цепи, обеспечивающие пере -менную структуру регулятора в зависимости от режима работы. В системе с раздельными регуляторами тока двигателя и уравнительного тока выходные сигналы регуляторов через узлы суммирования подаются в СИФУ прямой и обратной вентильных групп преобразователя, причем на первом узле суммирования эти сигналы складываются, а на втором узле суммирования из сигнала регулятора тока двигателя вычитается сигнал регулятора уравнительного тока. В данной системе имеется два контура регулирования, синтез которых производится независимо и имеется сильное влияние тока двигателя на уравнительный ток, причем при увеличении тока двигателя уравнительный ток уменьшается.
В системе с перекрестными обратными связями автоматиче -ски поддерживается заданная зависимость между уравнительным током и током двигателя, причем уравнительный ток уменьшается при токах двигателя, превышающих некоторое заданное значение.
Как показали исследования4 [66,67] в системе регулирования с перекрестными связями при наличии уравнительного тока про -цессы носят в некоторых режимах колебательный характер. В целом же данная структура имеет большое преимущества перед обычной двухканальной системой регулирования.
В системах с реверсивными ВП с совместным согласованным управлением необходимо ограничивать динамический уравнительный ток, возникающий из-за неполной управляемости вентилей, который при реализации предельного быстродействия может значительно превышать номинальное значение тока двигателя.
Для ограничения динамических уравнительных токов может быть ограничена скорость изменения фазы отпирающих импульсов путем ограничения скорости изменения управляющего напряжения на входе СЩУ с помощью подключения линейного фильтра [2,4"] , который работает во всех режимах, снижая быстродействие вен -тильного преобразователя.
В [55] предложено использовать нелинейное устройство, ограничивающее производную сигнала на входе СИФУ при достиже -нии его величины выше допустимой, при которой возможно появление выбросов динамического уравнительного тока. Во всех других режимах это нелинейное устройство на динамические процессы влияние не оказывает.
Исследование влияния алгоритмов управления обратной связью по току на динамические свойства электропривода по управляющему и возмущающему воздействию
Особенности данных структур является следующее: - размыкание обратной связи по напряжению ВП в режиме прерывистого тока, что делает передаточную функцию системы различной в режиме прерывистого тока и в режиме непрерывного тока; - наличие дополнительного внутреннего контура регулирования по напряжению ВП приводит к ухудшению динамики привода в режиме непрерывных токов; - в структуре с И- и ПИ-регулятором напряжения в статичес -ком режиме линеаризуется коэффициент передачи ВП. В данных структурах динамика привода в режиме прерывистого тока несколько улучшается, однако обеспечивается хорошая динамика только в одной рабочей точке, лежащей обычно на гра -нице прерывистого и непрерывного токов. В электроприводах с большой зоной прерывистых токов динамика системы является не -удовлетворительной и переходные процессы сильно затянуты. Поэтому эти системы не могут обеспечить предельное быстродейст -вие во всем диапазоне прерывистых режимов.
Во ВНИИР разработаны структуры линеаризации ВП в режиме прерывистого тока, основанные на включение на входе СИФУ нелинейного звена с характеристикой обратной регулировочной характеристики ВП 8,52J . Характеристики нелинейного звена реализуются приближенно путем кусочно-линейной аппроксимации нели -нейной зависимости. В общем случае при "изменении противо э.д.с. в цепи нагрузки ВП или изменении постоянной времени силовой цепи в прерывистом режиме образуется семейство нелинейных характеристик преобразователя. В [8,52] предлагается аппроксимировать одну из семейства регулировочных характеристик, для которой противо - э.д.с. равна нулю. Так как зона прерывистых токов меняется в зависимости от противо - э.д.с, то в лине -аризирующее устройство вводится воздействие по э.д.с. нагрузки. На рис. 1.8 приведена принципиальная схема устройства линеаризации, реализующего приближенно линейную зависимость обратную регулировочной характеристике ВП, которое нашло применение в электроприводе ЭТУ 3601 [12 ] .
Интегрально-дискретный метод коррекции, предложенный в 1231 , заключается в подключении положительной связи на вход пропорционального звена, включенного перед СИФУ, причем под -ключение положительной связи осуществляется в момент формиро -вания импульса управления тиристорами в СИФУ. На рис. 1.9 приведена принципиальная схема дискретного корректирующего звена. Дискретная информация, приходящая с выхода корректирующего звена в моменты формирования импульсов в СИФУ, оказывает регулирующее воздействие на процессы как в ВП, так и в САР в целом.
Данный метод позволяет корректировать динамические характеристики ВП в режиме прерывистого тока, а также линеаризовать статические характеристики структуры ВП-Д.
Известны методы построения специальной формы опорного на -пряжения с целью линеаризации ВП в прерывистом режиме, основанные на приближенной аппроксимации ВП ,
В [133] предложено формировать опорное напряжение в режиме прерывистого тока по экспоненциальной зависимости, а в режиме непрерывных токов - по косинусоидальной зависимости и как указано в предложенном способе при соответствующем выборе по -стоянной времени экспоненциальная зависимость достаточно хорошо аппроксимирует кубическую параболу, к которой приближенносводят регулировочную характеристику ВП при больших углах регулирования [8 ] .
В [Ї34] предложено изменять наклон линейного пилообразного опорного напряжения в зависимости от режима работы ВП,причем в режиме прерывистого тока уменьшается крутизна пилообразного напряжения. Это позволяет стабилизировать коэффициент передачи ВП .
В [135,136,137,138,151] предложены способы управления ВП, в которых для компенсации изменения коэффициента передачи ВП в режиме прерывистого тока предложено подавать дополнительный корректирующий сигнал, который формируется различными способами. В [71,154] предложен способ управления ВП, в котором для стабилизации коэффициента передачи ВП предложено применять физическую модель ВП (на маломощных тиристорах) и формировать опорное напряжение с помощью физической модели и интегрировать его в интервале бестоковой паузы. При этом ВП имеет постоянный коэффициент независимо от режима работы ВП.
Анализ рассмотренных методов и принципов построения ре -версивных вентильных электроприводов показал, что вопросы оп -тимизации систем электропривода работающих в режиме прерывистого тока окончательного решения еще не получили и для создания высококачественных широкорегулируемых систем электропривода подач требуются проведение дальнейших исследований ,
Синтез по заданным динамическим свойствам по управляющему воздействию
В настоящее время в инженерной практике используются раз -личные методы синтеза систем автоматического регулирования,пригодные для синтеза вентильных электроприводов. Рассмотрим методы синтеза получившие наиболее широкое применение.
Широкое применение получили частотные методы синтеза,оперирующие логарифмической амплитудно-частотной характеристикой разомкнутого контура регулирования. Синтез этими методами заключается в построении асимптотической ЛАЧХ неизменяемой части системы, желаемой ЛАЧХ разомкнутой системы и нахождении разности между ними являющейся ЛАЧХ дополнительного последовательного корректирующего звена, которое нужно ввести в систему,чтобы она имела необходимые свойства. Желаемую ЛАЧХ условно разделя ют на три части: низкочастотную, среднечастотную и высокочастотную.
Низкочастотная часть ЛАЧХ определяет статическую точность системы - точность в установившихся режимах. В статической си -стеме низкочастотная асимптота ЛАЧХ параллельна оси абсцисс. В астатической системе наклон этой асимптоты составляет - 20 К дб/дек, где К - порядок астатизма (К = 1,2...).
Среднечастотная часть ЛАЧХ определяет устойчивость, запас устойчивости и качество переходных процессов. Основные параметры среднечастотной асимптоты - это ее наклон и частота среза CJC. Чем больше наклон среднечастотной асимптоты ЛАЧХ, тем труднее обеспечить хорошие динамические свойства системы, поэтому обычно стремятся обеспечить наклон - 20 дб/дек и крайне редко он превышает - 40 дб/дек. Частота среза CJC определяет быстродействие системы, чем больше ojc , тем выше быстродействие, тем меньше время переходного процесса.
Высокочастотная часть ЛАЧХ незначительно влияет на дина -мические свойства системы и лучше иметь возможно больший ее наклон, чтобы уменьшить влияние высокочастотных помех.
Для построения желаемой ЛАЧХ можно использовать типовые ЛАЧХ предложенные В.В.Солодовниковым [46,47 ] , В.А.Бесекер -ским [Ю] , Е.С.Санковским fill J , а также воспользоваться номограммами [87 ], отражающими связь между формой кривой переходного процесса и видом ЛАЧХ.
Наиболее трудным в синтезе методом ЛАЧХ является реализация дополнительного корректирующего звена, обеспечивающего требуемую ЛАЧХ, с помощью небольшого арсенала корректирующих устройств и дополнительных обратных связей. Точность этой реализации зависит от квалификации разработчика. В ряде случаев может оказаться, что требуемое корректирующее звена либо чрезмерно усложняет систему, либо вообще не может быть реализовано, и процесс синтеза приходится повторять для менее жестких требований к качеству регулирования (динамическим характеристикам электропривода). Несмотря на простоту операций, процесс синтеза все же оказывается довольно трудоемким, если требуется обеспечить достаточно высокие динамические качества системы электропривода. Трудности возрастают ещё больше, если приходится производить синтез с учетом качества регулирования по двум воздействиям, например, по управляющему входному и возмущению по нагрузке. Требования к свойствам корректирующего звена в этом случае оказываются противоречивыми и разрешить их наилучшим образом с помощью этих методов не удается.
Удобным частотным критерием, нашедшим также широкое применение в инженерной практике, является показатель колебательности Г9,І0,89І , характеризующий степень удаленности системы от границ устойчивости. Построение желаемой ЛАЧХ значительно упрощается, если качество регулирования оценивать не по переходной характеристике системы, а по показателю колебательности. Необходимым и достаточным условием того, что показатель колебательности системы не будет больше заданного, является расположение амплитудно-фазовой характеристики вне запретной зоны, построенной по заданному показателю колебательности. В [89] приведены зависимость показателей качества переходной характеристики: перерегулирования (Г и относительного времени регулирования и)0 t р от значения показателя колебательности. Принципы построения типовых ЛАЧХ по заданному значению показателя колебательности и порядок построения желаемой ЛАЧХ при синтезе САР достаточно полно приведены в [89 ] .
В последнее время в зарубежной и отечественной практике получил распространение принцип построения систем автоматического регулирования основанный на подчиненном регулировании координат системы [3,2,21,22] за счет применения многоконтурной структуры с каскадным включением регуляторов, каждый из кото -рых с помощью соответствующих обратных связей контролирует свою переменную. Для оптимизации переходных процессов в таких системах предлагается последовательно оптимизировать каждый контур регулирования, начиная с внутреннего, используя два способа настройки: "симметричный оптимум" и "модульный опти -мум". Синтез и наладка таких систем электропривода оказываются предельно простыми. При этом вентильный преобразователь (ВП) аппроксимируется апериодическим звеном с малой постоянной времени ТЦІ .
Моделирование тиристорних широкорегулируемых электроприводов постоянного тока с учетом основных нелинейностей на ЭЦВМ
Исследование динамических, статических, энергетических характеристик сложных нелинейных систем, какими являются бы -стродействующие широкорегулируемые электропривода постоянного тока с реверсивными вентильными преобразователями (ВП), воз -можно провести при использовании вычислительных машин. Математическое моделирование электроприводов может быть осуществлено на аналоговых (АВМ) или цифровых (ЦВМ) вычислительных машинах. До недавнего времени наиболее распространенным было моделирование на АВМ. Однако при значительном увеличении объема решаемой задачи на АВМ требуется большое число операционных усилителей, блоков перемножения, нелинейных элементов и т.д., что сущест -венно снижает точность моделирования. При расчете сложных за -дач много времени уходит на составление рациональных схем моделирования, выбор масштабов, настройку блоков перемножения, нелинейных элементов, функциональных преобразователей. К этому следует добавить, что аналоговое моделирование тиристорных электроприводов с учетом дискретности и полууправляемости ВП вызывает необходимость создания специальных электронных блоков, моделирующих работу отдельных вентилей. Также весьма сложной задачей является моделирование на АВМ системы импульсно-фазово-го управления, логического переключающего устройства для ре -версивного ВП с раздельным управлением [ 8]. В связи с этим, а также в результате интенсивного развития средств цифровой вычислительной техники в последнее время стали широко применяться для расчета и моделирования сложных систем электропривода ЦВМ.
При цифровом моделировании вентильных электроприводов необходимо выбрать способ представления ВП, методику получения дифференциальных уравнений системы электропривода, способ численного решения системы дифференциальных уравнений.
Представление тиристорного ВП в цифровой форме достаточно полно освещено в [139-148J , поэтому для исследования динамических свойств широкорегулируемого электропривода целесообразно использовать готовую цифровую модель реверсивного ВП с раздельным управлением, предложенную в [140] . В этой цифровой модели моделируется лишь форма выпрямленного напряжения ВП, то есть расчет ведется по мгновенным значениям выпрямленного на -пряжения. При этом полностью учитывается свойство ВП как ди -скретного звена. Такой подход позволяет учесть влияние ВП на динамические свойства электропривода.
В методике получения дифференциальных уравнений системы нашло применение так называемое "структурное моделирование", при котором схема исследуемого объекта регулирования приводится к виду детализированного структурного изображения, состоя -щего из элементарных звеньев. Для каждого из таких звеньев записывается дифференциальное или алгебраическое уравнение или нелинейная функциональная зависимость. Расчет переходных процессов производится последовательным методом, то есть по из -вестному входному воздействию находится реакция первого звена. Полученное значение реакции является входным воздействием для следующего по схеме соединения звена и т.д.
Решение дифференциальных уравнений при моделировании на ЦВМ производится численными методами [ 14]. При этом исходная система дифференциальных уравнений приводится к уравнениям в нормальной форме Коши, которые заменяются приближенными уравнениями в конечных разностях, каждое из которых решается шаг за шагом одним из численных методов,
В математическом обеспечении ЦВМ имеется большое количе -ство численных методов, каждый из которых имеет свой алгоритм вычисления. Их можно разделить на две группы: одношаговые и многошаговые методы. Многошаговые методы (метод Адамса и дру -гие) не нашли применения для исследования нелинейных систем электропривода [88J. Одношаговые методы [88]широко применяются и наиболее распространенными среди них являются метод Эйлера, метод Эйлера-Коши с итерациями, метод А.В.Башарина, метод Рун-ге-Кутта. Их особенностью является то, что для определения значения функции в конце данного шага интегрирования используется только информация о значении функции в начале того же шага.Для ряда одношаговых методов разработаны специальные алгоритмы оценки погрешностей и соответствующего изменения величины шага интегрирования.
Для исследования широкорегулируемого электропривода в [88] не рекомендуется использование метода Эйлера, ввиду его неточности (ошибки в первом-втором знаке, систематически накапливающаяся ошибка при расчете). Метод Эйлера-Коши с итерациями, метод А.В.Башарина могут широко применяться для моделирования электроприводов (ошибка появляется в третьем-четвертом знаке). Также может широко применяться метод Рунге-Кутта, обеспечивающий высокую точность расчета (ошибка в восьмом-девятом знаке), причем стандартная программа данного метода всегда имеется в математическом обеспечении ЭВМ.
