Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ 10
1.1. Общая характеристика и особенности микропроцессорного управления электроприводами 10
1.2. Электропривод переменного тока: достоинства и недостатки, тенденции развития. Структура силовой части частотно-регулируемого асинхронного электропривода 16
1.3. Системы автоматического управления частотно-регулируемыми
асинхронными электроприводами 24
1.4. Математические модели частотно-регулируемого асинхронного
электропривода 26
1.5. Постановка задач исследований 52
2. ОБЩАЯ МЕТОДИКА СИНТЕЗА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 53
2.1. Основные принципы современного подхода к анализу и синтезу систем управления асинхронными электроприводами с ПЧ 53
2.2. Обзор методов синтеза электроприводов с МПСУ 54
2.3. Метод дискретных полиномиальных уравнений 57
2.4. Аналитический синтез регуляторов микропроцессорных систем управления электроприводом с применением математического пакета MATLAB 71
2.5. Выводы 82
3. КОНТУР РЕГУЛИРОВАНИЯ ФАЗНЫХ ТОКОВ ДВИГАТЕЛЯ 83
3.1. Объект регулирования в контуре регулирования фазных токов двигателя 83
3.2. Упрощенные модели объекта регулирования в контуре регулирования фазных токов 92
3.3. Синтез регуляторов фазных токов двигателя 96
3.4. Исследование чувствительности контура фазных токов к изменению параметров объекта 109
3.5. Влияние чистого запаздывания в контуре регулирования фазных токов 117
3.6. Результаты математического моделирования контура регулирования фазных токов 126
3.7. Выводы 134
4. КОНТУР РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ 135
4.1. Объект регулирования в контуре скорости 135
4.2. Синтез алгоритмов регулирования в контуре скорости при М=1 145
4.3. Синтез алгоритмов регулирования скорости вращения двигателя при М>1 164
4.4. Методика расчета микропроцессорной системы управления электроприводом 172
4.5. Выводы 174
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 175
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 177
Приложение 1. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ MATLAB/SIMULINK 186
Приложение 2. ПРИНЦИП КОМПЕНСАЦИИ ЗАПАЗДЫВАНИЯ. ДВУХКОНТУРНАЯ СТРУКТУРА КОНТУРА СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ. ВОПРОСЫ ОПТИМИЗАЦИИ
КАЧЕСТВА РАБОТЫ ПОДЧИНЕННОЙ СИСТЕМЫ 205
Приложение 3. МАТЕРИАЛЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 219
- Общая характеристика и особенности микропроцессорного управления электроприводами
- Основные принципы современного подхода к анализу и синтезу систем управления асинхронными электроприводами с ПЧ
- Объект регулирования в контуре регулирования фазных токов двигателя
- Объект регулирования в контуре скорости
Введение к работе
Существенную роль при решении задач совершенствования техники и технологии промышленного производства играет электропривод как энергетическая основа и средство интенсификации и автоматизации технологических процессов.
Развитие современной техники предъявляет все более жесткие требования к электроприводу. Современные технологии требуют от электропривода повышенной точности движения (как в статике, так и в динамике), быстродействия, надежности и др. Это, в свою очередь, требует применения новых, более сложных методов управления электроприводом, что влечет за собой применение совершенных микропроцессорных средств. Данный факт особенно актуален на фоне неуклонного снижения доли систем с двигателями постоянного тока и увеличения доли систем привода с двигателями переменного тока, в частности, доли частотно-регулируемых асинхронных электроприводов вследствие значительного усовершенствования и удешевления статических преобразователей частоты.
Широкое внедрение микропроцессорной техники в процесс управления промышленными электроприводами открывает широкие возможности для улучшения их технико-экономических показателей, из которых для изготовителей важны технологичность производства электропривода с микропроцессорным управлением, снижение затрат на наладку, высокая степень унификации и стандартизации микропроцессорных систем управления; для потребителей -высокая надежность, точность, помехозащищенность, гибкость, удобство эксплуатации; для проектировщиков - снижение трудоемкости и уменьшение сроков проектирования.
Необходимость развития и совершенствования электроприводов с микропроцессорным управлением требует проведения научных исследований как асинхронного электропривода в качестве объекта регулирования, так и в целом частотно-регулируемого асинхронного электропривода с микропроцессорным
5 управлением с целью оптимального использования возможностей силовой и управляющей частей электропривода.
Работы в области расчета и проектирования цифровых систем активно и успешно велись и ведутся как учеными нашей страны, так и за рубежом. Однако их применение в практике промышленного электропривода требует учета, с одной стороны специфики микропроцессорного управления, с другой -особенностей электропривода как объекта управления. При этом, как показывает опыт, для эффективного внедрения в практику проектирования методы расчета микропроцессорных систем электропривода должны быть в достаточной степени просты и универсальны.
Целью данной работы является разработка принципов и методов проектирования частотно-регулируемых асинхронных электроприводов с микропроцессорным управлением, позволяющих наиболее оптимально использовать его возможности при заданных требованиях к статическим и динамическим свойствам электропривода.
Теоретические исследования выполнены с привлечением современной теории частотно-регулируемого асинхронного электропривода, классической и современной теории линейных импульсных систем, метода полиномиальных уравнений. Экспериментальные исследования полученных теоретических результатов проведены методами математического моделирования с привлечением современных программных продуктов, в частности математического пакета MATLAB и его приложения SIMULINK, специально разработанного для исследования динамических систем.
В ходе работы получены следующие новые научные результаты: а) разработаны модели частотно-регулируемого асинхронного электропривода при микропроцессорном управлении с произвольными периодами дискретности в контурах регулирования, учитывающие различные способы формирования сигналов обратных связей и переменность величины чистого запаздывания; б) предложена методика аналитического синтеза алгоритмов регулирования методом полиномиальных уравнений с привлечением современных программных средств, позволяющая учесть особенности объекта регулирования, специфику микропроцессорного управления и обеспечивающая работоспособность и реализуемость получаемых алгоритмов регулирования; в) предложена двухконтурная структура системы подчиненного регулирования, позволяющая уменьшить влияние запаздывания на динамические свойства системы без ухудшения ее статических характеристик; г) получены алгоритмы регулирования фазных токов и скорости вращения двигателя, обеспечивающие плавное регулирование координат, с учетом получения дополнительного эффекта от расширения периода дискретности; д) обоснованы границы предельного быстродействия частотно- регулируемого асинхронного электропривода с микропроцессорным управлением исходя из условия отсутствия колебаний на основной субгармонической частоте и удовлетворительной чувствительности к изменению параметров объекта регулирования; е) разработаны модели асинхронного частотно-регулируемого электропривода с применением специализированных программных средств, позволившие произвести анализ качества синтезированных систем методом математического моделирования.
Содержание работы раскрывается в четырех главах.
В главе 1 содержится обзор современного состояния принципов управления, микропроцессорных устройств, силовой базы, вопросы проектирования и применения асинхронных электроприводов с микропроцессорным управлением, а также рассмотрены модели элементов частотно-регулируемого асинхронного электропривода с микропроцессорным управлением. Здесь же поставлены задачи исследований.
В главе 2 на основе обобщенной модели объекта регулирования рассмотрена методика синтеза системы микропроцессорного подчиненного регулирования координат, исследованы свойства различных структур системы регулирования и даны рекомендации по структурному построению отдельных контуров.
В главах 3 и 4, посвященных разработке и исследованию внутреннего контура регулирования фазных токов и внешнего контура регулирования
7 скорости двигателя, обоснованы модели объекта регулирования, синтезированы регуляторы соответствующих координат, проведена оценка их возможностей, приводятся результаты математического моделирования. Кроме того, в главе 3 рассмотрен аналитический синтез алгоритмов регулирования микропроцессорной системы управления с применением математического пакета MATLAB.
В приложении 1 приведены модели асинхронного частотно-регулируемого электропривода в системе MATLAB/SIMULINK при микропроцессорном управлении, используемые в процессе математического моделирования на этапе анализа синтезированных алгоритмов регулирования.
В приложении 2 поясняется принцип компенсации запаздывания, рассматривается двухконтурный вариант построения канала регулирования координат электропривода, а также вопросы оптимизации качества работы подчиненной системы.
На защиту выносятся следующие положения:
Теоретические результаты: модели частотно-регулируемого асинхронного электропривода при микропроцессорном управлении, учитывающие различные способы формирования сигналов обратных связей и переменность запаздывания; алгоритмы регулирования фазных токов и скорости вращения, методика аналитического синтеза регуляторов.
Практические результаты: методика проектирования частотно-регулируемого асинхронного электропривода с микропроцессорным управлением, обеспечивающая либо реализацию предельных динамических показателей процессов регулирования, либо заданное качество регулирования при минимальных затратах ресурсов управляющего микропроцессора; рекомендации по построению систем микропроцессорного управления асинхронным электроприводом.
Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем. Использование рассмотренных в диссертации методов расчета асинхронных электроприводов с микропроцессорным управлением позволяет получить требуемые динамические показатели работы электропривода, а также обеспечивает необходимое быстродействие при минимальных затратах
8 вычислительных ресурсов управляющего микропроцессора. Рассмотренные методы расчета систем электропривода являются достаточно доступными и аналитичными, обеспечивают работоспособность и реализуемость получаемых алгоритмов.
Кроме того, предложенная методика аналитического компьютерного синтеза с использованием специализированных математических программных средств является эффективным средством решения задач, связанных с построением математических моделей, синтезом и последующим анализом систем автоматического управления и, что особенно ценно, позволяет сделать это в аналитическом виде, удобном для научных исследований и расчетов при создании новых систем управления.
Основные результаты работы доложены и обсуждены: на десятой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» г. Екатеринбург, 1995г.; на научно-технической конференции «Техника и физика электронных систем и устройств» г. Сумы, 1995 г.; на одиннадцатой международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» г. Екатеринбург, 1998 г.; на международной электронной конференции «Перспективные технологии автоматизации» г. Вологда, 1999 г.; на второй межвузовской отраслевой научно- технической конференции «Автоматизация и прогрессивные технологии» г. Новоуральск, 1999 г.; на научно-технической конференции «Научные идеи В.А. Шубенко на рубеже веков» г. Екатеринбург, 2000 г.; на научно-практической конференции «Перспективы разработки и производства электрических машин на Баранчинском электромеханическом заводе» п. Баранчинский, 2000 г.
По материалам диссертации опубликовано девять печатных работ, а также методическое руководство.
Предложенные принципы и методы синтеза микропроцессорных систем управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом приняты к использованию ЗАО «Тяжпромэлектромет».
Исследования выполнялись на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Уральского государственного технического университета - УПИ.
Автор выражает сердечную благодарность доценту кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Уральского государственного технического университета кандидату технических наук Ишматову Закиру Шарифовичу за неоценимую помощь при написании и оформлении данной работы.
Общая характеристика и особенности микропроцессорного управления электроприводами
Прогресс в области создания дешевых и надежных микропроцессоров открыл широкие возможности для применения в регулируемом электроприводе элементов цифровых устройств, вплоть до полной замены ими аналоговых элементов, что привело к созданию систем электропривода с микропроцессорным управлением [3,21,22,50,53,61,63,77,99].
Современные микропроцессорные системы управления электроприводом (МПСУ ЭП) не только обеспечивают высокую точность регулирования, но и позволяют решать целый ряд новых задач. Рассмотрим их.
Для потребителей электроприводов наиболее важной задачей, решаемой с помощью микропроцессорной техники, является повышение надежности систем электропривода. При микропроцессорном управлении это достигается упрощением физической конфигурации системы, широким использованием современных процессоров, уменьшением количества соединений, упрощением монтажа [3,51,53,54,65,76,99].
Способствует повышению надежности и снижению эксплуатационных затрат возможность выполнения автодиагностики микропроцессора и электропривода в целом/реализация на базе микропроцессора функций защиты и технологической автоматики [3,65]. Однако реализация этих возможностей требует наличия дополнительного машинного времени, которое может быть получено за счет увеличения требований к быстродействию микропроцессора [73,61]. Дополнительный эффект можно получить (если это возможно без ущерба для качества регулирования) за счет увеличения периода дискретности. Очевидно, что второй вариант позволяет полнее использовать возможности микропроцессора и не связан с усложнением физической конфигурации электропривода.
Существенным преимуществом МПСУ ЭП перед аналоговыми является их высокая помехозащищенность, которая обеспечивается использованием двухуровневых логических сигналов, а также исключением длинных линий передачи аналоговых сигналов. Наряду с этим эффективным средством снижения уровня помех являются также усредняющие за определенный интервал времени датчики обратных связей [73], нашедшие широкое распространение в МПСУ ЭП. Эффективность фильтрации помех зависит от периода усреднения, поэтому рациональный выбор последнего и связанного с ним периода дискретности позволяет существенно повысить помехоустойчивость системы электропривода в целом.
Повышению помехозащищенности способствует также возможность использования специальных алгоритмов фильтрации сигналов, которые сложно или невозможно реализовать в аналоговых системах.
МПСУ ЭП позволяют использовать алгоритмы управления, реализация которых с помощью аналоговых средств проблематична, а в некоторых случаях неосуществима [17,73]. Применение таких алгоритмов может способствовать более полному использованию возможностей силовой части электропривода в динамических режимах. Таким образом, увеличение периода прерывания в МПСУ ЭП при условии сохранения заданного качества регулирования способствует более полному решению задач повышения надежности и помехозащищенности электропривода и позволяет полнее использовать возможности управляющего микропроцессора.
Основные принципы современного подхода к анализу и синтезу систем управления асинхронными электроприводами с ПЧ
Благодаря успехам, достигнутым в области силовой полупроводниковой преобразовательной техники, теории и технических средств автоматического управления электроприводом переменного тока, в последние годы сформировался качественно новый подход к созданию асинхронных электроприводов с частотным управлением [20,82]. Можно сформулировать основные принципы такого подхода:
1. Математическое описание объекта управления с учетом электромагнитных переходных процессов в двигателе и ПЧ., с помощью которого можно проводить анализ и синтез систем регулирования.
2. Применение математических методов теории оптимального управления, позволяющих установить предельные, теоретически достижимые показатели исследуемых систем электропривода и изучить основные закономерности оптимальных процессов частотного управления.
3. Рациональный выбор регулируемых величин и их преобразование к вращающимся и определенным образом ориентированным системам координат. Это значительно упрощает и приближает структурные схемы частотно-регулируемых асинхронных электроприводов к структурным схемам электроприводов постоянного тока, открывает широкие перспективы унификации как методов расчета и проектирования, так и средств автоматического управления электроприводами переменного и постоянного тока на единой аппаратной основе.
4. Применение принципов автономности и инвариантности регулирования переменных. Это в конечном итоге позволяет, нейтрализовав внутренние, присущие объекту связи между регулируемыми переменными, установить между ними новые связи, обеспечивающие оптимальные или близкие к
оптимальным законы движения системы.
5. Использование при синтезе структур САУ принципов подчиненного регулирования с последовательной коррекцией, хорошо зарекомендовавших себя в электроприводах постоянного и переменного тока. При этом сравнительно просто реализуются выбранные законы изменения регулируемых переменных и обеспечивается их ограничение в пределах, обеспечивающих допустимый режим работы объекта управления.
6. Введение в систему управления математических моделей элементов объекта, позволяющих воспроизвести значения переменных, трудно поддающихся непосредственному измерению. Развитие данного направления требует широкого использования средств вычислительной техники и связано с определенным усложнением систем регулирования. Однако при этом уменьшается количество вращающихся электромеханических и гальванометрических датчиков, что весьма важно как для управления и эксплуатации, так и для расширения области применения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов.
Объект регулирования в контуре регулирования фазных токов двигателя
Выделим из структурной схемы модели асинхронного электропривода с микропроцессорным управлением, показанной на рис. 1.9, объект регулирования в контуре тока. Элементами объекта здесь являются звено чистого запаздывания z"T, преобразователь частоты, представленный в соответствии с п. 1.4 безынерционным усилительным звеном с коэффициентом усиления Кп и звено тока асинхронного двигателя, представленное двухмерным апериодическим звеном с матричной передаточной функцией
Следует отметить, что последнее охвачено обратной связью через нелинейное звено, которое описывается уравнением, учитывающим влияние ЭДС двигателя. В этом случае необходимо ввести следующее допущение. Как отмечалось ранее, на этапе синтеза рассматриваются процессы «в малом», поэтому на данном этапе нелинейной связью можно пренебречь, однако на этапе математического моделирования анализ результатов синтеза будет проводиться с учетом реальных зависимостей.
Также в состав объекта входят координатные преобразователи тока и напряжения, представленные звеньями с матрицами AS(0K) и As"1 (к), общая передаточная функция которых при последовательном включении равна 1, что позволяет при рассмотрении объекта регулирования их не учитывать.
Объект регулирования в контуре скорости
Структурные схемы, объекта регулирования для этих двух вариантов датчика скорости приведены на рис.4.3 и 4.4. Сравнение их с рассмотренной выше структурной схемой (рис.4.2) показывает, что они незначительно отличаются друг от друга. Поэтому последовательность вычисления ДПФ объекта регулирования в этих двух случаях останется той же самой. Это дает возможность, опустив все промежуточные выкладки, записать конечные выражения, оформив их в виде табл.4.1 и 4.2. Здесь же приведена ДПФ объекта регулирования при периоде дискретности Тп и датчике средних за Тп значений скорости, которая может быть получена как частный случай любого из двух вариантов системы с датчиками средних значений.
Для удобства дальнейших исследований проведена классификация полученных ДПФ объекта по их структуре (см. т.абл.4.1). Выделено четыре типа ДПФ, отличающихся степенью числителя и знаменателя, что далее будет учтено при синтезе регуляторов скорости.
а) нули ДПФ объекта регулирования типа Б при любых значениях параметров объекта и регулятора тока являются вещественными отрицательными и всегда меньше единицы, что при синтезе регулятора допускает их компенсацию;
б) нули ДПФ объекта регулирования типа В при реальных значениях параметров являются неустойчивыми ( 1), поэтому при синтезе их компенсировать нельзя, так как будут нарушены условия грубости;
в) один из нулей ДПФ типа Г является всегда устойчивым, а другой неустойчивым, что также исключает возможность компенсации неустойчивого нуля. Компенсация устойчивого нуля в этом случае также нежелательна, поскольку вызывает скрытые колебания скорости, а повышение быстродействия при этом будет весьма незначительным.
