Регулирование координат в замкнутых структурах

Наличие в электроприводе управляемого преобразователя, питающего якорную цепь или цепь возбуждения, имеющего один или несколько входов и достаточно высокий коэффициент передачи, открывает широкие возможности формирования требуемых искусственных характеристик за счет замыкания системы, т.е. подачи на вход как задающего сигнала, так и сигнала обратной связи по координате, которая должна регулироваться.

Принцип действия замкнутых систем автоматического регулирования координаты рассмотрим на нескольких простейших примерах.

3.7.1. Система управляемый преобразователь-двигатель, замкнутая по скорости

Если жесткость характеристик в разомкнутой системе управляемый преобразователь—двигатель (УП—Д) оказывается недостаточной для какого-либо технологического процесса, она может быть повышена посредством замыкания системы по скорости, т.е. использования отрицательной обратной связи по скорости (рис. 3.21, а).

К разомкнутой системе (см. рис. 3.17, а) добавлен измерительный орган — тахогенератор ТГ, сигнал которого сравнивается

с задающим сигналом , а разность подается на вход преобра-

зователя УП (отрицательная обратная связь по скорости). Благодаря этому ЭДС преобразователя теперь определяется не только заданием, но и фактической скоростью. Пусть привод работал в т. 1 (рис. 3.21, б), а затем момент сопротивления увеличился до значения В разомкнутой схеме этому изменению соответствовала бы точка так как изменение

не приводило бы к изменению ЭДС преобразователя. В замкнутой системе уменьшение скорости повлечет за собой рост входного сигнала

т.е. следовательно, при привод перейдет на характеристику, соответствующую и будет работать в точке 2. В рассматриваемой схеме так как увеличение а значит, и возможно лишь за

счет некоторого уменьшения Такие системы называют статическими, в отличие от астатических, где

Получим уравнение механической характеристики в замкнутой системе. Для этого в уравнение (3.16) для разомкнутой системы подставим уравнение замыкания системы (3.21) и получим после простых преобразований:

Приравнивая выражения для в замкнутой и разомкнутой системах, имеем:

т.е. для получения одной и той же скорости задающее напряжение в замкнутой схеме должно быть взято бблыним.

Сравнив выражения для Аш, получим

т.е. перепад скорости при одинаковых нагрузках в замкнутой системе уменьшился в раз.

3.7.2. Система управляемый преобразователь-двигатель с нелинейной обратной связью по моменту

Пусть требуется ограничить момент, развиваемый двигателем, некоторым предельным значением В системе УП—Д эту задачу можно

решить, снизив ЭДС преобразователя при достижении моментом значения Как уже было показано выше, эта операция выполняется автоматически, если использовать соответствующую обратную связь. В данном случае целесообразно использовать обратную связь по моменту или току, который ему пропорционален (Ф = const), причем эта связь должна вступать в действие лишь при достижении током некоторого заданного значения. Такие обратные связи называют нелинейными или связями с отсечкой. Простейшая схема системы УП—Д с отрицательной обратной связью по току с отсечкой показана на рис. 3.22, а.

На вход управляемого преобразователя при поступает лишь

сигнал задания, поскольку сигнал обратной связи по току заперт диодом При достижении моментом значения отрицательная

обратная связь по току начинает действовать, т.е.

благодаря чему снижается и рост момента ограничивается. Изменением можно установить требуемую характеристику (рис. 3.22, 6), а изменением — задать нужный предельный момент.

3.7.3. Замкнутая система источник тока - двигатель

При питании якорной цепи от неуправляемого источника тока электропривод, как отмечалось, обладает свойством управляемого по цепи возбуждения «источника момента», т.е. имеет в разомкнутой структуре вертикальные механические характеристики. Это обстоятельство очень удобно для построения замкнутых структур: исключение действия ЭДС вращения позволяет просто формировать любые характеристики посредством использования соответствующих обратных связей. Покажем это на простых примерах. В схеме на рис. 3.23, а отрицательная обратная связь по скорости включена на возбудитель, имеющий характеристику с ограничением; напомним, что установленная мощность возбудителя много меньше мощности двигателя. В предположении, что характеристики и на рабочих участках линейны, имеем

но, в свою очередь,

Решив уравнение относительно со, получим

т.е. будем иметь семейство параллельных характеристик (рис. 3.23, б), ограниченных характеристикой возбудителя.

Использовав отрицательную обратную связь по напряжению на якоре или в пренебрежении — по ЭДС вращения (рис. 3.24, а), получим

откуда, подставив это выражение в уравнение для момента будем

иметь

Таким образом, в этой структуре механические характеристики имеют вид гипербол (рис. 3.24, б), т.е. стабилизируется мощность, развиваемая двигателем.

Приведенные примеры иллюстрируют богатые возможности получения искусственных механических характеристик любой требуемой формы посредством использования соответствующих обратных связей.

Следует отметить, что в системе источник тока — двигатель замыкание системы позволяет распространить экономный способ регулирования изменением магнитного потока на всю область т.е. сделать регулирование двухзонным, с широкими функциональными возможностями.

Однако следует также иметь в виду, что рассмотренные приемы относятся лишь к получению статических характеристик и не учитывают динамических особенностей системы, которые в ряде случаев могут потребовать дополнительных усилий для получения удовлетворительных результатов.

3.7.4. Системы, замкнутые по положению

Важным частным случаем замкнутой системы служат системы, замкнутые по положению, т.е. позиционные системы или следящие электроприводы. Рассмотрим кратко основные свойства и особенности таких электроприводов на самом простом примере (рис. 3.25, а). В состав любого следящего электропривода кроме двигателя Д и преобразователя У/7 обязательно входит датчик положения ЦП. В рассматриваемой простейшей позиционной системе он выполнен в виде двух потенциометров — задающего и приемного подвижный контакт которого механически — непосредственно или через редуктор — связан с валом двигателя.

Когда оба потенциометра установлены в нулевое положение, сигнал и, следовательно, — система неподвижна. Если на потенцио-

метре установить некоторый входной угол возникнет сигнал

где — коэффициент передачи датчика положения, и при работе преобразователя УП на линейном участке характеристики пропорциональное ему напряжение на якоре двигателя

двигатель переместит подвижный контакт потенциометра на некоторый угол

Оценим погрешность позиционирования в конце перемещения при Из уравнения движения в этом случае имеем

или

где

Подставив вместо напряжения его выражение через погрешность, будем иметь

т.е. погрешность позиционирования в линейной системе пропорциональна моменту нагрузки и обратно пропорциональна коэффициенту усиления К (рис. 3.25, б).

Очень часто системы, замкнутые по положению, используются для воспроизведения выходным валом (валом двигателя) движения входного вала или задания. В этом случае датчик положения может быть выполнен на двух сельсинах — задающем и приемном, связанном с валом двигателя [5]. Принцип действия следящих систем не отличается от изложенного выше, однако интерес представляет не погрешность позиционирования, а погрешность слежения в режиме заводки с постоянной скоростью. Из уравнения движения в пренебрежении моментом нагрузки имеем

где — жесткость механической характеристики двигателя.

Заменив, как и раньше, его выражением через напряжение и погрешность, получим

откуда будем иметь

т.е. установившаяся погрешность слежения в линейной следящей системе пропорциональна скорости заводки (скорости входного вала) и обратно пропорциональна коэффициенту усиления К (рис. 3.25, в).

Кроме указанных погрешностей в установившихся режимах в электроприводах, замкнутых по положению, очень велика роль динамических погрешностей, устойчивости и других специфических параметров, изучение которых выходит за рамки настоящей книги.