Оптимизация при проектировании

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 6Следующая ⇒

1. Параметрическая – при заданной структуре и функциональных воздействиях определяются наилучшие параметры при которых получаются заданные показатели качества.

2. Структурная – поиск технического решения при котором используется минимум блоков и устройств.

3. Функциональная – определение закона управления, структуры и числовых значений параметров.

Чаще всего при проектировании производится комбинированная оптимизация.

Наиболее распространенный принцип проектирования – по прототипу – выбирается типовая структура СУ, определяются значение параметров, оценивается качество.

Модульный принцип заключается в выборе общей схемы управления, отвечающей требованиям ТЗ, из типовых блоков (модулей).

Принцип непосредственного синтеза СУ – по известной модели объекта и целевой функции специальными методами определяется структура, характеристики, числовые значения параметров и вид воздействия.

Ограничения при проектировании.

Физические – коэффициенты усиления;

Технические – постоянные времени;

Функциональные – насыщение, ускорение;

Энергетические – надежность;

Информационные –

Ограничения необходимо учитывать при проектировании.

При проектировании СУЭП приходится решать линейные и нелинейные задачи, использовать ручные и машинные методы проектирования, расчета и исследования, выбирать наиболее приемлемые методы и алгоритмы анализа и синтеза.

Реализация задача творческая, иттерационная.

В ТЗ входят следующие разделы:

1. назначение системы;

2. условия эксплуатации

общий срок, режимы, продолжительность непрерывной работы, климатические условия (t0 C, давление, влажность) вибрация. Ускорения, радиационные и биологические воздействия, требования к обслуживанию и ремонту, дизайн, транспортировка и хранение;

3. требования к габаритам и массе;

4. требования к показателям качества регулирования в статических и динамических режимах;

5. требования к надежности;

6. компоновка;

7. условия производства;

8. сроки проектирования.

Классифицировать СУЭП можно по виду управления:

1. стабилизирующие – .

2. программные – или – по программе.

3. следящие (позиционирование).

4. адаптивные (приспосабливающиеся).

Уровни управления СУ.

При построении АСУ ЭП следует выделять 2 уровня: внутренний и внешний.

Требования к СУ.

1. надежность – наработка на отказ;

2. точность – обеспечение заданной точности управления движением люфт – 1 мм;

3. быстродействие – реакция на воздействие min.

4. совместимость с другими устройствами;

5. удобство монтажа, обслуживания, ремонта;

6. помехозащищенность;

7. ресурсоемкость min (материалоемкость, энергоемкость, трудоемкость);

8. стоимость min.

Современные способы управления ЭП.

1. способы управления создаются в ТАР.

2. они распространены не только на ЭП, но и на другие объекты – технические, экономические, экспертные и даже социальные.

3. ЭП – наиболее представительный, распространенный и сложный технический объект.

4. можно выделить 2 уровня управления электроприводом:

· Внешний (верхний) уровень – технологическая программа работы ЭП (определяется механизмом или технологией).

· Внутренний (нижний) уровень – формирование статистических и динамических характеристик.

Пример: лифт – верхний уровень – заданный этап,

– нижний уровень – статические и динамические характеристи- ки, точность.

Система управления внутреннего уровня является составной частью регулируемого ЭП.

Для выделения уровней используются различные способы (методы) управления:

1. Классические – релейно-контакторное управление (жесткая логика).

2. Современные – возникли на основе классических

Скользящее, подчиненное, модальное, векторное, адаптивное управление - используются на внутреннем уровне. В них заложены критерии оптимизации быстродействие, точность, расход энергии. При модальном и векторном управлении требуется наблюдающее устройство (обязательно).

3. Перспективные способы – нейронные сети.

4. Интеллектуальные – фаззи управление.

Применимы для обоих уровней. Требуют наблюдающие устройства.

Универсальны – техника, экономика, экспертиза.

Скалярное управление – управление действующими значениями электрических величин.

Векторное управление – управление модулем и фазой мгновенных значений напряжения, тока, потокосцепления.

Модальное управление – управление корнями характеристического уравнения системы. Уменьшение датчиков, получение высокого качества, использование НУ.

Скользящее управление – релейный регулятор, переключающийся с высокой частотой, надежность, помехоустойчивость.

Адаптивное управление – приспособление к изменению параметров объекта.

Нейронная сеть – многоканальная модель нервно-мозговой системы человека.

Заложена способность к обучению путем изменения ω по определенному закону.

Свойство обучения используется в адаптивном регуляторе.

Фаззи управление – работает на основе модели процесса ассоциативного мышления человека, т. е. мышления в виде образов – терминов, которые оцениваются не телом, а числовым множеством. Больше – меньше; чуть больше – немного меньше.

Достоинства этих способов управления:

- адаптация к изменению параметров;

- реализация любого требуемого алгоритма управления;

- возможность работы с неточным описанием объекта (неполным) или при отсутствии его (нейронные сети).

Показатели качества регулирования.

1. Диапазон регулирования.

;

станки: D от 3 – 4 до 100;

станы: D от 20 до 50;

бумагоделательные машины: D ≈ 20.

2. Плавность регулирования.

; - отношение скоростей на двух соседних характеристиках.

изменяется – 1 ÷ 2;

– плавное (непрерывное) регулирование.

3. Экономичность регулирования.

; – оценка двигателя, как преобразователя электрической энергии в механическую.

С увеличением потерь ( ) регулирование становится не экономичным.

;

4. Стабильность регулирования (статизм).

– способность держать нагрузку (отклонение скорости под действием нагрузки).

1. Направление регулирования.

2. Точность регулирования (максимальное отклонение частоты вращения, от заданной под действием нагрузки).

;

8. Допустимая нагрузка.

Допустимая нагрузка – нагрузка при которой двигатель работает без перегрева.

– условие работы двигателя без перегрева.

Показатели качества регулирования. (Динамический режим)

1. – время запаздывания;

2. – время первого согласования;

3. – время переходного процесса (быстродействие системы);

4. перерегулирование:

5. число колебаний:

6. скорость нарастания (ускорение):

Формирование статических характеристик ЭП.

1. Необходимость формирования статических характеристик связана с невысоким качеством естественной характеристики – низкая жесткость, малый диапазон, отсутствие ограничений тока и момента.

2. Повышение качества статических характеристик достигается в замкнутых системах (с обратными связями по скорости, току, напряжению, с отсечками).

3. Под формированием статических характеристик подразумевается подбор вида обратной связи (или их комбинации) и коэффициентов обратных связей, который дает необходимое качество регулирования.

Рассмотрим процесс формирования статических характеристик на примере тиристорный преобразователь – двигатель (ТП – Д).

1. Система с обратной связью по напряжению.

Система уравнений для статического режима:

В этих уравнениях:

– коэффициенты усилителя У и преобразователя П;

, – ЭДС преобразователя и двигателя;

, – сопротивления преобразователя и двигателя;

– коэффициент обратной связи по напряжению;

– постоянная двигателя, k – конструктивный коэффициент.

После подстановки уравнений и преобразователей получается уравнение механической характеристики замкнутой системы:

(*)

На графике:

1 – естественная механическая характеристика;

2 – разомкнутая, с учетом , ;

3 – характеристика замкнутой системы при максимальном коэффициенте системы;

4 – характеристика замкнутой системы при минимальном коэффициенте системы.

Анализ характеристик

· Первый член уравнения (*) определяет скорость идеального холостого хода, которую можно изменять путем изменения (характеристики 3 и 4).

· При жесткость механической характеристики не превосходит жесткость естественной характеристики.

· Диапазон регулирования будет зависить от падения напряжения в цепи якоря двигателя.

· Статизм при конечном значении будет возрастать по мере снижения напряжения задания .

;

· Такая система не обеспечивает большой диапазон и не обладает высокой точностью поддержания скорости.

· Фактически с помощью такой обратной связи компенсируется падение напряжения на внутреннем сопротивлении преобразователя и колебания напряжения сети.

· Применяется в комбинации с другими видами обратных связей.

2. Система с обратной связью по току.

Уравнения описывающие систему, за исключением первого, аналогичные.

где – .

В качестве шунта может быть использована обмотка дополнительных полюсов (стабилизирующая, компенсационная).

Уравнение механической характеристики:

;

где .

Анализ характеристик

· Статизм может быть равен нулю при – характеристика 3.

· При > 1 – характеристика восходящая 1.

· При < 1 – отрицательная жесткость – характеристика 2.

· Статизм определяется: ;

· Такая обратная связь компенсирует падение ω под действием нагрузки.

· Увеличение k ограничено устойчивостью системы.

3. Система с обратной связью по скорости.

Уравнения описывающие систему, за исключением первого. Аналогичные.

Уравнение механической характеристики:

;

где, , .

Анализ характеристик.

· Напряжение задания в замкнутой системе при обратных связях по скорости и напряжению выше чем в разомкнутых.

· Статизм определяется: при увеличении k статизм уменьшается.

· Возможно получение значительного диапазона (характеристики 2 – 4).

· Характеристика 1 – предельная при .

Формирование динамических характеристик.

Объект рассмотрения – система преобразователь – двигатель постоянного тока с различными обратными связями.

1. Управление осуществляется по цепи якоря, магнитный поток возбуждения постоянный и номинальный.

2. Задающее воздействие изменяется скачкообразно (переход с одной регулировочной характеристики на другую).

3. Изменение задания проводится в небольших пределах, чтобы считать систему линейной.

4. Механическая часть привода абсолютно жесткая, скоростное трение отсутствует.

5. Возмущающее воздействие и момент сопротивления равны нулю.

6. Индуктивностью внутренней силовой цепи преобразователя пренебрегаем.

1. Система с обратной связью по напряжению.

Принципиальная схема

П – преобразователь.

М – двигатель ПТ.

ОУ1 – ОУ3 – обмотки управления и обратных связей.

– напряжение задания (изменяется сигналом).

и – напряжения обратных связей по напряжению и току.

ДН и ДТ – датчики напряжения и тока.

С изменением тока двигателя изменяется напряжение преобразователя (ЭДС), поэтому в схеме с обратной связью по напряжению необходимо учитывать токовую составляющую, которая показана в виде положительной обратной связи по току.

Структурная схема

– коэффициенты усиления ОУ1

– коэффициенты усиления ОУ2

– коэффициент обратной связи по напряжению.

Передаточная функция по задающему воздействию:

;

Кривые реакции на скачок задания.

1 – кривая по передаточной функции Ф(Р);

2 – кривая без учета токовой составляющей;

3 – кривая разомкнутой системы.

– эквивалентная постоянная времени преобразователя.

– эквивалентный коэффициент усиления ОУ1.

– эквивалентный коэффициент усиления ОУ2.

Выводы:

1. Введение обратной связи по напряжению ускоряет переходный процесс на начальной стадии, но удлиняет на конечной (колебания).

2. Обратная связь по напряжению снижает коэффициент усиления и постоянную преобразователя.

3. Наличие в обратной связи по напряжению токовой составляющей ухудшает демпфирование системы – уменьшается коэффициент при первой производной .

4. Характер переходного процесса определяется в большей степени параметрами двигателя.

Обратная связь по скорости оказывает аналогичное действие.

Замкнутые системы автоматического управления электроприводом.

Назначение – управлять электроприводом по заданному закону;

– компенсировать влияние возмущений.

Система автоматического управления (САУ) вырабатывает сигнал управления в зависимости от сигналов датчиков и напряжения задания.

Требования к САУ.

1. Система должна быть устойчивой в установленном режиме, т. е. после изменения управляющего воздействия или исчезновения возмущения должны установиться заданные значения параметров.

2. Погрешность (ошибка регулирования) в установленном режиме не должна превышать заданной величины.

3. Система должна обеспечивать необходимое качество производственного процесса.

В электроприводе используются три основных принципа построения САУ

- попеременный

- параллельный

- последовательный.

Повышение качества работы САУ достигается введением корректирующих звеньев и связей, а также схемой построения регуляторов.

Параллельная и последовательная коррекция

сложность расчета сложность организации САУ

трудоемкость постройки энергоемкость (ист. питания)

необходимость перерасчета низкая помехозащищенность

при изменении одного параметра

высокое быстродействие удобное ограничение координат

простая реализация унифицированные узлы и блоки

простая наладка.

Попеременный принцип – наиболее простой, но не дающий высокого качества регулирования.

Сущность подчиненного регулирования – безынерционная система, отрабаты –

вающая напряжение управления без

перерегулирования.

Для этого последовательно с объектом необходимо поставить регулятор с W(p) обратной W(p) объекта.

Это невозможно сделать по ряду причин.

1. Объект содержит несколько Т, перед некоторыми принципиально невозможно поставить регулятор.

2. Скорость нарастания тока якоря в этом случае должна быть недопустимо большой, что ограничивается коммутационной способностью коллектора двигателя и вызывает недопустимые ударные нагрузки на механизм.

Для отечественных машин допустимо .

3. Такая система чувствительна к различным помехам, что может привести к ложному открытию тиристоров.

Ищется компромиссное решение – максимальное быстродействие при допустимой помехозащищенности.

Строится САУ, состоящая из ряда контуров, число которых равно числу регулируемых координат.

Постоянные времени объекта разбиваются на:

большие – которые должны быть скомпенсированы;

малые – сумма которых не компенсируется.

Работа СПР.

Сигналом задания на ток является .

При наличии задания на ток, и изменяются до тех пор, пока фактическое значение тока якоря не станет равным . Величина пропорциональна отклонению скорости от заданного значения.