Классификация и ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО
Министерство образования и науки РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Пермский государственный технический университет
Системы управления
Исполнительными механизмами
Учебное пособие
Составитель д.т.н., проф. каф. МСА Казанцев В.П.
Пермь - 2010
УДК 62-52
К 62
Системы управления исполнительными механизмами: Учебное пособие / В.П. Казанцев – Пермь, РИО ПГТУ – 2010 г.
В учебном пособии представлены основные понятия, классификационные признаки и характеристики исполнительных механизмов (ИМ) и систем управления исполнительными механизмами (СУИМ) применительно к широкому классу типовых производственных объектов. Рассмотрены обобщенные функциональные структуры СУИМ, формы и методы математического описания, задачи и методы исследования систем управления электромеханическими, электропневматическими и электрогидравлическими приводами исполнительных механизмов, обеспечивающих требуемое качество регулирования тех или иных технологических координат. Рассмотрены вопросы синтеза и анализа систем стабилизации, программного и следящего управления.
Требуемые показатели качества технологических процессов во многом определяются качеством управления такими координатами СУИМ, как угловые и линейные скорости и положения рабочих органов, в том числе – регулирующих органов запорно-регулирующей арматуры теплоэнергетических и иных объектов. Именно поэтому в учебном пособии наибольшее внимание уделено синтезу систем управления координатами скорости и положения рабочих органов.
|
|
|
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и специалистов 657900 и 220300 – «Автоматизированные технологии и производства», 140600 – «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» и специальностям 210200 –«Автоматизация технологических процессов и производств», 220305 – «Автоматизированное управление жизненным циклом продукции», 140211 – «Электроснабжение», 140604 – «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».
ОГЛАВЛЕНИЕ
Принятые сокращения ………………………………………………… 6
Введение ……………………………………………………………………. 8
1. Классификация И ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ
МЕХАНИЗМОВ .…………………………….……………………………. 10
1.1. Исполнительные механизмы (ИМ). Основные понятия ……….. 10
1.2. Классификация исполнительных механизмов ……....………… 13
1.3. Электрические исполнительные механизмы (ЭИМ) …………… 21
|
|
|
1.3.1. Исполнительные механизмы однооборотные (МЭО) …. 24
1.3.2. Исполнительные механизмы многооборотные (МЭМ)... 28
1.3.3. Исполнительные механизмы прямоходные (МЭП) ...…. 29
1.4. Пневматические исполнительные механизмы (ПИМ) ………… 31
1.5. Гидравлические исполнительные механизмы (ГИМ) …………. 37
1.6. Электромагнитные исполнительные механизмы ..…………….. 42
2. Функциональные схемы суим. Основные задачи
исследования и стадии проектирования суим ………….. 44
2.1. Классификация систем управления исполнительными
механизмами ......................……………………………………………. 44
2.2. Обобщенные функциональные схемы, координаты
и параметры СУИМ. Функциональные элементы СУИМ ………….. 46
2.3. Основные задачи исследования и стадии
проектирования СУИМ …………………..……………………………. 50
2.3.1. Основные задачи исследования СУИМ …………………. 50
2.3.2. Стадии проектирования СУИМ ……….…………………. 54
3. Математическое описание И ХАРАКТЕРИСТИКИ СУИМ .... 60
3.1. Формы математического описания линейных СУИМ ………… 60
3.2. Линеаризация нелинейных СУИМ ……………………………… 62
3.3. Статические и динамические характеристики СУИМ ………… 64
3.3.1. Статика СУИМ. Коэффициенты ошибок СУИМ
|
|
|
по положению, скорости и ускорению ………………………….64
3.3.2. Динамика СУИМ. Свободные и вынужденные
движения …………………………………………………………. 67
4. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И МАТЕМАТИЧЕСКие модели
элементов СУИМ ……………………………………….. .……………… 70
4.1. Исполнительные механизмы …………………………………….. 70
4.2. Приводы …………………………………………………………... 72
4.2.1. Коллекторные двигатели постоянного тока ...………….. 73
4.2.2. Бесколлекторные двигатели постоянного тока ...……….. 79
4.2.3. Асинхронные двигатели …………………... .………….... 83
4.2.4. Синхронные двигатели …………………….…………...... 88
4.2.5. Шаговые двигатели ……………………………………….. 91
4.3. Силовые преобразователи энергии ..……………………………... 93
4.3.1. Электромашинные преобразователи …………………….. 93
4.3.2. Тиристорные преобразователи ...…………………………. 95
4.3.3. Транзисторные и симисторные преобразователи ……... 101
4.4. Датчики координат СУИМ ...……………………………………. 103 4.5. Регуляторы, корректирующие звенья …………………………… 104
5. Общие принципы построения СУИМ……. ..…………………. 117
5.1. Релейно-контакторные СУИМ ..………..……………………….. 117
5.1.1. РКСУ асинхронным двигателем
с короткозамкнутым ротором…………………………………... 118
|
|
|
5.1.2. РКСУ асинхронным двигателем с фазным ротором ...… 121
5.2. Бесконтактные СУИМ постоянной скорости .……………….... 123
5.3. Системы стабилизации выходных координат, типовые
методы улучшения качества регулирования ………..…..…………. 131
5.4. Системы программного управления, способы ограничения
координат СУИМ …………………………..…………………………. 135
5.5. Системы следящего управления, понятие добротности …….… 140
6. Синтез СУИМ ..……………………………………………...................... 143
6.1.Подчиненное регулирование координат ……….………………... 144
6.2. Оптимальные настройки контуров регулирования СУИМ ……. 145
6.2.1. Технический оптимум …………………………………... 146
6.2.2. Симметричный оптимум ………………………………. 146
6.2.3. Апериодический оптимум ……………………………... 147
6.3. Типовая методика структурно-параметрического синтеза … …..148
7. Системы регулирования скорости ЭИМ ..………………..… 150
7.1. Система регулирования скорости «Тиристорный
преобразователь - двигатель постоянного тока» ………………..… 150
7.2. Система регулирования скорости «Электромашинный
преобразователь - двигатель постоянного тока» …………..……… 158
7.3. Система двухзонного регулирования скорости ……………... 160
7.4. Системы управление ЭИМпеременного тока ……………….. 162
8. Системы регулирования положения ЭИМ ..………….. . 170
8.1. Режимы перемещения рабочих органов …………………….. 170
8.2. САР положения с линейным регулятором ……………….. 172
8.3. САР положения с параболическим регулятором ………… 174
8.4. Инвариантные и квазиинвариантные следящие СУИМ …… 177
9. дискретно-непрерывные СУИМ …………………………….. 181
9.1. Дискретизация сигналов и z-преобразование ……………..... 181
9.2. Дискретные передаточные функции и разностные
уравнения при описании СУИМ …………………………………. 185
9.3. Синтез цифровых систем управления …………………….. 186
9.3.1. Методы дискретизации аналоговых регуляторов
и билинейного преобразования …………………………….. 186
9.3.2. Метод переменного коэффициента усиления ……… 188
9.3.3. Метод аналитического конструирования цифровых
регуляторов состояния ………………………………………. 190
10. Интеллектуальные СУИМ …………………………………….. 195
10.1. Функциональная структура интеллектуальной СУИМ …….. 196
10.2. Технические средства интеллектуализации СУИМ ………… 199
10.3. СУИМ на интеллектуальных средствах управления фирмы
ОВЕН ……….………………………………………………………… 207
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………….. 214
ЛИТЕРАТУРА ………………………………………………………………. 215
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АД – асинхронный двигатель;
АСУТП – автоматизированная система управления технологическим процессом;
АЭП – автоматизированный электропривод;
АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
БДПТ – бесколлекторный двигатель постоянного тока;
БКВ – блок концевых выключателей;
БСПИ – блок сигнализации положения (выходного вала) индуктивный;
БСПР – блок сигнализации положения (выходного вала) резистивный;
БСПТ – блок сигнализации положения (выходного вала) токовый;
ВД – вентильный двигатель;
ВМУ – векторно-матричные уравнения;
Ду – условный диаметр прохода;
ДПТ – двигатель постоянного тока;
ЗРА – запорно-регулирующая арматура;
ЗЭиМ – завод электроники и механики (г. Чебоксары);
ИМ – исполнительный механизм;
ИН – инвертор напряжения;
ИТ – инвертор тока;
МЗТА – Московский завод тепловой автоматики;
МИМ – мембранный исполнительный механизм;
ММ – математическая модель;
МПИМ – мембранный пневматический исполнительный механизм;
МСУ – микропроцессорные средства управления;
МЭМ – механизм электрический многооборотный;
МЭО – механизм электрический однооборотный;
МЭОФ – механизм электрический однооборотный фланцевый;
МЭП – механизм электрический прямоходный;
МЭПК – механизм электрический прямоходный кривошипный;
НИОКР – научная и опытно-конструкторская работа;
НИР – научно-исследовательская работа;
ОДУ – обыкновенные дифференциальные уравнения;
ОУ – объект управления;
ПБР – пускатель бесконтактный реверсивный;
ПВ – продолжительность включения;
ПИМ – пневматический исполнительный механизм;
ППИМ – поршневой пневматический исполнительный механизм;
РИМ – ручной исполнительный механизм;
РКСУ – релейно-контакторная система управления;
РО – рабочий (регулирующий) орган;
САР – система автоматического регулирования;
САУ – система автоматического (автоматизированного) управления
СД – синхронный двигатель;
СПЭ – силовой преобразователь энергии;
СУИМ – система управления исполнительным механизмом;
СУЭП – система управления электроприводом;
ТЗ – техническое задание;
ТП – тиристорный (транзисторный) преобразователь;
ТЭН – тепловой электрический нагреватель;
УВМ – управляющая вычислительная машина;
УСО – устройство связи с объектом;
УУ – устройство управления;
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;
ЧРП – частотно-регулируемый привод;
ШД – шаговый двигатель;
ЭГИМ – электрогидравлический исполнительный механизм;
ЭИМ – электрический исполнительный механизм;
ЭМИМ – электромагнитный исполнительный механизм;
ЭМП – электромашинный преобразователь;
ЭМСУ – электромеханическая система управления;
ЭП – электропривод;
ЭПГИМ – электропневмогидравлический исполнительный механизм;
ЭПИМ – электропневматический исполнительный механизм.
Введение
Целью преподавания дисциплины «Системы управления исполнительными механизмами» (СУИМ) является подготовка высококвалифицированных специалистов, знающих основы теории и принципы построения систем управления приводами рабочих, регулирующих органов как общепромышленных, так и специализированных исполнительных механизмов (ИМ).
Применительно к объектам энергетики рабочими органами исполнительных механизмов являются, прежде всего, регулирующие органы (РО) запорно-регулирующей арматуры (ЗРА), управляющей потоками жидкости, газов или сыпучих материалов (клапаны, пробковые и шаровые краны, заслонки, шиберы, задвижки и т.п.). В общем случае для управления ИМ применяют электромеханические (ЭИМ), пневматические (ПИМ), гидравлические (ГИМ) и электромагнитные (ЭМИМ) исполнительные механизмы.
ЭИМ доминируют в общей массе ИМ (порядка 95 %) в силу многочисленных преимуществ, и именно на основе этих электромеханических систем управления (ЭМСУ) или автоматизированных электроприводов (АЭП) реализовано большинство автоматизированных промышленных систем управления.
В последние годы в энергетике наряду с регулированием параметров потока энергоносителей (давление, расход, температура и т.п.) за счет изменения проходного сечения арматуры (дросселирования) их регулирование осуществляют изменением скорости электроприводов постоянного или переменного тока (объемное регулирование), что позволяет значительно снизить затраты электроэнергии. В первом случае в основе СУИМ – приводы постоянной скорости, во втором – приводы переменной скорости. Наиболее перспективны в этом плане системы, сочетающие оба способа регулирования.
Сравнительно недавно в практике отечественного машиностроения преобладали электроприводы, в том числе комплектные, с аналоговым (непрерывным) управлением. В последние годы стала доминировать тенденция интеллектуализации СУИМ за счет применения цифровых методов и средств управления. При этом наблюдается устойчивая тенденция к удешевлению цифровых средств управления электроприводами переменного тока и применению частотно-регулируемых асинхронных, синхронных, и, прежде всего – вентильных АЭП.
Современные микропроцессорные контроллеры позволяют не только реализовать управление электроприводом одной локальной технологической координаты какого-либо объекта (скорости или положением ИМ, давления газа или жидкости в магистрали трубопровода, температуры в топке котла и др.), но и осуществить взаимосвязанное оптимальное управление несколькими параметрами технологических объектов, причем самой различной физической природы. Это обстоятельство потребовало применения рационального сочетания иерархических и децентрализованных принципов управления электроприводами, пневмоприводами, гидроприводами и иными приводами управляющих органов объектов управления (ОУ). Очевидно, что современная СУИМ – лишь подсистема в сложной системе автоматизации технологических процессов. Знание роли и места СУИМ и микропроцессорных средств управления в таких системах автоматизации – одна из основных задач настоящего учебного курса.
Многообразие технических ОУ и, как следствие, законов движения исполнительных механизмов и требований к статическим и динамическим показателям качества регулирования выходных координат ОУ предполагает применение различных принципов построения и аргументированный подход к выбору элементной базы СУИМ. Вместе с тем, к любому объекту управления можно применить традиционные в теории управления методы математического описания (математические модели), принципы построения, методы синтеза и анализа систем управления. Отсюда понятно, что учебная дисциплина «СУИМ» базируется на таких фундаментальных понятиях теории автоматического управления, как «математическая модель объекта управления», «критерии качества управления», «обратные связи», «регулятор», «система управления» и т.п. Управление современными техническими объектами основано на применении обратных связей по координатам (переменным состояния) объектов, компенсации возмущений внешней по отношению к ОУ среды и реализации принципа подчиненного регулирования координат ОУ. Фундаментальными свойствами СУИМ являются быстродействие (время регулирования или полоса пропускания), точность регулирования (статическая и динамическая), добротность, инвариантность, чувствительность и др.
Логическим развитием структур СУИМ в направлении их децентрализации является интеллектуализация самого нижнего уровня систем – датчиков и исполнительных органов. В связи с этим значительное внимание в учебном пособии уделено вопросам синтеза дискретных и дискретно-непрерывных СУИМ, а также применению в структурах СУИМ средств интеллектуализации исполнительных механизмов (применению бесконтактных реверсивных интеллектуальных пускателей, блоков сигнализации положения, микропроцессорных контроллеров исполнительных механизмов, сетевых технологий передачи информации и управления и др.).
Фундаментальными свойствами СУИМ являются быстродействие (время регулирования или полоса пропускания), точность регулирования (статическая и динамическая), добротность, инвариантность и др.
Классификация и ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ
1.1. Исполнительные механизмы. Основные понятия.
Согласно ГОСТ 14691 «Устройство исполнительное для систем автоматического регулирования» представляет собой устройство системы автоматического управления или регулирования, воздействующее на процесс в соответствии с полученной командной информацией. При этом имеется в виду, что исполнительное устройство состоит из двух функциональных блоков: собственно исполнительного механизмаи регулирующего органа и может оснащаться дополнительными блоками. Так что же такое исполнительный механизм в концепции исполнительного устройства систем автоматизации? Приведем необходимые для дальнейшего понимания материала определения и некоторые сопутствующие комментарии преимущественно в авторской трактовке, но базирующиеся на общепринятых в данной предметной области понятиях. Ниже курсивом выделены некоторые производные (наследуемые) понятия от понятия «исполнительный механизм» (понимаемое как родовое понятие).
Исполнительный механизм (ИМ) – термин (понятие) инженеров по автоматизации. Существует достаточно много определений понятия «Исполнительный механизм». В различных энциклопедических словарях (БСЭ, Википедии, Англо-русском словаре технических терминов и др.) приводится та или иная трактовка этого понятия. Различия понятий определяются, прежде всего, различными воззрениями исследователей на проблему управления техническими объектами, степенью обобщения отраслевых и межотраслевых понятий, а также отраслевой спецификой (объекты электроэнергетики и теплоэнергетики, объекты атомной энергетики, металлорежущие станки, роботы и манипуляторы, общепромышленные механизмы и т.п.).
В наиболее общей трактовке под ИМ понимают любой механизм, осуществляющий воздействие на технический (технологический) объект управления по сигналам оператора или от системы управления (пульта управления оператора, промышленного логического контроллера (ПЛК), контурного регулятора и т.п.). При этом подразумевается, что ИМ воздействует на некий рабочий орган (РО) объекта управления (рабочую машину). Рабочими машинами в этом случае могут быть, например, ядерный реактор или крановые установки. К рабочим органам в этом случае могут относиться, например, графитовые стержни замедлителя ядерного графитоводяного реактора, механизмы перемещения и подъема мостового, козлового, портального крана и т.п.
В частном случае, ИМ – это устройство в системе автоматического регулирования и (или) дистанционного управления, непосредственно осуществляющее механическое перемещение (поступательное или вращательное) рабочего органа трубопроводной арматуры объекта управления. При этом подразумевается, что рабочим органом является регулирующий орган (РО), который принадлежит той или иной запорно-регулирующей арматуре (ЗРА). Изменение положения регулирующего органа вызывает изменение потока энергии или материала, поступающих на объект, и тем самым, воздействует на рабочие машины (механизмы и технологические процессы), устраняя тем самым отклонения регулируемой величины от заданного значения.
Вместе с тем, в соответствие с ГОСТ Р 52720-2007 термин «регулирующий орган» не является рекомендуемым к употреблению, а если и употребляется, то в понимании «регулирующий клапан».
На рис. 1.1. приведена классификация основных видов трубопроводной арматуры систем водоснабжения, две левые «ветви дерева» которой относятся к ЗРА.
Рис. 1.1. Классификация трубопроводной арматуры
ЗРА характеризуется множеством параметров, в частности конструкцией, типом привода, условным диаметром прохода Ду (от 20 мм до 3 м) и др. При этом собственно регулирующий орган, осуществляющий непосредственный контакт и взаимодействие с технологической средой (веществом, материалом или теплоносителем), призван изменять количественные или качественные характеристики вещества или материала.
Следует отметить, что ИМ иногда различают в зависимости от конструкции на простые (двухпозиционные), которые могут перемещать рабочий орган из одного крайнего положения в другое крайнее, и на сервоприводы, которые могут перемещать рабочий орган в любое положение в зависимости от управляющего сигнала и определять положение органа в пространстве. Поэтому под исполнительным механизмом часто понимают именно сервопривод (от латинского service – рабочий, слуга, и механизм), т.е. исполнительное устройство, используемое в качестве вспомогательного исполнительного привода элементов следящих систем управления, рулевых устройств и т.п.
В англоязычной литературе также имеются различные трактовки понятия «Исполнительный механизм»: actuating device, actuating unit, actuator, executive device, actuating mechanism, executing mechanism, operating mechanism.
Отсюда понятно, что основные различия в определении понятия «Исполнительный механизм» лежат в проблеме стандартизации понятий «Рабочая машина», «Рабочий орган», «Регулирующий орган». До настоящего времени эти понятия трактуются достаточно произвольно.
В дальнейшем, дабы не обременять читателей возможными интерпретациями понятия «Исполнительный механизм», будем полагать, что он воздействует на некие рабочие органы (РО) рабочих машин, а, в тех случаях, когда идет речь об управлении ЗРА, – на регулирующие органы (регулирующие клапаны) ЗРА (собственно клапаны, затворы, шиберы, заслонки, щаровые или пробковые краны и др.), которые будем также обозначать аббревиатурой «РО».
Основными управляемыми координатами ИМ являются координаты механического движения – положение и скорость ИМ (угловые или линейные) или эти же координаты, приведенные к координатам движения РО. Вместе с тем, поскольку ИМ совместно с РО может воздействовать на технологические координаты (температуру, расход, давление, концентрацию, уровень и др.) объекта управления, то зачастую именно эти координаты рассматривают как управляемые координаты ИМ.
В большинстве случаев ИМ работают от посторонних источников энергии и требуют применения соответствующих силовых преобразователей энергии (СПЭ), так как непосредственное (прямое) управление ими от первичных элементов регулирования (реле, датчиков и др.) невозможно вследствие их малой мощности, недостаточной для воздействия на выходной элемент рабочего (регулирующего) органа.
Дата добавления: 2018-05-31; просмотров: 713; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!