Мікропроцесорна система керування тиристорним електроприводом з автоматичною настройкою та змінюваним інтервалом дискретності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донецький державний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Мікропроцесорна система керування тиристорним електроприводом з автоматичною настройкою та змінюваним інтервалом дискретності

Старостін Сергій Станіславович

Донецьк - 2000

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Донецькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Коцегуб Павло Харитонович, Донецький державний технічний університет, завідувач кафедри електропривода та автоматизації промислових установок

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Акімов Леонід Володимирович, Харьківський державний політехнічний університет, професор кафедри автоматизованих електромеханічних систем

Кандидат технічних наук, доцент Пересада Сергій Михайлович, Національний технічний університет "КПІ", доцент кафедри електропривода та автоматизації промислових установок

Провідна установа:

Одеський державний політехничний університет, кафедра електромеханічних систем з комп'ютерним керуванням, Міністерство освіти і науки України, м. Одеса

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук, доцент Ларін А.М.

Анотація

Старостін С.С. Мікропроцесорна система керування тиристорним електроприводом з автоматичною настройкою та змінюваним інтервалом дискретності. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи. - Донецький державний технічний університет, Донецьк, 2000.

Дисертація присвячена питанням теоретичного обгрунтування та реалізації мікропроцесорної системи керування тиристорним електроприводом постійного струму з покращеними функціональними властивостями. Запропоновано принцип змінювання інтервалу дискретності регулювання силового струму тиристорного електропривода, що забезпечує стабілізацію динамічних характеристик контура регулювання струму. Знайдено закони регулювання струму з максимально можливою швидкодією. Виконано подальші дослідження систем з ідентифікацією та компенсацією навантаження привода. Досягнуто покращення динаміки процесів регулювання швидкості. Розроблено алгоритми швидкодіючої автоматичної настройки регуляторів струму та швидкості електропривода з поширеною галуззю застосування. Результати дисертації можуть бути використані і для тиристорного електропривода змінного струму.

Ключові слова: мікропроцесорне керування, тиристорний електропривод, змінюваний інтервал дискретності, регулювання, ідентифікація навантаження, автоматична настройка.

Abstract

Starostin S.S. Microprocessor-based Control System for Thyristorized Electrical Drive with Auto-tuning and Variable Sampling Interval. - Manuscript.

Thesis for a candidate of technical science degree by speciality 05.09.03 - Electrotechnical Complexes and Systems. - Donetsk state technical university, Donetsk, 2000.

This thesis is dedicated to questions of the theoretical grounds and the realisation of microprocessor-based control system for thyristorized electrical DC drives with improved functional performances. The principle is proposed for variations of the sampling interval during current regulation for the dynamical behaviour stabilisation of current control loop. Laws are obtained for current regulation with minimum response time. Further investigations are carried out for systems with the identification and compensation of drive load. The dynamic improvement for speed regulation has achieved. Auto-tuning algorithms for current and speed regulators of electrical drives have been developed for wide range using. Results can be used also for thyristorized electrical AC drives.

Key words: microprocessor-based control, thyristorized electrical drive, variable sampling interval, regulation, load identification, auto-tuning

Аннотация

Старостин С.С. Микропроцессорная система управления тиристорным электроприводом с автоматической настройкой и изменяемым интервалом дискретности. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. - Донецкий государственный технический университет, Донецк, 2000.

Диссертация посвящена вопросам теоретического обоснования и реализации микропроцессорной системы управления тиристорным электроприводом постоянного тока с улучшенными функциональными свойствами.

Проведен анализ существующих решений в области цифрового регулирования для систем тиристорного электропривода на базе микропроцессорных контроллеров. Определена общность систем регулирования тиристорного электропривода постоянного и переменного тока, строящихся на основе тиристорных выпрямителей. Обоснована необходимость решения задач в областях регулирования среднего значения силового тока электропривода, идентификации и компенсации нагрузки электропривода, а также автоматической настройки систем управления тиристорными электроприводами.

Предложен принцип изменения интервала дискретности регулирования силового тока тиристорного электропривода, обеспечивающий стабилизацию динамических характеристик контура регулирования тока. Выполнен синтез регулятора тока из условий процесса регулирования с конечной длительностью при максимальном быстродействии. При синтезе использована импульсная модель тиристорного выпрямителя представление тиристорного выпрямителя как идеального импульсного элемента с учетом задержки включения тиристоров относительно начала интервала дискретности. С помощью компьютерного пакета MathCAD определены дополнительные корректирующие воздействия для реализации регулирования с максимально возможным быстродействием в режимах непрерывного и прерывистого тока.

Проведены дальнейшие исследования систем регулирования скорости с идентификацией и компенсацией нагрузки привода при обратной связи как по мгновенному, так и по среднему значению скорости. Рассмотрены вопросы регулирования скорости при запаздывании на один интервал дискретности в формировании задания на ток. В системах использован пропорциональный регулятор скорости с компенсацией нагрузки за счет изменения задания на ток (момент) электропривода с учетом идентифицированной нагрузки. Идентификация нагрузки реализована на основе математической модели объекта регулирования, отражающей связь между вращающим моментом и скоростью электропривода. На основе импульсной модели тиристорного выпрямителя получена уточненная передаточная функция, характеризующая связь среднего и мгновенного значений скорости, позволившая реализовать улучшенный процесс идентификации нагрузки при измерении средней скорости электропривода. Корректирующее звено в контуре идентификации нагрузки синтезировано из условий процесса конечной длительности с максимальным быстродействием.

Доказано улучшение динамических характеристик систем регулирования скорости с идентификацией и компенсацией нагрузки привода по сравнению с системами с интегрально-пропорциональным регулятором скорости при изменениях как задающего воздействия, так и нагрузки электропривода.

Разработана методика компьютерной оптимизации систем регулирования с помощью пакета MathCAD, позволяющая существенно снизить затраты времени и вероятность ошибок в процессе оптимизации. Оптимизация контуров регулирования скорости в исследованных системах выполнена по модульному оптимуму.

Разработаны алгоритмы быстродействующей автоматической настройки регуляторов тока и скорости электропривода с расширенной областью применения. Предложено автоматическую настройку регулятора тока осуществлять на основе данных, получаемых при измерении среднего значения тока и длительности протекания тока при определенных углах управления тиристорного выпрямителя в режиме прерывистого тока при вращающемся двигателе. При этом формируются разнополярные импульсы тока, исходя из предпосылки нулевого результирующего угла поворота вала двигателя.

Обосновано, что электромагнитную постоянную времени силовой цепи целесообразно определять на основе изменения длительности протекания тока в режиме прерывистого тока.

Автоматическую настройку регулятора скорости предложено выполнять на основе определения параметров объекта регулирования с учетом изменения скорости при двух уровнях динамического момента (тока) электропривода при измерении как мгновенного, так и среднего значения скорости.

Проведены исследования на созданной экспериментальной установке тиристорного электропривода постоянного тока с микропроцессорным управлением. Подтверждена правильность использованных теоретических предпосылок, эффективность разработанных алгоритмов регулирования, адекватность реального электропривода и математических моделей, на основе которых проводились исследования.

Результаты диссертации могут быть использованы и для тиристорного электропривода переменного тока на базе преобразователей частоты с инверторами тока или с непосредственной связью.

Ключевые слова: микропроцессорное управление, тиристорный электропривод, изменяемый интервал дискретности, регулирование, идентификация нагрузки, автоматическая настройка.

1. Загальна характеристика роботи

мікропроцесорний тиристорний випрямляч електропривод

Актуальність теми. Системи електропривода з тиристорними випрямлячами займають провідне місце у забезпеченні функціювання технологічного обладнання у багатьох галузях промисловості: це - системи тиристорного електропривода постійного струму, які застосовуються у технологічних процесах, де потрібна висока якість регулювання швидкості електропривода у широкому діапазоні, та системи тиристорного електропривода змінного струму з тиристорними перетворювачами частоти на базі інверторів струму або з безпосереднім зв'язком, які все ширше використовуються у технологічних агрегатах великої потужності з регулюванням швидкості обертання.

Задачі керування тиристорним електроприводом сьогодні вирішуються переважно за допомогою мікропроцесорних контролерів. Але виконаний у роботі аналіз показує, що існуючі рішення з реалізації регулювання і автоматичної настройки не відповідають у повній мірі особливостям та можливостям мікропроцесорних систем керування. Це підтверджує актуальність пошуку нових рішень у цій галузі, чому і присвячена ця дисертаційна робота. У дисертації розглянуто питання регулювання і автоматичної настройки для тиристорного електропривода з двигунами постійного струму незалежного збудження. Але знайдені рішення можуть бути застосовані для відмічених вище типів електроприводів змінного струму з векторним керуванням після відповідної модифікації.

Зв'язок теми дисертації з планами робіт університету. Розробки виконувались за планами Донецького державного технічного університету у рамках наукового напрямку "Розробка мікропроцесорних систем керування електроприводами з автоматичною настройкою" згідно з комплексною програмою "Наукові основи електроенергетики" (розділ 1.9 "Фізико-технічні проблеми енергетики", підрозділ 1.9.2.5.2.3.3 "Розробка теорії синтезу та оптимізації мікропроцесорних систем автоматичного керування вентильними електроприводами постійного та змінного струму з покращеними динамічними та статичними характеристиками"), затвердженої на 1991-1995 роки Бюро відділення фізико-технічних проблем енергетики НАН України.

Мета роботи - теоретичне обгрунтування і реалізація мікропроцесорної системи керування тиристорним електроприводом з автоматичною настройкою та змінюваним інтервалом дискретності регулювання, що відрізняється покращеними функціональними властивостями.

Задачі, що потребують вирішення для досягнення поставленої мети:

обгрунтування доцільності змінювання інтервалу дискретності регулювання для стабілізації динамічних властивостей об'єктів у контурах регулювання струму та швидкості тиристорного електропривода;

синтез цифрового регулятора силового струму тиристорного випрямляча, що забезпечує максимально можливу швидкодію регулювання;

синтез системи цифрового регулювання швидкості з ідентифікацією та компенсацією навантаження електропривода, що відрізняється підвищеною швидкодією при реагуванні на змінювання як навантаження, так і завдання;

створення комп'ютерних математичних моделей тиристорного електропривода з цифровим керуванням для дослідження систем регулювання;

обгрунтування принципів автоматичної настройки системи регулювання, що забезпечують настройку як регулятора швидкості, так і регулятора струму електропривода в умовах обертання двигуна;

розробка методики комп'ютерної оптимізації систем регулювання;

проведення досліджень розробленої системи регулювання шляхом математичного моделювання;

створення експериментальної установки тиристорного електропривода з мікропроцесорним керуванням для підтвердження вірогідності результатів, які отримані шляхом математичного моделювання.

Об'єктом дослідження є процеси цифрового регулювання та автоматичної настройки у системах підпорядкованого регулювання тиристорного електропривода.

Предметом дослідження є покращення функціональних властивостей мікропроцесорної системи керування на підставі нових принципів регулювання і автоматичної настройки системи.

Методи дослідження базувалися на теорії тиристорних випрямлячів, теорії дискретних систем автоматичного регулювання, математичному комп'ютерному моделюванні, застосуванні експериментальної установки тиристорного електропривода з мікропроцесорним керуванням.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

вперше розроблено принцип цілеспрямованого змінювання інтервала дискретності регулювання середнього значення силового струму тиристорного випрямляча для забезпечення стабілізації динамічних властивостей об'єктів у контурах регулювання струму та швидкості електропривода;

вперше синтезовано закони регулювання силового струму тиристорного випрямляча при змінюваному інтервалі дискретності регулювання та встановлено залежності, характеризуючі необхідні коректуючі дії при регулюванні струму з максимально можливою швидкодією.

на основі отриманої уточненої передавальної функції об'єкта регулювання у контурі швидкості реалізовано ідентифікацію та компенсацію навантаження привода у процесі регулювання при вимірюванні середнього значення швидкості електропривода;

вперше обґрунтовано можливість визначення величини електромагнітної сталої часу силового кола електропривода на підставі тривалості протікання струму у режимі переривистого струму з метою застосування цієї інформації під час автоматичної настройки регулятора струму та контура ідентифікації навантаження привода.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

створено математичні моделі, що відображають тиристорний випрямляч як дискретну нелінійну ланку і специфіку дискретних систем регулювання, завдяки чому можливо проводити дослідження цифрових систем регулювання тиристорного електропривода. Адекватність розроблених моделей реальному тиристорному електроприводу підтверджена під час проведення досліджень на експериментальній установці;

розроблено методику рішення оптимізаційних задач на підставі комп'ютерного пакету MathCAD, яка може бути застосована у процесі оптимізації як дискретних, так і безперервних систем регулювання;

розроблено алгоритми функціювання мікропроцесорної системи керування тиристорним електроприводом, які можуть бути застосовані при реализації керування промисловими електроприводами;

створено експериментальну установку тиристорного електропривода з мікропроцесорним керуванням.

Результати дисертаційної роботи застосовано у навчальному процесі на кафедрі "Системи програмного управління" Донецького державного технічного університету для студентів спеціальності 7.0922.03 "Електромеханічні системи автоматизації та електропривод".

Розроблені алгоритми функціювання мікропроцесорної системи керування тиристорним електроприводом поряд з математичними моделями та методикою оптимізації прийнято до застосування Відділом систем програмного управління ЗАТ "Новокраматорський машинобудівний завод" (м.Краматорськ) з орієнтуванням на проектування тиристорних електроприводів великої потужності спеціального виконання.

Математичні моделі тиристорного електропривода з цифровим керуванням і методика комп'ютерної оптимізації систем регулювання передано в Інженерно-технічний центр "Сіменс Україна" (м.Донецьк) з метою використання при проектуванні промислових систем електропривода та систем автоматизації.

Використання результатів дисертації підтверджено відповідними документами.

Особистий внесок здобувача. Усі результати, що становлять зміст дисертації, отримано самостійно. Публікації за матеріалами дисертації здійснено без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи було представлено на п'яти науково-технічних конференціях з міжнародною участю "Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика" у 1994, 1995, 1996, 1997 і 1998 роках.

Публікації. Зміст дисертації відображено у 9 наукових публікаціях, з них 5 у провідних науково-технічних збірниках, затверджених ВАК України, а 4 - у збірниках наукових праць конференцій з міжнародною участю.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів і висновків, має загальний обсяг 193 сторінки, ілюстрована 106 рисунками й 10 таблицями, при цьому 32 рисунка та 2 таблиці розташовані на 26 окремих сторінках, має список використаних джерел з 67 найменувань на 7 сторінках та п'ять додатків на 23 сторінках.

2. Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи та надано наведену вище характеристику роботи, анотовано зміст розділів, відзначено, що всі результати досліджень, надані у розділах 1-4, отримано за допомогою моделюючого комп'ютерного пакета DS88 на базі розробленої математичної моделі тиристорного електропривода з цифровим керуванням, що відтворює специфіку тиристорного випрямляча як нелінійної дискретної ланки.

У першому розділі проведено аналіз існуючих рішень у галузі цифрового регулювання для систем тиристорного електропривода на базі мікропроцесорних контролерів. Такі питання розглядалися у багатьох публікаціях як іноземних, так і вітчизняних авторів. В Україні великий внесок у розвиток цієї галузі техніки зробили Перельмутер В.М., Радімов С.М., Файнштейн В.Г., Файнштейн Е.Г. та ряд інших дослідників.

У результаті аналізу визначено спільність систем регулювання тиристорного електропривода постійного та змінного струму, що будуються на підставі тиристорних випрямлячів. Зроблено висновок щодо доцільності орієнтування на асинхронний принцип керування тиристорними випрямлячами, при якому на процес регулювання не впливають похибки синхронізації з постачальною мережею, що притаманні синхронному принципу керування.

З точки зору регулювання силового струму тиристорного випрямляча обгрунтовано необхідність регулювання середнього значення струму. Такий підхід відповідає тому, що прирощення швидкості електропривода пропорційні інтегралу струму, і, крім того, характеризується покращеною перешкодостійкістю каналу зворотного зв'язку за струмом. На підставі аналізу існуючих рішень сформульовано задачу розробки нового принципу швидкодіючого цифрового регулювання струму силового кола тиристорного електропривода.

Розгляд питань регулювання швидкості визначив напрямок подальших досліджень у галузі ідентифікації та компенсації навантаження електропривода для систем з вимірюванням як миттєвого, так і середнього значення швидкості. Аналіз нечисленних розробок з автоматичної настройки систем керування тиристорними електроприводами показав необхідність пошуку нових рішень і в цій галузі. Це стосується у першу чергу автоматичної настройки контура регулювання струму в умовах обертання двигуна.

У другому розділі викладено результати рішення задачі цифрового регулювання силового струму тиристорного електропривода з максимально можливою швидкодією на підставі нового принципу регулювання зі змінюванням інтервалу дискретності при вимірюванні середнього значення струму I.

Передумовою до необхідності цілеспрямованого змінювання інтервалу дискретності вимірювання і, відповідно, регулювання струму служить розгляд контуру регулювання струму (рис.1) для режиму неперервного струму, передавальна функція (ПФ) об'єкта регулювання якого отримана на підставі імпульсної моделі тиристорного випрямляча приблизному представленні випрямляча у вигляді ідеального імпульсного елементу з ланкою затримки, яка відображає момент відкривання тиристорів відносно моменту вимірювання струму.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Структурна схема контура регулювання струму

Коефіцієнти ПФ (рис. 1) визначаються виразами

, (1)

де - параметр, що характеризує електромагнітну сталу часу силового кола Т_е по відношенню до інтервалу дискретності Т_I регулювання середнього значення струму;

затримка відкривання тиристорів відносно моменту вимірювання середнього значення струму;

m - фазність тиристорного випрямляча.

Регулятор струму (рис.1), синтезований із умов отримання процесу регулювання кінцевої тривалості з максимальною швидкодією, має коефіцієнти

(2)

При цьому передавальна функція замкненого контура струму дорівнює

. (3)

При (- кутова частота постачальної мережи) відносна затримка відкривання тиристорів _* змінюється від 0 до 1. При цьому коефіцієнт k₃ регулятора струму повинен відповідно варіюватися від 0 до 1 для забезпечення оптимального процесу регулювання струму. Але це не усуває залежності динамічних властивостей контура струму від величини затримки відкривання тиристорів: його передавальна функція змінюється від при = 0 до при = 2/m, що негативно впливає на реалізацію регулювання швидкості електропривода.

При = const і, відповідно, = const при лінеарізованому представленні контура регулювання струму (рис.1) параметри об'єкта регулювання, регулятора струму і всього контура струму будуть постійними.

У реальному тиристорному електроприводі умову = const неможливо забезпечити у динаміці, однак якщо виходити з передумови забезпечення однакової величини у сталому режимі при будь-якому рівні струму, то це, як показують проведені дослідження, практично забезпечить стабілізацію динамічних параметрів контура регулювання струму. Така передумова реалізується шляхом цілеспрямованого змінювання тривалості інтервалу дискретності у процесі регулювання струму.

При цьому у режимі неперервного струму при завданні на струм більше - цифрового значення струму у межовому режимі, регулювання здійснюється шляхом прирощування кута керування , яке розраховується на підставі різницевих рівнянь, наведених у табл.1. При дослідженні процесів змінювання струму за допомогою комп'ютерного пакету MathCAD встановлено, що для забезпечення максимально можливої швидкодії регулювання струму коефіцієнт k_3V та складова додаткової нелінійної корекції _Z повинні змінюватися у функції завдання на струм. Визначено, що суттєвого погіршення якості регулювання струму не виникає при _Z = 0 та при розрахунку необхідного значення коефіцієнта k_3V за лінійною залежністю у функціі завдання на струм.

У режимі переривистого струму синтез регулятора виконано на підставі передавальної функції

, (4)

яка отримана також з урахуванням імпульсної моделі тиристорного випрямляча.

Таблиця 1. Різницеві рівняння регулювання струму

Режим неперервного струму	Режим переривистого струму
Прирощування кута керування
;
Тривалість інтервалу дискретності вимірювання (регулювання) струму
Змінювання тривалості інтервалу дискретності

Коефіцієнт у ПФ (4) визначається рівнянням

.

При цьому статичний коєфіцієнт передачі об'єкту (див. ПФ (4) при z = 1) відповідає коефіцієнту нахилу одного з відрізків, апроксимуючих регулювальну характеристику тиристорного випрямляча при нульовій протиЕРС двигуна (рис. 2).

У результаті синтезу регулятора на підставі ПФ (4) з умов процесу регулювання кінцевої тривалості з максимально можливою швидкодією у режимі переривистого струму отримано систему різницевих рівнянь, наведених у табл.1. Обгрунтовано, що коефіцієнт k₃ на практиці може дорівнювати 0,5.

Коректуючі величини _к (табл.1) слід визначати з урахуванням кусково-лінійної апроксимації регулювальної характеристики (рис.2) за рівнянням

, (5)

де - параметри, що характеризують кусково-лінійну апроксимацію регулювальної характеристики.

У дисертації обгрунтовано математичні залежності, що характеризують необхідні змінювання тривалості інтервалу дискретності з метою стабілізації динамічних властивостей контура регулювання струму (див. табл. 1).

Реализація регулювання струму у відповідності з різницевими рівняннями, наведеними у табл. 1, забезпечує процеси регулювання практично з максимально можливою швидкодією, незалежно від режиму протікання струму.

У третьому розділі надано результати розробок систем регулювання швидкості з ідентификацією та компенсацією навантаження електропривода при зворотному зв'язку як за миттєвим, так і за середнім значенням швидкості. Здійснено порівняння розроблених систем з системою регулювання швидкості електропривода на базі інтегрально-пропорційного регулятора.

Система (рис.3) має контур регулювання швидкості з пропорційним регулятором (П-РШ) та підпорядкований контур регулювання струму (КРС) з однаковими інтервалами дискретності Т = Т_I і доповнена контуром ідентифікації навантаження. Ідентифікація здійснюється на основі моделі об'єкта регулювання - ланки, характеризуючої зв'язок силового струму (моменту) і швидкості електропривода. Ця ланка з урахуванням виміряного середнього значення струму визначає змінну , яка порівнюється з виміряною швидкістю , і у функції цієї різниці коректуюча ланка формує змінну , яка відображує навантаження привода. Додавання до сигналу завдання на струм забезпечує компенсацію навантаження.

Вид зворотного зв'язку за швидкістю ураховує ПФ W(z), яка дорівнює:

а) при вимірюванні миттєвого значення швидкості

; (6)

б) при вимірюванні середнього значення

, (7)

; ;

; ; .

Уточнену ПФ (7), що характеризує зв'язок середнього і миттєвого значень швидкості з урахуванням затримки відкривання тиристорів відносно початку інтервалу дискретності, отримано на основі імпульсної моделі тиристорного випрямляча. На підставі цієї ПФ реалізовано покращений процес ідентифікації навантаження привода при вимірюванні середнього значення швидкості.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Структурна схема системи регулювання швидкості електропривода

Синтез ланки (рис. 2) здійснено шляхом оптимізації ПФ, що характеризує залежність змінної від при , із умов процесу кінцевої тривалості з максимальною швидкодією, у результаті чого отримано для вимірювання:

а) миттєвого значення швидкості

;

б) середнього значення швидкості

,

де .

Динамічні властивості розробленої системи з ідентифікацією та компенсацією навантаження (рис. 2) порівнювалися з властивостями системи регулювання швидкості з інтегрально-пропорційним регулятором швидкості. В системах може мати місце затримка при формуванні завдання на струм I_З на один інтервал дискретності по відношенню до виходу регулятора швидкості, що відображено на рис. 2 ланкою з ПФ z -¹, показаною пунктирною лінією. В цьому випадку в систему додається коректуюча ланка W_К(z), за рахунок якої має місце ефект винесення затримування за межі замкненого контура регулювання швидкості, у результаті чого не треба враховувати це затримування при оптимізації регулятора швидкості. Регулятор швидкості оптимізовано за модульним оптимумом. При цьому застосовано розроблену методику комп'ютерної оптимізації за допомогою пакету MathCAD, дозволяючого виконувати математичні перетворювання в символьному виді.

Порівнювання динамічних характеристик здійснювалось відносно завдання на швидкість та при змінюванні навантаження на основі співвідношення показників якості: перерегулювання , часу першого досягнення усталеного значення , динамічного падіння швидкості та інтегралу від абсолютного значення похибки за швидкістю . У результаті порівнювання варіантів систем отримано наступні дані: =0,67...1,38; =1,6 ...3,27; =1,1...2,73; = 1,43...4,38, з чого витікає, що система з ідентифікацією та компенсацією навантаження має динамічні властивості кращі, ніж система з інтегрально-пропорційним регулятором при реагуванні як на завдання, так і на змінення навантаження.

У четвертому розділі надано обгрунтування нових принципів автоматичної настройки мікропроцесорних систем керування тиристорним електроприводом. Процес настройки характеризується малою тривалістю у часі і виконується в умовах обертання електродвигуна. Це спрощує процес настройки та поширює галузь її застосування, оскільки у цьому випадку відсутня потреба забезпечення нерухомого стану двигуна під час настройки регулятора струму.

Автоматична настройка регулятора струму здійснюється при роботі привода у режимі переривистого струму. При цьому у циклі настройки формуються різнополярні імпульси струму, у результаті чого швидкість двигуна має невеликі значення, кут повертання вала двигуна наприкінці циклу дорівнює 0 і працюють усі тиристори випрямляча та всі фази постачальної мережі, що дозволяє урахувати можливий розкид їх параметрів. Такі цикли реалізуються для кутів керування при j = 1...N_A. Виходячи з похибки реалізації кутів керування в 1% при регулюванні у режимі переривистого струму, обгрунтовано, що кількість апроксимуючих відрізків N_A регулювальної характеристики тиристорного випрямляча повинна бути не менш ніж 4.

У кожному циклі визначаються усереднені значення струму Iп_(j), а при j=(N_A-1) та j=N_A - ще і усереднені значення тривалості протікання струму . Післе останнього циклу здійснюється пошук межового режиму протікання струму с урахуванням виконування умови = /3. По значенням кута керування і струма Iг у межовому режимі розраховуються: , і далі та , необхідні для регулювання у режимі переривистого струму (див. табл. 1). А з урахуванням залежності, отриманої за допомогою пакету MathCAD, з виміряної тривалості протікання струму визначаються

та .

При та у діапазоні забезпечується похибка визначення параметра d_е менш ніж 0,25%. Доведено, що визначення d_е за зміненням тривалості протікання струму характеризується низькою чутливістю до змінень ЕРС двигуна та до неточності формування кута керування.

На підставі значень d_е, k_ok_I та T_е* розраховуються коефіцієнти регулятора струму. При автоматичній настройці регулятора швидкості електропривода визначається змінення швидкості при двох постійних рівнях динамічного моменту двигуна, формуємих також з умов нульового кінцевого значення кута повороту вала двигуна .

Змінення швидкості на протязі одного інтервалу дискретності характеризує рівняння (J - момент інерції привода, М_С - момент навантаження привода)

 . (8)

Для підвищення точності результатів змінювання швидкості оцінюється за N інтервалів дискретності T при розгоні та гальмуванні привода, що відображає система рівнянь

(9)

З урахуванням припущення постійності M_C з системи (9) витікає

. (10)

На підставі значення розраховуються коефіцієнт k_PR регулятора швидкості та параметри контура ідентифікації навантаження привода.

Така ж формула (10) визначає значенння і при вимірюванні середньої швидкості, оскільки у сталому режимі лінійного змінення швидкості прирощення миттєвих і середніх значень швидкості абсолютно однакові.

У п'ятому розділі наведено опис експериментальної установки тиристорного електропривода постійного струму з мікропроцесорним керуванням, що функціонує у відповідності з розробленими принципами автоматичної настройки, регулювання струму та швидкості електропривода. Наведені основні результати експериментальних досліджень, які підтвердили правильність застосованих теоретичних передумов, ефективність розроблених алгоритмів регулювання, адекватність реального електропривода і математичних моделей, на підставі яких було отримано результати досліджень, наведені у розділах 1-4.

Основу експериментального стенду складає привод механізму повороту промислового робота МП20 з двигуном постійного струму типу 1ПІ12 (U_ном= 60 В, I_ном=12 А, n_ном=1000 об/мін, М_ном= 4,7 Нм), що отримує живлення від трифазного мостового реверсивного тиристорного перетворювача напруги. Сталі часу тиристорного електропривода: електромагнітна стала T_е=9,7 мс; електромеханічна стала T_M=71 мс. Мікропроцесорну систему керування електроприводом реалізовано на базі мікропроцесора К1810ВМ86.

З цих результатів витікає висновок щодо суттєвого покращення швидкодії формування силового струму електропривода у системі з ідентифікацією та компенсацією навантаження привода: час першого досягнення усталеного значення струму у залежності від варіантів систем є в 1,6 ... 3,3 разів менший, ніж у системі з інтегрально-пропорційним регулятором швидкості. Це має наслідком зменьшення динамічної похибки за швидкістю та зменшення електричних втрат.

Висновки

У дисертації на підставі теорії дискретних систем регулювання вирішено актуальну науково-технічну задачу, яка полягає у теоретичному обгрунтуванні та реалізації мікропроцесорної системи керування тиристорним електроприводом з автоматичною настройкою та змінюваним інтервалом дискретності регулювання. При рішенні цієї задачі, що має важливе народногосподарське значення, отримано наступні основні наукові і технічні результати:

На підставі аналізу існуючих розробок у галузі систем тиристорного електропривода з мікропроцесорним керуванням визначено необхідність розробки нових принципів регулювання середнього значення силового струму електропривода з максимально можливою швидкодією, виконування подальших досліджень з швидкодіючої ідентифікації та компенсації навантаження електропривода і обгрунтування принципів ефективної автоматичної настройки як регулятора швидкості, так і регулятора струму в умовах обертання двигуна.

Обгрунтовано доцільність і визначено закон змінювання інтервалу дискретності регулювання струму для стабілізації динамічних властивостей об'єктів у контурах регулювання струму та швидкості електропривода, що спрощує вирішення задачі високодинамічного регулювання координат тиристорного електропривода.

Виконано синтез алгоритмів цифрового регулювання середнього значення силового струму зі змінюваним інтервалом дискретності, що забезпечують регулювання струму з максимально можливою швидкодією.

Розроблено новий принцип автоматичної настройки регулятора струму на підставі визначення параметрів об'єкта регулювання у процесі формування різнополярних імпульсів струму у переривистому режимі при обертанні двигуна. Обгрунтовано, що електромагнітну сталу часу силового кола доцільно визначати на підставі прирощування тривалості протікання струму у режимі переривистого струму при змінюванні кута керування.

Синтезовано системи цифрового регулювання швидкості з ідентифікацією та компенсацією навантаження електропривода при зворотному зв'язку як за миттєвим, так і за середнім значенням швидкості. При цьому з метою покращення процеса ідентифікації навантаження на підставі середнього значення швидкості отримано уточнену дискретну передавальну функцію, яка характеризує зв'язок середнього та миттєвого значень швидкості з урахуванням затримки відкривання тиристорів відносно моменту вимірювання швидкості.

Виконано аналіз динамічних властивостей розроблених систем регулювання швидкості. У порівнянні зі звичайними системами з інтегрально-пропорційним регулятором швидкості залежно від виду зворотного зв'язку за швидкістю та наявності затримки формування завдання на струм покращуються показники якості регулювання: зменшується час першого досягнення усталеного значення швидкості при стрибку завдання в 1,6...3,27 раза; зменшується динамічне падіння швидкості при накиді навантаження в 1,1...2,73 раза при одночасному зменшенні інтегралу від абсолютного значення похибки за швидкістю в 1,43...4,38 раза.

Розроблено методику комп'ютерної оптимізації систем регулювання за допомогою комп'ютерного пакету MathCAD, що дозволяє суттєво знизити витрати часу та імовірність помилок у процесі оптимізації.

Розроблено принцип автоматичної настройки регулятора швидкості при зворотному зв'язку як за миттєвим, так і за середнім значенням швидкості на підставі визначення параметрів об'єкта регулювання з урахуванням змінювання швидкості при двох рівнях динамічного моменту (струму) електропривода.

Створено математичну модель тиристорного електропривода з цифровим керуванням, що враховує нелінійні дискретні властивості тиристорного випрямляча. Модель реалізовано у середовище моделюючого комп'ютерного пакета DS88 і застосовано при аналізі властивостей систем регулювання. Адекватність математичної моделі та реального тиристорного електропривода підтверджено у процесі досліджень на створеній експериментальній установці тиристорного електропривода з мікропроцесорним керуванням.

Основні роботи

1. Старостин С.С. Система тиристорного электропривода постоянного тока с микропроцессорным управлением // Повышение технического уровня взрывозащищенного электрооборудования: Сборник научных трудов ВНИИВЭ. - Донецк: ВНИИВЭ, 1987. - С. 21-27.

2. Старостин С.С. Оптимизация микропроцессорного регулятора тока тиристорного электропривода по требуемому быстродействию регулирования // Електромашинобудування та електрообладнання: Республіканський міжвідомчий науково-технічний збірник. - К.: Техніка, 1997. - Вип. 49. - С.43-48.

3. Старостин С.С. Оптимизация систем регулирования электропривода с помощью программного пакета Mathcad // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ, 1998. - С. 99-102.

4. Старостин С.С. Автоматическая настройка микропроцессорного регулятора для тиристорного электропривода // Електромашинобудування та електрообладнання: Республіканський міжвідомчий науково-технічний збірник.- К.: Техніка, 1999. - Вип. 52. - С. 35-41.

5. Старостин С.С. Система цифрового регулирования скорости с идентификацией нагрузки электропривода // Сборник научных трудов Донецкого государственного технического университета. Сер. Электротехника и энергетика, выпуск 4. - Донецк: ДонГТУ, 1999. - С.151 - 155.

6. Старостин С.С. Алгоритмы функционирования микропроцессорной системы управления тиристорным электроприводом постоянного тока // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: Сборник научных трудов конференции. - Харьков: ХГПУ, 1994. - С. 48-50.

7. Старостин С.С. Регулирование тока тиристорного электропривода с автоматической настройкой параметров микропроцессорного регулятора // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: Сборник научных трудов конференции. - Харьков: Основа, 1995. - С. 149-151.

8. Старостин С.С. Комбинированное микропроцессорное регулирование скорости тиристорного электропривода // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: Сборник научных трудов конференции.- Харьков: Основа, 1996. - С. 135-136.

9. Старостин С.С. Наблюдатель-предиктор состояния в цифровой системе регулирования скорости электропривода // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: Сборник научных трудов конференции.- Харьков: Основа, 1997. - С. 176-177.

Размещено на Allbest.ru

...