книги / Системы управления исполнительными механизмами
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.П. Казанцев
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2015
УДК 62-52 К62
Рецензенты:
доктор технических наук, проф. С.В. Бочкарев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
канд. техн. наук А.В. Трусов (Центр научно-технической информации г. Перми)
Казанцев, В.П.
К62 Системы управления исполнительными механизмами : учеб. пособие / В.П. Казанцев. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. поли-
техн. ун-та, 2015. – 274 с.
ISBN 978-5-398-01446-4
Рассмотрены основные понятия, классификационные признаки, общее устройство и характеристики исполнительных механизмов и систем управления исполнительными механизмами, нашедших самое широкое применение в управлении технологическими процессами и установками. Освещены обобщенные функциональные структуры СУИМ, математические модели функциональных элементов СУИМ, 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. При этом отмечено два основных класса СУИМ: с применением «дросселирования» – СУИМ постоянной скорости и «объемного регулирования» – СУИМ переменной скорости.
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 запорнорегулирующей арматуры электроэнергетических, теплоэнергетических и иных объектов. Именно поэтому наибольшее внимание уделено синтезу систем управления координатами скорости и положения рабочих органов.
Предназначено для студентов, обучающихся по следующим направлениям подготовки:
–220700 «Автоматизация технологических процессов и производств»;
–140400 «Электроэнергетика и электротехника».
Учебное пособие может быть полезно также для магистров, аспирантов, преподавателей учебных дисциплин, связанных с автоматизацией технологических процессов и установок на основе применения автоматизированных электроприводов в различных отраслях промышленности (энергетической, машиностроительной, химической, нефтегазовой и др.).
УДК 62-52
ISBN 978-5-398-01446-4 |
© ПНИПУ, 2015 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Принятые сокращения..................................................................................... |
5 |
Введение........................................................................................................... |
8 |
1. Основные понятия, классификация и общее устройство |
|
исполнительных механизмов как функциональных элементов систем |
|
управления исполнительными механизмами .......................................... |
11 |
1.1. Основные понятия и определения. Классификация |
|
исполнительных механизмов.......................................................... |
11 |
1.2. Исполнительные механизмы постоянной скорости, основные |
|
параметры и характеристики, конструктивные исполнения........ |
18 |
1.2.1. Конструктивные особенности ИМ запорно-регулирующей |
|
арматуры..................................................................................... |
22 |
1.2.2. Электрические исполнительные механизмы.......................... |
27 |
1.2.3. Пневматические исполнительные механизмы....................... |
39 |
1.2.4. Гидравлические исполнительные механизмы........................ |
49 |
1.2.5. Электромагнитные исполнительные механизмы................... |
56 |
1.3. Исполнительные механизмы переменной скорости................... |
57 |
2. Классификация, обобщенная функциональная схема и основные |
|
характеристики СУИМ............................................................................... |
61 |
2.1. Классификация СУИМ.................................................................. |
61 |
2.2. Обобщенная функциональная схема............................................ |
64 |
2.3. Статические и динамические режимы и характеристики .......... |
69 |
3. Основные задачи исследования и проектирование СУИМ................... |
77 |
3.1. Синтез и анализ.............................................................................. |
77 |
3.2. Стадии и этапы проектирования................................................... |
83 |
4. Математическое описание функциональных элементов СУИМ.......... |
89 |
4.1. Исполнительные механизмы......................................................... |
91 |
4.2. Приводы.......................................................................................... |
94 |
4.3. Силовые преобразователи энергии............................................. |
119 |
4.4. Датчики координат СУИМ.......................................................... |
127 |
4.5. Регуляторы и корректирующие звенья...................................... |
128 |
5. Общие принципы построения СУИМ.................................................... |
144 |
5.1. Релейно-контакторные СУИМ.................................................... |
145 |
5.2. Бесконтактные СУИМ постоянной скорости............................ |
152 |
5.3. Системы стабилизации технологических координат................ |
161 |
5.4. Системы программного управления, ограничение координат |
|
СУИМ ............................................................................................. |
168 |
5.5. Системы следящего управления, понятие добротности........... |
173 |
|
3 |
6. Синтез СУИМ переменной скорости..................................................... |
177 |
6.1. Подчиненное регулирование координат.................................... |
177 |
6.2. Оптимальные настройки контуров регулирования .................. |
178 |
6.2.1. Технический оптимум............................................................ |
179 |
6.2.2. Симметричный оптимум........................................................ |
180 |
6.2.3. Апериодический оптимум..................................................... |
181 |
6.3. Типовая методика структурно-параметрического синтеза...... |
182 |
7. Системы регулирования скорости ЭИМ................................................ |
185 |
7.1. Система регулирования скорости тиристорный |
|
преобразователь – двигатель постоянного тока.......................... |
185 |
7.2. Система регулирования скорости генератор – двигатель |
|
постоянного тока ........................................................................... |
196 |
7.3. Система двухзонного регулирования скорости........................ |
198 |
7.4. Системы управления ЭИМ переменного тока.......................... |
202 |
8. Системы регулирования положения ЭИМ............................................ |
211 |
8.1. Режимы перемещения рабочих органов.................................... |
211 |
8.2. САР положения с линейным регулятором................................ |
213 |
8.3. САР положения с нелинейным регулятором ............................ |
216 |
8.4. Инвариантные и квазиинвариантные следящие СУИМ........... |
220 |
9. Дискретно-непрерывные СУИМ............................................................ |
226 |
9.1. Дискретизация сигналов и Z-преобразование........................... |
226 |
9.2. Дискретные передаточные функции и разностные уравнения |
|
при описании СУИМ..................................................................... |
232 |
9.3. Синтез цифровых систем управления........................................ |
233 |
9.3.1. Методы дискретизации аналоговых регуляторов |
|
и билинейного преобразования .............................................. |
234 |
9.3.2. Метод переменного коэффициента усиления...................... |
236 |
9.3.3. Метод аналитического конструирования цифровых |
|
регуляторов состояния............................................................. |
238 |
10. Интеллектуальные СУИМ .................................................................... |
246 |
10.1. Функциональная структура интеллектуальной СУИМ.......... |
247 |
10.2. Технические средства интеллектуализации СУИМ............... |
251 |
10.3. СУИМ на основе средств управления фирмы «ОВЕН»......... |
262 |
Заключение................................................................................................... |
269 |
Список литературы...................................................................................... |
271 |
4
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АД – асинхронный двигатель; АСУТП – автоматизированная система управления техноло-
гическим 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;
5
МЭОФ – механизм электрический однооборотный фланце-
вый;
МЭП – механизм электрический прямоходный; МЭПК – механизм электрический прямоходный кривошип-
ный;
НИОКР – научно-исследовательская и опытно-конструктор- ская 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 – цифроаналоговый преобразователь; ЧРП – частотно-регулируемый привод; ШД – шаговый двигатель;
6
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.
7
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 (РО) как общепромышленных, так и специализированных исполнительных механизмов (ИМ).
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, иными словами, 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 приме-
8
нению 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 положения ИМ, давления газа или жидкости в трубопроводе, 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
9
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 механиз-
мов, сетевых |
технологий передачи |
информации |
и |
управления |
и др.). |
|
|
|
|
Основные |
нормативно-правовые |
положения |
и |
инженерно- |
практические рекомендации, определяющие стадии и этапы проектирования СУИМ как неотъемлемого атрибута любой современной системы автоматизации технологических процессов, изложены в работах [1–6]. Основные теоретические сведения и справоч- но-информационные данные об исполнительных механизмах и системах управления ими приведены в работах [7–11]. Основные положения теории оптимального управления электромеханическими системами, включая управление интеллектуальными ИМ, приведены в работах [12–31].
10