215

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

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 ЭИМ переменного 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