5.4. Системы программного управления, способы ограничения координат суим

К системам программного управления относятся системы, задающие воздействия которых меняются по некоторым программно-временным законам. В частности, это системы управления металлорежущими станками и промышленными роботами, исполнительные органы (струбцины резцов станка, схваты манипулятора и т.п.) которых имеют программные законы движения по одной или нескольким пространственным координатам. Программное управление такого рода СУИМ осуществляют, как правило, с помощью систем числового программного управления (СЧПУ) того или иного класса (NC, CNC, SNC, DNC и др.) [17-19].

К системам программного управления предъявляются те же требования, что и к системам стабилизации в статических и динамических режимах, а также ряд специфических требований, связанных с необходимостью ограничения координат объекта управления на допустимых уровнях. В отличие от систем стабилизации СЧПУ при позиционном и позиционно-контурном управлении могут функционировать в режимах больших отклонений координат, в том числе – при больших отклонениях выходной координаты (положения исполнительного органа). В этой связи основные требования к программным системам управления можно сформулировать следующим образом:

а) максимум быстродействия при минимуме динамической ошибки отработки любых программно-задающих воздействий;

б) ограничение координат СУИМ на допустимых уровнях во всех динамических режимах.

Эти требования тесно взаимосвязаны и обеспечиваются следующими техническими (в общем случае - программно-аппаратными) средствами:

– применением дополнительных нелинейных обратных связей по ограничиваемым координатам СУИМ (типа “отсечек”);

– применением задатчиков интенсивности (первого или второго рода);

– формированием таких программно-временных задающих воздействий, которые учитывают реальные динамические характеристики (возможности) объекта управления.

– ограничением величин задающих воздействий внутренних контуров регулирования в многоконтурных СУИМ.

В электромеханических СУИМ требуется ограничивать на допустимых уровнях, в частности, следующие координаты:

– скорость электродвигателя (  _max);

– ток якоря двигателя постоянного тока (i_я  i_я,max, i_я,max=·i_я,ном,  –перегрузочная способность двигателя) или ток статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (i_c  i_c,max);

– скорость изменения тока якоря двигателя на допустимом уровне; для электрических машин обычного исполнения эта величина составляет (20-50) номинальных значений тока за секунду;

– ускорение электропривода (исполнительного механизма, рабочего органа) на уровне, определяемом требованиями технологического процесса, комфортности и др.

Рассмотрим ограничение координат СУИМ применением дополнительных нелинейных обратных связей.

На рис. 5.14 приведена функциональная схема системы регулирования скорости электропривода постоянного тока с дополнительной обратной связью типа “отсечка” по току.

Нелинейная обратная связь по току якоря вступает в действие, когда ток якоря превысит максимально допустимое значение. При этом реализуется условие: U_дт > U_отс, где U_отс – напряжение “отсечки” нелинейного звена. Напряжение отрицательной обратной связи U_нз приводит к снижению напряжения управления силового преобразователя и cтабилизирует ток якоря на максимально допустимом уровне. В режиме токоограничения среднее значение U_дт  U_отс .

Рис. 5.14. Функциональная схема САР скорости с “отсечкой”

по току якоря

Заметим, что регулятор скорости, обеспечивающий оптимальное в смысле какого-либо критерия регулирование скорости, должен иметь переменную структуру, изменяющуюся при выходе тока на режим ограничения. С целью снижения выбросов тока якоря в такие моменты времени применяют так называемое “упреждающее токоограничение”, обеспечиваемое за счет дополнительной обратной связи по току двигателя, подаваемой на вход тиристорного преобразователя.

Рассмотрим ограничение координат СУИМ с помощью задатчиков интенсивности.

Задатчики интенсивности (ЗИ) служат, прежде всего, для ограничения фазовых переменных СУИМ. В электромеханических СУИМ с помощью ЗИ ограничивают скорость, ускорение и рывок рабочего органа (первую, вторую и третью производные положения РО).

Задатчики интенсивности 1-го рода применяют для ограничения ускорения (замедления) электропривода и обеспечивают либо постоянство ускорения (замедления), либо постоянство времени регулирования при скачкообразном изменении сигнала задания скорости. Структурная схема ЗИ 1-го рода, обеспечивающего постоянство ускорения электропривода в переходных режимах, приведена на рис. 5.15.

Напряжение задания скорости U_зс можно изменять ступенчато. При этом выходной сигнал ЗИ будет меняться линейно в функции времени:

U_зи = U_зс = (1 / T_зи)U_рэ t,

где U_рэ – напряжение релейного элемента (РЭ), U_рэ = U_рэ.maxsign(U_зс - U_зс).

Рис. 5.15. Структурная схема ЗИ, обеспечивающая постоянство

ускорения электропривода

Р еакция ЗИ на различные по величине ступенчатые воздействия приведена на рис. 5.16.

Рис. 5.16. Реакция ЗИ на скачкообразное изменение задающего

воздействия

Задатчик интенсивности устанавливают на входе замкнутого контура регулирования скорости, который отрабатывает линейное задание скорости с некоторой динамической ошибкой, т.е. максимальное ускорение электропривода будет определяться только параметрами ЗИ (U_рэ.max, T_зи) и коэффициентом передачи замкнутого контура скорости (1 / K_c):

_max = (d / dt)_max = U_рэ.max / T_зи K_c . (5.6)

Структурная схема ЗИ, обеспечивающего постоянство времени регулирования при ступенчатых изменениях задающего воздействия, приведена на рис. 5.17.

Рис. 5.17. Структурная схема ЗИ, обеспечивающего постоянство

времени регулирования скорости

Р еакция такого ЗИ на ступенчатые изменения задающего воздействия приведена на рис. 5.18. Как видим, время отработки произвольного по величине скачка задания скорости постоянно и равно постоянной времени T_зи. Ускорение электропривода с таким ЗИ – величина переменная и зависит от приращения скорости за время T_зи .

Рис. 5.18. Реакция ЗИ на скачкообразное изменение задающего

воздействия

Задатчик интенсивности 2-го порядка в отличие от рассмотренных ЗИ содержит интегратор 2-го порядка, что позволяет ограничить на допустимом уровне не только первую, но и вторую производную регулируемой координаты. Если он установлен на входе замкнутого контура регулирования скорости, то на допустимых уровнях будут ограничены ускорение и рывок РО ИМ. Наиболее простая реализация такого ЗИ – апериодический фильтр 2-го порядка

. (5.7)

Время отработки произвольного по величине скачка задания скорости постоянно здесь постоянно, т.к. звено (5.7) является линейным. Максимальное ускорение и рывок рабочего органы будут определяться величинами постоянных времени T₁ и T₂.

В позиционно-контурных системах ЧПУ иногда реализуется возможность ограничения координат СУИМ за счет формирования такой программной траектории исполнительного механизма, которая при хорошо прогнозируемых возмущающих воздействиях на рабочий орган позволяет ограничить уровни его скоростей и ускорений [17].

Ограничение координат СУИМ посредством ограничения задающих воздействий нашел широкое распространение в многоконтурных электромеханических СУИМ и, прежде всего, в системах подчиненного регулирования координат электроприводов постоянного и переменного тока. Ограничение задающих воздействий внутренних контуров регулирования осуществляется за счет ограничения выходных сигналов регуляторов старших по отношению к ним контуров. Например, в САР скорости с подчиненным контуром регулирования тока якоря выходной сигнал регулятора скорости используется для ограничения тока якоря.