Самонастраивающаяся система регулирования скорости

Полезная модель относится к системам автоматического управления, а именно к управлению автоматизированными электроприводами постоянного тока и может быть использована в электроприводах автономных систем и робототехнических комплексов.
Известна самонастраивающаяся система регулирования скорости (SU №1180844), которая содержит последовательно соединенные задатчик скорости, первый сумматор, регулятор скорости, второй сумматор, регулятор тока, тиристорный преобразователь, электродвигатель, датчик скорости и датчик тока с шунтом, образующие двухконтурную систему с подчиненным регулированием параметров. В системе применен блок самонастройки, включающий в себя эталонную модель, третий сумматор, первое дифференцирующее звено, второе дифференцирующее звено, первый усилитель с переменным коэффициентом усиления, второй усилитель с переменным коэффициентом усиления, первый выпрямитель, третье дифференцирующее звено и второй выпрямитель. Вход эталонной модели подключен к выходу задатчика скорости, причем эталонная модель формирует заданную переходную характеристику в системе регулирования скорости. В системе применены форсирующие связи по первой и второй производным от задающего сигнала (задатчика скорости), подаваемые через усилители с переменным коэффициентом усиления на вход второго сумматора. Это обеспечивает улучшение динамических характеристик по управляющему воздействию.
Недостатком данного устройства является невысокие динамические характеристики при возмущающем воздействии. Это обусловлено тем, что в самонастраивающейся системе регулирования скорости отсутствуют дополнительные компенсирующие связи по возмущающему воздействию.
Наиболее близкой к заявляемому устройству является самонастраивающаяся система регулирования скорости (RU №131508 U1).
Самонастраивающаяся система регулирования скорости содержит последовательно соединенные задатчик скорости, первый сумматор, регулятор скорости, второй сумматор, регулятор тока, тиристорный преобразователь, электродвигатель, датчик скорости, датчик тока с шунтом, эталонную модель, третий сумматор, первое дифференцирующее звено, второе дифференцирующее звено, первый усилитель с переменным коэффициентом усиления, второй усилитель с переменным коэффициентом усиления, первый выпрямитель, третье дифференцирующее звено, второй выпрямитель, третий усилитель, четвертый усилитель. В устройстве подаются сигналы по ошибке системы (ошибка между сигналами с эталонной модели и датчиком скорости) на вход первого сумматора и сигналы по производной от ошибки системы на вход второго сумматора. Это обеспечивает улучшение динамических характеристик по возмущающему воздействию.
Недостаток данного устройства заключается в невысоких динамических характеристиках при управляющем и возмущающем воздействии в режиме малых по величине заданий на скорость вращения электродвигателя и величины нагрузки на электродвигатель. Это обусловлено наличием режима прерывистого тока в электродвигателе при работе тиристорного преобразователя в режиме малых по величине заданий на скорость вращения электродвигателя и величины нагрузки на электродвигатель. В режиме прерывистого тока меняется коэффициент передачи тиристорного преобразователя и электромагнитная постоянная времени электродвигателя. Это ухудшает динамические характеристики системы по управляющему и возмущающему воздействию, так как настройка параметров регуляторов скорости и тока, первого и второго дифференцирующего звена, усилителей с переменным коэффициентом усиления осуществляется на конкретное (расчетное) значение величины коэффициента передачи тиристорного преобразователя и величины электромагнитной постоянной времени электродвигателя.
Задачей, на которую направлено предлагаемое решение полезной модели, является улучшение динамических характеристик по управляющему и возмущающему воздействию в самонастраивающейся системе регулирования скорости в режиме малых по величине заданий на скорость вращения электродвигателя и величины нагрузки на электродвигатель за счет стабилизации параметров контура регулирования тока электродвигателя в режиме прерывистого тока.
Самонастраивающаяся система регулирования скорости, содержащая последовательно соединенные задатчик скорости, выход которого соединен с последовательно включенными первым и вторым дифференцирующими звеньями, первый сумматор, регулятор скорости, второй сумматор, вход которого выполнен с возможностью соединения с выходом датчика тока с шунтом, регулятор тока, тиристорный преобразователь, выполнен с возможностью соединения с электродвигателем, третий сумматор, при этом вход первого и вход третьего сумматоров выполнены с возможностью соединения с выходом датчика скорости, эталонную модель, включенную входом к выходу задатчика скорости и выходом - к входу третьего сумматора, первый усилитель с переменным коэффициентом усиления, входом соединенный с выходом первого дифференцирующего звена и выходом соединенный со вторым сумматором, второй усилитель с переменным коэффициентом усиления, входом соединенный с выходом второго дифференцирующего звена и выходом соединенный с вторым сумматором, первый выпрямитель, подключенный входом к выходу третьего сумматора, а выходом - к управляющему входу первого усилителя с переменным коэффициентом усиления, третье дифференцирующее звено, вход которого подключен к выходу третьего сумматора, а выход подключен к входу второго выпрямителя, выход которого соединен с управляющим входом второго усилителя с переменным коэффициентом усиления, третий усилитель входом соединен с выходом третьего сумматора, а выходом - со входом первого сумматора как положительная обратная связь, четвертый усилитель входом соединен с выходом третьего дифференцирующего звена, а выходом - со входом второго сумматора как положительная обратная связь.
Для решения поставленной задачи в устройство дополнительно введены четвертый и пятый сумматоры, вторая эталонная модель и пятый усилитель, причем входы четвертого сумматора соединены с выходами регулятора скорости, выходами первого и второго усилителей с переменным коэффициентом усиления и с выходом четвертого усилителя, выход четвертого сумматора соединен с входом второй эталонной модели, выход которой соединен с входом пятого сумматора, при этом другой вход пятого сумматора выполнен с возможностью подключения к выходу датчика тока, выход пятого сумматора подключен к входу пятого усилителя, выход которого подключен к входу второго сумматора, как положительная обратная связь.
Сущность полезной модели поясняется с помощью рисунка, на котором показана функциональная схема предложенной самонастраивающейся системы регулирования скорости.
Самонастраивающаяся система регулирования скорости содержит: последовательно соединенные задатчик скорости 1, первый сумматор 2, регулятор скорости 3, второй сумматор 4, регулятор тока 5, тиристорный преобразователь 6, электродвигатель 7, датчик скорости 8, датчик тока 9 с шунтом 10, первую эталонную модель 11, третий сумматор 12, первое дифференцирующее звено 13, второе дифференцирующее звено 14, первый усилитель с переменным коэффициентом усиления 15, второй усилитель с переменным коэффициентом усиления 16, первый выпрямитель 17, третье дифференцирующее звено 18, второй выпрямитель 19, третий усилитель 20, четвертый усилитель 21, четвертый сумматор 22, пятый сумматор 23, вторая эталонная модель 24, пятый усилитель 25.
В заявляемой самонастраивающейся системе регулирования скорости, достигается улучшение динамических характеристик по управляющему и возмущающему воздействию в режиме малых по величине заданий на скорость вращения электродвигателя и величины нагрузки на электродвигатель за счет стабилизации параметров контура регулирования тока электродвигателя, а именно, за счет введении контура регулирования с эталонной моделью токового контура. При этом вводятся первая и вторая производные от задающего сигнала, которые подаются на вход регулятора тока и регулируются в функции сигнала ошибки и его производной (сигнал ошибки получается как разница сигналов на выходе первой эталонной модели и датчика скорости).
Также вводятся сигналы коррекции на вход первого сумматора 2 и второго сумматора 4 по ошибке и ее производной по эталонной модели 11 контура скорости электродвигателя. При несоответствии заданной динамической характеристики системы (сигнала на выходе эталонной модели 11) и реальной динамической характеристики системы (сигнала на выходе датчика скорости 8) появляется ошибка на выходе третьего сумматора 12 и производная этой ошибки на выходе третьего дифференцирующего звена 18. Сигнал ошибки регулирования с третьего сумматора 12 поступает через выпрямитель 17 на управляющий вход усилителя с переменным коэффициентом усиления 15, выходной сигнал которого (усиленная первая производная по задающему сигналу) как положительная связь подается на вход второго сумматора 4. Сигнал производной от ошибки регулирования поступает через выпрямитель 19 на управляющий вход усилителя с переменным коэффициентом усиления 16, выходной сигнал которого (усиленная вторая производная по задающему сигналу) поступает на второй сумматор 4 как положительная связь. Чем выше ошибка и ее производная, тем большие по величине поступают сигналы по производным на вход регулятора тока 5 через сумматор 4, и тем быстрее уменьшается динамическая ошибка по управляющему воздействию в системе регулирования.
При постоянном входном сигнале (в статическом режиме по задающему сигналу) сигналы по производным от задающего сигнала отсутствуют, и может быть проведена только оптимизация (улучшение) динамической характеристики при изменении момента нагрузки в электродвигателе. При резком изменении характера нагрузки в электродвигателе 7 (например, при скачкообразном приложении момента нагрузки в электродвигателе) появляется сигнал по ошибке на выходе третьего сумматора 12 (ошибка между эталонной скоростью вращения и действительной скоростью вращения электродвигателя) и сигнала по производной от этой ошибки, а именно, сигнала на выходе третьего дифференцирующего звена 18. Эти сигналы подаются на усилители с ограничением по выходу 20 и 21, далее сигналы подаются на вход первого сумматора 2 и вход второго сумматора 4, как положительные обратные связи. Таким образом, образуются два дополнительных контура регулирования: по сигналу ошибки и по сигналу производной от этой ошибки. Это приводит к улучшению динамических характеристик по возмущающему воздействию.
На сумматоре 22 формируется задающий сигнал на контур тока электродвигателя, а именно, сигнал суммы сигналов с выхода регулятора скорости, с выходов первого и второго усилителей с переменным коэффициентом усиления, и с выхода четвертого усилителя. Сигнал с сумматора 22 поступает на вход второй эталонной модели 24. С выхода эталонной модели 24 сигнал поступает на сумматор 23, на второй вход поступает сигнал с датчика тока 9. При несоответствии заданной динамической характеристики токового контура системы (сигнала на выходе эталонной модели 22) и действительной динамической характеристики токового контура электродвигателя (сигнала на выходе датчика тока 9) появляется ошибка (по токовому контуру) на выходе пятого сумматора 23, которая подается на усилитель 25 с ограничением по выходу. Сигнал с выхода усилителя 25 поступает на вход второй сумматор 4, как положительная обратная связь. Это производит стабилизацию динамических характеристик токового контура, особенно в режиме прерывистого тока.
Таким образом, полезная модель позволила улучшить динамические характеристики по управляющему и возмущающему воздействию в самонастраивающейся системе регулирования скорости в режиме малых по величине заданий на скорость вращения электродвигателя и величины нагрузки на электродвигатель, за счет стабилизации параметров контура регулирования тока электродвигателя в режиме прерывистого тока.