Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 5.5. Схема (а) и ЛАЧХ П-регулятора (б)

Рис. 5.6. Схема (а), ЛАЧХ и

ЛФЧХ

И-регулятора (б)

2. Интегральный регулятор

(И-регулятор)

получает-

ся включением конденсатора в обратную связь (рис. 5.6,

а),

при этом выполняется функция интегрирования

^)=тЬг>

5Л1

)

где

Ги

—КвхС

,с

— постоянная интегрирования, с.

Фазовый сдвиг выходного сигнала равен

—я/2,

ЛАЧХ имеет наклон

—20

дБ/дек (рис. 5.6,

б).

3. Пропорционально-интегральный регулятор

(ПИ-

регулятор) представляет собой параллельное соединение

П-

и И-регуляторов, т. е.

^пи

(Р)

^и

(P^

-r^

~^7--

(5-12)

Получить данную передаточную функцию можно на

одном усилителе включением в его обратную связь ак-

тивно-емкостного сопротивления

(p)

=/?

,c+l/

/(С

,ср)

(рис. 5.7, а). Тогда согласно (5.9)

П7

(„\

—

#0,С+

/(С

,сР)

T-L

р +

,г

,оч

(р)

(5.

Id)

АЕХ

где

Ti=R

0tC

,c;

Ти=ЯвхС

,с',

kn=Ro,c/Rsx.

150

Рис. 5.7. Схема (а), ЛАЧХ и

ЛФЧХ

ПИ-регулятора

(б)

Логарифмические частотные характеристики ПИ-ре-

гулятора имеют вид, показанный на рис.

5.7,6.

4. Пропорционально-дифференциальный регулятор

|'(ПД-регулятор)

объединяет функции П- и Д-регулято-

ров,

т. е.

^пд(Р)

(

О"

5Л4

)

Передаточная функция (5.14) может быть получена

за счет параллельного подключения конденсатора к вход-

ному резистору (рис. 5.8,

а),

тогда

^-l*^№«

U(C^rW

')'

(5.15)

где

Г,=Я„С,1;

=Яо,с/Явт.

Логарифмические частотные характеристики ПД-ре-

гулятора приведены на рис. 5.8, б. Однако работа дан-

ной схемы сопровождается значительными высокочастот-

ными

помехами,

для которых конденсатор

вх

представ-

ляет собой сопротивление, близкое к нулю. Для повыше-

ния устойчивости работы ПД-регулятора последователь-

но с конденсатором включается дополнительный резис-

тор с небольшим сопротивлением

А/?

которое ограни-

Рис. 5.8. Схема

(а),

ЛАЧХ и ЛФЧХ

ПД-регулятора

(6)

151

чивает токи высокочастотных помех. Передаточная

функция регулятора с

ДЛ!вх

имеет вид

{p]==k

^P+

(516)

n^P)

&Тр

где Д7—Д#

хСвх.

При

ДГ<С^1

частотные характеристики, соответству-

ющие (5.15) и (5.16), практически не отличаются друг

от друга.

5. Пропорционально-интегрально-дифференциальный

регулятор (ПИД-регулятор) выполняет одновременно

действия трех

регуляторов

—

П-И-Д:

(p)

+-~;+T

(5.17)

Если на параметры

наложить ограниче-

ние

~>Ь>

(5.18)

то передаточную функцию

(5.17)

можно представить в

виде

»w/»=

;

)(г

(5.19)

оР

где

=(Ti+T

)/Tii;

(Т1Т

)/Ти.

ПИД-регулятор с передаточной функцией (5.13) пред-

ставляет собой последовательное включение ПД- и

ПИ-

регуляторов и может быть выполнен на одном усилите-

ле с

Zo,c(p)=Ro,c+l/(C

,cp)

»М

(

Р)

Л1Ж.

5.9.

а).

"вх+

1/(С

вх/

(?)

Тогда

(п)

°-

(p}

(7\Р+1)!Г

р+1)

пид

\Р>

7~~

г~Г\

-'вх

(р)

ГДе

JJ^ABX^BX!

'\о,с(-'0,с'>

Авх^

о,с.

Логарифмические частотные характеристики регуля-

тора, соответствующие (5.19), приведены на рис.

5.9,6.

Для снижения уровня помех на выходе регулятора и

повышения устойчивости его работы последовательно с

152

Рис. 5.9. Схема (а), ЛАЧХ и

ЛФЧХ

ПИД-регулятора (б)

конденсатором

вх

может быть включен дополнительный

резистор с небольшим сопротивлением, как это было от-

мечено для

ПД-регулятора.

Большими функциональными возможностями по срав-

нению со схемой рис. 5.4 обладает схема включения ре-

гулятора с использованием дополнительного функцио-

нального потенциометра

ZiZ

(рис.

5.10).

Здесь для ос-

лабления влияния помех на входе не используются кон-

денсаторы, а включается только активное сопротивле-

ние,

т.е.

ZBX(P)=^BX-

Передаточная функция в такой

схеме включения имеет вид

W(P)=

c(P)

(l+TTrV

20)

#вх

(Р)

Для уменьшения искажений в передаточной функции

(5.20) при выборе величин

необходимо, что-

бы в полосе пропускания регулятора выполнялось усло-

вие

1^174-71

^о,с

/У

I-

Передаточную функцию ПД-регулятора (5.14) можно

получить, если принять

Zo,c

(р)

Яо,с;

(р)

=К

;

(р)

1/(С

р).

153

Рис. 5.10. Общая схема

включения регулятора с

функциональным

потенцио*

метром

Тогда

согласно (5.20)

^п

(Р^-~-(^

(

-21)

">вх

Для ПИД-регулягора

(P)

Яо,с

1/(С

р);

(р)

1/(С,

р).

Передаточная функция ПИД-регулятора

117

(

—

(#о.с

о,с

Р+*)

(ffiCgP+J)

оо\

^пид

(Р)

7Г~Т

(

*<вх

о,о

Используя схемы включения операционного усилите-

ля, приведенные на рис. 5.4 и 5.10, можно получить раз-

личные необходимые для управления передаточные

функции регуляторов. Например, при

0iC

(p)

—

о.с^

o.cjn—

схеме

ИС-

5,4

получим

передаточную

Яо,с+1/(Со,е/>)

функцию инерционного апериодического звена (ИА-ре-

гулятора)

(р)

. (5.23)

ИА "' о о г

"HI

"0,0

^о,с

~г

Если в схеме рис.

5.10

принять

(р)

У(С,

р};

(р)

;

Zo.c

(р)

1/(С

.с

р),

то получим передаточную функцию

(ПИ)

-регулятора

TJ7

/nl

RgCi

P"j-l

Яо,с

^o,cP-j~J__

/с

04\

^(ПИ)^

J—^

•

(Э.^4)

АвкЬ

0|С

Рассмотрим пример практической реализации типового регуля-

тора системы управления электропривода из серяи УБСР-АИ. На

рис. 5.11 приведена принципиальная схема регулятора тока РТ-1АИ,

который включается в контур

регулирования

тока электропривода.

Ячейка РТ-1АИ представляет собой набор из пяти операционных

усилителей

DAI—DA5

(типа

К553УД2),

бесконтактных ключей на

полевых транзисторах D1 (типа

К284КШБ)

и преобразователя вы-

сокого уровня сигнала в низкий D2

(К511ПУ1),

управляющего клю-

чами D1. Два усилителя DA2 и DA4 могут использоваться дополни-

тельно для различных функций и в схеме на рис.

5.11

не показаны.

Основу данного регулятора тока составляет реализованный на уси-

лителе DA3 ПИ-регулятор с передаточной функцией согласно

(5.20):

,г/

R^p

DA3

(Р)

7Г~^

~7~

•

ЧчКвхР

154

Усилитель

DAI

является сумматором входных сигналов, три из

которых подаются на вход DA1 через Т-образные фильтры,

образо-

ванные резисторами

R2—R4,

R9—R11

и конденсаторами

С2—С4.

Применительно к функции регулятора тока на выходе сумматора

DA1 выделяется сигнал

пропорциональный разности сигналов

задания на ток

£/

и отработки этого задания системой регулиро-

вания

Uo,t,

т.е.

t/y=t/3,

—f/о.т.

Усилитель

DAI

снабжен транзистор-

ной схемой регулируемого

двухполярного

ограничения выходного на-

пряжения, значение которого устанавливается подачей с помощью

резисторов

R18,

R26 и R19, R25 соответствующих запирающих на-

пряжений на базы транзисторов VT1 и VT2.

Диоды VD1 и VD2 защищают

эмиттерно-базовые

переходы от

обратных напряжений. Так как

ПИ-регулятор

(DA3),

имеющий ин-

тегральную составляющую в управляющем сигнале, является аста-

тическим регулятором тока, то в установившемся режиме поддержа-

ние постоянного значения тока обеспечивается при нулевом значении

разностного управляющего сигнала

(t/j

= 0). Следовательно,

при

£/

=7^0

имеет место процесс изменения регулируемой

величины

—

то-

ка, и ограничение выходного напряжения сумматора означает огра-

ничение производной тока.

Для работы ячейки как регулятора тока выход У1 усилителя

DA1 требуется соединить с одним из входов

А31,

А32, АЗЗ усилителя

DA3, тогда напряжение

DA3 будет выходным напряжением регуля-

тора. В состав контура регулирования тока может входить внутренний

контур напряжения для формирования необходимых характери-

стик управления

ТП.

При этом в качестве регулятора напряже-

ния используется усилитель DA5, работающий в режиме П-регуля-

тора с ограничением выходного напряжения с помощью стабилитрона

D3. Передаточный коэффициент DA5 настраивается с помощью ре-

зистора R44.

Для работы регулятора напряжения один из его входов А51,

А52 соединяется с выходом DA3, а другой — с цепью обратной свя-

зи по напряжению ТП. В усилителях DA1 и DA5 предусмотрена

балансировка нуля с помощью резисторов R17, R21 и R46, R47. Кон-

денсаторы С9, С15,

СП

улучшают частотные характеристики усили-

телей. Бесконтактные ключи D1 могут в соответствии с

технологи-

ческим режимом работы электропривода в нужные моменты времени

отключать усилители

DAI,

DA3, DA5, замыкая

накоротко

вход и

выход усилителей.

Каждый из трех ключей D1 управляется индивидуально извне

через соответствующий канал логического элемента D2, при этом

логический нуль входного управляющего сигнала замыкает ключ,

а логическая единица его размыкает. Цепь из резистора R51 и

ста-

билитрона VD5 обеспечивает подачу пониженного

стабилизирован-

156

ног

напряжения примерно

5 В на

управляющие

входы

D1.

Ячейка

рТЛАИ

отличается универсальностью применения. Наличие пяти

усилителей,

все входы и выходы которых выведены в отдельности

внешний разъем, позволяет реализовать на основе данной ячейки

разнообразные схемы простых и комплексных регуляторов и кор-

ректирующих цепей различного назначения.

Технические

данные

ячейки

РТ-1АИ

Напряжение питания, В ±15

Входное

выходное

напряжения,

В ,

0-ь±10

Сопротивление нагрузки, кОм 2

Входное сопротивление, кОм 10

Регулируемое

ограничение

выходного

напряжения,

±(1,5—10)

Уровень пульсации

выходного

напряжения, мВ . . 20

Постоянная времени регулятора, мс

2—200

Передаточный коэффициент ,

0,2—20

Стабильность ограничения, % 2

На основе операционных усилителей могут выполнять-

ся не только регуляторы, но и другие функциональные

блоки, например задающие устройства, формирующие

входной сигнал в системе управления.

Типовым задающим блоком в системах управления

электропривода является

интегрозадающее

устройство

или

задатчик

интенсивности

(ЗИ).

Задача ЗИ — сформи-

ровать плавное изменение задающего сигнала при пере-

ходе от одного уровня к другому, а именно создать ли-

нейное нарастание и спадание сигнала с требуемым тем-

пом. На рис. 5.12 представлена структурная схема

ЗИ,

состоящая из трех операционных усилителей. Первый

усилитель У1, работающий без обратной связи, но с ог-

раничением по выходному напряжению

U\,

имеет харак-

теристику прямоугольной формы (рис. 5.13, а). Второй

операционный усилитель

У2

работает интегратором с

постоянным темпом интегрирования

яМ

—^1.

(5.25)

^ВХ2^0,С2

Темп интегрирования может регулироваться измене-

нием

х2.

Третий усилитель УЗ формирует отрицатель-

ное напряжение обратной связи

7/ _

^о.сз

/с;

9fn

—-и

ол

—

^вых-

^O./OJ

^ЕХЗ

При подаче на вход задающего напряжения

вы-

ходное напряжение линейно возрастает согласно (5.25).

157

Рис. 5.12. Схема

интегрозадающего

устройства

Рис. 5.13. Характеристика входного усилителя (а) и диаграмма из-

менения

выходного напряжения (б) интегрозадающего устройства

В момент времени

когда

„,с

£/з,

интегрирование

прекращается, и выходное напряжение, достигнув зна-

г>

чения

[/вых

——

остается далее неизменным. При

°о,с

снятии

со

входа

задающего напряжения

(£/

=0)

проис-

ходит процесс линейного уменьшения выходного напря-

жения до нулевого значения (рис.

5.13,

б).

Пример практической реализации

задатчика

интенсив-

ности приведен на рис. 5.14, где изображена

принципи-

альная схема ячейки ЗИ-2АИ из серии

УБСР-АИ.

Соб-

ственно задатчик интенсивности собран на двух усили-

телях, один из которых DA1 является сумматором и

регулируемым ограничителем выходного напряжения, а

другой — DA2 выполняет функцию интегрирования. В от-

личие от функциональной схемы ЗИ, построенной на трех

операционных усилителях (см. рис. 5.12), в схеме ячейки

ЗИ—2АИ

используются два операционных усилителя.

В таком варианте для реализации отрицательной обрат-

ной связи по выходному напряжению усилитель DA1

включен по неинвертирующей, a DA2 — по инвертирую-

щей схемам. Согласно (5.4) передаточный коэффициент

усилителя

DA1 при подаче входного напряжения, на-

15»

Рис. 5.14. Схема ячейки задатчика

интенсивности

ЗИ-2АЙ

пример, на резистор R2 без учета действия С4 и

DA3,

DA4 имеет вид

-АыхРЛ!

^26+^6

DA\

л-

вхОЛ!

"Т

-Г

«в

-Kl

Передаточная функция усилителя

ОЛ2

согласно (5.9)

имеет вид

If/

—

ъы*РА2

(Р)

М(Р}

У.н^.О')

««C

Время интегрирования до установившегося значения

^вых

дл2,

равного

£/вх£ш,

определяется значением

^выхшь

которое устанавливается схемой ограничения,

15Э