Регулирование на операционном усилителе. Системы электроприводов исполнительных механизмов буровых установок - основные типы регуляторов

Назначение регуляторов состоит в том, чтобы устанавливать и поддерживать на заданном уровне (задающий параметр) определенную физическую величину X (регулируемую величину). Для этого регулятор должен определенным образом противодействовать воздействию возмущений.

Принципиальная блок-схема простого контура регулирования представлена на рис. 26.1. Регулятор влияет на регулируемую величину X с помощью регулирующего воздействия так, чтобы рассогласование регулирования было возможно меньшим. Воздействующее на объект регулирования возмущение формально можно представить величиной помехи аддитивно накладывающейся на задающий параметр. Ниже мы будем исходить из предположения, что регулируемая величина является электрическим напряжением и что объект настраивается электрическим способом. Поэтому можно использовать электронный регулятор.

Простейшим примером такого регулятора служит усилитель, на вход которого подается отклонение регулируемой величины Если регулируемая величина X превышает заданное значение разность становился отрицательной. Благодаря этому регулирующее воздействие У уменьшается в соответственно увеличенном масштабе Это уменьшение компенсирует разность . В установившемся состоянии остаточное рассогласование тем меньше, чем выше коэффициент усиления регулятора. Для линейной системы, представленной на рис. 26.1, справедливы соотношения

Рис. 26.1. Блок-схема контура регулирования.

Отсюда получаем выражение для определения регулируемой величины

Понятно, что способность системы следовать за изменением задающего параметра тем ближе к 1, чем выше коэффициент усиления цепи обратной связи:

Переходная характеристика при возмущении тем ближе к нулю, чем больше коэффициент усиления регулятора. Однако при этом следует учитывать то обстоятельство, что коэффициент усиления цепи обратной связи нельзя сделать сколь угодно большим, так как тогда неизбежный сдвиг фазы в контуре регулирования приведет к возникновению колебаний. С подобной проблемой мы уже встречались при рассмотрении вопросов коррекции частотной характеристики операционных усилителей. Задача регулирования заключается в том, чтобы, несмотря на указанные ограничения, обеспечить возможно меньшее рассогласование регулирования и хорошую переходную характеристику. С этой целью к линейному усилителю добавляют интегратор и дифференциатор и получают таким образом вместо пропорционального регулятора -регуля-тора) ПИ- или ПИД-регулятор. Реализации такого регулятора с помощью электронных схем посвящены следующие разделы.

Регулятор выполняет вычисление рассогласования и его преобразование в управляющее воздействие в соответствии с определенной математической операцией. ВСАУ используются в основном следующие типы регуляторов: пропорциональный (П), интегральный (И), пропорционально-интегральный (ПИ), пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД). В зависимости от вида преобразуемых сигналов различают аналоговые и цифровые регуляторы. Аналоговые регуляторы (АР) реализуются на основе операционных усилителей, цифровые - на основе специализированных вычислительных устройств или микропроцессоров. Аналоговые регуляторы преобразуют только аналоговые сигналы, являющиеся непрерывными функциями времени. При прохождении через АР преобразуется каждое мгновенное значение непрерывного сигнала.

Для реализации АР операционный усилитель (ОУ) включается по схеме суммирующего усилителя с отрицательной обратной связью. Тип регулятора и его передаточная функция определяются схемой включения резисторов и конденсаторов в цепях на входе и в обратной связи ОУ.

При анализе регуляторов воспользуемся двумя основными допущениями, которые с высокой степенью точности выполняются для ОУ с отрицательной обратной связью в линейном режиме работы:

Дифференциальное входное напряжение U вх ОУ равно нулю;

Инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ тока не потребляют, т.е. входные токи (рис. 2.2). Так как неинвертирующий вход подключен к шине «нуль», то, согласно первому допущению, потенциал φ а инвертирующего входа также равен нулю.

Рис. 2.2. Функциональная схема пропорционального регулятора

Перейдя к приращению переменных в уравнении (2.1) и использовав преобразование Лапласа, получим передаточную функцию П-регулятора:

где - коэффициент пропорционального усиления.

Таким образом, в П-регуляторе осуществляется пропорциональноеусиление (умножение на постоянную )сигнала рассогласования u рас.

Коэффициент может быть как больше, так и меньше единицы. На рис. 2.3 представлена зависимость u у = f(t) П-регулятора при изменении сигнала рассогласования u рас.

Интегральный регулятор (И-регулятор) реализуется при включении в цепь обратной связи ОУ конденсатора С ОУ (рис. 2.4). Передаточная функция И-регулятора

где - постоянная интегрирования, с.

Рис. 2.4. Функциональная схема интегрального регулятора

В И-регуляторе осуществляется интегрирование сигнала рассогласования u рас.

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) реализуется включением в обратную связь резистора R оу и конденсатора С ОУ (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Функциональная схема ПИ-регулятора

Передаточная функция ПИ-регулятора

является суммой передаточных функций пропорционального и интегрального регуляторов. Так как ПИ-регулятор обладает свойствами П- и И-регуляторов, то он осуществляет одновременно пропорциональное усиление и интегрирование сигнала рассогласования u рас.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор) реализуется в простейшем случае включением в ПИ-регуляторе параллельно резисторам R 3 и R OC конденсаторов С 3 и С ОС (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Функциональная схема ПИД-регулятора

Передаточная функция ПИД-регулятора

где – коэффициент пропорционального усиления ПИД-регулятора; - постоянная дифференцирования; - постоянная интегрирования; ; .

Передаточная функция ПИД-регулятора является суммой передаточных функций пропорционального, интегрального и дифференциального регуляторов. ПИД-регулятор осуществляет одновременно пропорциональное усиление, дифференцирование и интегрирование сигнала рассогласования u рас.

17 Вопрос Датчики координат АЭП.

Структурная схема датчика. В АЭП (автоматизированный электропривод) для получения сигналов обратной связи по управляемым координатам используются датчики.Датчик представляет собой устройство, информирующее о состоянии управляемой координаты АЭП путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрический сигнал.

Управляемыми в АЭП являются электрические и механические координаты: ток, напряжение, ЭДС, момент, скорость, перемещение и т.д. Для их измерения используют соответствую­щие датчики.

Датчик координат АЭП структурно может быть представлен в виде последовательного соединения измерительного преобразователя (ИП) и согласующего устройства (СУ) (рис. 2.9). Измерительный преобразователь преобразует координату х в электрический сигнал напряжения и (или тока i ), пропорциональный х. Согласующее устройство осуществляет преобразование выходного сигнала и ИП в сигнал обратной связи u ОС , который по величине и форме удовлетворяет САУ.

Рис. 2.9. Структурная схема датчика координат АЭП

Датчики тока. Датчики тока (ДТ) предназначены для получе­ния информации о силе и направлении тока двигателя. К ним предъявляют следующие требования:

Линейность характеристики управления в диапазоне от 0,1I ном до 5 I ном не менее 0,9;

Наличие гальванической развязки силовой цепи и системы управления;

Высокое быстродействие.

В качестве измерительных преобразователей в ДТ используются трансформаторы тока, дополнительные (компенсационные) обмотки сглаживающих дросселей, элементы Холла, шунты.

Широкое распространение для измерения тока двигателей получили датчики тока на основе шунтов. Шунт представляет собой четырехзажимный резистор с чисто активным сопротивлением R ш (безындуктивный шунт), к токовым зажимам которого подключается силовая цепь, а к потенциальным - измерительная.

По закону Ома падение напряжения на активном сопротивлении и=R ш i.

Для ослабления влияния шунта на прохождение тока в цепи двигателя его сопротивление должно быть минимальным. Номинальное падение напряжения на шунте составляет обычно 75 мВ, поэтому его необходимо усилить до требуемых значений (3,0...3,5 В). Так как шунт имеет потенциальную связь с силовой цепью, датчик тока должен содержать устройство гальванической развязки. В качестве таких устройств применяются трансформаторные и оптоэлектронные устройства. Структурная схема датчика тока на основе шунта приведена на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Структурная схема датчика тока на основе шунта

В настоящее время все большее распространение получают датчики тока на основе элементов Холла, которые выполняются из полупроводникового материала в виде тонкой пластинки или пленки (рис. 2.14). При прохождении электрического тока I Х по пластинке, расположенной перпендикулярно к магнитному полю с индукцией В, в пластинке наводится ЭДС Холла e Х:

где - коэффициент, зависящий от свойств материала и размеров пластинки.

Датчики напряжения. В качестве измерительного преобразователя напряжения в электроприводе используются резистивные делители напряжения (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Функциональная схема датчика напряжения

Выходное напряжение делителя.

Датчики ЭДС. При невысоких требованиях к диапазону регулированияскорости (до 50) в качестве главной обратной связи в электроприводе применяется обратная связь по ЭДС.

Рис. 2.17. Функциональная схема датчика ЭДС якоря

Датчики скорости. Для получения электрического сигнала, пропорционального угловой скорости ротора двигателя, используются тахогенераторы и импульсные датчики скорости. Тахогенераторы применяются в аналоговых САУ, импульсные - в цифровых.

К датчикам скорости предъявляются жесткие требования по линейности характеристики управления, стабильности выходного напряжения и уровню его пульсаций, так как они определяют статические и динамические параметры привода в целом.

Широкое распространение в электроприводе получили тахогенераторы постоянного тока с постоянными магнитами. Для уменьшения уровня оборотных пульсаций тахогенераторы встраиваются в электродвигатель.

В импульсных датчиках скорости в качестве первичного измерительного преобразователя используются импульсные преобразователи перемещения, у которых количество импульсов про­порционально углу поворота вала.

Датчики положения. В настоящее время в электроприводе для измерения пермещения подвижных частей машин и механизмов применяются индукционные и фотоэлектронные пре­образователи.

К индукционным относятся вращающиеся трансформаторы, сельсины и индуктосины. Индуктосины могут быть круговыми и линейными.

Вращающимися трансформаторами (ВТ) называются электрические микромашины переменного тока, преобразующие угол поворота α в синусоидальное напряжение, пропорциональное этому углу. В системе автоматического регулирования вращающиеся трансформаторы используются в качестве измерителей рассогласования, фиксирующих отклонение системы от некоторого заданного положения.

Вращающийся трансформатор имеет на статоре и роторе по две одинаковые однофазные распределенные обмотки, сдвинутые между собой на 90°. Напряжение с обмотки ротора снимается с помощью контактных колец и щеток или с помощью коль­цевых трансформаторов.

Принцип действия ВТ в синусном режиме основан на зависимости напряжения, наведенного в обмотке ротора пульсирую­щим магнитным потоком статора, от углового положения осей обмоток статора и ротора.

Сельсин представляет собой электрическую микромашину переменного тока, имеющую две обмотки: возбуждения и синхронизации. В зависимости от числа фаз обмотки возбуждения различают одно- и трехфазные сельсины. Обмотка синхронизации всегда трехфазная. В САУ широкое распространение получили бесконтактные сельсины с кольцевым трансформатором.

Обмотка синхронизации бесконтактного сельсина с кольце­вым трансформатором размещается в пазах статора, обмотка возбуждения - в пазах или на явно выраженных полюсах ротора сельсина. Особенность кольцевого трансформатора состоит в том, что его первичная обмотка располагается на статоре, а вторичная - на роторе. Обмотки имеют вид колец, размещенных в магнитной системе, состоящей из кольцевых магнитопроводов статора и ротора, которые на роторе соединяются внутренним магнитопроводом, а на статоре - внешним. В САУ сельсины используются в амплитудном и фазовращательном режимах.

Схема включения обмоток сельсина в амплитудном режиме представлена на рис. 2.19. Входной координатой сельсина в этом режиме является угол поворота ротора τ. За начало отсчета принята осевая линия обмотки фазы А.

Рис. 2.19. Функциональная схема включения обмоток сельсина в амплитудном режиме

Схема включения обмоток сельсина в фазовращательном режиме представлена на рис. 2,20. Входной координатой сельсина в этом режиме является угол поворота τ, а выходной - фаза φ выходной ЭДС е вых по отношению к переменному питающему напряжению.

Рис. 2.20. Функциональная схема включения обмоток сельсина в фазовращательном режиме

18 Вопрос Системы импульсно-фазового управления. Принципы управления тиристорами.

В выпрямителях в качестве управляемых ключей используются тиристоры. Для открывания тиристора необходимо выполнение двух условий:

Потенциал анода должен превышать потенциал катода;

На управляющий электрод необходимо подать открывающий (управляющий) импульс.

Момент появления положительного напряжения между анодом и катодом тиристора называется моментом естественного открывания. Подача открывающего импульса может быть задержана относительно момента естественного открывания на угол открывания. Вследствие этого задерживается начало прохожде­ния тока через вступающий в работу тиристор и регулируется напряжение выпрямителя.

Для управления тиристорами выпрямителя используется система импульсно-фазового управления (СИФУ), выполняющая следующие функции:

Определение моментов времени, в которые должны откры­ваться те или иные конкретные тиристоры; эти моменты време­ни задаются сигналом управления, который поступает с выхода САУ на вход СИФУ;

Формирование открывающих импульсов, передаваемых I в нужные моменты времени на управляющие электроды тиристоров и имеющих требуемые амплитуду, мощность и длительность.

По способу получения сдвига открывающих импульсов относительно точки естественного открывания различают горизонтальный, вертикальный и интегрирующий принципы управления.

При горизонтальном управлении (рис. 2.28) управляющее переменное синусоидальное напряжение u y сдвигается по фазе (по горизонтали) по отношению к напряжению u 1 , питающему выпрямитель. В момент времени ωt=α из управляющего напряжения формируются прямоугольные отпирающие импульсы U gt . Горизонтальное управление в электроприводах практически не применяется, что обусловлено ограниченным диапазоном регулирования угла α (около 120°).

При вертикальном управлении (рис. 2.29) момент подачи открывающихся импульсов определяется при равенстве управляющего напряжения u y (постоянного по форме) с переменным опорным напряжением (по вертикали). В момент равенства напряжений формируются прямоугольные импульсы U gt .

При интегрирующем управлении (рис. 2.30) момент подачи открывающих импульсов определяется при равенстве переменного управляющего напряжения и у с постоянным опорным напряжением U o п.В момент равенства напряжений формируются прямоугольные импульсы U gt .

Рис. 2.28. Горизонтальный принцип управления

Рис. 2.29. Вертикальный принцип управления

Рис. 2.30. Интегрирующий принцип управления

По способу отсчета угла открывания а СИФУ делят на многоканальные и одноканальные. В многоканальных СИФУ отсчет угла а для каждого тиристора выпрямителя производится в собственном канале, в одноканальных - в одном канале для всех тиристоров. В промышленном электроприводе преимущественное применение получили многоканальные СИФУ с вертикальным принципом управления.

Операционные усилители являются одними из основных компонентов в современных аналоговых электронных устройствах. Благодаря простоте расчетов и отличным параметрам, операционные усилители легки в применении. Их также называют дифференциальными усилителями, так как они способны усилить разность входных напряжений.

Особенно популярно использование операционных усилителей в звуковой технике, для усиления звучания музыкальных колонок.

Обозначение на схемах

Из корпуса усилителя обычно выходят пять выводов, из которых два вывода – входы, один – выход, остальные два – питание.

Принцип действия

Существуют два правила, помогающие понять принцип действия операционного усилителя:

1. Выход операционного усилителя стремится к нулевой разности напряжений на входах.
2. Входы усилителя не расходуют ток.

Первый вход обозначен «+», он называется неинвертирующим. Второй вход обозначен знаком «–», считается инвертирующим.

Входы усилителя имеют высокое сопротивление, называемое импедансом. Это позволяет расходовать ток на входах в несколько наноампер. На входе происходит оценка величины напряжений. В зависимости от этой оценки усилитель выдает на выход усиленный сигнал.

Большое значение имеет коэффициент усиления, который иногда достигает миллиона. Это означает, что если на вход подать хотя бы 1 милливольт, то на выходе напряжение будет равно величине напряжения источника питания усилителя. Поэтому операционники не применяют без обратной связи.

Входы усилителя действуют по следующему принципу: если напряжение на неинвертирующем входе будет выше напряжения инвертирующего входа, то на выходе окажется наибольшее положительное напряжение. При обратной ситуации на выходе будет наибольшее отрицательное значение.

Отрицательное и положительное напряжение на выходе операционного усилителя возможно из-за использования источника питания, обладающего расщепленным двуполярным напряжением.

Питание операционного усилителя

Если взять пальчиковую батарейку, то у нее два полюса: положительный и отрицательный. Если отрицательный полюс считать за нулевую точку отсчета, то положительный полюс покажет +1,5 В. Это видно по подключенному .

Взять два элемента и подключить их последовательно, то получается следующая картина.

Если за нулевую точку принять отрицательный полюс нижней батарейки, а напряжение измерять на положительном полюсе верхней батарейки, то прибор покажет +10 вольта.

Если за ноль принять среднюю точку между батарейками, то получается источник двуполярного напряжения, так как имеется напряжение положительной и отрицательной полярности, равной соответственно +5 вольта и -5 вольта.

Существуют простые схемы блоков с расщепленным питанием, использующиеся в конструкциях радиолюбителей.

Питание на схему подается от бытовой сети. Трансформатор понижает ток до 30 вольт. Вторичная обмотка в середине имеет ответвление, с помощью которого на выходе получается +15 В и -15 В выпрямленного напряжения.

Разновидности

Существует несколько разных схем операционных усилителей, которые стоит рассмотреть подробно.

Инвертирующий усилитель

Такая схема является основной. Особенностью этой схемы является то, что операционники характеризуются кроме усиления, еще и изменением фазы. Буква «k» обозначает параметр усиления. На графике изображено влияние усилителя в данной схеме.

Синий цвет отображает входной сигнал, а красный цвет – выходной сигнал. Коэффициент усиления в этом случае равен: k = 2. Амплитуда сигнала на выходе в 2 раза больше, сигнала на входе. Выходной сигнал усилителя перевернут, отсюда и его название. Инвертирующие операционные усилители имеют простую схему:

Такие операционные усилители стали популярными из-за своей простой конструкции. Для вычисления усиления применяют формулу:

Отсюда видно, что усиление операционника не зависит от сопротивления R3, поэтому можно обойтись без него. Здесь он применяется для защиты.

Неинвертирующие операционные усилители

Эта схема подобна предыдущей, отличием является отсутствие инверсии (перевернутости) сигнала. Это означает сохранение фазы сигнала. На графике изображен усиленный сигнал.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя также равен: k = 2. На вход подается сигнал в форме синусоиды, на выходе изменилась только ее амплитуда.

Эта схема не менее простая, чем предыдущая, в ней имеется два сопротивления. На входе сигнал подается на плюсовой вывод. Для расчета коэффициента усиления требуется использовать формулу:

Из нее видно, что коэффициент усиления не бывает меньше единицы, так как сигнал не подавляется.

Схема вычитания

Эта схема дает возможность создания разности двух сигналов на входе, которые могут быть усилены. На графике показан принцип действия дифференциальной схемы.

Такую схему усилителя еще называют схемой вычитания.

Она имеет более сложную конструкцию, в отличие от рассмотренных ранее схем. Для расчета выходного напряжения пользуются формулой:

Левая часть выражения (R3/R1) определяет коэффициент усиления, а правая часть (Ua – Ub) является разностью напряжений.

Схема сложения

Такую схему называют интегрированным усилителем. Она противоположна схеме вычитания. Особенностью ее является возможность обработки больше двух сигналов. На таком принципе действуют все звуковые микшеры.

Эта схема показывает возможность суммирования нескольких сигналов. Для расчета напряжения применяется формула:

Схема интегратора

Если в схему добавить конденсатор в обратную связь, то получится интегратор. Это еще одно устройство, в котором используются операционные усилители.

Схема интегратора подобна инвертирующему усилителю, с добавлением емкости в обратную связь. Это приводит к зависимости работы системы от частоты сигнала на входе.

Интегратор характеризуется интересной особенностью перехода между сигналами: сначала прямоугольный сигнал преобразуется в треугольный, далее он переходит в синусоидальный. Расчет коэффициента усиление проводится по формуле:

В этой формуле переменная ω = 2π f повышается с возрастанием частоты, следовательно, чем больше частота, тем коэффициент усиления меньше. Поэтому интегратор может действовать в качестве активного фильтра низких частот.

Схема дифференциатора

В этой схеме получается обратная ситуация. На входе подключена емкость, а в обратной связи подключено сопротивление.

Судя по названию схемы, ее принцип работы заключается в разнице. Чем больше скорость изменения сигнала, тем больше величина коэффициента усиления. Этот параметр дает возможность создавать активные фильтры для высокой частоты. Коэффициент усиления для дифференциатора рассчитывается по формуле:

Это выражение обратно выражению интегратора. Коэффициент усиления повышается в отрицательную сторону с возрастанием частоты.

Аналоговый компаратор

Устройство компаратора сравнивает два значения напряжения и переводит сигнал в низкое или высокое значение на выходе, в зависимости от состояния напряжения. Эта система включает в себя цифровую и аналоговую электронику.

Особенностью этой системы является отсутствие в основной версии обратной связи. Это означает, что сопротивление петли очень велико.

На плюсовой вход подается сигнал, а на минусовой вход подается основное напряжение, которое задается потенциометром. Ввиду отсутствия обратной связи коэффициент усиления стремится к бесконечности.

При превышении напряжения на входе величины основного опорного напряжения, на выходе получается наибольшее напряжение, которое равно положительному питающему напряжению. Если на входе напряжение будет меньше опорного, то выходным значением будет отрицательное напряжение, равное напряжению источника питания.

В схеме аналогового компаратора имеется значительный недостаток. При приближении значений напряжения на двух входах друг к другу, возможно частое изменение выходного напряжения, что обычно приводит к пропускам и сбоям в работе реле. Это может привести к нарушению работы оборудования. Для решения этой задачи применяют схему с гистерезисом.

Аналоговый компаратор с гистерезисом

На рисунке показана схема действия схемы с , которая аналогична предыдущей схеме. Отличием является то, что выключение и включение не происходит при одном напряжении.

Направление стрелок на графике указывает направление перемещения гистерезиса. При рассмотрении графика слева направо видно, что переход к более низкому уровню осуществляется при напряжении Uph, а двигаясь справа налево, напряжение на выходе достигнет высшего уровня при напряжении Upl.

Такой принцип действия приводит к тому, что при равных значениях входных напряжений, состояние на выходе не изменяется, так как для изменения требуется разница напряжений на существенную величину.

Такая работа схемы приводит к некоторой инертности системы, однако это более безопасно, в отличие от схемы без гистерезиса. Обычно такой принцип действия применяется в нагревательных приборах с наличием термостата: плиты, утюги и т.д. На рисунке изображена схема усилителя с гистерезисом.

Напряжения рассчитываются по следующим зависимостям:

Повторители напряжения

Операционные усилители часто применяются в схемах повторителей напряжения. Основной особенностью этих устройств является то, что в них не происходит усиления или ослабления сигнала, то есть, коэффициент усиления в этом случае равен единице. Такая особенность связана с тем, что петля обратной связи имеет сопротивление, равное нулю.

Такие системы повторителей напряжения чаще всего используются в качестве буфера для увеличения нагрузочного тока и работоспособности устройства. Так как входной ток приближен к нулю, а ток на выходе зависит от вида усилителя, то есть возможность разгрузки слабых источников сигнала, например, некоторых датчиков.

Основные типы регуляторов, применяемых в системах управления электроприводами исполнительных механизмов буровых установок

Аналоговые регуляторы в системах подчиненного управления электроприводами строятся на основе операционных усилителей (ОУ) - усилителей постоянного тока с высоким входным и очень низким выходным сопротивлениями. Технология интегральных микросхем позволяет в настоящее время изготавливать высококачественные и недорогие ОУ. В некоторой части своего рабочего диапазона ОУ ведет себя как линейный усилитель напряжения с очень большим коэффициентом усиления (10 5 - 10 6). Если в схеме ОУ не предусмотрена отрицательная обратная связь с выхода на вход, то из-за высокого коэффициента усиления, он обязательно попадает в режим насыщения. Поэтому схемы регулятора на базе ОУ содержат отрицательную обратную связь.
Операционный усилитель получил свое название благодаря тому, что с его помощью могут выполняться различные математические операции, такие как умножение, суммирование, интегрирование и дифференцирование. Типовые регуляторы строятся на базе инвертирующего усилителя, причем входные и выходные цепи, кроме сопротивлений, могут содержать емкости.
Поскольку коэффициент усиления ОУ велик (Ку = = 10 5 +10 6), а выходное напряжение Увых ограничено напряжением питания Цп, то потенциал точки А (рис. 1, а) срА = = ивых/Ку близок к нулю, т.е. точка А выполняет функцию кажущейся земли (заземлять точку А нельзя, иначе схема станет неработоспособной).

Рис. 1. Структура аналогового регулятора, выполненного на операционном усилителе (а). Схема пропорционального регулятора с управляемым ограничением выходного сигнала (б). Характеристика вход-выход регулятора с управляемым ограничением выходного сигнала (в)

Схемы, передаточные функции и переходные функции регуляторов различных типов приведены в табл.

Схемы и динамические характеристики различных типов регуляторов

Для получения пропорционального регулятора (П-регулятора) на вход и в цепь обратной связи ОУ включают резисторы; интегрального регулятора (И-регулятора) во входную цепь включает резистор, а в цепь обратной связи - конденсатор; ПИ-регулятора во входную цепь-резистор, а в цепь обратной связи - последовательно соединенные резистор и конденсатор. ПИД-регулятор может быть выполнен на одном усилителе с помощью активно-емкостных цепей на входе и в цепи обратной связи.
Промышленностью выпускаются различные типы операционных усилителей на интегральных микросхемах (ИМС) - как круглой, так и прямоугольной формы. Наибольшее распространение для построения регуляторов получили ОУ типов К140УД7, К553УД2, К157УД2 и др.
Уменьшить размеры и повысить надежность устройств аналоговых систем управления электроприводами можно при внедрении гибридной технологии для их изготовления. При изготовлении гибридных интегральных схем (ГИС) активные элементы (ОУ) устанавливаются на печатной плате в твердотельном (бескорпусном) исполнении, а конденсаторы и резисторы - методом пленочной технологии (напылением пленок из проводящих, полупроводящих и непроводящих материалов). Полученный модуль может быть залит компаундом или помещен в корпус.
Ограничение координат электропривода (тока, скорости и др.) осуществляется включением в структуру регулятора внешнего контура регулирования узлов ограничения. Последние могут быть управляемыми и неуправляемыми. На рис., 6 приведена схема ограничения выходного напряжения пропорционального регулятора с отсекающими диодами VD1, VD2 и управляемым опорным напряжением Уоп. Схема позволяет получить несимметричную относительно начала координат характеристику вход-выход с различным уровнем ограничиваемого выходного напряжения (рис.) Возможны и другие варианты схем управляемого ограничения выходного напряжения ОУ с использованием транзисторов.
До последнего времени в автоматизированном электроприводе исполнительных механизмов отечественных буровых установок основное применение получили средства аналоговой вычислительной техники. За последние годы рядом проектных и научно-исследовательских организаций ведутся работы по созданию микропроцессорных систем управления. По сравнению с аналоговыми системами микропроцессорные системы обладают рядом преимуществ. Отметим некоторые из них.
Гибкость. Возможность путем перепрограммирования изменения не только параметров системы управления, но и алгоритмов и даже структуры. При этом аппаратная часть системы остается неизменной. В аналоговых системах потребовалась бы перекомпоновка аппаратной части. Программное обеспечение микроЭВМ можно легко корректировать как в предпусковой период, так и в процессе их эксплуатации. Благодаря этому снижаются затраты и сроки проведения наладочных работ и изменяется их характер, поскольку необходимые эксперименты по определению характеристик и параметров, а также настройка регуляторов могут быть произведены автоматически самой микроЭВМ по заранее подготовленной программе.
Снятие всех ограничений на структуру управляющего устройства и законы управления. При этом показатели качества цифровых систем могут значительно превышать показатели качества управления непрерывных систем управления. Путем введения соответствующих программ могут быть реализованы сложные законы управления (оптимизация, адаптация, прогнозирование и др.), в том числе и такие, которые весьма сложно осуществить с помощью аналоговых средств. Появляется возможность решения интеллектуальных задач, обеспечивающих правильность и эффективность ведения технологических процессов. На основе микроЭВМ могут быть построены системы любых типов, включая системы с подчиненным управлением, многомерные системы с перекрестными связями и др.
Самодиагностика и самотестирование цифровых управляющих устройств. Возможность проверки исправности механических узлов привода, силовых преобразователей, датчиков и другого оборудования во время технологических пауз, т.е. автоматическая диагностика состояния оборудования и раннее предупреждение аварий. Эти возможности дополняются развитыми средствами борьбы с помехами. Главное здесь - замена аналоговых линий передачи информации цифровыми, содержащими гальванические развязки, волоконно-оптические каналы, помехоустойчивые интегральные микросхемы в качестве усилителей и коммутаторов.
Более высокая точность вследствие отсутствия дрейфа нуля, характерного для аналоговых устройств. Так, цифровые системы регулирования скорости электропривода могут обеспечить повышение точности регулирования на два порядка по сравнению с аналоговыми.
Простота визуализации параметров процесса управления путем применения цифровых индикаторов, индикаторных панелей и дисплеев, организации диалогового режима обмена информацией с оператором.
Большая надежность, меньшие габариты, масса и стоимость. Высокая надежность микроЭВМ по сравнению с аналоговой техникой обеспечивается применением больших интегральных микросхем (БИС), наличием специальных систем защиты памяти, помехозащищенности и другими средствами. Благодаря высокому уровню технологии производства БИС снижаются затраты на изготовление систем управления электроприводами. Эти преимущества особо проявляются при использовании одноплатных и однокристальных ЭВМ.

Тема 11. Регуляторы координат в электроприводе

Важной функцией современных систем управления АЭП является регулирование его координат, т. е. поддержание с необходимой точностью требуемых значений тока, момента, ускорения, скорости. Основным элементом позволяющим выполнить указанную функцию, является регулятор.

р егулятор – это устройство, осуществляющее преобразование управляющего сигнала в соответствии с математической операцией, требуемой по условиям работы системы автоматического управления или регулирования. К типовым видам преобразования относятся: пропорциональное – П; пропорционально-интегральное – ПИ, пропорционально-интегро-дифференциальное – ПИД и ряд других.

Основу аналогового регулятора составляет операционный усилитель (ОУ) – усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления в разомкнутом состоянии. Наибольшее применение находят операционные усилители интегрального исполнения с корпусом круглой или прямоугольной формы. Операционный усилитель представляет собой многокаскадную структуру, в которой можно выделить входной дифференциальный усилитель ДУ с инвертирующим и прямым входами, усилитель напряжения УН, реализующий высокий коэффициент усиления, и усилитель мощности УМ, обеспечивающий необходимую нагрузочную способность операционного усилителя. Однокристальное малогабаритное исполнение операционного усилителя обусловливает высокую стабильность параметров, что позволяет получить высокий коэффициент усиления на постоянном токе. Интегральные ОУ, применяемые в промышленной электронике, обладают следующими характеристиками:

Дифференциальный коэффициент усиления в разомкнутом состоянии
k уо = 10 3 ¸ 10 5 ;

Входное сопротивление R вх > 100 кОм;

Выходное сопротивление R вых = 0,2 ¸1 кОм;

Сопротивление нагрузки R н > 2 кОм;

Полоса пропускания f п < 1 МГц;

Напряжение питания U п = ±15 В.

Для построения регуляторов обычно используют схему включения ОУ с инвертирующем входом, представленную на рис.11.1, которая имеет передаточную функцию

Используя активные и комплексные сопротивления во входной цепи (Z вх) и в обратной связи (Z ос) можно получать регуляторы с различными передаточными функциями.

Рассмотрим схемы, передаточные функции, логарифмические частотные характеристики (ЛАЧХ) и фазочастотные характеристики (ФЧХ) типовых регуляторов.

1. Пропорциональный (П-) регулятор – усилитель с жесткой отрицательной обратной связью.

Рис. 11.2. Схема П-регулятора и его характеристики

передаточная функция П-регулятора

– коэффициент усиления П–регулятора.

2. Интегральный регулятор (И-регулятор)

Рис. 11.3. Схема И-регулятора и его характеристики

передаточная функция И-регулятора

– постоянная интегрирования.

3.Пропорционально – интегральный регулятор (ПИ – регулятор) представляет собой параллельное соединение П- и И- регуляторов.

Рис. 11.4. Схема ПИ-регулятора и его характеристики

передаточная функция ПИ-регулятора

где

4. Пропорционально-дифференцирующий регулятор (ПД - регулятор).

Объединяет функции П- и Д- регуляторов. Получают параллельным подключением С вх к входному резистору R вх

Рис. 11.5. Схема ПД-регулятора и его характеристики

передаточная функция ПД-регулятора

где

Работа данной схемы сопровождается значительными высокочастотными помехами, для которых С вх представляет собой сопротивление, близкое к нулю. Для повышения устойчивости работы последовательно с конденсатором включают дополнительный резистор с небольшим сопротивлением ΔR вх, которое ограничивает токи высокочастотных помех. Передаточной функцией с ΔR вх:

где ΔТ =ΔR вх С вх, при ΔТ << Т 1 частотная характеристика практически не отличается от характеристики без ΔR вх.

5. Апериодический регулятор (инерционный первого порядка).

Рис. 11.6. Схема А-регулятора и его характеристики

передаточная функция А-регулятора

– постоянная времени апериодического звена.

Аналогичную передаточную функцию имеет схема (рис. 11.7).

Рис. 11.7. Схема А-регулятора (II вариант)

6. Пропорционально интегрально-дифференцирующий регулятор (ПИД). Выполняет функции одновременно трёх регуляторов.

Рис. 11.8. Схема ПИД- регулятора и его характеристики

передаточная функция ПИД-регулятора

где

Для снижения уровня помех на выходе регулятора и повышения устойчивости его работы последовательно с конденсатором С вх может быть включен резистор с небольшим сопротивлением ΔR вх (как для ПД регулятора).

Большими функциональными возможностями, по сравнению со стандартной схемой, имеет схема регулятора с функциональным потенциометром Z 1 , Z 2 . Для ослабления влияния помех на входе конденсаторы не используются, а включаются только активное сопротивление R вх.