В статье рассмотрены вопросы создания лабораторного стенда, позволяющего обеспечить имитацию различных технологических нагрузок, в том числе и многомассовых электромеханических систем.
Разработка и апробация новых алгоритмов управления различных электромеханических систем неминуемо влечет проведение экспериментов на испытательных стендах. Так, в работе [1] приведено описание исследовательского стенда для управления сложными электромеханическими системами. Отличительной особенностью установки является возможность реализации алгоритмов управления практически любой сложности на программном уровне.
В лаборатории 8109 уже функционирует лабораторный стенд [2], который после не которой доработки можно использовать для решения подобных задач.
Целью работы является разработка лабораторного стенда для имитации многомассовых систем электропривода.
Функциональная схема стенда приведена на рисунке 1.
Рис. 1 – Функциональная схема стенда
Силовая часть стенда включает в себя два двигателя постоянного тока серии ПБСТ (М1 – исследуемая машина, М2 – нагрузочная) и два тиристорных преобразователя (ТП1 и ТП2). В качестве датчика скорости выступает тахогенератор, расположенный на одном валу с исследуемой машиной М1. Система управления электроприводом реализована на управляющей ЭВМ, в качестве которой выступает персональный компьютер Pentium III (600 МГц). Аналогово-цифровое преобразование сигналов обратных связей и цифро-аналоговое преобразование управляющих воздействий осуществляется платой 5710 Octagon Systems. Полоса пропускания модулей гальванической развязки (Analog Devices) составляет 10кГц.
Система управления положением построена по принципу подчиненного регулирования координат и включает в себя регулятор тока с пропорционально-интегральный структурой и пропорциональный регулятор скорости. Структура системы управления нагрузочной машины представлена контуром тока, предназначенным для формирования возмущающего воздействия.
Собранная в пакете МАТЛАБ с помощью приложения Real Time Workshop структурная схема систем управления исследуемой и нагрузочной машин компилируется в исполняемый файл, который затем переносится на управляющую ЭВМ, работающую под управлением операционной системы реального времени QNX 4.25. Благодаря использованию QNX обеспечивается желаемое время выполнения управляющей программы.
Кроме функции управления, на систему возложены еще и функции визуализации с возможностью оперативного управления системой с клавиатуры компьютера. Предусмотрена возможность записи сигналов с заданной предысторией. Просмотр, анализ, фильтрация, преобразование и дальнейшая обработка зарегистрированных сигналов осуществляется также с помощью системы МАТЛАБ.
Была создана имитационная двухмассовая система электропривода (см. рис. 2) на базе схемы управления двигателями стенда с жестко соединенными валами. Нагрузочный двигатель создает момент, который имитирует пружинную (упругую) связь. Данная система являться двухконтурной системой подчиненного регулирования с внутренним контуром тока (момента) и внешним контуром скорости для исследуемой машины M1 и одноконтурной системой с контуром тока (момента) для нагрузочной машины M2 (см. рис. 3).
Стенд позволяет произвести измерения трех параметров: ток якоря первой машины, ток якоря второй машины и скорость жестко-соединенных валов. Анализ структурной схемы двухмассовой электромеханической системы (рис. 2) показывает, что если предположить, что измеренная с помощью датчика скорость вала двигателя является скоростью первой массы, то на эту же массу оказывает воздействие упругий момент, который можно сформировать с помощью модели второй массы, и завести этот момент в качестве задания на контур тока нагрузочной машины М2. Справа на рис. 3 представлена модель второй массы, учитывающая зазор в механической передаче (люфт), вязкое трение и жесткость. Она же формирует информацию об упругом моменте и скорости второй массы.
Рис. 2 – Структурная схема двухмассовой электромеханической системы
Первой задачей было отмасштабировать уровень упругого момента, который будет подаваться в качестве задания на контур тока нагрузочной машины. Регуляторы исследуемой машины были отключены. Сигнал задания на скорость формировался задатчиком интенсивности и подавался непосредственно на вход тиристорного преобразователя. Ставилась задача настроить коэффициент передачи упругого момента таким образом, чтобы увидеть колебания скорости первой массы. Графики переходных процессов при разгоне электропривода и работе на установившейся скорости представлены на рис. 4. Разгон осуществляется под токоограничением. Моделью второй массы формируется упругий момент, который подается в качестве задания на контур регулирования момента нагрузочной машины. После разгона электропривода появляются расходящиеся автоколебания упругого момента, приводящие к трехкратному возрастанию амплитуды. В момент времени 9 секунд силовая часть нагрузочной машины была отключена. Такая структура оказалась неустойчивой. Для обеспечения устойчивости было принято решение опробовать работу модели второй массы в замкнутой системе, но с заниженным коэффициентом усиления П-регулятора скорости.
Графики переходных процессов такой системы представлены на рис. 5. Коэффициент усиления регулятора скорости был понижен до значения K_rs = 0.1 (исходное равнялось 0.5), коэффициент передачи между упругим моментом и заданием на контур регулирования момента нагрузочной машины установили равным K_el = 0.2, электромеханическая постоянная времени второй массы Tm2 = 0.5 и жесткость (с12) K_j = 256. Анализ графиков показывает, что на установившейся скорости после разгона колебания упругого момента имеет постоянный характер с небольшой склонностью к увеличению амплитуды, а на нулевой скорости, после торможения – уже затухающий характер.
Колебания скорости первой массы при скорости близкой к нулевой наблюдались не только на графиках переходных процессов (см. рис. 6), но и визуально. При этом вал двигателя подрагивал с небольшой амплитудой вокруг установившегося положения с постепенным затуханием.
Для удобства анализа переходных процессов и оценки качества показателей все данные были представлены в относительных единицах. За базовые значения токов (моментов) приняты их номинальные значения, скоростей и задания на скорость – соответствующие номинальные значения этих величин. На графиках представлены измеренные токи первого и второго двигателей (Ia1, Ia2), сигнал задания на скорость первого двигателя (Uzad_zi), скорость электропривода (n), а также вычисленные и имитационные скорость второй массы (w2) и упругий момент (M y).
Также были получены графики переходных поцессов (здесь не приведены) при варьировании электромеханической постоянной времени второй массыTm2 и коэффициента жесткости с12. Результаты проведенных экспериментов совпали с результатами моделирования.
Анализ полученных результатов подтверждает возможность имитации работы двухмассовой электромеханической системы и позволяет продолжить подобные эксперименты и с многомассовыми системами.
