Построение структурных схем систем автоматического управления

Структурная схема САУ строится на основании физической модели системы. При ее построении следует:

• 1) выделить элементарные динамические звенья основной цепи воздействия и цепей ОС и определить их передаточные функции;
• 2) найти точки приложения задающих и возмущающих воздействий;
• 3) определить положение узлов суммирования и точек съема сигналов для ОС.

При построении структурных схем следует учитывать назначение САУ (системы стабилизации, пуска, торможения и реверса, следящие системы) и, если это возможно, определить место включения регулятора (последовательная, параллельная коррекция).

При выделении функциональных элементов в качестве динамических звеньев следует стремиться к тому, чтобы их передаточные функции были наиболее простыми. В качестве примера построения структурной схемы рассмотрим систему стабилизации скорости электропривода постоянного тока с тиристорным преобразователем. Основными динамическими звеньями здесь являются следующие.

1. Двигатель постоянного тока. Операторное уравнение двигателя постоянного тока определяется следующим выражением:

где Г_мл — электромеханическая постоянная времени двигателя, Т_мд = JRJc². Здесь с — коэффициент пропорциональности, определяемый по формуле

где U_H, /_н, (о„ — номинальные значения напряжения, тока и угловой скорости двигателя соответственно; Г_д — электрическая постоянная времени якоря двигателя, Т_а = LJR_д; L_A, /?_д — индуктивное и активное сопротивления якоря двигателя; /_с— ток якоря двигателя, определяемый моментом статической нагрузки на валу.

Однако электромеханическая Г_мд и электромагнитная Т_м постоянные времени в рассматриваемом случае должны учитывать сопротивление и индуктивности главных цепей двигателя и тиристорного преобразователя, т.е.

где Rq— сумма сопротивлений цепей двигателя и преобразователя, Rq = Я_л + /?_п; Д) — сумма индуктивностей цепей двигателя и преобразователя, Lq = L_a + L_n.

Учитывая, что ЭДС двигателя е = со), запишем операторное уравнение:

где е_п — операторное изображение приращения ЭДС преобразователя.

Покажем, что операторному уравнению соответствует структурная схема, изображенная на рис. 6.5.

Суммируя воздействия в узлах А и /? соответственно, получим

где / — ток двигателя, что равносильно уравнениям е_п = е + /7^ + + Lodi/dt и (/До - IM/Tj) = е.

Таким образом, можем записать:

или

что подтверждает указанное соответствие.

2. Тиристорный преобразователь. В практике проектирования принято интерпретировать тиристорный преобразователь инерционным звеном 1-го порядка

где р_п — коэффициент усиления преобразователя; Т_п — постоянная времени звена:

Рис. 6.5. Структурная схема двигателя где Г_ф— постоянная времени фильтра (Г_ф = 0,003...0,005 с); т — число фаз;/ — частота сети; 1/2т/ — среднее статистическое запаздывание преобразователя.

• 3. Суммирующий усилитель. Представляет собой безынерционное звено с коэффициентом усиления (5_У.
• 4. Датчик скорости. Представляет собой инерционное звено

где к_ЛС — коэффициент усиления датчика скорости; Г_дс — постоянная времени фильтра датчика скорости (Т_лс = 0,005 с).

Обычно для упрощения расчетов постоянную времени фильтра Т_лс приводят к малой постоянной времени прямого канала. Такой постоянной времени является Т_р инерционного звена, характеризующего тиристорный преобразователь. Для этой цели часто используют формулу Ямпольского:

С учетом сделанных замечаний структурная схема системы представлена на рис. 6.6.

Здесь в цепь основного воздействия включен регулятор К_р. С регулятора на объект действует управляющее воздействие и_у. Однако его передаточная функция и структура находятся методом синтеза и будут рассмотрены далее. Здесь же условно примем К_р = 1.

б

Рис. 6.6. Структурная схема стабилизации скорости: а — исходная; б — расчетная

Автор: Шишмарёв Владимир