Принципы построения и задачи проектирования взаимосвязанных электромеханических систем

ГЛАВА 13

Взаимосвязанные электромеханические системы

Принципы построения и задачи проектирования взаимосвязанных электромеханических систем

Автоматизация современных технологических объектов сопро­вождается применением большого числа электромеханических систем, с помощью которых решаются задачи повышения качества продукции и эффективности технологического оборудования. Во многих случаях электромеханические системы управления следует рассматривать как взаимосвязанные системы, так как в составе технологического обору­дования могут быть десятки электроприводов, объединяемых по це­пям управления, питания и нагрузки. Стремление к электросбереже­нию за счет замены нерегулируемых электроприводов регулируемы­ми приводит к необходимости рассматривать взаимосвязи электроме­ханических систем по цепям нагрузки в объектах, для которых ранее такие задачи не стояли. Следует сказать и о взаимосвязанных выход­ных переменных электромеханических систем при формировании тех­нологических показателей обрабатываемых изделий, характеризую­щих их качество. Эта взаимосвязь происходит через систему функцио­нальных устройств технологического объекта. Помимо традиционных применений регулируемые электроприводы совместно с технологичес­кими устройствами выступают в виде средств регулирования техноло­гических переменных: уровня, давления, влажности, температуры, дозирования, производительности и др.

Можно выделить следующие общие тенденции развития элек­троприводов, имеющие устойчивый характер:

1. Постоянно расширяющееся применение регулируемых элект­роприводов в промышленном оборудовании, транспорте, авиа­космической технике, медицине, бытовой технике с целью до­стижения новых качественных результатов в технологии.

2. Замена нерегулируемых электроприводов регулируемыми в энергоемком оборудовании, таком как насосы, компрессоры, вентиляторы и др., с целью энергосбережения.

3. Распространение блочно - модульных принципов построения электроприводов, информационных средств, средств управле­ния и систем управления в целом.

4. Динамичная компьютеризация электроприводов, механизмов, аг­регатов и комплексов и новая идеология проектирования систем.

5. Дальнейшее развитие методов каскадного (подчиненного) уп­равления, получившего широкое распространение в электро­приводах и органично переносимого на управления технологи­ческими переменными и интегральными показателями каче­ства обработки, переработки и производства вещества.

6. Активное развитие и внедрение систем диагностики, обслужи­вания, визуализации технологических процессов и процессов управления.

Любой современный технологический комплекс следует рас­сматривать как автоматизированный технологический комплекс (АТК). В соответствии с технологическим процессом работа АТК оп­ределяется задающей программой. Осуществляются контроль и ре­гулирование электромагнитных, механических, технологических переменных, показателей качества готовой продукции (переработан­ного вещества); автоматическая оптимизация обобщенных показа­телей качества работы АТК; контроль состояния электротехничес­кого, механического и технологического оборудования.

Функциональная схема современного АТК показана на рис. 13.1. Здесь КСУ - компьютерная система управления механиз­мами, технологическими агрегатами и технологическим комплек­сом. Механизмы (исполнительные органы рабочей машины) осна­щаются индивидуальными электроприводами с электродвигателя­ми М, управляемыми преобразователями УП, программируемыми микроконтроллерами приводов КП. Координацию совместной работы приводов и механизмов, входящих в состав технологического аг­регата, выполняет технологический программируемый микрокон­троллер КТ.

 

В сеть В распределенную систему управления

электроснабжения технологическим процессом

P I

Рис.13.1

 

Координацию совместной работы агрегатов технологи­ческого комплекса выполняет один из микроконтроллеров КТ или специализированный персональный компьютер ПК, входящий в со­став станции оператора СО. Через магистральный преобразователь МП осуществляется связь АТК с распределенной системой управле­ния технологическим процессом. Микроконтроллеры взаимодей­ствуют через коммуникационную связь, структура которой может быть различной в соответствии с существующими стандартами по индустриальным сетям средств вычислительной техники. Контроль и управление агрегатами могут осуществляться с периферийных постов операторов ПО. Контроллером привода решаются следую­щие задачи:

- управление силовой частью УП;

- регулирование момента электродвигателя, скорости и положе­ния механизма;

- программно-логическое управление пуском, остановкой и ре­жимом рабочего функционирования привода;

- автоматическая настройка регуляторов в режиме наладки;

- контроль состояния и диагностики неисправностей в компонен­тах электропривода;

- защита и сигнализация электропривода.

Соответственно технологическим контроллером решаются задачи:

- выработка заданий на КП в соответствии с координированной работой приводов агрегата:

- программно-логическое управление пуском, остановкой и ре­жимом рабочего функционирования агрегата;

- регулирование технологических переменных;

- контроль состояния и диагностика неисправностей в компонен­тах агрегата.

Задачи проектирования современных АТК, в составе которых может быть несколько десятков взаимосвязанных электромехани­ческих систем, управление в значительной степени связаны с выбо­ром вариантов конструктивных решений технологических агрега­тов, исполнительных механизмов, управляемых электроприводов, компьютерных средств управления, информационных устройств. АТК рассматривается как динамический объект, оснащенный мно­гими контурами регулирования технологических, механических и электромагнитных переменных с типовыми вариантами настройки регуляторов. Необходимо получить такую структуру и параметры динамического объекта, при которой решалась бы задача декомпо­зиции динамического объекта, и реализовывались бы алгоритмы управления двух групп в соответствии с заданием. Первая - для замкнутых систем регулирования, которые преимущественно выпол­няются по принципам каскадного или модального управления. При этом активно используются структурно-технологические методы анализа и синтеза систем. Вторая - для управления технологичес­кими режимами работы оборудования и сводящаяся к формирова­нию в соответствии с программой управляющих воздействий на вхо­ды замкнутых систем регулирования. Рациональный выбор компо­нент АТК обеспечивает зачастую решение задач управления намно­го эффективней, чем это можно сделать за счет сложных алгорит­мов управления. В электромеханических системах управления не существует задачи “дан объект, необходимо синтезировать регуля­тор”. Существует задача «дан динамический объект с регулятора­ми, необходимо из множества алгоритмов решений определить его структуру и параметры». При этом надо хорошо знать возможности компонентов АТК.

Раскроем тенденции развития отдельных компонентов АТК.

Преобразователи электроэнергии выполняются, главным об­разом, как полупроводниковые преобразователи в виде неуправля­емых и управляемых выпрямителей, автономных инверторов напря­жения и тока, инверторов, ведомых сетью, преобразователей часто­ты с непосредственной связью, фильтрокомпенсирующих устройств. Виды преобразователей и их комбинации определяются типом элек­тродвигателя и задачами управления, мощностью, диапазоном ре­гулирования, необходимостью рекуперации энергии в сеть, влияни­ем преобразователей на питающую сеть (рис. 13.2). Схемотехничес­кие решения преобразователей остаются традиционными в элект­роприводах постоянного и переменного тока. Учитывая возрастание требований к энергетическим характеристикам электроприводов и их влияние на сеть, развитие получают преобразователи, обеспечи­вающие экономичные способы управления электроприводами. Из­менения схем преобразователей главным образом связаны с появле­нием новых приборов — мощных полевых транзисторов (МОЗГЕТ), биполярных транзисторов с изолированным затвором (ЮВТ), запи­раемых тиристоров (СТО). Можно выделить следующие тенденции развития преобразователей:

1. Расширение границ применения полностью управляемых при­боров: транзисторов - до 2 МВт, тиристоров - до 10 МВт.

2. Распространение методов ШИМ.

3. Блочные принципы построения преобразователей на основе унифицированных силовых гибридных модулей, выполняемых на базе транзисторов и тиристоров. Возможность выполнения преобразователей постоянного и переменного тока и их комби­наций на конструктивной единой основе.

В электроприводах постоянного тока кроме управляемых вып­рямителей (рис.13.2, а) для получения высокого быстродействия находят применение системы с неуправляемыми выпрямителями и широтно-импульсными преобразователями (рис.13.2,б). В этом случае можно обходиться без фильтрокомпенсирующего устройства.

 

 

Преобразователи, используемые для управления вентильными двигателями (рис.13.2, в), содержат управляемый выпрямитель, аналогичный выпрямителю привода постоянного тока, и автоном­ный инвертор, управляемый по сигналам, поступающим от датчика положения ротора.

В системах частотного управления асинхронными двигателя­ми преимущественно используются инверторы напряжения (рис. 13.2,г, д). Если отсутствует необходимость рекуперации энергии в сеть, возможно применение неуправляемого выпрями­теля, что приводит к наиболее простой и экономичной схеме пре­образователя (рис. 13.2, д). Возможность применения полностью управляемых приборов и ШИМ делает эту схему одной из широ­ко используемых в большом диапазоне мощностей.

Преобразователи с инверторами тока (рис. 13.2, е), считавшие­ся до недавнего времени наиболее простыми и удобными для управ­ления двигателями, имеют в настоящее время, ограниченное приме­нение по сравнению с другими преобразователями в силу известных недостатков системы инвертор тока - асинхронный двигатель.

Преобразователи, содержащие неуправляемый выпрямитель и ведомый сетью инвертор и составляющие основу асинхронно- вентиль­ного каскада (рис. 13.2, ж) находят применение в приводах большой мощности при ограниченном диапазоне регулирования скорости.

 

Определенную перспективу имеют мощные преобразователи ча­стоты с непосредственной связью в машинах двойного питания (рис. 13.3, а) и при управлении низкоскоростными асинхронными или синхронными двигателями (рис. 13.3, б). Для управления синхрон­ными двигателями и машинами двойного питания могут также ис­пользоваться схемы преобразователей, показанные на рис. 13.2, г, д.

Рассмотренные схемы преобразователей охватывают диапазон мощностей от сотен ватт до десятков мегаватт. Наиболее интенсив­ное развитие в исследовании и применении имеют системы, пока­занные на рис.13.2, в, д.

В системах многодвигательных электроприводов возможно исполь­зование общих выпрямителей для группы широтно-импульсных пре­образователей (рис. 13.4, а) или автономных инверторов (рис. 13.4, б). Достоинство таких схем в возможности энергосбережения путем пере­дачи энергии торможения с двигателя на двигатель.

Электромеханические преобразователи (ЭМП). Рассмотрим ЭМП в том же диапазоне мощностей, что и преобразователи элект­роэнергии, в аспекте использования в регулируемых электроприво­дах. Развитие ЭМП происходит в направлениях: конструирование машин с учетом их совместной работы с управляемыми полупровод­никовыми преобразователями; применение новых магнитных мате­риалов; совершенствование или исключение контактных узлов; ис­пользование интенсивных методов охлаждения машин; развитие работ по высокотемпературной сверхпроводимости.

Электродвигатели постоянного тока совершенствуются за счет применения в щеточно-коллекторном узле металловолокнистых и металлокерамических материалов. Это дает возможность су­щественно повысить окружную скорость двигателей. Но неизбеж­ность применения щеточно-коллекторного узла в традиционных двигателях постоянного тока приводит к сокращению доли их вы­пуска по сравнению с двигателями переменного тока.

Безусловную перспективу имеют вентильные двигатели, ко­торые, являясь по существу синхронными двигателями, рассматри­ваются специалистами по ЭМП как двигатели постоянного тока в связи с тем, что питание их производится от сети постоянного тока через автономный инвертор, управляемый сигналами от датчиков положения ротора. Вентильные двигатели с высококоэрцитивными магнитами на роторе имеют минимальную удельную массу по срав­нению с любыми другими машинами. При их использовании удач­но решаются вопросы конструирования мехатронных модулей.

 

Короткозамкнутые асинхронные электродвигатели являют­ся конструктивно наиболее простыми и надежными и получают ши­рокое распространение в регулируемых электроприводах с автоном­ными инверторами с ШИМ. Совершенствование двигателей проис­ходит за счет использования новых материалов и новых способов интенсивного охлаждения. Перспективы применения асинхронных электродвигателей с фазным ротором, прежде всего, связаны с их ис­пользованием в машинах двойного питания.

Синхронные электродвигатели традиционно применяются в ди­апазонах мощностей от сотен киловатт и выше. Их совершенствова­ние происходит за счет исключения контактов путем перехода на вра­щающиеся выпрямители и применения постоянных магнитов.

Определенное развитие получают индукторные электродвига­тели и электродвигатели с когтеобразными полюсами. Такие элект­родвигатели имеют наиболее простой ротор, состоящий из магнитомягкого сердечника, допускают высокие частоты вращения ротора, обладают высокой надежностью.

В диапазоне малых мощностей традиционно развиваются ша­говые электродвигатели, которые в силу своих конструктивных осо­бенностей обеспечивают создание компактных многокоординатных мехатронных модулей с дискретными перемещениями.

Состояние электродвигателей, как и иных технических средств АТК, постоянно подвергается контролю. В связи с этим кроме дат­чиков скорости, положения ротора, датчиков Холла в двигатели встраиваются датчики температуры и вибраций, что дает возмож­ность повысить эксплуатационную надежность электродвигателей. Другим путем повышения надежности электродвигателей в производ­ственных условиях является переход на конструктивно закрытые ва­рианты их исполнения с использованием методов интенсивного по­верхностного охлаждения. Это позволяет исключить дисбаланс вращающихся частей двигателей за счет электростатического оседания на них производственной пыли при самовентиляции и устранить преждевременное разрушение опор из-за вибраций.

Механические преобразователи. Продолжается тенденция к уп­рощению механических компонентов технологического оборудования и усложнению электротехнических компонентов. При проектирова­нии нового технологического оборудования стремятся к использова­нию “коротких” механических передач и безредукторных электропри­водов. По массогабаритным показателям и КПД безредукторные элек­троприводы вполне сравнимы с массогабаритными показателями и КПД редукторных электроприводов, если учитываются не только дви­гатель, но и редуктор. Существенным выигрышем в применении «ко­ротких» передач и безредукторных электроприводов является дости­жение более высоких качественных показателей систем управления движением исполнительных органов машин и технологическими пе­ременными и более высокой надежности механизмов. Это объясняет­ся тем, что механическая передача, будучи охваченной обратными свя­зями, существенно ограничивает полосу пропускания частот системы управления из-за наличия упругих механических колебаний. Простей­шие механические передачи промышленного применения имеют несколько частот упругих колебаний, определяемых податливостью зу­бьев, валов и опор. Если к этому добавить усложнение передач из-за необходимости применения устройств выборки люфтов, то можно по­лагать, что тенденция движения к безредукторным приводам будет сохраняться, особенно для технологического оборудования высокой производительности и качества. Этим же обусловлено развитие работ по созданию типовых приводных модулей технологического оборудо­вания и мехатронных систем.

Применение пневмоприводов ограничено той областью, где по условиям технологической среды не применимы электроприводы. Что же касается гидроприводов, то, с учетом явной тенденции пере­хода в них на насосы переменной производительности, в которых регулируются скорость и давление, гидроприводы следует рассмат­ривать как электроприводы с гидромеханической передачей усилия или момента. Традиционная область применения гидроприводов - объекты с малыми перемещениями и большими усилиями.

Информационные устройства. Устройства преобразования, хранения, распределения и выдачи информации входят в состав модулей программируемых контроллеров. Здесь остановимся на тен­денциях развития устройств, предназначенных для получения ин­формации:

1. Расширяющееся применение разнообразных датчиков для кон­троля электромагнитных, механических и технологических пе­ременных, качества изделий.

2. Стремление к использованию методов прямого измерения конт­ролируемых переменных и к установке датчиков в непосредствен­ной близости от исполнительных органов рабочей машины.

3. Применение датчиков для контроля состояния электротех­нического, механического и технологического оборудование Использование информации для диагностики и оповещения операторов через компьютерные системы управления о состо­янии оборудования.

В современном оборудовании контролю подвергаются: темпе­ратура в коммутационных аппаратах, узлах электродвигателей, уп­равляемых преобразователях, опорах механизмов; уровни вибраций во всех функционально значимых механических узлах системы; зазоры в механических передачах; усилия и упругие моменты в ме­ханизмах; износ технологического оборудования.

Компьютерные системы управления электроприводами, меха­низмами, технологическими агрегатами и комплексами выполня­ются по единой идеологии с гибким варьированием аппаратных и программных средств. В общем случае в состав систем входят: про­граммируемые контроллеры, модули интеллектуальной периферии, системы визуализации и обслуживания, средства коммутаций, про­грамматоры, персональные компьютеры.

Контроллеры могут иметь разные конструкции, но всегда пре­дусматривается возможность варьирования их конфигураций за счет устройств расширения и периферийных модулей. Основой контрол­лера является центральный блок, содержащий центральный процес­сор и блок питания. В зависимости от задач автоматизации на сис­темную шину контроллера могут монтироваться различные пери­ферийные модули: цифровых и аналоговых вводов/выводов, пред­варительной обработки сигналов, коммуникационных процессоров. Предусматривается возможность варьирования разными типами центральных процессоров, блоков питания, периферийных модулей. Для объектов, требующих повышенной надежности работы, исполь­зуются контроллеры, состоящие из двух-трех центральных блоков с процессорами резервного действия. Программа пользователя со­ставляется для таких контроллеров как в обычном варианте.

Модули интеллектуальной периферии обеспечивают решение специальных задач пользователя по измерению, оценке, регулиро­ванию, стабилизации, позиционированию и др. Они интеллектуаль­ны, так как обладают собственными процессорами и решают само­стоятельно в реальном времени специализированные задачи управ­ления. Их периферийность определяется тем, что с управляемым процессом они непосредственно связаны через собственные вводы/выводы. За счет этого центральный процессор не перегружается и за необходимое время выполняет собственные задачи.

Системы визуализации и обслуживания включают в себя сред­ства от простых дисплеев до информационных систем. Получают распространение следующие системы:

1. Панели оператора, предназначенные для отображения управляе­мого процесса, ввода и вывода данных и для наладки. Содержат дис­плеи и клавиатуры, конструктивно размещенные в одном корпусе.

2. Программируемые терминалы, представляющие собой элект­ролюминесцентные графические терминалы с активным экра­ном, на котором можно гибко менять клавиатуру.

3. Локальные системы визуализации и обслуживания с различ­ного рода функциональными возможностями от кратковремен­ного или долговременного архивирования измеряемых величин до полнографических систем с объектоориентированными обо­лочками проектирования и обслуживания и интегрированные в другие системы. Они представляют собой автоматизирован­ное рабочее место (АРМ) на базе ПК.

4. Центральные системы визуализации и обслуживания с высо­кими функциональными возможностями, расширяемыми от АРМ до скоординированных многопользовательских и много­терминальных систем.

Средства коммуникаций обеспечивают создание сетей для обме­на данными между различными компьютерными средствами автоматизации. К ним относятся модули коммуникационных процессоров для соединения контроллеров «от точки к точке» и для адаптеров магист­ральных интерфейсов связи, коаксиальные и оптоволоконные кабели, повторители, интерфейсные мультиплексоры и др. При создании сис­тем отдают предпочтение магистральным структурам, которые по срав­нению с другими структурами имеют меньшие затраты при прокладке кабелей, легко расширяются и позволяют осуществлять непосредствен­ную коммуникационную связь от абонента к абоненту через единствен­ную линию передачи данных. Как правило, сети делаются открытыми для интегрирования компьютерных средств автоматизации различных производителей. С этой целью выпускаются мосты и межсетевые пре­образователи для связи локальных различных сетей и интерфейсов.

Из разнообразных типов средств коммуникации можно созда­вать сети, оптимально приспособленные к топологии технологичес­кого комплекса, обеспечивающие требуемые объемы и скорости пе­редачи информации.

Программаторы и ПК используются в системах визуализации и обслуживания, а также для подготовки, отладки и записи программ в контроллеры. В соответствии с задачами программно-логического и непрерывного управления, диагностики, контроля состояния функци­ональных узлов оборудования, отображения информации об управля­емом процессе имеется стандартное программное обеспечение в виде функциональных блоков, обеспечивающих решение частных задач и органично встраиваемых в программы пользователя.

Кроме этого имеются программы - драйверы, решающие зада­чу сопряжения контроллеров со стандартной периферией, с други­ми контроллерами и компьютерными средствами автоматизации в коммуникационной сети.

В функциональные блоки входят программные пакеты, реали­зующие типовые функции, например:

1) арифметические, тригонометрические, логарифмические, по­казательные, обработки логических цепей, преобразования мас­сивов данных и др.;

2) регулирования электромагнитных, механических и технологи­ческих переменных; реализации стабилизирующего, следяще­го, каскадного, модульного и адаптивного управления; коррек­ции и компенсации нелинейностей, сглаживания; реализации непрерывных, шаговых и импульсных регуляторов;

3) наблюдения, отображения и обслуживания для локальных и центральных систем, выдачи важных соотношений и сообще­нии об ошибках, группирования сообщений и отображения обобщенных сообщений, включения прерывистой и непрерыв­ной световой и звуковой сигнализации;

4) предварительной обработки сигналов в виде подготовки дан­ных, обработки сообщений и прерываний, счета, дозирования, измерения скорости, пути, температуры и др.;

5) служебные - для обмена данными между центральным процес­сором контроллера и модулями коммутационного процессора, предварительной обработки сигналов и памяти;

6) имитации объекта управления и обработки алгоритмов уп­равления;

Для написания программного обеспечения контроллеров име­ются экономичные технологии с использованием ПК (стандартных, совместных с PC/AT) или программаторов.

Из принципов построения программируемых контроллеров сле­дует, что совместно с развитой интеллектуальной периферией они являются мультипроцессорными средствами управления и обеспе­чивают возможность одновременного решения частных задач управ­ления с высоким быстродействием. Вместе с этим, для повышения производительности управления в реальном времени получают раз­витие нейротехнологии и параллельные компьютерные технологии. Нейроконтроллеры эффективно используются в качестве обучаемых контроллеров в условиях изменения технологической среды. Алго­ритм управления устанавливается путем адаптивного выбора из на­бора базовых алгоритмов, соответствующих разным ситуациям из­менения среды и реализованных в виде отдельных модулей контрол­лера и программных блоков. Параллельные компьютерные (транс­пьютерные) средства обеспечивают повышение производительнос­ти управления в десятки и сотни раз за счет скоординированного рас­параллеливания вычислительного процесса. С учетом изложенного можно считать, что производительность микропроцессорных средств управления удовлетворяет любые задачи управления электромехани­ческими системами и комплексами.

Выпускаются и совершенствуются микроконтроллеры, имею­щие встроенные периферийные устройства, многофункциональные таймеры и счетчики, многоканальные формирователи ШИМ сигна­лов и другие, ориентированные на управление электродвигателями. В частности, применяются 16-разрядные микроконтроллеры, пред­назначенные для управления асинхронным двигателем от автоном­ного инвертора с ШИМ.

Наличие в программируемых контроллерах модулей интеллекту­альной периферии создает предпосылки к разработке типовых про­граммных блоков, реализующих алгоритмы управления типовым тех­нологическим оборудованием. Развивая блочно-модульную идеологию построения средств и систем управления на уровень механизмов, агре­гатов и комплексов, можно выделить группы оборудования, для кото­рых характерны общие функциональные задачи управления в техно­логическом процессе (функциональные модули), и в соответствии с этим подготовить программные модели модулей и программные бло­ки, решающие задачу управления модулями. Из таких модулей мож­но формировать блоки-комплексы и в соответствии с этой идеологией обеспечить экономичную технологию проектирования компьютерных систем управления любыми АТК. Анализируя функциональные осо­бенности технологического оборудования, можно все его разнообразие свести к следующим типовым группам оборудования:

1. Предназначено для физической, химической и термической пе­реработки вещества и содержащее энергоемкие однодвигательные электроприводы с продолжительным режимом работы (на­сосы, компрессоры, вентиляторы, мельницы, дефибреры, сме­сители, центрифуги и др.).

2. Металло-, дерево- и камнеобрабатывающие станки.

3. Обжимное, прессовое, штамповочное и кузнечное.

4. Резательное (гильотинные, барабанные, летучие ножницы, дис­ковые и ленточные пилы, продольно - и поперечно-резательные станки и др.).

5. Горнодобывающее (роторные и ковшовые экскаваторы, угледо­бывающие машины и др.).

6. Предназначенное для транспортирования и обработки гибких материалов.

7. Промышленные манипуляторы и роботы.

8. Транспортное (краны, транспортеры, конвейеры, рольганги, монорельсы, напольный электротранспорт и др.).

9. Контрольно-испытательное оборудование (измерительные ма­шины, испытательные стенды, имитаторы и др.).

10. Мониторинг (телевизионные системы наблюдения за техноло­гическим процессом, телескопы, радиотелескопы, оптические системы космического наблюдения и др.).

В каждой группе выделяются функциональные типовые моду­ли, для которых имеется библиотека программных моделей и про­граммных блоков, реализующих алгоритмы управления.

В качестве примера раскроем функциональные типовые моду­ли шестой группы. Упрощенные функциональные схемы систем уп­равления агрегатами показаны на рис. 13.5, а - з. Системы могут в общем случае иметь n приводов, но для простоты все показано для двух приводов. Имеются следующие типовые функции управления:

1. Управление соотношением моментов нагрузки электроприво­дов, имеющих механическую связь (рис. 13.5, а). Выполняет­ся относительно ведущего электропривода, замкнутого по ско­рости или положению. Возможно каскадное, независимое и комбинированное управление.

2. Управление скоростью и соотношением скоростей (рис. 13.5, б) вы­полняется аналогично функции 1.

3. Управление положением и соотношением положений электро­приводов, имеющих механические взаимосвязи (рис. 13.5, в). Выполняется по разности скоростей и положений.

4. Одновременное управление соотношением скоростей и положе­ний (рис. 13.5, т), применяемое в агрегатах прокатного произ­водства. Объединяет функции 2 и 3.

5. Управление соотношением скоростей и натяжений (усилий) (рис. 13.5, д). Выполняется путем дополнения функции 2 зада­чами управления натяжениями.

6. Управление скоростями и натяжениями с реализацией тормоз­ных режимов электроприводов на сматывающих устройствах, управление натяжением в зоне обработки полотна и линейной скоростью в наматывающем устройстве.

7. Управление технологическими переменными через положение исполнительных механизмов

(рис. 13.5, ж). Содержит функции 4 с дополнением транспортного запаздывания.

8. Управление технологическими переменными через скорости ис­полнительных механизмов

(рис. 13.5, з). Имеет те же особен­ности, что и функция 7.

9. Управление технологическими переменными через переменные электроприводов (скорости, положения и др.) и переменные ис­полнительных устройств иного вида (давление, температура, по­дача эмульсий и др.) (рис. 13.5, ж, з).

В АТК разного производственного назначения могут использо­ваться любые сочетания функциональных типовых модулей. В со­ответствии с изложенным имеется возможность создания базы про­граммных моделей типовых механизмов и технологических агрега­тов, а также программных блоков, реализующих алгоритмы управ­ления механизмами и агрегатами, которые обеспечат решения сле­дующих задач:

1. Отработку алгоритмов управления механизмами, агрегатами и комплексами с имитацией основных технологических режимов.

2. Подготовку программного обеспечения компьютерных систем управления конкретными объектами на основе базы программ­ных блоков.

3. Исследование возможностей использования типовых компь­ютерных средств автоматизации для реализации гибко про­граммируемых систем управления механизмами, агрегатами и комплексами.

Типовые модули процессов в сочетании с типовыми приводны­ми модулями позволяют иметь готовые модели ряда технологичес­ких процессов и мехатронных систем и проектировать полный ком­плект средств автоматизации для каждого из них. При этом резко сокращаются затраты на проектирование и время, отводимое для проектных изысканий.

 

 

а б в

 

 

г д е

 

 

ж з

Процедура проектирования взаимосвязанной электромеханичес­кой системы управления соответствует общей процедуре проектирования сложных систем управления, которая в соответствии с системо­техническим подходом сводится к решению таких типовых задач, как определение общей структуры системы, организация взаимодействия между подсистемами, учет влияния внешних воздействий, выбор оп­тимальных структур подсистем и выбор оптимальных алгоритмов фун­кционирования системы. Проектирование ведется исходя из целей со­здания системы и решаемых ею задач. Оценка соответствия системы этим целям и задачам производится по критериям качества системы.

При проектировании сложных электромеханических систем мо­жет существовать несколько частных критериев, не всегда согласован­ных между собой. Например, необходимо спроектировать систему, обес­печивающую: максимальную динамическую точность обработки изделия, минимальное электропотребление в переходных и установивших­ся режимах, минимальную стоимость и максимальную надежность. Для совмещения частных критериев используют обобщенные крите­рии. Выбранный критерий является основой для принятия решения о выборе структуры электромеханической системы средств и алгорит­мов управления из множества вариантов, которые называют множе­ством альтернатив. Общая постановка задачи принятия решения об оп­тимальном варианте системы выглядит следующим образом [13.7]:

1. Имеется некоторое множество вариантов построения системы (альтернатив) А, причем каждая альтернатива характери­зуется определенной совокупностью свойств .

2. Имеется совокупность критериев , отражающих ко­личественно множество свойств системы. Каждая альтернати­ва характеризуется вектором .

3. Необходимо принять решение о выборе одной из альтернатив. Решение называется простым, если выбор производится по од­ному критерию, и сложным, если выбор производится по сово­купности критериев.

4. Задача принятия решения по выбору альтернативы по сово­купности критериев формально сводится к отысканию ото­бражения Q, которое вектору q ставит в соответствие дей­ствительное число

,

определяющее степень предпочтительности данного решения. Опе­ратор Q называют обобщенным критерием. Обобщенный критерий присваивает каждому решению по выбору альтернативы соответ­ствующее значение Е. Это позволяет упорядочить множество ре­шений по степени предпочтительности.

При проектировании электромеханических систем обобщенные критерии составляются по частным критериям, включающим в себя такие оценки, как динамическая точность и качество изделий; быс­тродействие и связанная с ним производительность; энергопотреб­ление, надежность, сложность — составляющие эксплуатационных показателей; массогабариты, условия эксплуатации и др.

Наиболее простой метод формирования обобщенного критерия заключается в том, что один из критериев принимается в каче­стве обобщенного, а все остальные учитываются в виде ограничений, определяющих область допустимых альтернатив

 

где - величины, определяющие допустимые значения по всем критериям кроме .

В этом случае задача сравнения альтернатив сводится к задаче принятия реше