Вплив негативного зворотного зв'язку на механічні характеристики

Рис. 1.4 Структурна схема електромеханічної системи

На Рис. 1.4 представлена структурна схема електроприводу з лінійними механічними характеристиками і замкнутою за швидкістю системою управління, що характеризується двома інерційностями: електромагнітною з постійною часу Те і електромеханічною з постійною часу Тм. В цій схемі привод охоплений негативним зворотним зв'язком за швидкістю. У такій схемі величина швидкості холостого ходу визначатиметься різницею заданої і дійсної швидкостей.

(1.5)

Якщо до валу приводного електродвигуна прикладається навантаження Мс, то швидкість приводу зменшиться на величину . Для визначення цієї величини знайдемо за схемою Рис. 1.4 передавальну функцію електроприводу при впливі по навантаженню:

(1.6)

де коефіцієнт підсилення розімкненої системи.

У сталому режимі, вважаючи р=0 передавальний коефіцієнт приводу буде:

(1.7)

Порівнюючи отриману передавальну функцію з передавальною функцією розімкненої системи, визначимо, що в замкнутій системі жорсткість механічних характеристик підвищується в К+1 раз.

(1.8)

Отже, помилка за швидкістю при додатку навантаження Мс буде:

(1.9)

тобто помилка зменшиться в (К+1) раз в порівнянні з розімкненою системою.

Оскільки діапазон регулювання швидкості приблизно пропорційний жорсткості механічних характеристик (1.2), то в замкнутій за швидкістю системі в порівнянні з розімкненою діапазон регулювання збільшується приблизно в (К+1) раз.

Розглянемо механізм дії негативного зворотного зв'язку (див. Рис. 1.5).

Характеристики 1-4 - це механічні характеристики приводу з розімкненою системою управління (за напругою U₁-U₄). Якщо задано значення швидкості , то при Мс=0 привід працюватиме із заданою швидкістю (точка a). При збільшенні навантаження Мс і розімкненій системі регулювання швидкість двигуна знизиться відповідно до навантаження – точка b при навантаженні M_C1, точка c при навантаженні M_C2,точка d при навантаженні M_C3. При цьому двигун працює на механічній характеристиці, (див пряму - d), що має жорсткість і зменшення швидкості визначається величиною

Рис. 1.5 Дія негативного зворотного зв'язку за швидкістю

У замкнутій системі регулювання процес зміни швидкості є іншим. Після збільшення навантаження до M_C1 (характеристика 1) швидкість почне знижуватися до точки b. При цьому зменшується сигнал зворотного зв’язку за швидкістю, збільшиться неузгодженість и, відповідно збільшиться сигнал завдання швидкості (див (1.5). Сигнал завдання збільшиться до величини , і двигун автоматично перейде на механічну характеристику 2 і після завершення перехідного процесу працюватиме в точці e.

Таким чином, у розімкненій системі регулювання при статичному моменті навантаження М_С = М_C2, привод працюватиме в точці c, якщо М_С=М_С3, то привод працюватиме в точці d.

Відповідно у замкнутій системі регулювання при статичному моменті навантаження М_С = М_C2, привод працюватиме в точці f, якщо М_С=М_С3, то привод працюватиме в точці h.

Зменшення швидкості у замкнутій системі регулювання значно менше у порівнянні зі зменшенням швидкості у розімкненій системі регулювання:

(1.10)

Ми бачимо, що механічна характеристика замкнутої системи є сукупністю точок a-e-f-h, що належать механічним характеристикам розімкненої системи з різними значеннями швидкості холостого ходу. Жорсткість механічної характеристики замкнутої системи (пряма 5) буде вища за жорсткість характеристик розімкненої системи

Як випливає із структурної схеми (дів Рис. 1.4), передатна функція електроприводу по каналу управління:

(1.11)

Де К=К_п К_ЗЗ

Передавальна функція за обуренням по навантаженню виражається формулою (1.6)

Використання негативного зворотного зв'язку за швидкістю дозволяє підвищити швидкодію електроприводу при зміні сигналу управління і при відпрацюванні обурюючої дії. Це витікає з того, що електромеханічна постійна часу Тм, яка характеризує інерційність механічної частини електроприводу, зменшується в замкненої системі в (К+1) раз, тобто

Це дуже важлива властивість - підвищення швидкодії приводу, яке дає негативний зворотний зв'язок за швидкістю, зв'язано з істотним недоліком зростанням коливальності приводу. Як відомо, якщо Тм>4Те, то перехідні процеси в приводі носять експоненціальний характер без коливань. Якщо ж Тм <4Те, то перехідний процес носить коливальний характер.

Зазвичай електромеханічна постійна часу Тм більше, ніж 4Те, і в розімкненій системі регулювання швидкості коливань не спостерігається. Введення негативного зворотного зв'язку за швидкістю зменшує еквівалентну електромеханічну постійну часу Т_МЗ, причому, чим більше коефіцієнт зворотного зв'язку за швидкістю К_Ш, тим менше Т_МЗ. Тому в замкнутих системах при використанні негативного зворотного зв'язку за швидкістю Т_МЗ стає менше 4Т_е, і перехідні процеси в системі набувають коливального характеру.

Таким чином, введення негативного зворотного зв'язку за швидкістю підвищує жорсткість механічних характеристик приводу, зменшує статичну помилку, розширює діапазон регулювання швидкості, підвищує швидкодію приводу, але веде до коливальності перехідних процесів. Для зниження коливальності в систему регулювання вводять динамічні ланки, що коригують.