Программное обеспечение лабораторного стенда для настройки ПИД-регулятора | Статья в сборнике международной научной конференции

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 17 августа, печатный экземпляр отправим 21 августа.

Опубликовать статью в журнале

Библиографическое описание:

Гусаров А. В., Медведев Е. Ю. Программное обеспечение лабораторного стенда для настройки ПИД-регулятора [Текст] // Исследования молодых ученых: материалы IV Междунар. науч. конф. (г. Казань, ноябрь 2019 г.). — Казань: Молодой ученый, 2019. — С. 1-3. — URL https://moluch.ru/conf/stud/archive/350/15388/ (дата обращения: 22.11.2019).



В работе описывается программная реализация методов регулирования скорости вращения асинхронного двигателя.

Ключевые слова: программное регулирование скорости вращения, ПИД-регулятор, асинхронный двигатель, автоподбор коэффициентов.

Регулирование скорости вращения мощного асинхронного двигателя при переменной нагрузке является сложной задачей. Для этого обычно используют ПИД-регуляторы. Использование ПИД-регуляторов помогает уменьшить энергетические потери на настройку системы и обеспечивает более быстрый выход на требуемые параметры.

Для эффективной работы регулятора в процессе работы необходимо правильно подбирать его коэффициенты и изменять их при изменении внешних условий. Для этой цели разработано программное обеспечение для реализации настройки регулятора.

Лабораторный стенд включает в себя вентилятор, приводимый во вращение трехфазным асинхронным двигателем, и поворотную заслонку. Заслонка имеет потенциометрический датчик положения. Под действием воздушного потока заслонка изменяет свое положение. В качестве имитатора внешнего воздействия к металлической части заслонки прикрепляются постоянные магниты, тем самым увеличивая ее массу и, соответственной, вращающий момент, необходимый для ее поворота на нужный угол потоком воздуха, идущим от вентилятора. Поток воздуха нагнетается вентилятором. Данная система функционирует в режиме стабилизации потока воздуха. Таким образом, в системе регулирования возникает отрицательная обратная связь по углу отклонения заслонки.

Управление двигателем и определение положения заслонки по датчику осуществляется частотным преобразователем со встроенным программируемым логическим контроллером Unidrive M400 [1]. Некоторые особенности Unidrive M400:

– копирование настроек и программ ПЛК с помощью SD-карты без включения силового питания с адаптером AI-Back-up;

– векторное управление в разомкнутом контуре (RFC-A) — управление скоростью и моментом за счет эффективного векторного алгоритма с обратной связью по току;

– вольт-частотное (U/f) регулирование.

Данные преобразователи применяются для регулирования скорости асинхронных электродвигателей конвейеров, вентиляторов, насосов и мешалок с возможностью дистанционного управления. При этом для сопряжения с объектом применяются специальные адаптеры. Например, для поддержки интерфейса RS-485 применяется адаптер AI-485 [2].

Связь с персональным компьютером по интерфейсу RS-485 осуществляется с помощью преобразователя интерфейса I-7520A фирмы ICP CON [3].

Получаемые значения с датчика положения заслонки искажаются помехами. Наличие помех в получаемом сигнале отрицательно влияет на качество ПИД-регулирования и автоматического подбора коэффициентов регулятора, а также осложняет оценку состояния системы в процессе работы. С целью минимизации влияния помех применяется фильтр Кальмана [19]. Данный фильтр описывается уравнением:

(1)

где — выходное значение фильтра;

— коэффициент фильтра, подбирается аналитическим путем;

— значение с датчика на текущем шаге;

— предыдущее значение фильтра.

В случае, когда частотный преобразователь со встроенным ПЛК выполняет только функции управления исполнительными механизмами и считыванием значений с датчика, а вся логика управляющей программы реализована на компьютере, возникает проблема невозможности обеспечения стабильного периода дискретизации. Это происходит из-за задержек в пересылке и преобразовании данных в процессе работы, а также особенностей работы ПЛК и операционной системы компьютера. В случае, когда разброс по времени между получением данных достаточно велик, имеет место значительное ухудшение качества регулирования, так как интегральная и дифференциальная составляющие непосредственно зависят от периода дискретизации при программной реализации ПИД-регулятора. Решением этой проблемы стала подстройка коэффициентов на каждом шаге регулирования.

Проведенные на стенде испытания показали работоспособность разработанного программного обеспечения, а также позволили определить метод расчета коэффициентов регулятора, дающий минимальное время достижения уставки, а также минимальное значение перерегулирования.

Рассмотрим табл.1 и сравним методы расчета коэффициентов регулятора.

Таблица 1

Метод подбора коэффициентов

Время регулирования tр, с

Перерегулирование ,%

Колебательность N

Зиглера-Никольса

0,35

1,04

0,44

CHR

0,19

0,74

0,44

CHR (20 %)

0,53

0,76

0,00

Коэн-Куна

0,58

0,68

1,09

Метод Коэна-Куна имеет наименьшее значение выборочного среднего для времени регулирования, максимального значения реального сигнала при регулировании и времени достижения первого максимума. Среднее значение количества полных колебаний составляет 0,53. Значение среднеквадратического отклонения времени регулирования для метода Коэна-Куна составляет 0,58 секунды, а размах вариации для времени регулирования составляет 2,43 секунды. На основе анализа табл. 1 и 2 можно сделать вывод о том, что метод Коэна-Куна позволяет добиться минимального времени достижения уставки, при минимальном значении перерегулирования. Среднее время между первым максимумом и достижением уставки составляет 0,02 секунды.

Таким образом, разработанное программное обеспечение позволило выбрать наилучший метод автоматического подбора коэффициентов ПИД-регулятора.

Литература:

  1. Преобразователь частоты Unidrive M400 [Электронный ресурс]. — URL: http://www.privodsys.ru/katalog/unidrive-m/preobrazovatel-chastoty-unidrive-m400/ (дата обращения 12.10.2019).
  2. AI-485-Adaptor [Электронный ресурс]. — URL: http://acim.nidec.com/en-us/drives/control-techniques/products/options-and-accessories/communications-option-modules/ai-485-adaptor (дата обращения 12.10.2019).
  3. I-7520A ICP DAS — конвертер RS-232 в RS-422/485 [Электронный ресурс]. — URL: https://aveon.ru/catalog/i-7520a/ (дата обращения 12.10.2019).
  4. Фильтр Калмана / Хабр [Электронный ресурс]. — URL: https://habr.com/ru/post/166693/ (дата обращения 12.10.2019).
  5. Сазонов А. А. Микропроцессорное управление технологическим оборудованием микроэлектроники: учеб. пособие / А. А. Сазонов. — М.: Радио и связь, 1998. — 264 с.
Основные термины (генерируются автоматически): CHR, процесс работы, время регулирования, метод Коэна-Куна, разработанное программное обеспечение, минимальное значение перерегулирования, минимальное время достижения, асинхронный двигатель, CON, частотный преобразователь.

Похожие статьи

Исследование методов настройки ПИД-регулятора для систем...

В работе описывается исследование системы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя. Данная тема является актуальной в связи с тем, что в настоящее время настройка параметров системы регулирования скорости вращения асинхронного...

Моделирование и анализ производительности...

Потребность в регулировании скорости асинхронного двигателя переменного тока возникает в определенных промышленных областях и этого

Моделирование и анализ производительности частотно-регулируемого привода в управлении скоростью асинхронного двигателя.

Сравнение методов настройки ПИД-регулятора при колебаниях...

В работах [1], [4], [5] сравниваются методы настройки ПИ- и ПИД-регуляторов в САР

Они основаны на аналитических исследованиях Коэна-Куна, Чина, Хронса и Ресвика, [6, с. 58-59]. Зная параметры объекта регулирования, нетрудно рассчитать коэффициенты ПИД-регулятора.

Исследование системы векторного управления...

В настоящее время частотно-регулируемый электропривод

При разработке систем регулирования электроприводом различных производителей развиваются в

В последнее время наблюдается тенденция перехода к бездатчиковым системам с вычислением значений...

Обзор алгоритмов управления асинхронными электроприводами

Рис. 3. Система управления позицией асинхронного двигателя прямым методом. В случае управления моментом заданной величиной

Но при данном способе управления изменения параметров двигателя в процессе работы (изменение сопротивления и индуктивности...

Исследования нелинейного корректирующего устройства...

Исследования нелинейного корректирующего устройства замкнутой системы «Преобразователь частоты – асинхронный двигатель» на ЭВМ.

Как видно из рисунка 3, график переходного процесса скорости выбран без перерегулирования и колебаний, что соответствует...

Подбор параметров преобразователей частоты при испытании...

В настоящее время известны множество схем испытаний асинхронных двигателей, реализующих возврат электрической энергии в сеть или обратно испытуемому двигателю, что позволяет добиться экономии электрической энергии при проведении испытаний.

Реализация методов настройки ПИД-регулятора для...

В работе описывается реализация методов регулирования скорости вращения асинхронного двигателя. Данная тема является актуальной в связи с тем, что в настоящее время настройка параметров системы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя является...

Способ оптимизации режимов работы дымососов...

Рассмотрены вопросы оптимизации процесса горения в топке с помощью применения частотно-регулируемого асинхронного электропривода в односкоростных асинхронных двигателях, применяемых в дымососах ТашТЭС...

Проектирование систем автоматического управления...

‒ скорость регулирования (время уменьшения ошибки регулирования до заданной

По итоговому ранжированию видим, что на первом месте находится перерегулирование, на

Результатом работы являются значения многомерной функции, построенной для данной...

Похожие статьи

Исследование методов настройки ПИД-регулятора для систем...

В работе описывается исследование системы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя. Данная тема является актуальной в связи с тем, что в настоящее время настройка параметров системы регулирования скорости вращения асинхронного...

Моделирование и анализ производительности...

Потребность в регулировании скорости асинхронного двигателя переменного тока возникает в определенных промышленных областях и этого

Моделирование и анализ производительности частотно-регулируемого привода в управлении скоростью асинхронного двигателя.

Сравнение методов настройки ПИД-регулятора при колебаниях...

В работах [1], [4], [5] сравниваются методы настройки ПИ- и ПИД-регуляторов в САР

Они основаны на аналитических исследованиях Коэна-Куна, Чина, Хронса и Ресвика, [6, с. 58-59]. Зная параметры объекта регулирования, нетрудно рассчитать коэффициенты ПИД-регулятора.

Исследование системы векторного управления...

В настоящее время частотно-регулируемый электропривод

При разработке систем регулирования электроприводом различных производителей развиваются в

В последнее время наблюдается тенденция перехода к бездатчиковым системам с вычислением значений...

Обзор алгоритмов управления асинхронными электроприводами

Рис. 3. Система управления позицией асинхронного двигателя прямым методом. В случае управления моментом заданной величиной

Но при данном способе управления изменения параметров двигателя в процессе работы (изменение сопротивления и индуктивности...

Исследования нелинейного корректирующего устройства...

Исследования нелинейного корректирующего устройства замкнутой системы «Преобразователь частоты – асинхронный двигатель» на ЭВМ.

Как видно из рисунка 3, график переходного процесса скорости выбран без перерегулирования и колебаний, что соответствует...

Подбор параметров преобразователей частоты при испытании...

В настоящее время известны множество схем испытаний асинхронных двигателей, реализующих возврат электрической энергии в сеть или обратно испытуемому двигателю, что позволяет добиться экономии электрической энергии при проведении испытаний.

Реализация методов настройки ПИД-регулятора для...

В работе описывается реализация методов регулирования скорости вращения асинхронного двигателя. Данная тема является актуальной в связи с тем, что в настоящее время настройка параметров системы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя является...

Способ оптимизации режимов работы дымососов...

Рассмотрены вопросы оптимизации процесса горения в топке с помощью применения частотно-регулируемого асинхронного электропривода в односкоростных асинхронных двигателях, применяемых в дымососах ТашТЭС...

Проектирование систем автоматического управления...

‒ скорость регулирования (время уменьшения ошибки регулирования до заданной

По итоговому ранжированию видим, что на первом месте находится перерегулирование, на

Результатом работы являются значения многомерной функции, построенной для данной...