Программное обеспечение лабораторного стенда для настройки ПИД-регулятора



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.