автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование следящих электроприводов перископического зеркала крупного радиотелескопа

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕЗСрЦИИ аЛЕКТРОТЕХШШСШЙ ИНСТИТУТ имени В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

На правах рукописи

Егоров Владислав Алексеевич

РАЗРАБОПЦ И ИССЛЕДОВАНИЕ СЛЕЩЩИХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРИСКОПИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА КРУПНОГО РАДИОТЕЛЕСКОПА

Специальность: 05.09.03 -

Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/ . , / Санкт-Петербург - 1991

' . '■) (У / <

/ / / О Г.)

Работа выполнена в Ленинградском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электротехническом институте имени В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук профессор Соколовский Г.Г. Официальные оппоненты:

доктор технических тук профессор Ковчин O.A. кандидат технических наук доцент Шустов Д.А.

Ведущая организация - концерн "Ленинец"

Ленинградского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электротехнического института имени В,И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Защита диссертации в AS16 час. на заседании

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета

Балабух А.И.

^ ; ОБЩАЯ ХЛРЛОТШСТИКА РАБОТЫ

'рг-М^1 ^Актуальность проблемы. Интенсивное освоение диапазона мил-!'"лиметровнх волн, для целей радиоастрономии и космической связи привело к тому, что точность наведения и качество зеркальной системы (ЗС) существующих крупных полноповоротных антенных установок - радиотелескопов (РТ) перестали удовлетворять современным требованиям. Между тем, традиционные способы улучшения характеристик рассматриваемое подсистем, к которым относятся уменьшение ошибки слежения электроприводов наведения главного зеркала и повышение жесткости олементов конструкции ЗС исчерпали себя, подведя параметр:! подсистем к техническому пределу. 3 сложившейся ситуации, объективное решение проблемы улучшения характеристик систем наведения и фокусировки радиолуча молет быть найдено на пути создания подсистем управления элементами ЗС, ив частности САУ перископическим зеркалом.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертации является разработка широкополое»« следящих приводов перископического зеркала крупного радиотелескопа. Эта цель предполагает решение основной задачи по разработке математического описания перископического зеркала, как объекта управления, с учетом конструктивных особенностей механизма и специфики сшетстромэхани-еского преобразователя и на этой основе решение комплекса вопросов, связанных с синтезом следящих приводов, обеспечивающих требуемую динамическую точность перемощения зеркала'.'*

Методы исследования. Результаты диссертационной работы базируются на использовании методов теории электрических машин, теории автоматического управления, теории обыкновенных дифференциальных уравнении и аппарате интегралыгнх преобразовании. При проверке теоретических результатов широко использовались методы математического моделирования на ЭВ.'л.

Научная нотзизна работы заключается в следующем: - разработано оригинальное математическое описание бесконтактного моментного электропривода (Б.Л1), применяемого для электромеханического преобразования энергии в приводах азимутальной и угломестно.Ч осей перископического зеркала, на базе которого:

- г -

а) исследована возможность улучшения статических и динамически:?: характеристик БМП, за счет введения контуров регулирования тока фаз синхронного двигателя; б) получены аналитические выражения статических характеристик и передаточная функция БМП с токовыми контурами;

- предложена методика сравнительного анализа вариантов структурной организации линейной стационарной САУ с использованием которой, исследованы ' собенности построения следящей системы, для упруго-вязкого электромеханического объекта повышенной жесткости с БШ и получены: а) результаты анализа структур следящего электропривода; б) аналитические настройки регуляторов;

- разработан способ уменьшения составляющей ошибки следящей системы, обусловленной силами трения в опорах механизма.

Практическую ценность работы составляют:

- рекомендации по организации и настройке контуров тока в структуре БШ;

- упрощенная передаточная Функция БЖ1 с токовыми контурами, позволяющая произвести синтез САУ с БШ;

- рекомендации по выбору структуры следящей систамы;

- соотношения для расчета регуляторов;

- принцип действия и аппаратная реализация устройства компенсации сил трения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- II Дальневосточной научно-практической конференции "Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий", Комсомольск-на-Лмуре, 1Э89;

- лаучно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭ'Ш им. В.И. Ульянова (Ленина), Ленинград, 1938-198У гг.

Публикации. Но материалам диссертации опубликовано четыре печатных работы.

Реализация и внедрение результатов. Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, исполь-

зованы при разработке и реализации следящих приводов перископического зеркала радиотелескопа РТ-70 в рамках научно-исследовательской работы "Оптимизация систем управления электроприводами наведения радиотелескопа РТ-70" (тема РАПС-3).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка литературы из 69 наименований. Содержание работы изло-кено на ПО страницах печатного текста, иллюстрируется 40 рисунками и 3 таблицами.

СС.ЮВПОЕ ООДОШШЗ РАБО'Ы

Во ввел,ении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертации, приведено ее краткое содержание и основные вопросы выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются вопросы анализа перископического зеркала (ГО) как объекта управления. Объект разбит на две части: электромеханический преобразователь (в качестве которого в приводах ПЗ используется бесконтактный моментный электропривод) и механизм.

Функциональная схема исследуемого КШ представлена на рис.1.

Она отличается от описываемых в литературе, наличием токовых контуров, образованных регуляторами (РТ) и датчиками (ДТ). Введение токовых контуров позволяет: а) улучшить статические и динамические характеристики привода, в частности, уменьшить зависимость тока Б..1П от скорости; б) сравнительно просто решить задачу управления моментом.

Для исследуемой структуры Б Л получены: исходное математическое описание; основные соотношения, описывающие работу привода в установившемся режиме; передаточная -Тункция.

Походное математическое описание:

Utpui — Kj (Jm.i ; t

V qji = Upu i - Кд-г Lipi) cit + £рт Кум (UtpMi - Кдт 1ф i.)

' о

-О

им

пи

ДПР

гад

I

1в

ФМВ

СИ

ртьИ^З

ягЫ

ФЧЬ

рт

уп

гСЭ-

ТНЛТ1

Рис. I. Функциональная схема бесконтактного моментного электропривода

Рис. 2. Общий вид перископического зеркала

dupi dt

+ 1-ф>- = ¿(^i-M;

Пд =» СмГт 31М(Фег.з-Фр.э)\ i-<paA +

1<рь ;

Фогэ

axctnlS!L-

d Lipi '

Э^=мд-ис; ¿од; Фр-РпЧ»^,

где L - индекс фазы; Ubt.a= Ua/Up.rb = -UixSiM4)p.3;

ефЛ = СеОл cos чу-»; е^ве-Се(л)д$тФр.»; и^ЛфцМд^д/фр

- входное напряжение, токи фаз, момент, скорость и угол ШП; Ki-коэффициент передачи мезду входным напряжением и модулем вектора задания тока; Ким, К'лт,J3.pr - коэффициенты усиления усилителя мощности, датчика и регулятора тока; Трт.Тфи.Тр - постоянные времени регулятора тока, фильтра усилительно-преобразовательного устройства и фазы синхронной машны (С.',!); Се,См, Rtp,Рп - конструктивные коэффициенты, сопротивление фазы и число пар полюсов CI.1.

Основные соотношения в установившемся решило:

Мс

= См|

Кг ■■ j-Tip»l>h)>

Кдг

!_ р (Tatfr)ub ]

и®) s д R-s (l^Kl^o!)]'

где Мс - момент нагрузки; Т?» - эквивалентная малая постоянная времени токового контура; (Оз - скорость поля СМ;

где 1т- модуль вектора тока Б'.,Щ; а» (1+Тф2и)!>)Ц-ГО?а)5); б = (1+ТфС05>)(( иЛ); с «(1 +Т<р„<01э) (со\) (1 +Т)? (0|);

где

m - ас/( {- Тфи"1>» ;

- б -

п= (Ц-ТфиС0э)(1ф»Тм)(д?> •*-(1 Ц?)(Тфц-Тф).

О(Гф [(1 +Тфц(0?)(Тф +-]» +-2(Тфи-Тф)(1 -Т<ри"1>1 и)|)]

К— .........-"-"■"■'■—'■' ■ . 1 ■ ——-—. ■ +

+ ( 1 +Три СОэ).

Передаточная функция:

дсОд(р) _ КгСиК4У^1(р)/Кдг

дивх(р) ~Зр+Се"1>ЮаК2\л/2ГР>/Яф '

ТфчТи А ТфмХи . где .... _ 1-Тф1лаи»гУ 1-ТфиТлй?/И

К1 - (I -т<р^ о\)/а+тфц и>\) (1 и э);

Кг - (Тф Ь>ь/и +Тф и) з) (1 +Тм <0\) .

Справедливость полученных соотношений подтверждена экспериментально. Показано, что при выполнении условий Три 4 0)1}*! ТдхНЦ'ЭД ТфиУ» <£1 , характерных для ИЗ, передаточная функция упростится и примет вид:

ДсОд(р) Кь Си 1 А1МР) " *Ат Т^р+1 Зр '

Механическая часть зеркала, общий вид которой показан на

рис, 2, представлена по каддой координате двухмассовой упруго--вязкой моделью, где первой массой является ротор двигателя, а второй - исполнительный орган.

Во второй главе решается комплекс вопросов, посвященных построению системы управления перископическим зеркалом.

Во-первых, произведена оценка механического взаимовлияния приводов ПЗ. Показано, что взаимовлияние невелико и им можно пренебречь при расчете системы управления.

Во-вторых, исследованы возможности формализации процедуры синтеза следящей системы для упруго-вязкого электромеханического объекта повышенной жесткости с Ег.Ш, особенностью которого является то, что его резонансные свойства проявляются в области частот, где начинает сказываться действие малых п.стояншх времени.

Показано, что в рассматриваемом случае исходная задача сводится к задаче анализа структур. Предложен алгоритм сравнения структур системы автоматического управления, суть которого состоит в отыскании функциональной зависимости показателя ка--чеотва конкретной, структуры от параметров объо'ста и последующем выборе перспективной структуры.

С использованием предложенного алгоритма исследованы четыре варианта структурной организации следящих приводов перископического зеркала:

1. С подчиненным контуром скорости организованным в С00Т7 ветствии с принципами модального управления и контуром положения замкнутым по углу исполнительного органа (ИО),

2. С контуром положения замкнутым по углу ИО и подчиненным контуром скорости замкнутым по скорости ИО.

3. С' подчиненным контуром скорости замкнутым по скорости двигателя и контуром положения замкнутым по углу ИО.

4. 0 контуром положения замкнутым по углу ИО, без скоростной подсистемы. ^

В ходе исследования получены следующие аналитические настройки регуляторов:

- для первой структуры

>?п = Ь)о/А,8; ЧГрп - 3,6/сОо; «о = 1/((И + бОУа)о)Тфи.

где £>рп,Трп ~ коэффициент передачи (и относительных единицах) и постоянная времени Пл-регулятора положения; СОо - среднегеометрический корень, характеризующий быстродействие скоростной подсистемы; Ю' - модуль неуправляемого вещественного корня, обусловленный наличием звена с постоянной времени Тф« ; -коэготщиент характеристического полинома-эталона скоростной подсистемы;

- для второй структуры

|<р1 = 2 £Тм/пТи, при Ти/Т<рц ¿1} 4

где Крс - коэффициент передачи регулятора скорости; ^ - коэффициент демпфирования; Та - постоянная времени упругости; Тм -механическая постоянная времени; - коэффициент устойчи-

вости;

- для третьей структуры

яриТи/ТфиИ; ^ < О,«; _р>рп = Сверка; Трп - 2/(Оеркл ; =

где х - коэффициент соотношения масс;

- для четвертой структуры

и>1=-\ К/Тп'; К?2^Тм/цТи ; Три =■ 1/^1',

Ърп*» трп». = 8Ърп; трпь = о,5"Трп;

_р>рп = К ""Српз/ТГрг^ ,

где Трл1-гТрпх - постоянные времени 1"ЫД-регулятора положения. Настройки обеспечивают величину показателя колебательности зам-

кнутой следящей системы не более 1,6.

Результатом исследования рассмотренных структур является номограмма относительного быстродействия рис. 3. На номограмме по оси ординат отложено отношение частоты среза внешнего контура следящей системы к частоте упругих колебаний механизма.

Полученные результаты позволяют свести процедуру синтеза следящей системы к выбору структуры по номограмме (рис. 3) и расчету регуляторов пои помощи предложенных настроек.

В-третьих, исследованы возможности уменьшения составляющей ошибки следящих приводов ПЗ, обусловленной силами трения в опорах механизма.

Предложен алгоритм компенсации сухого трения в основе которого лежит известный способ, заключающийся во введении па вход токового контура сигнала с релейного элемента, но отличающийся тем, что входным сигналом релейного элемента является продиМе-ренцированный сигнал задания угла. Это позволяет: а) применять устройство компенсации в следящих приводах не имеющих скоростной подсистемы; б) исключить влияние корректирующего устройства на устойчивость системы и тем самым предотвратить возникновение автоколебаний при перекомпенсации.

В третьей главе экспериментально получены модели механизма ПЗ, позволяющие произвести расчет регуляторов, па конкретном примере показано, что использование номограммы относительного быстродействия структур (рис. 3) на этапе идентификации, может существенно упростить, процедуру получения ма^ёТ.гатической модели объекта, пригодной для синтеза системы управления.

В четвертой главе произведен синтез следящих приводов ПЗ с использованием предложенного подхода. Приведены результаты расчетов на ЭВЫ и экспериментальных исследований разработанного следящего электропривода на опытном образце перископического зеркала.

3 заключении сутямируются основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I.,,Ксследован способ улучшения статических и динамических

СОгахп

Рис. 3. Номограмма относительного быстродействия структур следящей системы: 1-е модальньш регулятором скорости; 2 (') - с контуром скорости замкнутым по валу исполнительного органа (при наличии Фильтра в регуляторе скорости); 3 - без скоростной подсистемы

характеристик бесконтактного моментного привода, заключающийся во введении в структуру БМП токовых контуров. Даш рекомендации по организации внутренних контуров тока.

2. Для БМП с токовыми контурами получен набор математических моделей и соотношений, позволяющих исследовать основные ре-"кш.ты работы привода и произвести синтез системы управления.

3. Разработан подход, упрощающий синтез следящей системы для упруго-вязкого .электромеханического объекта повышенной жесткости с БМП. Предложены соотношения для расчета регуляторов. Даны рекомендации по выбору структуры следдгщеп системы.

4. Предложены способ и устройство уменьшающие составляющую ошибки следящей системы, вызванную силами трепля в опорах механизма.

5. Разработана и испытана на опытном образце система управления перископическим зеркалом.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Егоров В.А. Влияние токового контура на характеристики бесконтактного моментного привода как объекта управления скоростной системы // Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий: Тез. докл. 2 - й Дальневосточной вауч.-практ. конф. - Комсомольск-на-Амуре, 1969. - С. 14.

2. Егоров В.А. Передаточная функция бесконтактного моментного привод,а с электродвигателями серии ДБМ, при питании Фаз силовой машины от управляемых источников тока / Комсомольск.-иа-Амуре политехи, ин-т. - Комсомольск-на-Амуре, 1991. - 7с. -Деп. в~ВИНИТИ 19.03.91, Р II78-B9I.

3. Егоров В.А. Особенности построения следящей системы для упруго-вязкого электромеханического объекта с повышенной жесткостью / Комсомольск.-на-Амуро политехи, ин-т. - Комсомольск-на-Амуре, 1301. - 5с. - Деп. л ВИНИТИ 26.03.91,

I285-B9I.

4. Соколовский Г.Г., Постников Ю.В., Егоров В.А. Математическая модель бесконтактного, моментного электропривода //

Изв. ЛЭТИ: Сб. науч. тр. / Ленинградок.'электротехн. ин-т. им. В.И. Ульянова (Ленина). - Л., 1989. - Вып. 416. - С.45-50.