автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Стационарные динамические режимы точных электромеханических систем с фазовым управлением

На правах рукописи

РГВ од ге:; г']

Сяо Щи

СТАДИОН АРНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ФАЗОВЫМ УПРАВЛЕШЕМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург -2000

Работа выполнена на кафедре "Системы автоматического управления" Санкт-Петербургского государственного технического университета

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

- Доктор технических наук, профессор С.А. Ковчин.

- Доктор технических наук, профессор В.М. Шестаков;

Кандидат технических наук, доцент E.H. Ковалёв.

- Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова (Ленина).

Защита диссертации состоится « »oiorl^j^ 2000г. в часов

на заседания диссертационного совета К063.38.25 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете

по адресу: Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, Главное здание, ауд. 151.

Почтовый адрес: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТУ.

Автореферат разослан сентября 2000 г. Ученый секретарь

диссертационного совета К063.38.25

уД/\ /А.Н.Кривцов/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие новых отраслей науки и техники, качественное выполнение процессов, в которых невозможно без точных систем воспроизведения параметров движения, таких как скорость, ускорение, перемещение и другие, требует дальнейше2Сусовершенствований таких установок. Поэтому проблема создания точных электромеханических систем (ЭМС) в последние, как и в предыдущие годы находится в центре внимания ученых и инженеров, работающих в этой области.

Почта за сорок лет существования научных школ СПбГТУ, СПбГЭТУ, Ивановского ГЭТУ, Красноярского ГТУ и Новосибирского ТЭТУ было созданы основы теории точных систем электропривода и выполнены крупные научные разработки отдельных направлений этой проблемы. Основные работы и полученные результаты можно свести к следующим:

-Создана классификация как основа для рационального проектирования точных систем электроприводов, разработаны её компоненты и параметры классов, подклассов, категории и групп;

-Создана общая методология исследования и оценок точности систем при работе их в установившемся и динамическом режимах;

-Созданы общие принципы построения точных систем на базе использования всех классов электрических машин;

-Созданы принципы выбора рациональных элементов и технических решений для проектирования точных ЭМС.

Установлено, что одним из рациональных технических реализаций принципа построения точных систем является фазовое управление. Вопросам разработки, исследования и конструирования таких сложных и ответственных электромеханических комплексов посвящено большое количество монографий и научных статей. Однако, после тщательного анализа результатов, полученных в предшествующих исследованиях, также

установлено, что многие теоретические и практические вопросы еще не достаточно изучены, и это связано^ основному двумя причинами:

Во-первых, многие разработанные в то время теоретические методы, такие, как теория дихотомии, методы гармонической линеаризации или параметрического резонанса и т.п. еще не были применены для решения практической задачи - исследования точных систем с фазовым управлением.

Во-вторых, отсутствие мощной вычислительной техники, существенно ограничивало глубину исследований динамических режимов точных систем, особенно с учетом нелинейностей в их элементах и различных возмущений.

Поэтому настоящую работу следует рассматривать как продолжение и дополнение предыдущих исследований.

Цель работы. На основании подробного анализа полученных ранее результатов, можно сформулировать теоретическое и практическое значения дели настоящей работы следующим образом:

- Совершенствование методов аналитического исследования стационарных динамических режимов, дихотомии и устойчивости нелинейных точных ЭМС.

Исследование принципов построения современных точных электромеханических систем воспроизведения параметров движения.

Основные задачи в области теории, которые требуются решить для достижения поставленной цели это:

1.Развитие и уточнение классификации точных ЭМС для традиционных и новых наукоемких областей.

2.Создания математических моделей силовой части ЭМС с явновыраженным вязким или сухим трением, работающих в режимах малых стационарных колебаний момента и других возмущений.

3.Разработка приложений теории дихотомии к исследованию процессов в системах с фазовым управлением.

И - в области практики -:

1.Анализ дихотомии структур синхронизированных ЭМС постоянного тока, различающихся их степенью сложности и видами нелинейных характеристик фазовых дискриминаторов.

2.Разработка математических моделей и методик исследования поведения фазоимпульсных систем в синхронном, квазисинхронном и асинхронном режимах.

З.Оценка влияния частоты квантования в элементах фазоимпульсных на их динамические точностные показатели.

Методы исследования выбирались исходя из поставленных задач с учетом особенностей ЭМС. Для исследования влияний возмущений на колебания угловой скорости с учетом сухого и вязкого трения использовались методы теории автоматического управления. Для анализа и синтеза фазовых систем использовались методы теории непрерывных и дискретных систем управления. Для исследования поведения точных ЭМС, различающихся видами нелинейных характеристик фазовых дискриминаторов, использованы методы теории дихотомии. Для определения параметров автоколебаний фазовых систем использованы методы гармонической линеаризации первого и второго рода. Достоверность этих аналитических исследований проверялась путем компьютерного моделирования.

Научная новизна результатов диссертации заключается в следующим.

1.Разработана новая классификация современных точных ЭМС для традиционных и новых наукоемких областей;

2.Созданы математические модели силовой части ЭМС с яв невыраженным вязким или сухим трением, работающих в режимах малых стационарных колебаний момента и других возмущений

3.Создана методология применения теории дихотомии для исследования динамических режимов точных электромеханических систем с фазовым управлением.

Практическая ценность.

-Разработаны математические модели и методики исследования поведения фазоимпульсных систем в синхронном, квазисинхронном и асинхронном режимах; получены оценки влияния частоты квантования в элементах фазоимпульсных систем на их динамические точностные показатели;

-Разработана программа, позволяющая воспроизводить различные возмущения и нелинейности в модели системы и учитывать их влияния на колебания угловой скорости.

Кроме того, результаты работы позволили:

-более удобно и точно определить параметры автоколебаний ЭМС, различающихся видами нелинейных характеристик фазовых дискриминаторов;

-улучшить точностные показатели прецизионных установок за счет рационального построения структур их фазового управления.

Апробация. Материалы работы докладывались на научных семинарах кафедры САУ СПбГТУ в 1997-2000 гг.

Объем работы. Диссертация содержит введение, четыре главы с материалами основных исследований, заключение, список литературы из 60 наименований и дополнительные материалы в виде 4 приложений.

Работы изложена на 166 листах машинописного текста, из них основная часть составляет 146 листов, и кроме того, содержит 39 рисунков и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель диссертационной работы и положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу принципов построения современных точных ЭМС воспроизведения параметров движения. Подробно

рассматривались многочисленные работы по созданию точных ЭМС, выполненных за последние сорок лет в научных школах СПбГТУ, СП6ГЭТУ, Ивановского ГЭТУ, Красноярского ГТУ и Новосибирского ТЭТУ.

Показано, что для создания современных прецизионных электроприводов, за исключением установок, работающих на сверхнизких скоростях, можно получить удовлетворительные результаты, путем совершенствования фазовых систем с синхронизированными машинами постоянного тока.

Обосновано уточнение классификации, которая была разработана в 70-е годы. Это обусловлено появлением новых точных систем сверхширокого диапазона регулирования скорости до (104-105):1, высокоскоростных электроприводов, и других современных ответственных электромеханических устройств и комплексов.

Разработана новая уточненная классификация ЭМС, отвечающая требованиям новых отраслей науки и техник. Она разделена на сегменты:

- по характерам задания сигнала управления как функции времени g(t);

- по видам воспроизводимого параметра движения;

- по точности воспроизводимого параметра движения;

- по разновидностям областей применения ЭМС;

- по видам и уровпям внешних воздействий на ЭМС.

Кроме того, введены оценки точности для позиционных систем, которые ранее не были учтены в классификации.

Установлено, что классификация электромеханических систем с количественными и качественными показателями позволяет научно обоснованно составить техническое задание (ТЗ) на проектирование любой новой установки, реализовать ей функциональную, принципиальную и конструктивную схемы и составить методику приемо-сдаточных испытаний.

Показано, что использование в классификации классов, подклассов точности с их нормативными показателями, или категорий и групп с их

нормативными критериями, оказывается особенно полезным при разработке точных систем. Так как пренебрежение теми или иными факторами может сделать реализованную установку непригодной для тех условий работы или режимов эксплуатации, для которых она предназначалась.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей объекта управления с явновыроженным влиянием сухого или вязкого трения.

В точных электромеханических комплексах момент сопротивления Мс определяется составляющими: Мст вызванными только силами сухого трения, и Мвт - силами вязкого трения. Обе эти составляющие момента являются нелинейными функциями угловой скорости и.

По экспериментальным данным, установлено, что момент сопротивления Мс можно записать приближенной аналитической зависимостью:

Мс(о) = ^+М, + кУ (1)

о

кгДМп „ „ ,,

где ——— - составляющий, вызванный силами сухого трения; Мо -ш

постоянный составляющий; кво>- составляющий, вызванный силами вязкого трения; АМП — начальное значение приращения момента сухого трения; кс, кв- коэффициенты пропорциональности.

Тогда зависимость Мс можно разделять на три участок, и при малых колебаниях угловой скорости модели могут быть линеаризованы.

1. При ю « соэ , можно не учитывать влияние вязкого трения, после линеаризации получим модель силовой части с учетом сухого трения:

Кдс(3)=^ = _^_> (2)

А ЛМ(з) (Тмсв-1)'

где <в - рабочая угловая скорость привода, соэ - критическая угловая скорость, при которой момент сопротивления равен экстремуму,

ш2

к_дс = -—, Тмс = I кдс, I - момент инерции привода.

ксЛМп

2. При со = ©з, можно учитывать только постоянный составляющий Мо, соответствует базовой модели:

3. При со » «ь, можно не учитывать влияние сухого трения, после линеаризации получим модель силовой части с учетом вязкого трения:

ДМ(8) Тмв8 + 1

ГДС Кдв = — » Тцв = Кда • 2кви

Показано, что влияния момента трения на логарифмические амплитудо-частотные характеристики (ЛАХ) силовой части приводов малой мощности и большой мощности сильно отличаются. Для привода малой мощности модель с учетом сухого трения имеет повышенный коэффициент передачи и пониженную собственную частоту по сравнению с базовой моделью, а для привода большой мощности оказывается, что сухое трение почти не влияет на систему. С учетом вязкого трения получаем совершенно другие результаты: соответствующая модель привода большой мощности имеет пониженный коэффициент и повышенную собственную частоту по сравнению с базовой моделью. Чем больше рабочая угловая скорость, тем сильнее это влияние. Модель малой мощности с учетом вязкого трения очень мало отличается от базовой модели, даже при большой рабочей угловой скорости.

Исследованы стационарные колебания угловой скорости в электромеханических комплексах, вызванных различными возмущениями с учетом влияния сухого и вязкого трений.

Показано, что при исследовании влияния колебаний момента, необходимо пользоваться моделями, учитывающими влияния сухого или вязкого трения, чтобы получить более точные оценки погрешности скорости, которые имеют большое значение для прецизиопных ЭМС.

Установлено, что для оценки влияния возмущений по напряжению (колебания напряжения регулируемых выпрямителей или широтно-импульсных преобразователей), частота которых не зависит от рабочей угловой скорости, достаточно применить базовую модель, потому что их влияния на угловую скорость ЭМС почти не зависят от модели и параметров т. (количества делений импульсного датчика скорости) и угловой скорости о.

Третья глава посвящена исследованию динамических режимов точных ЭМС, различающихся видами нелинейных характеристик фазовых дискриминаторов. Фазовые системы могут работать в синхронном (когда мгновенные значения задания угловой скорости <о3(() и отрабстгки угловой скорости Шос(0 все время остаются равны), квазисинхронном (когда о3(1) и С0цс(1) в среднем за некоторый период времени остается равны, но разность фаз изменяется периодически) и асинхронном (когда среднее значение разности угловых скоростей оэ-Д) и ю«^) не равно нулю) режимах из-за нелинейности фазового дискриминатора, и соответственно в системах могут возникать автоколебание. Нормальные условия работы фазовых систем соответствуют режимам синхронизации и квазисинхронизации.

В этой же главе использовано важное понятие ~ дихотомия. Она является более слабым свойством, чем устойчивость, поскольку не предполагает отсутствия неограниченных решений. Однако, дихотомичная система имеет одно весьма важное свойство: в ней не могут иметь место автоколебания.

Показано, что для исследования поведения фазовых систем в стационарных динамических режимах, целесообразно оценивать их дихотомичность, а затем только определять параметры автоколебаний..

Доказано, что для фазовых систем с периодической нелинейностью, линейная часть которых имеет вид:

к

-системы первого или второго порядков дихотомичны;

-для систем третьего и четвертого порядков дихотомичность неопределима;

-для систем пятого порядка дихотомичность зависит' от численных значений коэффициентов а;;

-условия дихотомичности для систем более высоких порядков требуют значительного объема вычислений.

Если же система не дихотомична или ее дихотомия не определима, то нужно определить параметры автоколебаний. В той же главе для решения этой задачи использованы методы гармонической линеаризации.

Для определения параметров автоколебаний при работе системы в квазисинхронном режиме использовалась гармоническая линеаризация первого рода, при этом входной сигнал фазового дискриминатора <р(1)=А8ту1+а=А5Ш1|/+а , где ц/ = VI, А, V -- амплитуда и частота сигнала, а —- постоянный начальный фазовый сдвиг входного сигнала, определяемый заданным значением скорости привода со3№ и его нагрузкой.

Для определения параметров автоколебаний в асинхронном режиме -гармоническая линеаризация второго рода при ф^^АбнМ+^+ос.

После вычисления значений коэффициентов гармонической линеаризации (р1° , 41 , Ц]' - коэффициенты гармонической линеаризации первого рода, Рг0 , Чг , <12' - коэффициенты гармонической линеаризации второго- рода), определены «параметры автоколебаний таким образом: построить амплшудо-фазвые характеристики линейной части системы Кл(]ю) для непрерывной модели и КлО'А.) для дискретной модели, когда система работает при малых уставках скорости, дискретностью отдельных элементов нельзя пренебречь, то их пересечениям с обратной амплитудо-амплитудной

характеристикой фазового дискриминатора 2(Л,а) =----- (при

работе системы в квазисинхронном режиме) или 'ДА, а) 1

(при работе системы в асинхронном режиме) соответствуют возможные

ч

автоколебания. Затем с учетом условия установившегося режима можно определить параметры автоколебаний.

Установлены:

-Коэффициенты гармонической линеаризации для фазовых детекторов с различными характеристиками очень сильно отличается друг от друга. Если в системе использован фазовой дискриминатор с насыщением, а не с периодической характеристикой, то она имеет больший запас устойчивости.

-При малых уставках по скорости привода, когда дискретностью отдельных элементов нельзя пренебречь, запас устойчивости уменьшается почти в 2 раза. Поэтому при проектировании низкоскоростных ЭМС с фазовым управлением к их параметрам нужны, предъявлять более строгие требования.

-Гармоническая линеаризация периодических нелинейностей должна выполняться с учетом физической реализуемости процессов во всех элементах ЭМС. Поэтому возникает проблема использования гармонической линеаризации нелинейностей первого и второго рода, а также выбора диапазонов изменения амплитуд "А" и смещений "а" несимметричных автоколебаний.

-Сложно определяются параметры несимметричных автоколебаний, которые только и могут существовать в реальных ЭМС с фазовым управлением. Поэтому доя более точного решения этой задачи необходимо создать специальную программу исследования режимов автоколебаний, которая включала бы определение коэффициентов гармонической линеаризации первого и второго рода для различных видов нелинейностей при различных значениях А,а,у, и перебора этих параметров при совместном решении уравнений, характеризующих условия установившегося режима и возможность автоколебаний электромеханических систем с фазовым управлением.

В четвертой главе приведены результаты моделирования различных динамических режимов работы электромеханических систем с фазовым управлением с целью проверки их адекватности натурным испытаниям для подтверждения достоверности предложенных аналитических моделей.

Теоретическое исследование (методом гармонической линеаризации) автоколебаний фазовых систем и их исследование на математической (компьютерной) модели показали, что их результаты совпадают. Отсюда можно сделать вывод, что применение метода гармонической линеаризации первого и второго рода для исследования динамических процессов фазовых систем позволяет получить достоверно точные результаты.

Результаты теоретического исследования влияний возмущений на стабильность угловой скорости фазовых систем с учетом вязкого или сухого трения и их исследования на модели совпадают. Этим доказана достоверность и целесообразность применения модели точной электромеханической системы с учетом вязкого или сухого трения.

Экспериментально доказана достоверность полученного результата (см. Глава 3), о том что дихотомичность ФСАУ с периодической нелинейностью ФД неопределима, поскольку возникновения автоколебаний в этих системах не только зависят от параметров объекта, но и от воздействующих сигналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1.Актуальность уточнения классификации электромеханических систем, обусловлена появлением новых точных механизмов со сверхшироким диапазоном регулирования скорости до (104-105):1, высокоскоростных электроприводов, и других современных ответственных электромеханических устройств и комплексов. Уточненная классификация позволяет научно

обоснованно составить техническое задание на проектирование любой новой ЭМС, реализовать её функциональную, принципиальную и конструктивную схемы и составить методику приемо-сдаточных испытаний.

2.Показано, что рациональным принципом создания современных

прецизионных электроприводов, за исключением установок, работающих на сверхнизких скоростях, является совершенствование фазовых систем с синхронизированными машинами постоянного тока.

3.Установлено, что для исследования точных ЭМС целесообразно воспользоваться уточненными моделями их объектов управления, учитывающими влияния сухого и вязкого трения. При этом влияния момента трения на привод малой мощности и большой мощности сильно отличаются.

• Для привода малой мощности его модель с учетом сухого трения имеет повышенный коэффициент передачи и пониженную собственную частоту по сравнению с базовой моделью.

• С учетом вязкого трения, соответствующая модель привода большой мощности имеет пониженный коэффициент и повышенную собственную частоту по сравнению с базовой моделью. Чем больше рабочая угловая скорость, тем сильнее это влияние.

• Во всех других случаях, не зависимо от мощности системы привода, его динамическая модель мало отличается от базовой.

4.Для исследования стационарных динамических режимов работы точной электромеханической системы с фазовым управлением, целесообразно сначала оценивать дихотомию системы, а затем только определять параметры автоколебаний в случае, когда система недихотомична или её дихотомия неопределима.

5.Установлено, что с помощью современных вычислительных техник, целесообразно применять метод гармонической линеаризации первого рода и второго рода для определения качественных показателей динамических режимов фазовых системы.

6.Результаты теоретических исследований показывают, что:

Во-первых, коэффициенты гармонической линеаризации для фазовых

детекторов с различными характеристиками очень сильно отличается друг от друга. Если в системе использован ФД с насыщением, а не с периодической характеристикой, то она имеет больший запас по автоколебанию.

Во-вторых, при малых уставках по скорости привода, когда дискретностью отдельных элементов нельзя пренебречь, запас по автоколебанию уменьшается почти в 2 раза. Поэтому при проектировании низкоскоростных ФСАУ к их параметрам нужны, предъявлять боле строгие требования.

7.Теоретическое исследование автоколебаний (методом гармонической линеаризации) и влияний возмущений на стабильность угловой скорости (с учетом влияний сухого или вязкого трения) фазовых систем, и их исследование на математической (компьютерной) модели показали, что их результаты совпадают. Этим доказаны достоверности и целесообразность применяемых в настоящей работе методик исследований, таких, как использования уточненных моделей объекта управления с учетом вязкого и сухого трения, дихотомии и гармонической линеаризации первого и второго рода.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работе:

С.А. Ковчин, Сяо Щи. Основные свойства динамики фазовых электромехашиеских систем. П Проблемы машиноведения и машиностроения, СЗПИ 2000, межвузовский сборник, выпуск 20. с.63-72.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

1.1 Классификация электромеханических систем.

1.2 Анализ результатов основополагающих исследований в области создания электромеханических систем точного воспроизведения параметров движений.

1.3. Обоснования уточнения классификации электромеханических систем.

1.4 Основные принципы построения точных электромеханических систем на базе синхронизированных машин постоянного тока.

1.5 Современные фазовые электромеханические системы с цифровым управлением.!.

1.6 Основные цели и задачи работы.

Выводы.

ГЛАВА И. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ С ЯВНОВЫРОЖЕННЫМ ВЛИЯНИЕМ СУХОГО ИЛИ ВЯЗКОГО ТРЕНИЯ.

2.1 Получение аналитических зависимостей моментов сухого или вязкого трения.

2.2 Уточнение математической модели двигателя постоянного тока при учете моментов вязкого и сухого трения.

2.3 Исследование стационарных колебаний скорости в электромеханических комплексах, вызванных периодическими и случайными возмущениями.

2.4 Исследование влияния стационарных дестабилизирующих факторов на поведение прецизионных систем во всем диапазоне изменения их скоростей.

Выводы.

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СИСТЕМ С

ФАЗОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ.

ЗЛ Исходные положения.

3.2 Исследование дихотомии фазовой системы.

3.3 Исследование субсинхронного режима работы фазовой системы.

3.4 Исследование асинхронного режима работы фазовой системы.

Выводы.

ГЛАВА IV. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ С ФАЗОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Разработка программного обеспечения для моделирования фазовой системы.

4.3 Анализ полученных результатов.

Выводы.

Современный этап развития промышленности характеризуется полной автоматизацией технологических комплексов, которая неразрывно связана с расширением и усложнением функций управления. Поэтому к реализующим эти функции прецизионным установкам предъявляются все более жесткие требования.

Во-первых, повышение производительности и качества работы многих механизмов и машин станкостроительной, бумагоделательной, химической и других отраслей промышленности, прямо связано с необходимостью расширения диапазонов регулирования скоростей и увеличением точности воспроизведения параметров движения.

Во-вторых, бурное развитие новых отраслей науки и техники, качественное выполнение процессов, в которых невозможно без применения следящих и программных, а также точных систем стабилизации скорости и позиционирования, обеспечивающих необходимое высокое качество их технологических процессов.

Например, для производства новейших микропроцессоров фирмы "Intel" требуются системы позиционирования с точностью до 0.2 мкм. Техническое оборудование для генной инженерии требует еще более точных систем позиционирования с многократным воспроизведением (повторением) заданного режима.

Производство полупроводниковых приборов, выращивание искусственных кристаллов, магнитные системы установок для физико-технических экспериментов предъявляют требования по стабилизации отдельных параметров с погрешностью (0.01-0.001)%. Еще более высокие требования к погрешности измерения угловой скорости предъявляются в метрологических установках. Для целого ряда образцовых средств, воспроизведения угловой скорости или углового ускорения, погрешность задания и стабилизации параметров движения должна находиться на уровне 0.001% при диапазоне регулирования более 10000:1.

В связи с этим, проблема создания точных систем электропривода в последние годы находится в центре внимания ученых и инженеров, работающих в этой области.

Бурный прогресс в области дискретной микроэлектроники в 70е годы двадцатого века вызвал резкое улучшение всех качественных показателей цифровых вычислительных машин и устройств цифровой техники. С другой стороны, повышение требований к системам автоматического управления и усложнение самих объектов управления привели к тому, что средствами непрерывной автоматики уже не могли решаться многие практические задачи, в том числе и построения точных систем позиционирования (ТСП) и стабилизации скорость (ТССС). Это привело к тому, что, опережая промышленный прогресс, уже в 60е годы в научных коллективах России стали интенсивно разрабатываться различные варианты дискретного управления ЭМС. Теория построения таких систем с цифровыми регуляторами, базируется на фундаментальных трудах: В.А. Бесекерского, Л.Т. Кузина, ЯЗ. Цыпкина (Россия), Э. Джури, Б. Куо, Ю. Ту (США) и других ученых. Но практическая реализация ЭМС с цифровым управлением в России связана с работами научных коллективов, руководимых В.Н. Дроздовым, С.А. Ковчиным, P.A. Кулесским, В.А. Новиковым, О.В. Слежановским, Е.А. Танским, P.M. Трахтенбергом, В.Т. Файнштейном, и другими исследователями.

На основании анализа структур ряда точных систем электропривода, разработанных в России и заграницей, установлено, что для осуществления такой точной стабилизации, необходимо использовать дискретный астатический регулятор. Наиболее рациональными, техническими реализациями этого принципа, являются системы фазового управления. Они характеризуются высокой добротностью по скорости при малом периоде дискретизации. Варианты реализации этого принципа отличаются конструктивным исполнением, способами коррекции динамических показателей и алгоритмами работы частотно-фазовых дискриминаторов. Вопросам разработки, исследования и конструирования таких систем посвящено большое число монографий, научных статей и авторских свидетельство.

Однако, после тщательного анализа результатов, полученных этими предшествующими исследователями, заметим, что многие теоретические и практические вопросы еще недостаточно изучены, это связано в основном с двумя причинами:

1)многие разработанные в то время теоретические методы, такие, как теория дихотомии, гармоническая линеаризация второго рода и т.п. еще не были применены для решения практической задачи - исследования точных систем с фазовым управлением.

2)отсутствие мощной вычислительной техники, существенно ограничивало глубину исследований динамических режимов точных систем, особенно с учетом нелинейностей в их элементах и различных возмущений.

Поэтому настоящую работу следует рассматривать как продолжение и дополнение к этим исследованиям.

Основными целями работы являются следующие:

• Совершенствование методов аналитического исследования стационарных динамических режимов, дихотомии и устойчивости точных ЭМС с компьютерным управлением;

• Исследование принципов построения точных электромеханических систем воспроизведения параметров движения в виде скорости и перемещения (точного позиционирования) рабочих органов технических объектов.

Конкретные задачи для достижения поставленных целей сформулированы в первой главе после анализа результатов 7 основополагающих исследований в области создания электромеханических систем точного воспроизведения параметров движений.

В диссертации выдвинуты и развиты следующие научные положения, представляемые на защиту.

1. Уточнение и развитие классификации электроприводов, которая отвечает требование современного развития этих систем.

2. Уточненная математическая модель силовой части электромеханических систем с явновыроженным влиянием сухого или вязкого трения, работающих в режимах малых стационарных колебаний момента и других возмущений.

3. Методика исследования стационарных динамических режимов работы точных электромеханических систем с фазовым управлением: определение дихотомичности систем, определение параметров автоколебаний методам гармонической линеаризации первого или второго рода.

4. Результаты моделирования различных динамических режимов работы электромеханических систем с фазовым управлением с целью проверки их адекватности натурным испытаниям для подтверждения достоверности предложенных аналитических моделей.

Выводы

1 .Теоретическое исследование (методом гармонической линеаризации) автоколебаний фазовых систем и их исследование на математической (компьютерной) модели показали, что их результаты совпадают. Отсюда можно сделать вывод, что применение метода гармонической линеаризации первого и второго рода для исследования динамических процессов фазовых систем позволяет получить достоверно точные результаты.

2.Результаты теоретического исследования влияний возмущений на стабильность угловой скорости фазовых систем с учетом вязкого или сухого трения и их исследования на модели совпадают. Этим доказана достоверность и целесообразность применения модели точной электромеханической системы с учетом вязкого или сухого трения.

3.Экспериментально доказана достоверность полученного вывода в третей главе, о том что дихотомичность ФСАУ с периодической нелинейностью ФД неопределима, поскольку возникновения автоколебаний в этих системах не только зависят от параметров объекта, но и зависят от воздействующих сигналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1 .Актуальность уточнения классификации электромеханических систем, обусловлена появлением новых точных механизмов со сверхшироким диапазоном регулирования скорости до (104-105):1, высокоскоростных электроприводов, и других современных ответственных электромеханических устройств и комплексов. Уточненная классификация позволяет научно обоснованно составить техническое задание (ТЗ) на проектирование любой новой ЭМС, реализовать её функциональную, принципиальную и конструктивную схемы и составить методику приемосдаточных испытаний.

2.Показано, что рациональным принципом создания современных прецизионных электроприводов, за исключением установок, работающих на сверхнизких скоростях, является совершенствование фазовых систем с синхронизированными машинами постоянного тока.

3.Установлено, что для исследования точных ЭМС целесообразно воспользоваться уточненными моделями их объектов управления, учитывающими влияния сухого и вязкого трения. При этом влияния момента трения на привод малой мощности и большой мощности сильно отличаются.

• Для привода малой мощности его модель с учетом сухого трения имеет повышенный коэффициент передачи и пониженную собственную частоту по сравнению с базовой моделью.

• С учетом вязкого трения, соответствующая модель привода большой мощности имеет пониженный коэффициент и повышенную собственную частоту по сравнению с базовой моделью. Чем больше рабочая угловая скорость, тем сильнее это влияние. • Во всех других случаях, не зависимо от мощности, жесткие системы привода, его динамическая модель мало отличается от базовой.

4.Для исследования стационарных динамических режимов работы точной электромеханической системы с фазовым управлением, целесообразно сначала оценивать дихотомичности системы, а затем только определять параметры автоколебаний в случае, когда система недихотомична или ее дихотомичность неопределима.

5.Установлено, что с помощью современных вычислительных техник, целесообразно применять метод гармонической линеаризации первого рода и второго рода для определения качественных показателей динамических режимов фазовых системы.

6.Результаты теоретических исследований показывают, что: Во-первых, коэффициенты гармонической линеаризации для фазовых детекторов с различными характеристиками очень сильно отличается друг от друга. Если в системе использован ФД с насыщением, а не с периодической характеристикой, то она имеет больший запас по автоколебанию.

Во-вторых, при малых уставках по скорости привода, когда дискретностью отдельных элементов нельзя пренебречь, запас по автоколебанию уменьшается почти в 2 раза. Поэтому при проектировании низкоскоростных ФСАУ к их параметрам нужны, предъявлять боле строгие требования.

7.Теоретическое исследование автоколебаний (методом гармонической линеаризации) и влияний возмущений на стабильность угловой скорости (с учетом влияний сухого или вязкого трения) фазовых систем, и их исследование на математической (компьютерной) модели показали, что их результаты совпадают. Этим доказаны достоверности и целесообразность применяемых в настоящей работе методик исследований, таких, как

1. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода. - СПб.: Энергоатомиздат, 1994.-496с.

2. Ковчин С.А. Основные вопросы теории и принципы построения точных систем электропривода. Диссертация на соискание ученой степени доктора техн. наук. - Л. : ЛПИ, 1973. - 890с.

3. Вольдек А.И. Электрические машины. Л. : Издание 2-е, Энергия,1974.-840с.

4. Осмоловский П.Ф. Итерационные многоканальные системы автоматического управления. М. : Советское радио, 1969. - 256с.

5. Андрущук Вик.В. Теоретическое и экспериментальное исследование высокоточной системы электропривода с беспазовой машиной постоянного тока. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л. : Издательство ЛПИ, 1973. - 16с.

6. Петухов Н.В. Исследование точной системы электропривода при детерминированных возмущениях. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л. : Издательство ЛПИ,1975.- 16с.

7. Алартырев М.С. Теоретическое и экспериментальное исследования низкоскоростной системы электропривода постоянного тока. -Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. Л. : Издательство ЛПИ, 1974. - 16с.

8. Киппер X. Исследование фазо-импульсной системы точного электропривода с подчиненными контурами регулирования. -Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. Л. : Издательство ЛПИ, 1974. - 16с.

9. Ефимов И.Г. Дискретная система электропривода с широким диапазоном регулирования скорости. Л. : ЛДНТП, 1969. - 19с.

10. Ю.Кривцов А. H. Сравнительной анализ низкоскоростных фазо-импульсных систем. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - J1. : Издательство ЛПИ, 1972. - 16с,

11. П.Веселков Е.Л. Исследование прецизионных электроприводов переменного тока с двигателями двойного питания. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л. : Издательство ЛПИ, 1973. - 16с.

12. Трахтенберг P.M. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. М. : Энергоатомиздат, 1982. - 170с.

13. Староверов Б.А. Разработка и исследование астатических дискретных систем электропривода с импульсными силовыми преобразователями. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук.-Киев: 1973.-24с.

14. Тарарыкин C.B. Принципы управляемой синхронизации машин в технологических агрегатах для производства ленточных и волоконных материалов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора техн. наук. - Санкт-Петербург: 1992.-34с.

15. Фалеев М.В. Микропроцессорные импульсно-фазовые электроприводы информационно-измерительных систем. -Диссертации на соискание ученой степени доктора техн. наук. -Иваново : 1997. 338с.

16. Панталеев В.И. Электропривод переменного тока в прецизионных следящих системах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора техн. наук. - Красноярск : 1993. - 41с.

17. Бронов С.А. Следящий электропривод с индукторным двигателем двойного питания. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л.: Издательство ЛПИ, 1989.-16с.

18. Гелиг А.Х., Леонов Г.А., Якубович В.А. Устойчивость нелинейных систем с неединственным состоянием равновесия. М. : Науки, 1978. -400с.

19. Шахгильдян В.В., Ляховкин A.A. Системы фазовой автоподстройки частоты. М. : Связь, 1972. -448с.

20. Системы фазовой синхронизации с элементами дискретизации. 2-е издание // Под ред. Шахгильдяна В.В. - М. : Радио и связь, 1989. -320с.

21. Потанов A.M. Настройка и испытания следящих приводов М. Энергия (Библиотека по автоматике вып. 387), 1970. - 250с.

22. Шарахин В.Н. Исследование электропривода с повышенной точностью стабилизации скорости. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л. : Издательство ЛПИ, 1965,- 16с.

23. Павлов Г.Г., Смирнов Г.А., Фролова A.B. Разработка и исследование калибровочных стендов. //Труды ЛПИ, N282. Л. : Машиностроение, 1967.-с 104-126.

24. Смирнов Г.А. Прецизионное воспроизведение параметров движения. -Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора техн. наук. Л. : Издательство ЛПИ, 1975. - 44с.

25. Андрущук Вл.В. Теоретическое и экспериментальное исследование высокоточной системы электропривода. Автореферат диссертациина соискание ученой степени канд. техн. наук. Л.: Издательство ЛПИ, 1969.-23с.

26. Андрущук Вл.В. Цифровые системы измерения параметров движения механизмов в машиностроении. СПб. : Политехника, 1992. - 237с.

27. Рыдов В.А. Разработка и исследование цифрового электропривода для станков с ЧПУ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л. : Издательство ЛПИ, 1980. -16с.

28. Яковлев В.А. Цифровой электропривод подач станков с программным управлением. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. -Л.: Издательство ЛПИ, 1985.-18с.

29. Лившиц Л.Л. Повышение производительности и точности фрезерных станков на основе совершенствования управления электроприводами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л. : Издательство ЛПИ, 1989. - 16с.

30. Сотомайор М.Х. Анализ и синтез цифровых систем управления электроприводами с компенсационными регуляторами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - СПб. : Издательство СПбГТУ, 1993. - 16с.

31. Хаммами А.К. Разработка методологии, расчет и исследование финитных электромеханических систем с цифровым управлением. -Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. СПб.: Издательство СПбГТУ, 1998. - 16с.

32. Барышников В.Д., Куликов С.Н. Автоматизированные электроприводы машин бумагоделательного производства. Л. : Энергоатомиздат, 1982. - 144с.

33. Шестаков В.М. Регулируемые электроприводы отделочных агрегатов целлюлозно-бумажной промышленности. М. Лесная промышленнсть, 1982. - 160с.

34. Новиков В.А. Исследование автоматизированных тиристорных электроприводов бумагоделательных машин. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л. 1967,-16с.

35. Пантелеев В.И. Электропривод переменного тока в прецизионных следящих системах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора техн. наук. - Красноярск : Издательство КрГТУ, 1993. -41с.

36. Бронов С.А. Прецизионный позиционный электропривод с двигателями двойного питания. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора техн. наук. - Красноярск : Издательство КрГТУ, 1999. - 40с.

37. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А., Семенов И.М. Кафедра САУ: история, настоящее и будущее. //В кн. "Системы автоматического управления". -Л. : Издательство ЛПИ, 1990. 5-13с.

38. ГОСТ Р.50369-92. Электропривод. Термины и определения М. : Госстандарт, 1992. - 12с.

39. ГОСТ 27803-91. Электроприводы регулируемые для станкостроения и робототехники. Общие технические требования. М. : Госстандарт, 1991.-18с.

40. Заборовский С.А. Исследование системы согласованного вращения асинхронных двигателей с реакторным управлением. Авторефератдиссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. J1.: Издательство ЛПИ, 1969,-16с.

41. Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы М.: Высшая школа, 1967. - 527с.

42. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Л. : Энергия, 1973. - 304с.

43. Ковчин С.А. , Фан Лицзинь Особенности подчиненного управления двухмассовыми упругими электромеханическими системами // Труды СПбГТУ 1995, N 452. с.28-38.

44. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. Учебное пособие 2-ое издание - М.: Наука, 1988-256с.

45. Рыкин О.Р. , Юревич Е.И. Метод гармонической линеаризации второго рода в вопросах устойчивости САУ с периодическими нелинейностями Л.: Труды ЛПИ , N 303 , Энергия. 1969-С.9-15.

46. Ковчин С.А., Фан Лицзинь. Свойства упругих электромеханических систем с цифровым управлением // Труды СПбГТУ 1996, N 462. с.23-31.

47. Фишбейн В.Г. Расчет систем подчиненного регулирования вентильного электропривода постоянного тока — М.: Энергия, 1972-136с.

48. Попов Е.П., Пальтов И.П. Приближенные методы исследования нелинейных автоматических систем М.: Государственное издательство физико-математической литературы,1960-791с.

49. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. М.: Наука, 1976-575с.

50. Тун А.Я. Системы контроля скорости электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1984-167с.157

51. Гелиг А.Х. Динамика импульсных систем и нелинейных сетей. Л.: Издательство Ленинградского университета, 1982-191 с.

52. Галицков С.Я. Системы управления прецизионными станками и роботами. Самара, Издательство СГТУ, 1993-118с.

53. Гельднер К., Кубик С. Нелинейные системы управления. М.: Издательство «Мир», 1987-368с.

54. Пинчук В.М. , Шарахин В.Н. Системы подчненного управления электроприводами. Л.: издательство ЛПИ, 1983.-80с.

55. Дьяконов В.П. Справочник по применению системы РС МаИ,АВ. М.: Издательство "Наука", 1993.-93с.

56. Дьянконов В.П., Абраменкова И.В. МаЙаЬ 5.0/5.3 система символьной математики. - М.: 1999.-633с.