автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Микропроцессорная система определения динамических характеристик электромеханических устройств и аппаратов

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ

1.1. Электродвигатели и их производственные механизмы

1.2. Электромагниты

1.3. Электрогидравлические силовые устройства

1.4. Магнитные усилители

1.5. Датчики механических величин

1.6. Логико-вычислительные устройства

2. РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ НА УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

2.1. Определение метода и част^рощ диапазона измерений

2.2. Определение требуемого диапазона изменения входных и выходных сигналов элементов электромеханических систем регулирования

2.3. Выбор номинальных значений сигналов измерительной части устройства

2.4. Определение состава измерительной системы и принципов определения частотных характеристик

2.5. Предварительное рассмотрение методов определения частотных характеристик

2.6. Технические требования на измерительный блок

3. МЕТОДИКИ И СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ХАРАКТЕРНОЙ ГРУППЫ ЭЛЕМЕНТОВ САР

3.1. Выбор характерной группы элементов САР для построения системы измерения

3.2. Разработка принципов схемотехнической реализации измерений

3.3. Методика определения передаточных функций выбранной группы элементов

3.4. Методика определения динамических коэффициентов передачи

3.5. Определение передаточных функций путем подачи на вход элемента ступенчатого сигнала

3.6. Представление результатов эксперимента

4. РАЗРАБОТКА СТРУКТУР ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА И ПРОГРАММНОЙ ПОДДЕРЖКИ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

4.1. Микропроцессорный блок

4.2. Функциональный генератор

4.3. Общая структура приборно-программного модуля для измерения частотных характеристик

4.4. Разработка интерфейса и программ для управления внешним задающим генератором

4.5. Разработка программы первичной обработки данных

4.6. Разработка программы для определения модулей и фаз передаточных функций.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

5.1. Испытания устройства для определения частотных характеристик 5.2.0пределение передаточных функций электромагнита со сплошным магнитопроводом

5.2.1. П-образный электромагнит

5.2.2. Кольцевой электромагнит высокочастотного электродвигателя

5.2.3. Кольцевой электромагнит Nuovo-Pignone ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время существует значительное многообразие систем регулирования, включающих электромеханические элементы (электродвигатели, электромагниты, датчики электрических и неэлектрических величин, релейные регуляторы и т.д.). В соответствии с [33], обобщенная схема такой системы управления (в одномерном исполнении) имеет вид, представленный на рис.1.

Рис. 1. Обобщенная схема одномерной СУ.

Здесь Xy(t) - управляющий сигнал; X(t) - сигнал обратной связи; Y(t)- регулируемая переменная: R(t) - регулирующее воздействие; F(t) - возмущение.

Система управления (СУ) - замкнутый динамический комплекс, состоящий из управляемых объектов и трех подсистем: информационной, логико-вычислительной и исполнительной.

Объектом управления называют управляемую часть системы, т.е. агрегат, машину или установку, требуемый режим функционирования которых должен поддерживаться управляющей частью системы в соответствии с выбранной или заданной целью управления.

Информационной подсистемой называют совокупность технических средств, предназначенных для получения, передачи и представления информации. К средствам, предназначенным для получения и преобразования первичной информации о внешних и внутренних факторах работы управляемых объектов, относятся следующие элементы СУ: датчики первичной информации, чувствительные и измерительные элементы, анализаторы, преобразователи, вычислительные устройства для первичной обработки информации и др., а также средства для передачи и представления информации в форме, удобной для управления, - передатчики, каналы связи, кодирующие и декодирующие устройства, преобразователи информации, приемники и т. д.

Логико-вычислительной подсистемой называют совокупность технических средств, предназначенных для обработки информации. К техническим средствам для переработки информации относятся разнообразные вычислительные средства, построенные на базе как аналоговой, так и цифровой техники.

Исполнительную подсистему образуют технические средства для формирования управляющих воздействий, осуществляющие непосредственное управление объектами в соответствии с целью управления. Техническими средствами исполнительной подсистемы являются разнообразные регуляторы, следящие системы, автоматические приводы и сервомеханизмы регуляторов. Следует также отметить, что в соответствии с классификацией [33], отражающей современный подход к структуризации системы управления, усилительные устройства, непосредственно управляющие электромеханическими исполнительными элементами, входят, в основном, в комплекс исполнительной подсистемы.

Анализ устойчивости и динамических характеристик таких систем часто затрудняется тем, что получение выражений для передаточных функций ряда элементов расчетным путем является весьма сложным. Как правило, наибольшие трудности встречаются при теоретическом описании электромеханических устройств исполнительных подсистем и САР в целом. Это связано со следующими особенностями электромеханических элементов:

- такие элементы, как правило, являются полноразмерными четырехполюсниками, не обладающими "детектирующими" свойствами, то есть однонаправленностью передачи входного сигнала. Так, например, для исполнительных элементов типа двигателей и электромагнитов передаточная функция представляет собой матрицу, элементы которой определяются характером преобразования электромагнитной энергии [21];

- большинство таких элементов имеет более или менее явно выраженную нелинейность характеристик. Это объясняется, во-первых, тем, что сам характер электромеханических преобразований в таких элементах носит нелинейный характер (например, усилие, развиваемое магнитом, пропорционально квадрату тока) и, во вторых, нелинейностью характеристик магнитных материалов, применяемых для изготовления магнитопровода;

- теоретическое описание некоторых элементов приводит к сложным выражениям для их передаточных функций, причем определение параметров этих передаточных функций часто оказывается затруднительным. Это связано, в первую очередь, со сложными процессами, происходящими при преобразовании электромагнитной энергии. Так, например, усилие, развиваемое электромагнитом со сплошным токопроводящим магнитопроводом, зависит в значительной степени от конфигурации контуров вихревого тока, возникающих при изменении питающих токов или напряжений. Теоретическое описание такого рода процессов для магнитопровода произвольной формы оказывается крайне сложным [26];

Наладка таких систем также существенно облегчается, если имеется возможность оперативного определения динамических (частотных) характеристик элементов системы непосредственно на месте ее установки [14].

Практика проектирования, наладки и исследования сложных систем регулирования, описанная в литературе, подтверждает необходимость построения устройств для надежного экспериментального определения передаточных функций таких систем и их элементов [14,26,36].

В настоящее время существуют две основные группы промышленных приборов, пригодные для указанной цели.

К первой группе следует отнести частотные анализаторы (сигнал-процессоры), одной из функций которых является определение передаточных функций. Основным недостатком этих приборов является их чрезвычайно высокая стоимость (анализатор типа 2034 фирмы В&К - 35-40 тыс. долларов, аналогичный анализатор фирмы HP - 40-50 тыс. долларов). Кроме того, практически все анализаторы такого типа являются двухканальными, что затрудняет определение передаточных функций элементов, имеющих характеристики четырехполюсника.

Ко второй группе могут быть отнесены устройства, представляющие собой платы расширения для ПК. Эти устройства являются, как правило, многоканальными, Однако, большинство таких плат предназначено для использования в стационарных ПК и не включает в себя элементы генератора измерительных сигналов. Устройство такого типа, выпускаемое известными фирмами также имеют стоимость в пределах 1200.2500 $US и требуют для своей работы пакетов прикладных программ стоимостью 2500 .4000 $US.

Такие цены обусловлены стремлением разработчиков этих систем сделать их максимально универсальными, то есть пригодными для вибрационных, акустических, механических, электрических и прочих измерений, что значительно усложняет их конструкцию и требования к математическому обеспечению [50,51]. Высокие цены, большие

Наладка таких систем также существенно облегчается, если имеется возможность оперативного определения динамических (частотных) характеристик элементов системы непосредственно на месте ее установки [14].

Практика проектирования, наладки и исследования сложных систем регулирования, описанная в литературе, подтверждает необходимость построения устройств для надежного экспериментального определения передаточных функций таких систем и их элементов [14,26,36].

В настоящее время существуют две основные группы промышленных приборов, пригодные для указанной цели.

К первой группе следует отнести частотные анализаторы (сигнал-процессоры), одной из функций которых является определение передаточных функций. Основным недостатком этих приборов является их чрезвычайно высокая стоимость (анализатор типа 2034 фирмы В&К - 35-40 тыс. долларов, аналогичный анализатор фирмы HP - 40-50 тыс. долларов). Кроме того, практически все анализаторы такого типа являются двухканальными, что затрудняет определение передаточных функций элементов, имеющих характеристики четырехполюсника.

Ко второй группе могут быть отнесены устройства, представляющие собой платы расширения для ПК. Эти устройства являются, как правило, многоканальными, Однако, большинство таких плат предназначено для использования в стационарных ПК и не включает в себя элементы генератора измерительных сигналов. Устройство такого типа, выпускаемое известными фирмами также имеют стоимость в пределах 1200.2500 $US и требуют для своей работы пакетов прикладных программ стоимостью 2500.4000 $US.

Такие цены обусловлены стремлением разработчиков этих систем сделать их максимально универсальными, то есть пригодными для вибрационных, акустических, механических, электрических и прочих измерений, что значительно усложняет их конструкцию и требования к математическому обеспечению [50,51]. Высокие цены, большие габариты и излишняя универсальность таких систем в значительной степени затрудняет их применение при разработках, исследованиях и, особенно, при наладке систем в процессе производства и пусконаладочных работах непосредственно на объектах.

Актуальность настоящей работы определяется, с одной стороны, постоянно возрастающим объемом внедрения электромеханических систем регулирования во все области техники (общее машиностроение, газо- и нефтехимическая промышленность, средства связи, пищевая промышленность и др.), и с другой стороны, практическим отсутствием портативных и доступных измерительных устройств, требующихся для разработки, производства и наладки таких систем.

Целью работы является определение принципов построения и основных схемотехнических решений (на базе анализа параметров элементов электромеханических систем и экспериментальных исследований) универсального устройства, предназначенного для определения динамических характеристик электромеханических элементов систем управления.

Основные задачи, которые решались для достижения поставленной цели, можно сформулировать следующим образом: анализ статических и динамических характеристик электромеханических элементов систем автоматического регулирования и систематизация элементов по характеру передаточных функций, а также входных и выходных параметров; выбор оптимальных методов определения частотных характеристик электромеханических элементов и общих принципов построения устройств для их измерения; разработка методик определения частотных характеристик элементов, представляемых характеристиками как двух-, так и четырехполюсников; разработка алгоритмов определения передаточных функций элементов электромеханических систем; анализ схемотехнических решений по построению основных узлов измерительного устройства и разработка оптимального варианта схемотехнических решений; разработка программного обеспечения для измерительного устройства, включая собственно измерительный блок и управляющий ПК.

Научная новизна работы состоит в том, что проведенные при выполнении исследования позволили впервые получить следующие научные результаты: впервые обоснованы преимущества использования прямого измерения частотных характеристик со сканированием частоты применительно к цифровым системам определения передаточных функций электромеханических элементов систем регулирования, позволяющие более эффективно определять передаточные функции нелинейных элементов по сравнению со спектральным методом. На основании проведенного анализа впервые сделан вывод о целесообразности изменения принципов построения цифровых измерительных устройств для определения динамических характеристик элементов электромеханических систем; разработаны алгоритмы и программы для реализации предложенных методов экспериментального определения динамических характеристик элементов электромеханических систем.

Практическая ценность результатов, полученных в работе, заключается в следующем: сформулированы технические требования на универсальное измерительное устройство для определение динамических характеристик элементов электромеханических систем и функциональных групп элементов, использующее прямой метод измерения частотных характеристик; построен на основании разработанных технических требований макетный вариант измерительного устройства и математическое обеспечение для его функционирования; проведены, с использованием разработанного измерительного устройства, исследования по адекватности математических моделей электромагнитов со сплошным магнитопроводом для П-образной и кольцевой конфигураций магнитопроводов; результаты исследований позволили уточнить параметры передаточных функций электромагнитов со сплошным магнитопроводом и предложить упрощенную феноменологическую модель для осевого электромагнита систем магнитного подвеса.

Результаты проведенных исследований внедрены в НПП ВНИИЭлектромеханики.

Работа состоит из пяти разделов, заключения и четырех приложений.

Первый раздел посвящен анализу характеристик элементов электромеханических систем регулирования и классификации элементов по характерным параметрам.

Во втором разделе приводится обоснование выбора оптимального метода определения частотных характеристик элементов электромеханических систем и основных технических требований на измерительное устройство.

Третий раздел посвящен выбору типичной группы элементов электромеханических САР и разработке методик и алгоритмов определения частотных характеристик элементов для двух- и четырехполюсного представления их передаточных функций.

В четвертом разделе приведен анализ схемотехнических решений по элементам измерительного блока - процессорному блоку и блоку функционального генератора. Предложен алгоритм программ определения частотных характеристик объекта, включающего как программное обеспечение измерительного блока, так и программы для управляющего ПК.

В пятом разделе приведены экспериментальные исследования макетного образца разработанного измерительного блока и результаты экспериментально-расчетных исследований электромагнитов со сплошным магнитопроводом для П-образной и кольцевой конфигураций магнитопроводов.

В ПРИЛОЖЕНИИ 1 приводятся технические требования на разработку процессорного блока, а также принципиальные схемы и краткое описание этого блока.

В ПРИЛОЖЕНИИ 2 приводятся принципиальные схемы блока программно управляемого функционального генератора и расчет элементов схемы.

В ПРИЛОЖЕНИИ 3 приводятся исходные тексты программ определения частотных характеристик и их графического отображения для процессорного блока и управляющего ПК.

В ПРИЛОЖЕНИИ 4 приводится текст программы сравнительного расчета зависимости погрешностей от параметров сигнала для гармонического и шумового сигналов.

Выводы:

1). Разработанное устройство измерения частотных характеристик позволяет в лабораторных, цеховых и полевых условиях определять частотные характеристики электромеханических систем регулирования и их элементов в автоматическом режиме в характерном диапазоне частот и сигналов;

2). Точность работы устройства соответствует требованиям, сформулированным в главе 2 и достаточна для целей экспериментальных исследований наладки и испытаний широкого класса электромеханических систем регулирования;

3). Применение разработанного устройства облегчает анализ адекватности математических моделей элементов электромеханических систем, в том числе и таких сложных для расчетного анализа, как электромагнит со сплошным магнитопроводом;

4). Экспериментальные исследования подтвердили удобство пользования, и универсальность устройства и целесообразность выбранных форматов вывода измерительной информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в работе исследования позволили определить структуру и параметры специализированного устройства (измерительной системы) для определения динамических характеристик электромеханических систем регулирования. В процессе решения этой задачи был получен ряд результатов, имеющих самостоятельное значение, в том числе:

- впервые обоснованы преимущества использования прямого измерения частотных характеристик со сканированием частоты применительно к цифровым системам определения передаточных функций электромеханических элементов систем регулирования, позволяющие более эффективно определять передаточные функции нелинейных элементов по сравнению со спектральным методом. На основании проведенного анализа впервые сделан вывод о целесообразности изменения принципов построения цифровых измерительных устройств для определения динамических характеристик элементов электромеханических систем; разработаны алгоритмы и программы для реализации предложенных методов экспериментального определения динамических характеристик электромеханических систем и их элементов; на основании проведенного анализа динамических характеристик элементов электромеханических систем сформулированы основные требования к измерительной системе и определены общие принципы ее построения с разделением ее на спроектированный измерительный блок и внешние согласующие устройства; в соответствии с требованиями к измерительной системе проведена детальная разработка микропроцессорного блока и блока универсального малогабаритного функционального генератора с цифровым управлением;

33 проведена проверка точности работы измерительной системы с использованием измерительных приборов высокого класса и эталонных элементов, подтвердившая запроектированные характеристики системы; впервые проведено прямое сравнение экспериментальных характеристик электромагнитов кольцевой формы со сплошным магнитопроводом с расчетными характеристиками, полученными при непосредственном решении уравнений, описывающих процессы вихревых токов.

В результате проведенных исследований были подтверждены основные предпосылки, положенные в основу построения системы для определения динамических характеристик элементов электромеханических систем регулирования. Полученные результаты позволили разработать малогабаритное устройство минимальной стоимости, пригодное для применения в лабораторной и цеховой практике и пусконаладочных работ на объектах.

1. Аш Ж, Андре П. и др. Датчики измерительных систем. Мир, М.: 1992.

2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. "Мир", М.: 1974.

3. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. "Наука", М.: 1975.

4. Бессонов ДА. Теоретические основы электротехники. "Высшая школа", М.:1964.

5. Витюк К.Т. и др. Автоматическое управление судовыми электроприводами и установками.1. Транспорт", М.: 1968.

6. Гийон М. Исследование и расчет гидравлических систем. "Машиностроение", М.: 1964.

7. Гилмор Ч. Введение в микропроцессорную технику. М., "Мир": 1984.

8. Гольдфарб JI.C. Конспект лекций по курсу "Теория автоматического регулирования". "МЭИ", М.: 1965.

9. Гризенко Н.Н., Кочетов Д.А., Кравцова Е.В., Кравцов Д.В. Программный комплекс управления системой магнитного подвеса роторов с дополнительными функциями. Промышленные контроллеры АСУ, 1999, N4.

10. Енс Трампе Брох. Применение измерительных систем фирмы "Брюль и Къер" для измерения механических колебаний и ударов. 1973.

11. Зевеке Г.В. и др. Основы теории цепей. "Энергия", М.:1965.

12. Испытательные машины, средства автоматизации, взвешивания и дозирования. Труды НИКИМПа, М.: 1975.

13. Каталог фирмы LEM. Датчики тока и напряжения. Тверь: 1996.

14. Кочетов Д.А., Кравцова Е.В. Методика и оборудование для экспериментального определения частотных характеристик систем регулирования. Труды ВНИИЭМ, том.84. Комплексное проектирование и исследование электрических машин. М.: 1987.

15. Кочетов Д.А. и др. Влияние внешних периодических воздействий на устойчивость ротора в электромагнитном подвесе активного типа. Труды ВНИИЭМ, том 86. Динамика, прочность и виброакустика электрических машин, М.: 1988.

16. Кочетов Д.А., Кравцов Д.В., Сарычев А.П. Цифровое управление и мониторинг системы магнитного подвеса для роторных машин. Конверсия в машиностроении, 1999, N1.

17. Кравцов Д.В. Принципы построения микропроцессорных устройств идентификации динамических параметров элементов электромеханических САР. Тезисы докладов на ежегодной научно-технической конференции "Радиоэлекроника, электротехника и энергетика", 1998, т.2.

18. Кузовков Н.Т. Теория автоматического регулирования, основанная на частотных методах. "Оборонгиз", М.: 1960 .

19. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. Киев, "Техника", 1973.

20. Ленк А. Электромеханические системы. "Мир", М.: 1978.

21. Магнитный подвес роторов электрических машин и механизмов. Труды ВНИИЭМ, том 89, 1989.

22. Нефедов А.В. и др. Зарубежные интегральные микросхемы для промышленной электронной аппаратуры. Справочник. М.," Энергоатомиздат", 1989.

23. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. М.,"ЭКОМ", 1997.

24. Применение силовых IGBT транзисторов. Сборник статей ф. Siemens, 1998.

25. Рабинович Б.И. и др. Вихревые процессы и динамика твердого тела. "Наука", М.: 1992.w

26. Разработка и исследование систем электромагнитного подвеса для газоперекачивающих агрегатов. Отчет по НИР, ВНИИЭМ, 1996.

27. Розанов Ю.К., Кравцов Д.В. Экспериментальное определение динамических характеристик элементов электромеханических систем с использованием частотных методов. Электротехника, 2000, N7.

28. Розенблатт М.А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. "Наука": М.,1966.

29. Сидоров И.М., Тимофеев В.В. Многочастотные колебания в нелинейных системах управления. "Наука", М.: 1984.

30. Соловьев И.И. Автоматизация энергетических систем. "Энергия", М.:1964.

31. Соловьев А.И. Автоматизация ядерных реакторов. "Энергия", М.: 1988.

32. Солодовников В.В. и др. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. "Машиностроение", М.: 1985.

33. Статистическая радиотехника. Под редакцией Тихонова В.И. "Советское радио", М.: 1980.

34. Стандарты МЕК 184 и МЕК 222. IOS, Geneva, Switzerland, 1978.

35. Теоретические и экспериментальные исследования динамики скоростного транспорта на электромагнитной подвеске. Сборник трудов, "НПО Гидротрубопровод", М.: 1988-1989.

36. Титце К., Шенк У. Полупроводниковая схемотехника. М., "Мир": 1982.

37. Устройства и элементы систем автоматического регулирования и управления. Под редакцией В.В. Солодовникова, "Машиностроение", М.: 1976.

38. Фролов А.В., Фролов Г.В. Модемы и факс-модемы. Программирование для MS-DOS и Windows. М„ "ДИАЛОГ-МИФИ", 1995.

39. Харкевич А.А. Спектры и анализ. М.: 1962.

40. Харченко и др. Электрические измерительные преобразователи, "Энергия", М.: 1966 г.

41. Цифровые и интегральные микросхемы. Справочник. Минск, "Беларусь", 1991.1. У2

42. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода. "ГИ", М.: 1981.

43. Чунихин А.А. Электрические аппараты. "Энергоатомиздат", М.:1988

44. Шулемович A.M., Тер-Симонян А.Г. Амплитудно-частотные характеристики испытательных машин с гидроприводом ИНОВА. Труды НИКИМПа, выпуск 5, М.:1985.

45. Электрические и электронные аппараты. Под редакцией Ю.К. Розанова. "Энергоатомиздат", М.: 1998 г.

46. ЮревичЕ.И. Электомагнитные устройства автоматики. "Энергия", М.: 1964.

47. Янг С, Эллисон А. Измерение шума машин. "Энергоатомиздат", М.: 1988.

48. Instrument Transducer. Bentley-Nevada. Review: 1996.

49. Instrumentation Reference and Catalogue. F. National Instruments, 1995.

50. Katalog, Service Instructions. Bruel&Kjaer, Denmark, 1995-1996.

51. Rohrbach K. Elektrische Messen mechanicher GroSen. Leipzig, 1965 J.