автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Моментный электропривод систем управления

/ п — /

■ V,''' / ОС*"-' \у ^

Казанский государственный технический университет

имени А.Н.Туполева

На правах рукописи

АФАНАСЬЕВ АНАТОЛИЙ ЮРЬЕВИЧ

МОМЕНТНЫИ ЭЛЕКТРОПРИВОД СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Казань - 1998

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В наше время в промышленности, на транспорте и в научных исследованиях широко используются системы управления (СУ). Это системы регулирования, программного управления, сканирования, наведения, слежения и пространственной стабилизации объектов и рабочих органов машин. В качестве исполнительных элементов этих систем широко применяются электрические двигатели, образуя вместе с управляющим, преобразовательным и передаточным устройствами электропривод [185]. СУ с пневматическими и гидравлическими исполнительными устройствами тоже имеют электромеханические узлы.

Моментный электропривод (МЭП) содержит моментный двигатель (МД), обычно имеющий встраиваемую конструкцию и жесткую связь ротора с объектом управления (ОУ), а также качественную моментную характеристику и сравнительно малую частоту вращения. МЭП обладает сравнительно большой массой и потребляемой мощностью. Однако он имеет ряд свойств, выгодно выделяющих его среди других электроприводов .

Отсутствие передаточного устройства (редуктора) обеспечивает высокую жесткость передачи "двигатель - объект" и высокую частоту собственных колебаний. Качественная моментная характеристика, т.е. линейная зависимость электромагнитного момента (ЭММ) от управляющего сигнала и независимость от угла поворота ротора, а ташке возможность прямого управления моментом позволяют скомпенсировать статический момент нагрузки и получить широкий диапазон регулирования частоты вращения. Уникальными свойствами обладает МЭП при его работе на подвижном основании благодаря свойству естественной стабилизации или независимого движения ротора МД с ОУ

при колебаниях статора МД вместе с основанием.

К МД и МЭП примыкают высокомоментные двигатели, имеющие сравнительно большой ЭММ при определенных габаритах, массе и мощности потерь, а также электроприводы с частотнотоковым и векторным управлением.

Моментным двигателям и моментному электроприводу посвящено большое число работ, в которых описаны конструкции, функциональные и принципиальные схемы МД и МЭП, даны рекомендации по синтезу и анализу МЭП. Решению задач синтеза и анализа электроприводов с непрерывными электронными усилительно-преобразовательными устройствами (УНУ) и электромеханическими преобразователями (ЭМП) постоянного и переменного тока посвящены труды Беленького Ю.М., Бе-седина И.М., Бояринова Г.И., Бродовского В.Н., Вейнгера A.M., Гале ева Ш.С., Германа-Галкина С. Г., Дацковского Л.Х., Жерлицына М.П., Зыкова Б.Н., Ключева В.И., Коськина Ю.П., Куликова В.Н., Микерова А.Г., Михалева A.C., Никулина В.Б., Новикова В.А., Рудакова В.В., Слежановского О.В., Столова Л.И., Чайковского Р.И. и других.

Однако ряд проблем остается нерешенным. Отсутствие редуктора приводит к увеличению массы, объема и мощности потерь в МД, и остро встает проблема энергосбережения в МЭП. Отсутствие редуктора исключает связанные с ним момент трения и люфты, однако остается статический момент в опорах объекта управления, возрастающий при работе на подвижном основании. В многоосных электромеханических системах наблюдается кинематическое и силовое влияние отдельных ступеней друг на друга.

Традиционные методы синтеза (например, аналитическое конструирование регуляторов, метод желаемых частотных характеристик или метод подчиненного управления) в отношении МЭП не всегда вполне эффективны. Применение глубокой обратной связи по току резко

уменьшает естественное демпфирование МД, что требует соответствующих мер со стороны управляющего устройства (УУ). Применение традиционных электронных звеньев входит в противоречие с повышенными требованиями по динамике и точности МЭП. Эффективное управление в МЭП возможно лишь при наличии достаточной информации как о входных воздействиях, так и о параметрах самого МЭП. Получение высоких точностных показателей МЭП при серийном производстве требует индивидуальной настройки МД.

Появление новой элементной базы в электронике, в частности, цифровых элементов, а также применение новых материалов для МД, например, высококоэрцитивных постоянных магнитов, открывают новые возможности по повышению точности, плавности движения и динамических показателей МЭП. Наконец, необходима адаптация современных методов синтеза и анализа СУ к специфике МЭП.

В связи с этим возникает актуальная проблема, решаемая в диссертации.

Цель работы. Создание моментных электроприводов с повышенными энергетическими, динамическими и точностными показателями.

Проблема научного исследования. В работе решена научная проблема разработки методологии построения и анализа моментных электроприводов для прецизионных электромеханических систем управления, включающая теоретическое обобщение, разработку структур, алгоритмов управления, функциональных схем и расчетных соотношений, имитационное моделирование.

Для достижения цели необходимо провести исследования и решить следующие задачи:

-провести анализ функциональных схем питания и характеристик существующих МД, алгоритмов функционирования, структур и характеристик МЭП, исследовать современные методы их синтеза и анализа, сформулировать подлежащие решению задачи и наметить об-

шие пути их решения;

-разработать математическое описание МД и МЭП во временной, частотной и операторной областях как элементов и составных частей СУ, пригодное для решения задач синтеза и анализа МЭП;

-разработать методологию синтеза усилительно-преобразовательных устройств МД из условия получения требуемого момента при минимальных потерях в обмотке якоря (ОЯ), определения структуры УПУ, соответствующих функций и параметров;

- разработать МД с ограниченным и неограниченным углом поворота ротора с электромагнитной разгрузкой опор от радиальных сил гравитации и инерции;

-разработать общие алгоритмы непрерывного и дискретного оптимального управления в МЭП для наведения, слежения и стабилизации объекта управления;

- разработать идеологию построения многомассовых МЭП с несколькими МД, следящих за подвижной целью, при работе на подвижном основании;

-разработать принципы синтеза и функциональные схемы типовых звеньев МЭП на современной элементной базе, отвечающих структуре, алгоритмам управления и параметрам МЭП в целом;

-разработать методологию идентификации параметров входных воздействий, МД и объекта управления согласно основному алгоритму функционирования МЭП;

- установить общие системные свойства МЭП и его описание как составной части системы управления;

-разработать методы и устройства для индивидуальной настройки МД и МЭП по критерию получения требуемого электромагнитного момента при минимальных потерях в обмотке якоря;

-разработать математические модели МД и МЭП для ПЭВМ типа PC IBM, провести моделирование и анализ полученных результатов.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались аналитические методы (матричное исчисление, операционное исчисление, теория дифференциальных уравнений, теория устойчивости движения, вариационное исчисление, принцип максимума Л.С.Понт-рягина, математическое программирование) и методы численного моделирования (имитационное моделирование, метод Рунге-Кутта, метод Ньютона, система программирования и редактирования TurboPascal 5.5, графическая система Kasbad). Текст диссертации набран с помощью текстового редактора ChtWriter на ПЭВМ типа IBM PC.

Научная новизна.

В работе осуществлено теоретическое обобщение и решение научной проблемы создания методологии построения моментных электроприводов для прецизионных электромеханических систем управления, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

В процессе исследований получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту.

1. Проведен анализ функциональных схем питания и характеристик существующих МД, алгоритмов функционирования, структур и характеристик МЭП, современных методов их синтеза и анализа, на основе которого сформулированы подлежащие решению задачи и намечены общие пути их решения. Сформулирован основной принцип синтеза МЭП, заключающийся в разделении общей задачи на проблемы определения требуемого электромагнитного момента в пространстве переменных состояния, получения момента при минимальных потерях и ограничениях, выбора силовых элементов МЭП (усилителя мощности (УМ) и ЭМП) по технико-экономическим показателям.

2. Описаны МД различных типов как элементы СУ во временной, частотной и операторной областях, построены векторные диаграммы, механические характеристики, установлены соотношения подобия и связи между технико-экономическими показателями МД.

3. Решены задачи оптимального управления токами обмотки якоря МД из условия получения требуемого электромагнитного момента при минимальных потерях мощности в якоре для синхронных, асинхронных ЭМП и коллекторных ЭМП постоянного тока.

Разработаны принципы совмещения в электромеханических преобразователях функций создания момента и радиальной силы требуемых величин и методология синтеза алгоритмов и схем формирования соответствующих фазных токов при минимальных потерях в якоре.

4. Разработаны алгоритмы оптимального управления, проведен синтез структуры и функциональных схем следящих МЭП с непрерывным и дискретным управлением при квадратическом показателе качества и входном воздействии, удовлетворяющем линейным дифференциальным или разностным уравнениям с известными коэффициентами. Получены передаточные функции следящего МЭП при стационарном входном воздействии и аддитивной помехе для типовых функций спектральной плотности случайных входных сигналов.

Разработана общая методологии построения электромеханической системы на подвижном основании с несколькими ступенями, каждая из которых приводится в движение своим моментным двигателем, предназначенной для совмещения оси последней ступени с направлением на подвижную цель при условии оптимального управления и полной развязки по силовому взаимодействию между ступенями.

5. Проведен анализ управляемости, наблюдаемости, чувствительности, модального управления МЭП с ЭМП постоянного и переменного тока. Дано описание МЭП как единого целого в СУ.

6. Разработаны принципы построения электронных звеньев, используемых в МЭП, методически точно выполняющих основные функции без побочных эффектов, имеющих малый уровень помех и высокое быстродействие при сравнительной простоте схем и унифицированном наборе элементов. Предложены их принципы действия.

- а -

7. Разработаны алгоритмы определения значений параметров МЭП с ЭМП постоянного и переменного тока, его входных сигналов, удо-влетворящих дифференциальным или конечно-разностным уравнениям, в процессе нормального функционирования.

Разработаны алгоритмы индивидуальной настройки моментных вентильных двигателей по критерию получения требуемого электромагнитного момента при минимальных потерях в обмотке якоря путем разворота статора датчика положения ротора и экспериментального поиска зависимостей фазных токов от угла поворота ротора.

8. Разработаны математические модели МД и МЭП на ПЭВМ типа PC IBM, описаны программы в системе TurboPascal 5.5, проведено моделирование и анализ полученных результатов. Установлены явления резонанса и автоколебаний в МЭП с угловой пульсацией момента.

Практическая ценность состоит в создании, на основе предложенных алгоритмов управления и методов синтеза, конкретных функциональных схем усилительно-преобразовательных устройств МД для создания требуемого электромагнитного момента и радиальных сил разгрузки опор при минимальных потерях в обмотке якоря, функциональных схем МЭП для систем слежения и стабилизации объекта управления, а также перспективных звеньев МЭП с малым уровнем помех и высокими динамическими характеристиками.

Реализация результатов. Разработанные методы, алгоритмы и устройства использовались: в Казанском НИИ радиоэлектроники; в ЦКБ "Фотон" ПО Казанский оптико-механический завод; в НПО "Астрофизика", г. Москва; на проектно-производственном предприятии "Ди-зельавтоматика Лтд", г. Саратов; в Государственном институте прикладной оптики, г. Казань; в учебном процессе КГТУ им.А.Н.Туполева и Казанского государственного технологического университета.

Технические решения защищены 47 авторскими свидетельствами.

Работы проводились по госбюджетным и хоздоговорным темам, по

договорам с Казанским НИИ радиоэлектроники, с НПО "Астрофизика", г.Москва, с ЦКБ "Фотон" ПО КОМЗ, по единому заказ-наряду по § 3.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на 2-й Всесоюзной научно-технической конференции по бесконтактным машинам постоянного тока (Москва, 1975 г.), на 5-й Всесоюзной конференции по планированию и автоматизации эксперимента в научных исследованиях (Москва, 1976 г.), на 2-й Всесоюзной конференции по оптимальному управлению в механических системах (Казань, 1977 г.), на научном семинаре в ВЦ АН СССР (1983 г.), на 3-й Поволжской научно-технической конференции по автоматическому управлению (Волгоград, 1984 г.), на 5-й Всесоюзной конференции по управлению в механических системах (Казань, 1985 г.), на 1-й и 2-й Всесоюзных научно-технических конференциях по электромеханотронике (Ленинград, 1987, 1991 г.г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Вентильные электромеханические системы с постоянными магнитами" (Москва, 1989 г.), на научно-технических конференциях КГТУ им.А.Н.Туполева (Казань, 1994, 1996 г.г.), на Международной конференции "Модель-проект - 95" (Казань, 1995 г.), на Международной конференции по электрическим машинам ШЕМ'96 (Виго, Испания, 1996 г. заочно), на 1 Международной конференции по электромеханотронике (Санкт-Петербург, 1997 г.), на регулярных научно-технических конференциях в КГТУ им. А.Н.Туполева .

Публикации по работе. Результаты опубликованы в трех монографиях (две из них написаны в соавторстве), в 42 основных печатных работах, получены 47 авторских свидетельств на изобретения и патентов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, приложений, списка использованной литературы из 271 наименования. Объем работы: 3 74 с. основного машинописного

текста, 117 рисунков.

Содержание работы

Введение содержит обоснование актуальности проблемы, основные научные положения и результаты, выносимые на защиту, краткое изложение диссертации по главам.

Первая глава "Моментные электроприводы в системах управления, актуальные проблемы и пути их решения" посвящена анализу конструкций, функциональных схем питания и характеристик существующих МД, алгоритмов функционирования, структур и характеристик МЭП, современных методов их синтеза и анализа, на основе которого сформулированы подлежащие решению задачи и намечены общие пути их решения.

Вторая глава "Математические модели моментных двигателей" посвящена описанию МД с ЭМП постоянного тока, с синхронными и асинхронными ЭМП как элементов СУ во временной, частотной и операторной областях, построению векторных диаграмм, механических характеристик, соотношений подобия и связей между технико-экономическими показателями.

Третья глава "Моментные двигатели со стабильным моментом и минимальными потерями" посвящена решению задач оптимального управления токами обмотки якоря МД из условия получения требуемого электромагнитного момента при минимальных потерях мощности в якоре, а также описанию принципов совмещения в электромеханических преобразователях функций создания момента и радиальной силы требуемых величин и методологии синтеза алгоритмов и схем формирования соответствующих фазных токов при минимальных потерях.

Четвертая глава "Синтез моментного электропривода с оптимальным управлением" посвящена разработке алгоритмов управления, синтезу структуры и функциональных схем следящих МЭП с непрерывным и дискретным управлением при квадратическом показате-

ле качества и входном воздействии, удовлетворяющем линейным дифференциальным или разностным уравнениям с известными коэффициентами; синтезу МЭП при случайном входном воздействии и случайной аддитивной помехе; синтезу оптимального по быстродействию МЭП в режиме наведения; разработке общей методологии построения электромеханической системы с несколькими ступенями, каждая из которых приводится в движение своим моментным двигателем, пр�