автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование релейной системы управления электроприводом позиционных механизмов

На правах рукописи

Тюрин Сергей Васильевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЕЙНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПОЗИЦИОННЫХ

МЕХАНИЗМОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Н. Новгород - 2004

Работа выполнена в Московском государственном открытом унииерситете на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок"

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

Грехов Виктор Петрович Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Терехов Владимир Михайлович - кандидат технических наук, доцент Южбабенко Владимир Дмитриевич

Ведущая организация - ОАО Липецкий металлургический завод "Свободный Сокол"

Защита состоится 17 декабря 2004г. в 14°° часов в аудитории № 1258 на заседании диссертационного совета Д212.165.02 в Нижегородском государственном техническом университете (603600, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета

Автореферат разослан _ ноября 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. г. н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Задачи регулирования положения позиционных механизмов возникают в подъемно-транспортных машинах, металлорежущих станках, роботах и манипуляторах, металлургических агрегатах, например нажимных устройствах прокатных станов Основное требование, предъявляемое к рассматриваемым электроприводам, заключается в обеспечении точности установки механизма в заданную точку пространства.

При необходимости высокой точности регулирования положения с заданными динамическими характеристиками движения исполнительного органа используется замкнутая система управления электропривода с обратной связью по положению. В случае использования стандартной системы подчиненного управления динамические свойства внешнего контура регулирования положения не всегда удовлетворяют техническим требованиям, предъявляемым к электроприводу. Это связано с ограниченным быстродействием внутреннего контура регулирования момента электродвигателя (якорного тока). Быстродействие последнего обусловлено величиной малой некомпенсируемой постоянной времени, определяемой приме-г няемой схемой выпрямления. При использовании преобразователя с ши-

ротно-импульсной модуляцией (ШИМ) значение малой некомпенсируемой постоянной времени существенно уменьшается и возможно повышение быстродействия, но усложняется структура системы управления.

Настройки регуляторов стандартной системы подчиненного управления зависят от свойств объекта управления. На точность регулирования положения в системах подчиненного управления оказывает влияние момент нагрузки, что приводит к необходимости применения нелинейного регулятора положения с параболической характеристикой для отработки сигнала задания по оптимальной траектории. Использование нелинейного регулятора положения существенно усложняет наетройку_£Истемы управ-

лсния электроприводом, увеличивает время наладки.

13 этой связи комплексное решение проблем систем управления электроприводом позиционных механизмов является актуальным.

Цель диссертационной работы заключается в разработке системы управления позиционным электроприводом с новым принципом управления, обладающей повышенной точностью регулирования и улучшенными динамическими характеристиками, базирующейся на теории нелинейных систем с разрывным управлением, работающих в скользящих режимах.

Задачи диссертационной работы: 1 Анализ существующих релейных систем управления электроприводом, работающих в скользящих режимах.

2. Разработка и схемная реализация структуры релейной системы регулирования скорости, работающей в скользящем режиме.

3. Разработка и схемная реализация структуры релейной системы управления положением электроприводов позиционных механизмов, работающих в скользящих режимах.

4. Разработка моделей для ЭВМ, отражающих электромагнитные и электромеханические процессы, протекающие в релейных скользящих системах как в динамических, так и в статических режимах работы

5. Построение гибридной цифро-аналоговой модели релейной системы управления электроприводом позиционного механизма, работающего в скользящем режиме.

Методы исследования. Для теоретических исследований использовались теории: электропривода постоянного тока, нелинейных систем с разрывным управлением, структурного программирования.

Научная новизна: 1. Синтезирован формирователь функции переключения релейной системы управления электроприводом позиционного механизма, работающий в скользящем режиме, что обеспечивает апериодический характер

переходных процессов с требуемым быстродействием

2. Показана необходимость введения ограничения фазовых координат в релейной системе электропривода позиционного механизма для обеспечения существования скользящих режимов при внешних возмущениях по моменту нагрузки и напряжению питающей сети.

3. Методом цифрового математического моделирования на ЭВМ доказана предпочтительность скользящих режимов в релейной системе управления электроприводом позиционного механизма по сравнению со стандартной системой подчиненного регулирования.

Практическая ценность.

Разработана и реализована гибридная цифро-аналоговая модель релейного электропривода позиционного механизма с микропроцессорной системой управления, позволяющая проводить настройку цифровых регуляторов системы на аналоговой модели объекта.

Реализация результатов работы. Результаты работы рекомендованы к внедрению в ОАО "Свободный Сокол" при модернизации систем управления позиционным электроприводом с использованием современных аппаратно-программных средств, а также в учебном процессе ЛГТУ.

Апробация работы. Основные положения, результаты, выводы и рекомендации доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на следующих международных научно-технических конференциях: "Автоматика-96" (г. Севастополь, 1996 г.), "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика" (г Харьков, 1997 г, 1999-2001 г.г.), "Энергосбережение-98" (г. Тула, 1998г.), "Проблемы технического управления в региональной энергетике" (г. Пенза, 1998 г., 1999 г ).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 5 приложений и списка лтературы Объем диссертации составляет 103 страницы основною текста, включающей 31 рисунок, 5 приложений на 52 страницах, список литературы содержащий 60 наименований.

Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цели и задачи, научная новизна, формулируются положения, выносимые на защиту, приводятся основные теоретические и практические результаты.

13 первой главе дан обзор релейных систем автоматического управления электроприводом, работающих в скользящих режимах. Введены основные понятия, используемые в работе для разработки релейной системы автоматического управления электроприводом позиционного механизма, работающего в скользящем режиме.

Во второй главе диссертации исследована релейная система регулирования скорости электропривода с двигателем постоянного тока независимого возбуждения. Объект регулирования в относительных единицах с безразмерным временем описывается в виде системы дифференциальных уравнений

В уравнениях (1), (2) х2 - ошибка системы регулирования скорости, выраженная в относительных единицах, х3 - ее производная, а2, ^, в -постоянные величины, характеризующие динамические свойства объекта регулирования,/- непрерывная функция, определяемая сигналом задания

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

•2х2 -OjXJ - Ьи + /,

Управление формируется по закону \и= ц, ■ signs,

(1)

(2)

и возмущениями.

В диссертации показано, что условия возникновения и сущесшо-вания скользящего режима на всей прямой скольжения л вмиолнягсися

лишь при определенных значениях параметра с, = у- "2 • при ~ ^ «> ■

В этом случае изображающая точка системы (1) попадает на прямую скольжения 5 при любых начальных условиях и внешних возмущениях. После попадания изображающей точки на прямую скольжения л координата ошибки Х2 и ее производная х3 затухают, система отрабатывает задающее воздействие. Если быстродействие переходных процессов в скользящем режиме, определяемое величиной параметра с3 прямой скольжения 5 недостаточно, то необходимо изменить значение с г. Но тогда лишь на части прямой скольжения $ возможно выполнение неравенства

| + / |<-К. (3)

обеспечивающее существование скользящих режимов. В диссертационной работе для обеспечения существования скользящих режимов при произвольно изменяющемся сигнале задания скорости и возмущениях по моменту нагрузки вводится ограничение координаты X;. Для этого скользящий режим организуется на отрезке прямой 5, принадлежащей полосе, задаваемой на фазовой плоскости х2ох 3 неравенством

к,М- (4) где 4 --г, /?= 4-11/11 (см- РЙС- ')•

Формирователь линии переключения для системы регулирования скорости строится на основании (2), в случае ограничения фазовой координаты х3 используется зависимость (4).

Координата х2 вычисляется по сигналу задания скорости g и фактическому значению угловой скорости двигателя со

а, XI

/ 1 >к

0

-а,

Фазовая координата х, для реального скользящею режима с конечной частотой переключения, представлена как сумма 2-х составляющих: низкочастотной и

Рис 1. Фазовая плоскость системы высокочастотной, то есть регулирования скорости

х, = дг," + х,". Поведение объекта управления, согласно методу эквивалентного управления, определяется в основном низкочасютной составляющей. Высокочастотная составляющая обусловлена наличием неидеальностей в канале формирования управляющего воздействия: зоной нечувствительности и гистерезисом силового релейного элемента, запаздыванием при вычислении функции переключения.

Величина низкочастотной составляющей находится по соотношению х3" Л,,«, где g- производная сигнала задания, ш-производная угловой скорости, полученная путем подачи сигнала фактической угловой скорости а на вход реального дифференцирующего звена с постоянной времени Тф

Высокочастотная составляющая фазовой координаты х," определяется по сигналу якорного тока двигателя I. Для этого последний подается на вход реального дифференцирующего звена с передаточной функцией Т ' р

1У(р) = кч—, где Тф- постоянная времени реального дифференцирующе-тфР+1

го звена; к„- коэффициент передачи реального дифференцирующего звена.

Величина постоянной времени Тф определяется с учетом требований помехозащищенности системы регулирования и ее быстродействия.

Структурная схема системы регулирования скорости показана на

рис. 2 Сигнал формирователя линии переключения подастся на силовой релейный элемент, состоящий из системы управления и собственно силового канала. В качестве ключевых элементов силового канала могу! бьпь применены запираемые тиристоры или, что более предпочтительно, ЮИТ-транзисторы. Предельная частота коммутации ключевых элементов составляет 2-5 кГц, что позволяет уменьшить величину пульсаций якорного тока при работе системы регулирования в скользящем режиме.

Рис. 2. Структурная схема системы регулирования скорости: ФЛП - формирователь линии переключения; СРЭ - силовой релейный элемент; R„ -сопротивление якорной цепи; Гя -постоянная времени якорной цепи; J -момент инерции , М -момент двигателя, Мс -момент статического сопротивления ( нагрузки ).

В заключении второй главы диссертации проведено сравнение результатов моделирования переходных процессов в системе регулирования скорости, работающей в скользящем режиме, и системе подчиненного регулирования координат с настройкой на модульный оптимум на примере электропривода нажимных устройств прокатного сиана с двигателем П129-8К (310кВт, 440В, 850 об./мин.). В случае релейной системы управления величина напряжения силового релейного элемента в соответствии с (3) с учетом 20% запаса по напряжению составляет 600 В. Для сопоставления выбраны следующие режимы:

I линейное изменение сигнала задания скорости: от 0 до а)„;

2. ступенчаюе изменение сигнала задания скорости: от 0 до 0,03м,,;

3. возмущение по моменту нагрузки: МС=М„;

4. возмущение по напряжению питающей сети- 20% и„.

Проведенное моделирование показало следующие полезные качества релейной системы:

1. апериодический характер протекания переходных процессов при требуемом высоком быстродействии: время переходного процесса для релейной системы управления 0,052с, для системы подчиненного управле-ния-0,056с;

2. малая чувствительность к возмущениям по моменту нагрузки и напряжению питающей сети в релейной системе управления, работающей в скользящем режиме по сравнению с непрерывной системой подчиненного управления.

В третьей главе диссертации рассмотрены системы регулирования положения электропривода позиционного механизма. Объект регулирования в относительных единицах с безразмерным временем описывается в этом случае системой дифференциальных уравнений

х, = ДГ2,

■ *2 = *3' (5)

х, = -а2х2 - а^хз -Ьи + /,

где X, -ошибка системы регулирования положения, х2, х3 - ее производные. Смысл остальных величин тот же, что и в (I). Для системы (5) закон управления принимается в виде

И = Ц,

(6)

.$ = С,Х, + С^Х-1 + Ху

В фазовом пространстве регулируемых координат уравнение s=0 залает плоскость скольжения В диссертации показано, что попадание

ю

изображающей точки системы (5) на плоскость скольжения я при любых начальных условиях и возмущениях возможно только для определенных значений С\=а2, с2-а}. После попадания изображающей точки системы на плоскость скольжения 5=0 движение происходит по экспоненциальному закону

Л А х2 = В,с"'' + В2ер~'.

где В\, В2 - постоянные интегрирования, р2, рз - корни характеристического уравнения /г + с2р + с, = 0, описывающего движение в скользящем режиме, при этом ошибки Х| и ее производные х2, хз затухают. Для настройки требуемого быстродействия системы регулирования в скользящем режиме необходимо изменить значения коэффициентов с\, с2. В этом случае условия возникновения и существования скользящих режимов, определяемые неравенством

|(с,-а2)лг2+(с2-а,)*з + /|<Ц) (7)

имеют место лишь на части плоскости скольжения причем попадание на плоскость скольжения возможно лишь из некоторых областей фазового пространства.

Накладывая ограничения на фазовые координаты системы х(, х2, х3, определяются области фазового пространства, находясь внутри которых изображающая точка системы регулирования положения всегда попадает на плоскость скольжения 5=0, а затем движется по ней к началу координат.

Структурная схема релейной системы регулирования положения, работающей в скользящем режиме показана на рис. 3 Формирователь поверхности переключения для релейной системы регулирования положения строится на основании (6). Вычисление ошибки регулирования Х| не вызывает затруднений Остальные координаты фазового пространства, являющиеся производными сигнала ошибки, вычисляются анапогячно коор-

динатам релейной системы регулирования скорости, рассмотренной во второй главе. Силовой релейный элемент идентичен используемому в системе регулирования скорости.

В третьей главе диссертации проведено сравнение релейной системы регулирования положения, работающей в скользящем режиме, с системой регулирования положения, построенной по принципу подчиненного регулирования координат, показавшее лучшие динамические характеристики релейного электропривода позиционного механизма при типовых

Рис. 3. Структурная схема релейной системы регулирования положения : ФПП - формирователь поверхности переключения

задающих воздействиях: отработке задания для средних перемещений с ограничением якорного тока и больших перемещений с ограничением угловой скорости и якорного тока, линейного и гармонического изменения сигнала задания на перемещение под действием момента нагрузки. Для сопоставления использованы интегральный критерий качества (ИКК)

I

I- ¡(р1а,-<р)~с/1, где <р1а! -заданное перемещение, ¡р -фактическое перемеще-0

ние электропривода, /-время переходного процесса и величины статической ошибки.

Результаты моделирования, проведенного в диссертации, сведены в таблицу 1. Как видно из таблицы 1, при типовых задающих воздействиях

величина интегрального критерия качества в релейной системе существенно меньше, чем в стандартной системе подчиненного регулирования Данное свойство релейной системы оказывается актуальным в электроприводе позиционных механизмов.

Таблица 1

Тип воздействия Средние перемещения Большие перемещения Линейное задание Гармонический сигнал

Сигнал задания, рад Релейная скользящая система, I рад2 с 89,0 140,0 0,2 89,0 1 120,0 5Ш(0,2 Л)

2,02 3,44 2,6 48,8

Система подчиненного регулирования, I рад2 с 743,7 1357,6 111,2 1362,5

Четвертая глава диссертации рассматривает гибридное цифро-аналоговое моделирование релейных систем, работающих в скользящих режимах. Модель объекта управления обладает параметрами электропривода, рассматриваемого во 2-й и 3-й главах, и выполнена в виде аналоговой схемы на операционных усилителях. Функция переключения формируется управляющим контроллером, реализованным на базе 1ВМ-совместимой персональной ЭВМ. Силовой релейный элемент представлен в виде звена, имеющего характеристику 3-х позиционного реле с зоной нечувствительности и гистерезисом, реализованного на аналоговой элементной базе.

Для гибридной цифро-аналоговой модели синтезирован алгоритм измерения фактических значений моделируемых координат и формирования низкочастотной составляющей функции переключения в релейной системе управления электроприводом. Высокочастотная составляющая функции переключения вычисляется аппаратно. На основе алгоритма написана и отлажена управляющая программа. Гибридная цифро-аналоговая

модель релейной системы управления, работающая в скользящем режиме, реализована по структурной схеме рис. 4.

В 4-й главе проведено исследование переходных характеристик в системах регулирования скорости и положения с реле, имеющим зону нечувствительности и гистерезис. Результаты гибридного цифро-аналогового моделирования сопоставлены с результатами цифрового моделирования для идентичных задающих и возмущающих воздействий.

Рис. 4. Функциональная схема гибридной цифро-аналоговой модели :

ГГНЧ- преобразователь напряжение-частота; ДПТ- двигатель постоянного тока; I,„-моделируемый ток якоря; со„,- моделируемая угловая скорость^-моделируемое перемещение

В заключении 4-й главы рассмотрена отработка задания для средних перемещений с ограничением якорного тока и больших перемещений с ограничением якорного тока и угловой скорости. Переходные процессы в гибридной цифро-аналоговой модели для релейной системы регулирования положения, работающей в скользящем режиме, приведены на рис. 5. Как видно из рис.5, переходные процессы среднего значения якорного тока, угловой скорости и перемещения носят апериодический характер при достаточном быстродействии. Якорный ток имеет выраженную высокочастотную составляющую. Амплитуда высокочастотной составляющей

определяется неидеальностями силового релейного элемента, инерционностью измерительных каналов перемещения и угловой скорости, запаздыванием при вычислении низкочастотной составляющей параметра переключения.

Отработка средних перемещений

сигнал задания:<р=89 рад, критерий качества:1=7,68 рад2 с Отработка больших перемещений

сигнал задания'<р=140 рад, критерий качества:1=5,8 рад2 с

Рис. 5. Переходные процессы в гибридной цифро-аналоговой модели системы регулирования положения

В приложении приведены принципиальные схемы гибридной цифро-аналоговой модели, алгоритм формирования низкочастотной составляющей функции переключения, тексты программ моделиронания пере-

ходных процессов, графики переходных процессов цифрового и гибридного цифро-аналогового моделирования, а также документы, подтверждающие внедрение результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ В результате проведенных исследований автором получены следующие основные результаты:

1.Проведен синтез формирователя функции переключения релейной системы управления электроприводом позиционного механизма, работающего в скользящем режиме;

2.Исходя из условий существования устойчивых скользящих режимов, получены неравенства для выбора напряжения силового релейного элемента;

3.Предложено ограничение фазовых координат системы регулирования электропривода для предотвращения срыва скользящих режимов при изменении сигнала задания и воздействии внешних возмущений по моменту нагрузки путем организации скользящих режимов на отрезке прямой скольжения системы регулирования скорости или определения областей фазового пространства для системы регулирования положения;

4.Проведено сравнение переходных процессов в релейных системах автоматического регулирования, работающих в скользящих режимах, и стандартных системах подчиненного регулирования и показано преимущество релейной системы автоматического управления, работающей в скользящем режиме:

- апериодический характер переходных процессов релейной системе;

- время переходного процесса в рассматриваемой релейной системе регулирования скорости составляет 0,052с , системе подчиненного регулирования- 0,056с;

- существенно меньшее значение интегрального критерия качества

j(<P,<, ~ Ф)2^' Для идентичных сигналов задания и возмущения в ре-

лейиой системе, работающей в скользящем режиме. 5.Для исследования динамики релейного электропривода, работающею в скользящем режиме, разработана и изготовлена гибридная цифро-аналоговая модель, позволяющая проводить настройку цифровых регуляторов системы управления на аналоговой модели объекта регулирования до проведения натурного эксперимента. Оригинальность модели подтверждена свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Тюрин C.B. О релейном управлении в системах переменой структуры // 3-я украшська конференщя з автоматичного керування ("Автоматика -96") .Севастополь, 9-15 вересня 1996 /Вщпов.ред. д.т.н., проф Ф.Д. Прянишников.-Т.1.-Севастополь:СевГТУ,1996.-с.45

2.Грехов В.П., Тюрин C.B. Позиционные системы для электроприводов с переменным моментом нагрузки // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика:[Труды конференции] / Под общей редакцией В.Б. Клепикова, JI.B. Акимова.-Харьков:Основа,1997.-е.76-77

3.Тюрин C.B. Построение высокоточной системы регулирования скорости с повышенным быстродействием // Международная научно-техническая конференция "Энергосбережение-98":Тез.докладов. Тула, ТулГУ, 1998.— С.20-21

4.Грехов В.П., Онищенко Г.Б., Тюрин C.B. Цифро-аналоговая модель релейного позиционного электропривода, работающего в скользящем режиме. // Проблемы техническою управления в региональной энергетике: сб. трудов по материалам научно-технической конференции (17-18 ноября 1998 г.).-Пенза:изд-во ПТИ,1998.-с.5-8

5.Тюрин C.B. Построение релейной позиционой системы электропривода постоянного тока. // Проблемы технического управления в региональной энергетике: сб. трудов по материалам научно-технической конференции

п

(23-24 ноября 1999 г.).-Пенза:изд-во ПТИ, 1999.-е. 102-103

б.Тюрин C.B. Релейная система регулирования скорости электропривода //Тезисы докладов научно-технической конференции (29 мая 1999 г.).- Липецк , 1999.-е. 16-18.

7 Тюрин С В. Релейная позиционная система, работающая в скользящем режиме. // Вкник Харьковского державного пол1техничного ужверситету. Збирка наукових працъ. Тематичний випуск 61, Харьюв, ХДПУ, 1999.-е 112-113.

8.Тюрин C.B. Исследование динамических характеристик релейного позиционного электропривода, работающего в скользящем режиме. // Bîchhk Харьювского державного пехштехничного ушверситету Збирка наукових працъ. Тематичний випуск 113, Харыав, ХДПУ, 2000.-е 114-115.

9.Тюрин C.B. Цифро-аналоговое моделирование быстродействующих позиционных электроприводов, работающих в скользящих режимах. // В ¡сник Нацюнальйого техшхного ушверситету "Харьювский пол1техничний ¡нститут". Збирка наукових працъ. Тематичний випуск 10, Харькт, НТУ ХП1, 2001.-е 117-118.

10.Программа гибридного цифро-аналогового моделирования электропривода с релейным у правлением.//Тюрин С.В.-Свидетельство Об официальной регистрации программы для ЭВМ №2004610807. 31марта 2004г., г. Москва.

Личный вклад автора В работах, написанных в соавторе! ве, автору принадлежат: синтез формирователя функции переключения системы /2/,функциональная схема гибридной цифро-аналоговой модели /4/

Подписано в печать 01.11.04. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 681.

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

»-«7 ID

РНБ Русский фонд

2006-4 5550

Введение

1 .Обзор релейных систем регулирования электропривода, работающих в скользящих режимах

2.Релейные системы регулирования скорости, работающие в скользящем режиме

2.1 .Математическое описание объекта регулирования

2.2.Условия возникновения и существования скользящих 29 режимов. Выбор величины напряжения силового релейного элемента

2.3.Ограничение фазовых координат системы регулирования скорости электропривода

2.3.1. Скольжение на отрезке

2.3.2. Скольжение на неограниченной ломаной

2.4.Методы формирования функции переключения в релейных системах регулирования скорости

2.5.Структурная схема релейной системы регулирования ^ скорости, работающей в скользящем режиме

2.6.Сравнение релейной системы регулирования скорости, ^ работающей в скользящем режиме, с двухконтурной системой подчиненного регулирования координат

2.7. Силовая часть релейного регулятора

Выводы по главе

3.Системы регулирования положения ^

3.1 .Математическое описание объекта регулирования

3.2.Условия возникновения скользящих режимов в фазовом 59 пространстве координат

3.3 .Ограничение координат позиционной системы для ^ обеспечения условий существования скользящих режимов

3.4.Методика построения формирователя поверхности переключения в фазовом пространстве регулируемых 65 координат

3.5.Структура релейной позиционной системы 50 регулирования

3.6.Сравнение релейной скользящей системы регулирования положения с трехконтурной системой подчиненного 69 регулирования положения

3.7. Оптимизация переходных процессов в релейной системе электропривода исполнительного позиционного механизма

Выводы по главе

4.Гибридная цифро-аналоговая модель релейной системы регулирования положения

4.1 .Задачи гибридного цифро-аналогового моделирования

4.2.0писание реализации модели объекта регулирования и оо силового релейного элемента

4.3 .Описание схемотехнических решений модулей 07 контроллера

4.4.Архитектура контроллера управления моделью

4.5.Список используемых портов ввода/вывода

4.6,Описание тестирования аппаратной части гибридной 93 цифро-аналоговой модели

4.7.0писание алгоритма работы гибридной цифро- 95 аналоговой модели ф 4.8.Порядок работы с гибридной цифро-аналоговой моделью

4.9.Сравнение результатов гибридного цифро-аналогового и 93 цифрового моделирования

Выводы по главе 4 Ю

Непрерывное совершенствование технологических процессов приводит к необходимости разработки машин и агрегатов, к которым предъявляются новые требования в отношении эксплуатационных характеристик. Использование в агрегатах приводов механизмов с улучшенными техническими характеристиками позволяет повысить качество готовой продукции, уменьшить энергоемкость производства, увеличить надежность эксплуатируемого оборудования.

Необходимость регулирования положения исполнительных позиционных механизмов возникает в подъемно-транспортных машинах, металлорежущих станках, роботах и манипуляторах, металлургических агрегатах. Основное требование, которое предъявляется к рассматриваемым электроприводам, заключается в обеспечении требуемой точности установки механизма в заданную точку пространства, а в некоторых случаях в обеспечении требуемого характера движения рабочего органа. Это делает актуальной задачу разработки систем электропривода исполнительных позиционных механизмов.

При необходимости высокой точности регулирования положения и обеспечения требуемого характера движения исполнительного органа используется замкнутая система регулирования электропривода с обратной связью по положению. В настоящее время для замкнутых систем регулирования электропривода наиболее распространено построение по принципу подчиненного регулирования координат. В большинстве режимов работы используется позиционное регулирование, но в некоторых ситуациях необходимо применение системы регулирования скорости. В электроприводах исполнительных позиционных механизмов важным техническим показателем является быстродействие контура регулирования положения и точность регулирования. При использовании стандартной системы подчиненного регулирования повышение быстродействия системы в целом достигается улучшением динамических свойств токового контура. В настоящее время достигнуто предельное быстродействие в стандартных системах подчиненного регулирования. Тем не менее динамические свойства контура регулирования положения зачастую не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к электроприводу. Не менее актуальным является вопрос повышения точности регулирования.

Целью диссертационной работы является создание новой системы управления приводом типового исполнительного позиционного механизма.

Основные задачи, решаемые в диссертации:

1 .Совершенствование системы управления приводов исполнительных позиционных механизмов, которое диктуется ростом технологических требований.

2.Реализация идей нелинейных принципов управления с использованием современных аппаратных средств силовой электроники и микропроцессорной техники.

3.Разработка архитектуры управляющего контроллера на базе 1ВМ-совместимой ПЭВМ и алгоритмов ее функционирования.

4.Разработка методики математического моделирования нелинейных систем регулирования, содержащих релейный элемент.

Научная новизна.

1. Проведен синтез формирователя функции переключения для релейной системы регулирования электропривода позиционного механизма, работающего в скользящем режиме.

2. В релейной системе электропривода позиционного механизма введено ограничение фазовых координат для обеспечения существования скользящих режимов при воздействии внешних возмущений по моменту нагрузки и напряжению питающей сети.

3. Проведено сравнение путем моделирования на ЦВМ переходных процессов в релейных системах на скользящих режимах и в стандартных системах подчиненного регулирования.

4. Разработана и реализована гибридная цифро-аналоговая модель релейного электропривода позиционного механизма с микропроцессорной системой регулирования. С помощью гибридной цифро-аналоговой модели проводится настройка цифровых регуляторов на аналоговой модели объекта регулирования.

Положения, выносимые на защиту диссертационной работы:

1.Структура и математическое описание формирователя функции переключения релейной системы регулирования электропривода.

2.Способы обеспечения существования скользящих режимов, обладающих требуемыми динамическими характеристиками.

3.Методика математического моделирования релейных электроприводов, работающих в скользящем режиме.

Для построения системы регулирования электропривода за основу взята система с релейным управлением, работающая в специфическом для систем регулирования скользящем режиме /44/. Управление осуществляется переключением силового релейного элемента в якорной цепи электродвигателя /45/,- /52/. Современная силовая электроника позволяет выполнить ключи силового релейного элемента для приводов такого класса на мощных транзисторах /53/ или запираемых тиристорах, что существенно упрощает схему силовой части. Применение транзисторов или запираемых тиристоров в качестве коммутирующих элементов позволяет иметь высокочастотные переключения якорной цепи при движении в скользящем режиме. Последнее приближает скользящий режим к идеальному и позволяет улучшить динамические параметры системы регулирования. Высокая частота переключения силового релейного элемента позволяет отказаться от использования сглаживающего реактора в якорной цепи. Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть применены при проектировании систем регулирования скорости и положения электроприводов постоянного тока.

В первой главе диссертации дан обзор релейных систем электропривода постоянного тока, работающих в скользящих режимах. Проведен анализ недостатков рассмотренных систем регулирования. Приведены технические требования, предъявляемые к электроприводам позиционных механизмов.

Во второй главе диссертации дано математическое описание систем регулирования скорости электроприводов, работающих в скользящем режиме. Сформулированы условия возникновения и существования скользящих режимов с требуемыми динамическими характеристиками. Выполнено математическое описание статических и динамических показателей типового силового релейного элемента. Проведено исследование динамических свойств релейной системы регулирования и двухконтурной системы подчиненного регулирования путем моделирования на ЭВМ переходных процессов при изменении задающего сигнала, возмущении по моменту статического сопротивления и напряжению питающей сети. Сопоставлены динамические показатели рассматриваемых систем.

В третьей главе диссертационной работы исследована позиционная система с релейным управлением. Получены условия возникновения и существования скользящего режима в фазовом пространстве состояния . Выведено неравенство по которому выбирается необходимое напряжение силового релейного элемента, достаточное для возникновения скользящего режима во время отработки перемещений при воздействии внешних возмущений. Оценка величины напряжения силового релейного элемента теперь не вызывает затруднений. В диссертации показано, что условия возникновения и существования скользящих режимов имеют место только при определенных значениях параметров, характеризующих плоскость скольжения. Для позиционных систем регулирования, обладающих требуемыми динамическими характеристиками, скользящие режимы возникают лишь на части плоскости скольжения. Без введения специальных мер при воздействии задающего сигнала произвольной формы и внешних возмущений возможен срыв скользящих режимов, приводящий к нарушению нормального режима работы. В диссертации предложено два метода решения проблемы удержания системы в скользящем режиме: \

1. Использование задающего воздействия определенного вида;

2. Ограничение фазовых координат системы.

При использовании задающего воздействия определенного вида сигнал задания на перемещение и его производные формируется по специальному закону, реализуемому в соответствии с алгоритмом функционирования задающего устройства. Легко достигается ограничение выходных координат системы регулирования, необходимое по условиям работы электропривода.

Для системы с ограничением фазовых координат задающее воздействие на перемещение может иметь произвольную форму. При высоких динамических показателях системы регулирования обеспечивается малоинерционная отработка сигнала задания на перемещение. В рассматриваемой релейной системе регулирования электропривода последнее качество, наряду с высокой точностью, оказывается важным. Следует отметить также возможность ограничения реальных физических координат. В заключении третьей главы исследованы динамические процессы в релейной системе регулирования положения и трехконтурной системе с подчиненным регулированием координат путем моделирования на ЭВМ. Проанализированы показатели качества переходных процессов, отмечены положительные свойства релейных систем.Исследование динамических параметров проведено с большой степенью достоверности благодаря применению помимо цифрового моделирования на ЭВМ гибридного цифро-аналогового моделирования /25/. Методика построения гибридной цифро-аналоговой модели изложена в четвертой главе. При построении гибридной цифро-аналоговой модели в качестве объекта регулирования взята аналоговая модель электродвигателя. Силовой преобразователь моделируется релейным элементом с зоной нечувствительности и гистерезисом. Контроллер, выполненный на базе персональной ЭВМ, реализует функции формирователя поверхности переключения. Полученная модель позволяет проводить исследование динамических параметров электропривода при проектировании, сократив время на наладку реальной установки.

В Заключении дана оценка степени выполнения поставленных задач, проанализированы результаты цифрового моделирования на ЭВМ и гибридного цифро-аналогового моделирования релейных позиционных систем, работающих в скользящих режимах.

В Приложении приведены принципиальные электрические схемы гибридной цифро-аналоговой модели, алгоритм и программы гибридного цифро-аналогового моделирования систем электропривода, графики переходных процессов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах 111, /8/, /36/, /37/, /38/, /39/, /40/, /41/, /42/, /27/. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат:

8/- синтез формирователя функции переключения системы регулирования, работающей в скользящем режиме;

III- функциональная схема гибридной цифро-аналоговой модели.

Выводы по главе 4:

1. Проведена разработка и отладка аппаратной части гибридной цифро-аналоговой модели релейного электропривода позиционного механизма со скользящими режимами

2. Синтезирован алгоритм формирования функции переключения для цифрового микропроцессорного устройства управления гибридной цифро-аналоговой модели.

3. Разработана и отлажена управляющая программа для анализа переходных процессов в гибридной цифро-аналоговой модели.

4. Проведено исследование переходных характеристик на гибридной цифро-аналоговой модели в системах регулирования скорости и положения релейных позиционных электроприводов со скользящими режимами.

В результате теоретических исследований и гибридного цифро-аналогового моделирования получены следующие результаты.

Рассмотрены системы регулирования электропривода позиционных механизмов, для которых:

1. проведен синтез формирователя функции переключения при движении системы регулирования в скользящем режиме;

2. исходя из условий существования устойчивых скользящих режимов получены неравенства для выбора напряжения силового релейного элемента;

3. путем ограничения фазовых координат системы регулирования при движении в скользящем режиме решена задача предотвращения срывов скользящих режимов при воздействии внешних возмущений по моменту нагрузки и напряжению питающей сети;

4. проведено сравнение путем моделирования на ЦВМ переходных процессов в релейных системах, работающих в скользящих режимах, и стандартных системах подчиненного регулирования скорости и положения;

5. для исследования динамики релейного электропривода исполнительного позиционного механизма разработана и изготовлена гибридная цифро-аналоговая модель, включающая реальное устройство управления (контроллер) и аналоговую модель объекта регулирования.

По результатам сравнения переходных характеристик релейной системы регулирования, работающей в скользящем режиме, со стандартной системой подчиненного регулирования сделаны следующие выводы:

1. в релейных системах регулирования возможно получение апериодических переходных процессов с требуемым быстродействием;

2.релейные системы регулирования обладают малой чувствительностью к возмущениям по моменту нагрузки и напряжению питающей сети , точность регулирования в релейной системе определяется метрологическими свойствами датчиков и не зависит от свойств объекта регулирования.

Блокировка интегратора

Вход- сигнал моде лиру мой угловой скорости

Выход- сигнал низкочастотной составляющей пар аметра переключения, к инвертирующему входу сумматора релейного элемента 01 модуля А1.1 (рис 1.1)

Рис. 1.2 о

71 ГТ чо яэ 8Ю »13 но т

ЩЩ'ЩМШш! } 1 ею

9|»001

I Л5И

ГД,ЛЗ 1

-1- ' У1

1= ? . д 3

Т"1

I т

69» 65» ¿5а »9«

СП СП

С5У >101

ЛЛ.ЛЛ.ЛЛ/1 3 я tf о о я я п> о О я < о

Поз. обозначение Наименование Количество Примечание

Микросхемы

D1,D3,D5,D6,D7, КР140УД608 8

D8,D9,D11

D4 КР140УД708 1

D2 140УД7 1

DIO К554СЛЗ Транзисторы 1

VT1 КТ3107И 1

VT2 KT342A 1

VT3.VT4 Г-025Б Конденсаторы 2

C5,C6 220нФ 2

Cl 470нФ 1

Cl 680нФ Резисторы 1

R1,R3,R4 ЗЗК; 0,125Вт

R2 68К; 0,125Вт 1

R5 51 К; 0,125В г 1

R6 10К; 0,125Вт 1

R7 1К; 0,125Вт 1

R8 7,5К; 0,125Вт 1

R9 750К; 0,125Вт 1

RIO 300; 0,125Вт 1

RI 1 10К; 0,125Вт 1

R15 10К; 0,125Вт 1

R17 3,3K; 0,125Вт 1

R18 15К; 0,125Вт 1

R14 10IC; 0,25Вт 1 подстр.,многообор.

R19 10К; 0,25Вт 1 подстр.,многообор.

R20 10К; 0,25Вт 1 подстр.,многообор.

R21 15К; 0,125Вт 1

R22 22К; 0,125Вт 1

R23 8,2К; 0,125Вт 1

R24 100К; 0,125Вт 1

R25 51 К; 0,125Вт 1

R26 3,3K; 0Д25Вт 1

R27 5,1 К; 0,125Вт 1

R28 10К; 0,25Вт 1 подстр.,многообор

R29 180К; 0,125Вт 1

R30 180К; 0,125Вт 1

R31,R32 10К; 0,125Вт

R33 22ÍC; 0,25Вт 1 подстр.,многообор

R34,R35,R36 51 К; 0,125Вт

R37,R38 20К; 0,125Вт

R39 10К; 0,25Вт 1 подстр.,многообор

R40 1 К; 0,125Вт 1

R41 ЗК;ОД25Вт 1

R43 22К; 0,25Вт 1 подстр.,многообор

R44 20К: 0,125Вт 1

1.Алгоримы управления и идентификация. Сб. научных тр. // Ин-т системного анализа. Под ред. С. В. Емельянова, С. К. Коровина. -М. -Диалог МГУ, 1997-170 л. ил.

2. Акимов JI. В. Теория, алгоритмизация проектирования и создание оптимальных по быстродействию электроприводов при ограничении координат и идеализированном управлении. Автореферат дис. д-ра техн. наук: 05.09.03- М, 1988- 43 с. ил.

3. Борцов Ю.А., Юнгер И.Б. Автоматические системы с разрывным управлением.-Л.:Энергоатомиздат, 1986.-186с.

4. В.Ф. Филаретов, A.A. Дыды, B.C. Огкал. Адаптивные системы с переменной структурой для управления электроприводами роботов // Автоматизированный электропривод.-М.:Энергоатомиздат,1990.-с.169-174

5. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства: справочник-М.:Радио и связь, 1984.-400с.

6. Грехов В.П., Куприков A.B., Ушурбакиев А.Д. Исследование динамических характеристик автоматизированного электропривода постоянного тока с релейным управлением в скользящем режиме. // Изв.ВУЗов, Электромеханика, 1985-№3

7. Демидович Б.П. Лекции по математической теории устойчивости-М.:Наука, 1967.-472с.

8. Ю.Доддс С.Дж., Лукьянов А.Г. Синтез линейных многомерных нестационарных систем с разрывными управляющими воздействиями. // Автоматика и телемеханика, 1997-№4,с.28-44

9. Е.А. Барбашин. Введение в теорию устойчивости.-М.:Наука, 1967-224с.

10. Егоров В.Н., Шестаков В.М. Динамика систем электропривода-Л.:Энергоатомиздат, 1983-216с.13.3еленов А.Б. Синтез и исследование релейных систем управления электроприводом постоянного тока // Изв.ВУЗов, Электромеханика, 1979-№5,с.407-413

11. Изосимов Д.Б. Исследование и разработка алгоритмов управления и идентификации для электрических машин на скользящих режимах: Автореферат дис.на соискание учен.степ.канд.техн.наук (05.13.02)-М.,1984-24с.

12. КалиткинН.И. Численные методы.-М.:Наука, 1978.-512с.

13. Краскевич В.Е., Зеленский К.Х., Гречко В.И. Численные методы в инженерных исследованиях.-Киев:Вища школа, 1986.-263с.

14. Нелинейные динамические системы. Качественный анализ и управление Сб. тр. // Отв. ред. С. В. Емельянов, С. К. Коровин. -М., 1994-118 с. ил.

15. Новые направления в теории систем с переменной структурой // Под ред. С. В. Емельянова. -М., 1980-96 л. ил.

16. Математические основы теории автоматического регулирования. Под ред. Б.К. Чемоданова.-М.:Высшая школа, 1971.-808с.

17. Методы анализа нелинейных систем Сб. научных тр. // Ин-тсистемного анализа РАН. Под ред. С. В. Емельянова, С. К. Коровина. -М. -Диалог МГУ, 1997-110 с. ил.

18. М.Е. Гольц, Н.С. Литвин, A.A. Прокопенко. Транзисторный многокоординатный электропривод для роботов и станков. // Автоматизированный электропривод.-М. :Энергоатомиздат, 1990-с.454-458

19. Методы анализа нелинейных систем. Сб.науч.тр.// Ин-т системного анализа РАН:Под ред. C.B. Емельянова, С.К.Коровина-Диалог-МГУ, 1997.-1 Юс.

20. Мотченко А. И., Столяров В. Н. Синтез нелинейной системы электропривода методом аналитического конструирования регуляторов. //Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Харьков:Основа,1997.-с.80-82.

21. Мотченко А. И., Столяров В. Н. Позиционный электропривод с варьируемой траекторией движения. //Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Харьков, ХДПУ, 1998.-е. 199-201.

22. Программирование аналого-цифровых вычислительных систем: справочник / И.М. Витенберг, М.Г. Левин, И.Я. Шор; Под ред. И.М. Витенберга.-М.'.Радио и связь, 1989.-288с.

23. Синтез нелинейных систем электропривода с низкойчувствительностью к параметрическим возмущениям. А. И. Мотченко, В. Н. Столяров, с. 29-30. Электротехника, N5, 1999.

24. П. Сен. Тиристорные электроприводы постоянного тока. М. :Энергоатомиздат, 1985 .-231 с.

25. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. Под общей редакцией Ю.В. Новикова. Прак.пособие.-М.:ЭКОМ., 1997.-224с.

26. Решмин Б.И., Ямпольский Д.С. Проектирование и наладка систем подчиненного регулирования электроприводов.-М.:Энергия, 1975.-184с.

27. Скляров В.А. Применение ПЭВМ. В 3 кн. Кн.1. Организация и управление ресурсами ПЭВМ:Практ.пособие.-М.:Высш.шк.,1992-158с.

28. Теория систем с переменной структурой. Под ред. C.B. Емельянова.-М.:Наука, 1970.-592с.

29. Тетельбаум И.И., Шнейдер Ю.Р. практика аналогового моделирования динамических систем: справочное пособие-М.:Энергоатомиздат,1987.-384с.

30. Турчак Л.И. Основы численных методов.-М.:Наука, 1987-320с.

31. Тюрин С.В Построение высокоточной системы регулирования скорости с повышенным быстродействием // Международная научно-техническая конференция "Энергосбережение-98":Тез.докладов. Тула, ТулГУ, 1998.-С.20-21.

32. Тюрин С. В. О релейном управлении в системах переменой структуры // 3-я украшська конференция з автоматичного керування ("Автоматика -96"):Севастополь, 9-15 вересня1996 /Вщпов.ред. д.т.н., проф Ф.Д. Прянишников—Т.1.-Севастополь:СевГТУ,1996 — с.45

33. Тюрин C.B. Релейная система регулирования скорости электропривода. // Тезисы докладов научно-технической конференции (29 мая 1999 г.).-Липецк , 1999.-е.16-18.

34. Тюрин C.B. Релейная позиционная система, работающая в скользящем режиме. // Bîchhk Харыавского державного полггехничного ушверситету. Збирка наукових працъ. Тематичний випуск 61, Харыав, ХДПУ, 1999.-е 112-113.

35. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления.-М. :Наука, 1981 -368с.

36. Уткин В.И. Скользящие режимы и их применение в системах с переменной структурой -М.:Наука, 1974

37. Уткин В.И., Орлов Ю.В. Теория бесконечно-мерных системуправления на скользящих режимах.-М.:Наука, 1990.-133с.

38. Уткин В. И. Sliding modes and their application on variable structure system- Скользящие режимы и их применение в системах с переменной структурой. // V.I. Utkin Translated from russian by Pacnekh- Moscow-MIZ, 1978-257p. il.

39. Федорков Б.Г., Телец B.A. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применениеМ. :Энергоатомиздат, 1990.-320с.

40. Федоров В. JI. Стабилизированный низкоскоростной электропривод с моментным двигателем, функционирующий в скользящем режиме.

41. ЦыпкинЯ.З. Релейные автоматические системы.-М.:Наука., 1974.

42. Шенфельф Р., Хабигер Э. Автоматизированные электроприводы: Пер. с нем. /Под ред. Ю.А. Борцова. Л.:Энергоатомиздат,1985.-464с.

43. Шипило В.П. Автоматизированный вентильный электропривод.-М.:Энергия, 1969.-400с.

44. Braslavsky A. D., Korovin S. К., Kostyleva N. Е., Utkin V. I. Shubladze A.M. Sliding Modes in Problems of Static Optimization, Programming and Identifications.-Proc. 5-th IFAC Congress, Paris, 1972.

45. Public IFAC by Inst, of Soc. Of America, Pittsburg, USA. 57.Devand F.M. and Caron J. Y. Asymptotic Stability of Model Reference Systems with Bang-Bang Control-IEEE Trans, 1975, vol. AC-20, pp694-696.

46. Shaked U. Design Technique for High FeedBack Gain Stability.-Int. J. Contr., 1976,vol.24, №1, pp. 137-144.

47. Utkin V. I. Application of Equivalent Control Method to the Systems with Large FeedBack Gain.- IEEE Trans., 1978, vol. AC-23, pp. 484-486.

48. Young K.-K. D. Asymptotic Stability of Model Reference Systems with Variable Structure Systems.-IEEE Trans., 1977, vol. AC-22, pp. 279-282.