автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка цифро-аналоговых многократноинтегрирующих систем подчиненного регулирования одномассового электропривода с улучшенными характеристиками

ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

* .ЛЯФЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

-—-

На правах рукописи Зейдан Имад Мох'д Рашад

РАЗРАБОТКА ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ МНОГОКРАТНОИНТЕГРИРУЮЩИХ СИСТЕМ ЮДЧИНЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОДНОМАССОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ХАРЬКОВ - 1995

е. .

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена на кафедре "Автоматизированные элоктромеха1 ческие системы" в Харьковском государственном иолитсхническ университете.

Научный руководитель Научный консультант

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, професс Клепиков Владимир Борисович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Гуль Альберт Игнатьевич

доктор технических наук, професс Зеленов Анатолий Борисович

кандидат технических наук Крйвицкий Сергей Орестович

Ведущее предприятие: АО "Тяжпромэлектропроскт" Защита диссертации состоится 30 марта 1995 г. в 14.30 на за се, нии специализированного совета К.008.39.06 в Харьковском го( дарственном политехническом университете. (310002, Харьков-2, ГСП, ул.Фрунзе, 21)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан 28 февраля 1995 г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета

Гончаров Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В связи с бурным развитием научно-»хнической революции во всем мире все острее становится проблема эсурсосбережения. На Украине эта проблема еще более обострилась эсле распада СССР.

Для достижения ресурсосберегающего эффекта за счет повышения )чности работы механизмов многие цифро-аналоговые системы автома-ггеского регулирования электропривода (ЭП) выполняются двукратно-ятегрирующими а некоторые и трехкратноинтегрирующими. При почтенных требованиях к динамической ошибке и чувствительности 'их систем к параметрическим возмущениям становится актуальной за-1ча их многопараметрической оптимизации на максимум контурного ээффициента усиления (максимум добротности) при заданном показа-;ле колебательности. В известных методиках синтеза параметры их ре-гляторов или не соответствуют этому критерию или же определены злько для аналоговых систем подчиненного регулирования (СПР). Со-гветствующие им методики настройки внешнего контура отягощены роцедурами идентификации объекта регулирования, расчетами гочненных значений параметров регулятора и их уставок на реальном эорудовании и не дают, как показали исследования автора, даже теоре--гчески наилучшего результата. Ряд технологий металлообработки трепет не только высокой точности регулирования скорости и положения еханизмов но и малой чувствительности к изменению параметров 1стем, работающих в тяжелых условиях. К ним относятся гибкие авто-атизированные производства с металлорежущими станками, непре-ывные станы горячей и холодной прокатки стального листа. Высокая )чность позиционирования требуется в автоматизированных ско-эстных лифтах и ряде других промышленных механизмах.

Актуальность многопараметрической оптимизации цифро-аналого-=1Х СПР подтверждается в решениях последних конференций с между-зродным участием по проблемам автоматизированного ЭП.

Данная дисертационная работа, посвященнная решению указанных зппе и сопутствующим им задачам, выполнена в рамках приоритетного аучного направления по программе 5.1.6 "Ресурсосберегающие электро-еханические системы", утвержденной Государственным комитетом краины по вопросам науки и технологии приказом № 15 от 1 марта 1993 >да.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в разработке методик инженерного проекти-эвания и наладки многократноинтегрирующих цифро-аналоговых СПР \номассовых электроприводов с улучшенными динамическими и )чностными характеристиками на основе методов многопараметри-гской оптимизации их внешнего контура по нетрадиционным критери-ч: максимум добротности при заданной колебательности или минимум лебательности при заданной добротности.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решались еле ющие задачи:

1. Разработка с применением ЭВМ методик многопараметричеа оптимизации цифро-аналоговых многократноинтегрирующих сис (МИС) по координатам седловой точки поверхности равного уровня у ления в пространстве параметров дискретной амплитудной частотной рактерисгики (АПЧХ) по каждому из двух предложенных критериев.

2. Разработка инженерных методик проектирования параметриче-оптимизированных двукратно-, трехкратно- и четырехкратноинтегри ющих контуров по предлагаемым критериям.

3. Сравнительный анализ характеристик и показателей оптимизи ванных систем с традиционно настроенными системами.

4. Исследование условий возникновения автоколебаний в парамет чески оптимизированных МИС при неполадках в виде типового не нейного звена (люфт, зона нечувствительности, насыщение и т.д разработка методики их диагностики.

5. Обеспечение абсолютной устойчивости параметрически оптими рованых контуров с нелинейным ограничением подчиненой координа

6. Экспериментальная проверка инженерных методик оптимиза] параметров цифро-аналоговых дву- и трехкратноинтегрирующих С скорости и положения методами структурного моделирования на ЭВ? разработка методик их уточненной наладки на реальном оборудовав

ОСНОВНЫЕ МЕТОЛЫ ИССЛЕАОВАНИЯ. Исследование цифро-аш говых многократноинтегрирующих СПР произведены на основе тео] автоматизированного электропривода, частотных методов теории имп> сных систем и автоматического управления. Многопараметрическая тимизадия достигалась применением метода чисел Фибоначчи при иске максимума АЧХ и квадратичной интерполяции-экстраполяции ] поиске минимума показателя колебательности. Инженерная метод разработана с помощью регрессионного анализа. Абсолютная устой вость оптимизированных МИС при нелинейных ограничениях звен исследованы по частотному критерию Попова В.М. Использованы м< ды структурного моделирования на ЭВМ с применением метода Ру] Кутта-Фельберга.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

-Методики многомерной параметрической оптимизации многократ интегрирующих цифро-аналоговых СПР по критериям: минимум пок теля колебательности при заданном коэффициенте усиления, максот коэффициента усиления при заданном показателе колебательности;

-Расчетная формула частоты автоколебаний параметрически опти зированных трехкратно- и четырехкратноинтегрирующих конту цифро-аналоговых СПР для диагностики неполадок в контуре в е люфта, зоны нечувствительности или насыщения звена;

-Методики обеспечения абсолютной устойчивости параметрич' оптимизированных дискретных МИС с нелинейным ограничением си

У

задания подчиненному контуру;

-Инженерные методики расчета и уточненной наладки параметров гуляторов высокоточных робастных электроприводов с многократно-тегриругащими контурами регулирования их цифро-аналоговых СПР. А ОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ подтверждена со-ветсгвием принятых допущений цели и задачам исследования, приме-нием апробированных альтернативных методов математического ограммирования и моделирования на ЭВМ, методов теорий эктропривода и автоматического управления, а также сходимостью ре-\ьтатов расчета, проведенных на адекватной математической модели, с зтериментальными данными, полученными как автором так и другими следователями для некоторых частных случаев.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА Впервые показано существование седло-разной области гиперповерхности равного уровня усиления цифро-1Логовых МИС в пространстве параметров их дискретных ампли-\ных частотных характеристик и разработан метод использования комнат ее седловой точки для оптимизации этих систем по одному из /х предложенных критериев: минимум показателя колебательности и заданном контурном коэффициенте усиления, максимум контурного эффициента усиления при заданном показателе колебательности. Впервые доказана оптимальность желаемой дискретной логарифми-:кой амплитудно частотной (ЛАЧХ) типа п-1-0, где п-кратность гегрирования МИС, и разработаны формулы расчета ее низко-гготных сопряжений и псевдочастоты среза по каждому из предложен-х критериев параметрической оптимизации.

Впервые аналитически выведена расчетная формула частоты автоко-5аний параметрически оптимизированых трехкратно- и четы-[кратноинтегрирующих цифро-аналоговых контуров для диагностики голадок в виде люфта, зоны нечувствительности или насыщения. Впервые предложены алгоритмы уточненной настройки оптимальных 1чений параметров регулятора многократноинтегрирукяцего контура предложенным критериям непостредственно на оборудовании. Впервые исследована абсолютная устойчивость многообразия уктурных схем нелинейного ограничения подчиненной координаты в эгократноинтегрирующих цифро-аналоговых СПР и обоснован алго-м ограничения с отключением входного сигнала интеграторов регуля->а без глубокой отрицательной обратной связи.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. гдложенные инженерные методики многомерной параметрической имизации многократноинтегрирующих контуров цифро-аналоговых Р по показателям колебательности и добротности, способствуют зна-елыюму улучшению их динамических и точностных характеристик и, годаря их большой общности, могут быть рекомендованы в качестве ной типовой методики проектирования и наладки как дискретных так

и непрерывных МИС.. Учет дискретного характера процессов позвол при проектировании МИС выбрать пониженную тактовую част управляющего микропроцессора, а следовательно и его стоимость.

Разработанный алгоритм ускоренного поиска минимального значе] показателя колебательности дискретной МИС непосредственно действующем оборудовании значительно упрощает и повышает точнс их наладки, открывая дорогу разработкам точной адаптивной са настройки параметров на реальном оборудовании с помощью един встроенного микропроцессора.

Оптимизация по предложенным критериям обеспечивает ми мальную чувствительность МИС к изменению оптимальных значений раметров в силу равенства нулю частных производных в седловой тс гиперповерхности равного уровня усиления.

Полученные результаты могут быть использованы при создании и конструкции высокоточных робастных электроприводов и сис управления технологическими объектами в том числе, например, сис регулирования разнотолщинносги прокатываемой полосы мета систем электропривода высокоточных станков и роботов, систем точ! позиционирования скоростных лифтов.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Результаты исследования использованы в качестве основных поле ний инженерной методики проектирования и наладки МИС регулир ния скорости высокоточных электроприводов по госбюджетной ч 5.51.06/037 "Разработка высокоточных автоматизированных электро] водов для ресурсосберегающих технологий", выполняемой по при« тетному научному направлению в рамках программы 5.1.6 "Ресурсосб гающие электромеханические системы", утвержденной Государствен комитетом Украины по вопросам науки и технологии приказом N 15 марта 1993 года.

Разработанный пакет диалоговых программ автоматизации прое рования цифро-аналоговых МИС электроприводов включен в библ* ку типовых программ персональных компьютеров типа IBM PC XI для научных исследований и учебного процесса на кафедре "Автомат рованные электромеханические системы" ХГПУ (г. Харьков).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывал* обсуждались на семинарах Академии наук Украины "Динамика h нейных электромеханических систем" (г.Харьков, 1991-1993), ко ренции "MICRO-CAD 92" в Мишкольцском университете (Венгрия, г.), научно-технических конференциях с международным учас "Проблемы подъемно-транспортной техники" (гАлушта, 1993 i "Проблемы автоматизированного электропривода.Теория и практ (г.Харьков, 1994 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации олубликова межвузовском научно-техническом сборнике "Оптимизация режимо

<S

боты систем электроприводов" Красноярск, КрПИ,1992; вестнике ХПИ, Электромашиностроение и автоматизация промпредприятий.- вып. 16, N492, Харьков, 1992.; а также в печатных материалах научно-технических конференций с международным участием "Проблемы подъемно-транспортной техники", секция 3, Алушта, 1993 г. и "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика", Харьков, 1994 г.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 97 страницах машинописного текста, и содержит 52 рисунка, 5 таблиц, список литературы из 104 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ЯО ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность работы, формулируются ее цель и научные задачи, отмечаются основные методы исследования и защищаемые научные результаты, достоверность и научная новизна, практическая ценность, реализация и апробация полученных результатов.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ дана характеристика сформировавшемуся к настоящему времени направлению в решении проблемы улучшения динамических и точностных показателей ЭП постоянного тока, снабженных СПР. Проведен анализ многочисленных исследований, выполненных в отраслевых институтах ВНИИэлектропривод, ВНИИМЕТМАШ, НИИ НПО ХЭМЗ, ВНИИР, АО "Тяжпромэлектропроект", а также вузов МЭИ, ЛЭТИ, ЛПИ, УПИ и др. Отмечаются достигнутые успехи в области совершенствования СПР путем построения систем с переменной структурой, использования видоизмененных методов оптимизации, принципов упреждающей коррекции, цифровой и микропроцессорной техники. Вместе с тем ряд вопросов не нашел достаточной разработки. Недостаточно внимания уделено вопросам ослабления противоречий между добротностью и колебательностью МИ С ЭП методами параметрической оптимизации, снижению их чувствительности к параметрическим возмущениям и выбора нелинейной схемы ограничения подчиненных координат МИС по условию их абсолютной устойчивости.

Вышеизложенное определило основное содержание исследований, указанное в задачах диссертационной работы.

В данной работе в качестве объекта исследования рассматриваются цифро-аналоговые многократноинтегрирующие СПР ЭП постоянного тока, выполненные по системе управляемый преобразователь-двигатель с подчиненным контуром тока, настроенным аналоговым регулятором по модульному оптимуму на поведение линейного колебательного звена второго порядка при коэффициенте демпфирования 0,707. В качестве управляемого преобразователя может быть использован тиристорный или широтно-импульсный преобразователь, работающий в зоне непрерывного тока. При этом не вносится ограничение на расположение интеграторов в объекте управления или в составе регулятора. Механическая часть ЭП принята в виде одномассовой системы при отсутствии

зазоров.

На рис.1а,б представлены структурные схемы типичных цифро-анал говых, двукратно- и трехкратноинтегрирующих СПР скорости а на рис. трехкратноинтегрирующей СПР положения без подчиненного конту скорости. Регуляторы внешнего контура, задатчики и датчики, преобр зователи код-аналог и аналог-код реализованы на микросхемно микропроцессорной элементной базе с кодовым представление информации и обозначены на схемах в соответствии с общепринятой м тодикой следующим образом:

О (г)-дискретные передаточные функции регуляторов внешнего кот ра с идеальными ключами на входе и выходе, работающими синхронно синфазно с периодом Т. На рис.1 Опи(г) - цифровой аналог пропори^ нально-интегрального регулятора, 02пи(2) - цифровой аналог двух пос/ довательно соединенных пропорционально-интегральных регуляторе Опид(г) - цифровой аналог пропорционально-интегрально-дифферени ального регулятора. На выходе идеального ключа установлен фиксат Шф в виде экстраполятора нулевого порядка Шф(р) = (1-ехр(-рТ))/р. Ф - подчиненный контур тока. Преобразователи аналог-код датчиков в : висимости от принятого типа могут быть описаны различными пере, точными функциями с незначительной постоянной времени Тд и чист] запаздыванием Тид (см.рис.1).

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ разработаны нетрадиционные методики много! раметрической оптимизации МИС по критерию максимального ослаб, ния противоречия между коэффициентом усиления (добротностью) и 1 лебательностью этих систем в замкнутом состоянии, повышающие их , намические и точностные показатели [2,3,4].

Асимптотическая логарифмическая дискретная частотная харак ристика (ААЧХ) разомкнутого многократноинтегрирующего конту представленная на рис.2 сплошной ломаной линией, является обобще! ем типовых желаемых ЛАЧХ цифро-аналоговых МИС подчиненного гулирования с участком 20 дБ/дек на псевдочастоте среза Хс. Согла<

желаемой ЛАЧХ разомкнутой МИС аналитическое описание дискретной частотной характеристики СЦХ) имеет вид

С(Я)=КЛЛГв(рс)-0>0-п -ПП+'ХА,) (

где X - псевдочастота; п-1

К = ХСШГ коэффициент усиления разомкнутого контура; 1=1

низкочастотные сопряжения асимптот логарифмической ам

В

тудной частотной характеристики разомкнутой системы (ЛАЧХ);

Хс - псевдочастота среза ЛАЧХ;

WBGX) = (l-jXT/2Hl +jX-(T/2-rrm)J.[l +Д-(Т/2-2Ти)]/(1 +jXT/2)2

- высокочастотная часть характеристики;

Т - такт повторения вычислений в контуре;

£Тт - сумма малых постоянных времени в контуре;

ЕТИ - суммарное запаздывание в контуре

Коэффициент усиления К разомкнутого контура, определяющий добротность, равен согласно (1) произведению псевдочастот сопряжения и псевдочасготы среза.

Введем параметрическое описание коэффициента усиления разомкнутого контура с базовым временем Т6

К = к • ( Тб )-» ( 2 )

п-1

где к=(а-П bj"' - параметрический коэффициент усиления; i = i

а = 1 /( Xc;Tg ) - параметр частоты среза ЛАЧХ; ;

bj=l/( XjTq ) - параметры низкочастотных сопряжений ЛАЧХ;

Tg = ZTm + Т/2 + 2ТИ - базовое время.

Выражениям (1) и (2) соответствует дискретная амплитудная параметрическая частотная характеристика (АПЧХ) замкнутой МИС в относительных единицах (o.e.)

|Ф(И =l{l + (jv)n/Ik-WB(jv)-n(1+jbiv)]}-l|, ; (3)

где 10(jv)| - амплитуда;

V = ХТб - псевдочастота в o.e.;

WB( jv ) - высокочастотная часть характеристики (1) в o.e.;

В многоканальных системах ЭП, взаимосвязанных технологическим объектом, только после решения задачи автономности [1) АПЧХ каждого замкнутого многократноинтегрирующего канала системы можно адекватно описать формулой (3).

ФОРМУЛИРОВКА КРИТЕРИЕВ ОПТИМИЗАЦИИ. Как правило МИС проектируются для практически одномассовых электроприводов и настраиваются с повышенным коэффициентом усиления как колебательные системы, АЧХ которых согласно выражению (3) при k = const, всех bj = const и v = var имеют ярко выраженный максимум

М = шах| 0(jv)| в среднечасготной области, являющийся показателем колебательности.

При n = 2, k = const, bj = var и n = var выражение (3) может быть наглядно изображено в трехмерном пространстве параметров в виде поверхности равного уровня усиления, приведенной на рис.3 двумя про-

9

екциями: а) плоскость амплитуда - частота V; б) плоскость амплитуда - I раметр Ь; В среднечастотной области поверхность имеет характерн] седлообразный вид с единственной седловой точкой, в которой пока: тель колебательности М имеет минимальное значен М0 = тт{тах| ФЦу)| } на частоте У^Уо при оптимальном значении па] метра Ь, =Ь0.

При п = 3, к = сопэ1, Ь,=уат, Ь2 = уат и у = уаг выражение (3) отобрал ет гиперповерхность равного уровня усиления в четырехмерн пространстве параметров АПЧХ с характерной седлообразной облает в среднечастотном диапазоне с единственной седловой точкой, к о орд и ты которой по осям Ь1 и Ь2 равны единому оптимальному значению Ь силу коммутативности выражения (3) относительно этих параметре Этим фундаментальным свойством равенства всех низкочастотн сопряжений ЛАЧХ разомкнутой системы в минимуме колебательное замкнутой системы при заданной добротности обладает весь класс М1 в силу все той же коммутативности выражения (3) относительно всех ; раметров низкочастотного сопряжения = ~... Хь..= = Яд, где Я-о - оптимальное значение низкочастотных сопряжений п-крат]

интегрирующей системы при заданной добротности. В пределах задания коэффициенту усиления к значений, при котор сохраняется колебательный характер системы и ее устойчивость, сед вая точка располагается на некоторой однозначной траектории, обоз ченной на проекциях рис.3 штрих-пунктиром. Моделированием МИ( разнообразными передаточными функциями малых звеньев и порядка экстраполяторов, определяющих высокочастотную часть характерней (1), установлено незначительное в области задания 1,5<М<2,5 отклоне! траектории седловой точки в пределах расширяющейся вверх трубки,1 позволило разработать методами регрессионного анализа универсальн инженерную методику расчета оптимальных параметров регулято] всего класса стационарных линейных двукратноинтегрирующих сис как аналоговых так и цифро-аналоговых с применением рассчитанн по формуле (2) значения базового времени Тб.

Они имеют вид для первого критерия оптимизации п = 2; М0= 1/(0,36+0,028/к); Ь0= 1,2+0,47/к; 0,1<к<0,25; п = 3; М0 = 1 /(0,39 + 0,0011 /к); Ь0 = 5,5 + 0,023/к; 0,005<к<0,025; п = 4; М0 = 1/(0,36 + 0,000042/к); Ь0 = 9,3 + 0.(ХЮ74/к; 10-4<к<0,0015; и для второго критерия оптимизации п = 2; ко = 0,35(1-1/М)1-16; Ь0=2,О/(1-1/М); 1,5<М<3; п = 3; ко = 0,054(1-1/М)52.з; Ь0 = 3,7/(1-1/М); 1,5<М<3; п = 4; = 0,005( 1 -1 /М)5335; Ь0 = 5,3/(1-1/М); 1,5<М<3. Исследованиями установлено, что в седловой точке оптимально ре!

но противоречие между добротностью и колебательностью МИС. Любое отклонение от оптимальных значений параметров ухудшает один из показателей М или к при неизменности другого и повышает чувствительность системы к параметрическим возмущениям.

В работе представлены результаты сравнительного анализа оптимизированных по предложенным критериям МИС с традиционными. Для двукратноинтегрирующих систем преимущества незначительны и это дает основание рекомендовать методику наряду с традиционной. Для трехкратноинтегрирующих СПР установлены значительные резервы по времени регулирования в 3,5 раза и добротности в 5,5 раза (базовый вариант из журнала "Электричество" №1, 1981).

Для четырехкратноинтегрирующих впервые найдены оптимальные значения перерегулирования и времени регулирования, оказавшиеся на уровне аналогичных показателей двукратноинтегрирующей СПР, традиционно настроенной на симметричный оптимум. Найденные максимальные значения коэффициентов усиления сводят к минимуму динамические ошибки МИС по возмущениям. Так например, при скачкообразном возмущении в трехкратноинтегрирующих МИС по входу с астатизмом первого порядка интегральная квадратичная оценка ошибки оптимизированной на максимум добротности системы меньше традиционного значения в 20 раз. При этом максимальное значение ошибки уменьшается в 4 раза.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ исследованы методом гармонического баланса условия возникновения автоколебаний в параметрически оптимизиро ванных МИС при последовательном включении в них типового нелинейного звена типа "насыщение". Установлено, что двукратноинтегриру-ющие СПР обладают абсолютной устойчивостью при этом способе ограничения подчиненной координаты. В трехкратно- и четырехкратно-интегрирующих СПР возможны колебания нелинейной природы на впервые аналитически найденной частоте уа уа = Ь0-> 1д[1,57(п-2)/(п-1)1,

что приводит к выводу о недопустимости насыщения их звеньев или наличия существенных нелинейносгей в основном контуре.

Исследована методом Попова В.М. с использованием графического дисплея абсолютная устойчивость параметрически оптимизированных трехкратно- и четырехкратноинтегрирующих СПР при частичном охвате регулятора нелинейностью типа зона нечувствительности, представляющей свободу выбора абсолютно устойчивых структур из множества допустимых. Однако, абсолютная жесткость ограничения в найденных нелинейных сруктурах не может быть реализована из-за дискретной природы цифрового регулятора. Предложен и проверен имитационным моделированием алгоритм абсолютно жесткого ограничения подчиненной координаты СПР без глубокой обратной связи регулятора, состоящий в отключении входного сигнала интеграторов регулятора при превышении

■У/

выходным сигналом регулятора заданного уровня и подачи постояно сигнала задания этого уровня на вход подчиненного контура. МИС п{ этом способе ограничения обладает абсолютной устойчивостью и он м жет быть рекомендован в качестве типового для комплектного ЭП.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА глава посвящена численным экспериментам ] имитационных моделях МИС ЭП и разработке на основе этих исследоЕ ний удобной методики точной настройки параметров регуляторов ] действующем оборудовании. Расчетные соотношения и выводы диссерч ционной работы прошли экспериментальную проверку на дв двукратноинтегрирующих и двух трехкратноинтегрирующих цифро-ан лотовых системах автоматического регулирования скорости и положен! Эксперименты полностью подтвердили достоверность и преимущест защищаемых методик. В процессе этих исследований были разработан в отличии от традиционных, методики точной настройки на оптимум реальном действующем оборудовании с полным исключением измерен! абсолютных величин и дополнительных расчетов.

Равенство низкочастотных сопряжений желаемой ААЧХ оптималы го вида (4) имеет большое практическое значение, резко упрощая точш настройку действующих реальных систем при п>2 простейшими поист выми методами одномерной оптимизации независимо от сложности кратности интегрирования этих систем. Сущность реализации этого сг соба многопараметрической настройки состоит в начальной ориентир вочной установке соответствующих равным значениям низкочастотн: сопряжений ААЧХ параметров регулятора и их последующей пропори ональной вариации единым органом настройки при постоянст контурного коэффициента усиления системы. Поиск оптимального 31 чения контролируется при этом или по минимальному значения макет ма АЧХ замкнутой системы или более просто в наладке по минимуму ] ререгулирования переходной характеристики замкнутой системы рис. Так например, в программе сдвоенного ПИ-регулятора трехкрат! интегрирующей СПР скорости рис. 16 можно ввести единый настроечн коэффициент для вариации их пропорциональных компонент при ] изменносги контурного коэффициента системы (добротности по рыв] а в аналоговом варианте системы для этой же цели ввести сдвоенный 1 ременный резистор рис.4а. Аналогично для этой же цели сдвоенный ] ременный резистор или единный настроечный коэффициент могут 61 установлены и в ПИД-регуляторе положения СПР без подчиненн« контура скорости рис.1в. Минимум показателя колебательности в эт системе необходимо определять по семейству АЧХ в связи с насыще] ем ПИД-регулятора при скачке задания.

Являясь многомерными по существу эти методики позволяют то1 установить оптимальные значения параметров регулятора варьирована единственного органа настройки и наблюдением на экране осциллоскс семейства переходных характеристик системы даже при поли

отсутствии математического описания объекта регулирования. Таким образом, открыта принципиальная возможность простой и точной настройки находящихся в эксплуатации многочисленных двукратно-интегрирующих систем ЭП (в том числе и многосвязных [1]) с непременным улучшением их характеристик а также менее многочисленных трехкратноинтегрирующих и сложных вновь проектируемых ЭП, трудно поддающихся точному математическому описанию, и достичь ресурсосберегающего эффекта за счет повышения точности технологических процессов ценой незначительных затрат.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в данной работе, позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработаны методики многомерной параметрической оптимизации цифро-аналоговых многократноинтегрирующих СПР по координатам седловой точки поверхности равного уровня усиления в пространстве параметров дискретной амплитудной частотной характеристики, позволяющие с помощью ЭВМ оптимизировать системы любой сложности и кратности интегрирования по одному из двух предложенных критериев: минимум показателя колебательности при заданном усилении и максимум усиления при заданном показателе колебательности.

2. Разработаны удобные инженерные методики оптимизации параметров двукратно-, трехкратно- и четырехкратноинтегрирующих цифро-аналоговых СПР по предложенным критериям в области практических значений показателя колебательности от 1,5 до 2,5, учитывающие дискретный характер процессов и поэтому позволяющие выбор управляющего микропроцессора с пониженной тактовой частотой.

3. Предложен способ выбора с помощью ЭВМ нелинейного ограничения сигнала регулятора в параметрически оптимизированной цифро-аналоговой СПР по условию ее абсолютной устойчивости, состоящий в вариации охватываемой нелинейной связью части регулятора при неизменных параметрах всего регулятора с последующим анализом абсолютной устойчивости каждого варианта нелинейной системы известными методами.

4. Доказана абсолютная устойчивость параметрически оптимизирова-ных, многократноинтегрирующих цифро-аналоговых СПР с не более чем одним интегратором в объекте управления при ограничении подчиненной координаты способом полного охвата регулятора основного контура нелинейной обратной связью с любой формой однозначной характеристики.

5. Доказана абсолютная устойчивость параметрически оптимизирова-ных, многократноинтегрирующих цифро-аналоговых СПР с двумя интеграторами в объекте управления при ограничении подчиненной координаты способом охвата ПИ-компоненты регулятора внешнего контура нелинейной связью типа "зона нечувствительности".

6. Предложен алгоритм абсолютно жесткого ограничения выходт сигнала цифрового регулятора без глубокой отрицательной обратной с зи и, поэтому не требующий повышеной тактовой частоты управлякш ЭВМ, состоящий в логическом отключении входных сигналов интегра ных компонент регулятора и запоминанием его выходного сигнала г условии превышения выходным сигналом регулятора заданного уровн: одновременного совпадения его знака со знаком входного сигнала.

7. Установлено, что для цифро-аналоговых двукратноинтегрируюц систем параметры частоты среза а = 1,7 и низкочастотного сопряжет Ь = 4,7 обеспечивают в сравнении с традиционной настройкой на а метричный оптимум минимум показателя колебательности при равенс их коэффициентов усиления к=0,125 и преимуществах по всем друг показателям: перерегулированию на 4% , времени регулирования на 1! по показателю колебательности на 4% и частоте среза на 15%.

8. Установлено, что для цифро-аналоговых трехкратноинтегрируюн систем при равном показателе колебательности 1,79 , соответствуют симметричному оптимуму, параметры частоты среза а =1,7 и низ] частотных сопряжений Ь = 8,9 обеспечивают максимум коэффицие] усиления и значительное преимущество над традиционной настрой* СПР по следующим показателям: коэффициенту усиления в 5,6 раза, в мени регулирования в 3,5 раза, интегральной квадратичной оце* ошибки регулирования при скачке нагрузки с астатизмом первого ] рядка в 20 раз (базовый вариант из журнала "Электричество" N1, 198

9. Установлено что, характеристики цифро-аналоговых многократ! интегрирующих систем, оптимизированых на максимум коэффицие! усиления при заданном на уровне симметричного оптимума значении ] казателя колебательности, имеют практически совпадающие показатс качества переходной характеристики ( перерегулирование 60%, время ] гулирования порядка десятикратной суммы некомпенсированных мал постоянных времени непрерывной части системы и полупериода кван вания цифрового регулятора, параметр частоты среза а =1,7).

10. Установлена общность разработанной инженерной методики ? для дискретных так и для непрерывных МИС электроприводов, » позволяет рекомендовать ее в качестве единой типовой методики п] ектирования и наладки.

11. Предложен способ наладки двукратноинтегрирующего конт} СПР с ПИ-регулятором на минимум перерегулирования или показат« колебательности, состоящий в вариации пропорциональной части ПИ-] гулятора и наблюдении минимума перерегулирования выходной коор,! наты или показателя колебательности.

12. Предложен способ наладки двукратноинтегрирующего конт} СПР с ПИ-регулятором на максимум добротности при заданном пере] гулировании или показателе колебательности, состоящий в последо тельных приращениях контурного коэффициента усиления с миними

/У

цией на каждом шаге перерегулирования или показателя колебательности по предыдущему способу п. 11 до их совпадения с заданным уровнем.

13. Предложен способ наладки трехкратноинтегрирующего контура СПР с двойным ПИ'ПИ-регулятором на минимум перерегулирования или показателя колебательности, состоящий в вариации пропорциональных частей сдвоенного ПИ'ПИ-регулятора единным органом настройки и наблюдении минимума перерегулирования выходной координаты или показателя колебательности.

14. Предложен способ наладки трехкратноинтегрирующего контура СПР со сдвоенным ПИ'ПИ-регулятором на максимум добротности при заданном перерегулировании или показателе колебательности, состоящий в последовательных приращениях контурного коэффициента усиления с минимизацией на каждом шаге перерегулирования или показателя колебательности по предыдущему способу п. 13 до их совпадения с заданным уровнем.

15. Доказана оптимальность желаемой ААЧХ разомкнутой МИС с равными значениями низкочастотных сопряжений и обеспечена минимальная чувствительность оптимизированых по предложенным методикам наладки систем электроприводов к параметрическим возмущениям.

16. Предложена формула расчета частоты автоколебаний параметрически оптимизированых трехкратно- и четырехкратноинтегрирующих цифро-аналоговых СПР для диагностики неполадок, связанных с образованием в контуре нелинейного звена типа "люфт","зона нечувствительности" или "насыщение".

Содержание диссертационной работы опубликовано в следующих печатных работах:

1. Богданова Н.В., Зейдан И.М. Математическая модель многосвязной системы регулирования межсекционного натяжения бумажного полдотна //Ввестник ХПИ. Электромашиностроение и автоматизация промпредприятий.- вып. 16, N492, Харьков, 1992. с.88-92.

2. Оптимизация двукратноинтегрирующей цифро-аналоговой системы подчиненного регулирования на максимум добротности/Клепиков В.Б., Богданова Н.В., Зейдан И.М., и др.//Оптимизация режимов работы систем электроприводов. КрПИ. Красноярск, 1992, с. 13-15.

3. Клепиков В.Б., Гуль А.И., Зейдан Имад Оптимизация автоматизированного электропривода скоростного лифта//печати, материалы научн,-техн. конференции с международным участием "Проблемы электропривода подъемно-транспортной техники",секция 3. Алушта, 1993. с. 7-9.

4. Клепиков В.Б., Гуль А.И., Зейдан Имад Оптимизация параметров трехкратноинтегрирующих цифро-аналоговых систем электропривода на максимум добротностиа//печатн. материалы научн.-техн. конференции с международным участием "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика" .Харьков, 1994. секция 1, с.73-76.

Зейдан I.M. Розробка цифро-аналогових багатократнопггегруюч1х систем п1длеглого регулювання одномасового електроприводу з полпппе-ними характеристиками.

Розроблеш орипналын методи багатопараметричноУ оптим1зацп замкнутих багатократнсннтегруючих систем одномасових електроприво-д1в на математичшй модели у npocrpacrBi параметр1в амплггудноТ частотноТ характеристики та безпосередньо на реальному обладнаш, значно зменьшуюч1 \'х динам1чш помилки та чутлив1сть до параметричних збурень та зпрощаюч1 ix настройку. Запропонован алгоритм абсолютно жорсгкого обмеження шдлсглоТ координати при абсолютнш спйкосп сисгеми.

КЛЮЧЬОВ! СЛОВА: багатократно1нтегруюч1 системи, автоматичне регулювання, цифро-аналогош системи, шдлегле регулювання, пара-метрична оптим1зац1я, абсолютна сгшгасть.

Zeidan I.M. Development of analog-to-digital multintegrated subordinate controling systems of one-mass electric drive with improved characteristics.

Original methods of multiparametric optimization of closed multintegrated one-mass electric drive systems on mathematical model in space of amplitude-frequency characteristics parameters and directly on real equipment, decreasing their dynamics errors considerably and sensitivity to parametrical disturbances and simplificating their adjustment, has been developed. Algorithm of absolutely rigid restriction of subordinate coordinate at absolute system stability has been offered.

а) б)

Рис. 3

R30 СЗО R20 С20 RIO СЮ

Рис. 4а

Рис. 46