ПОЗИЦИОННЫЙ ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
POSITION PROGRAMME CONTROLLED ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в промышленных установках для улучшения точности позиционирования исполнительного органа механизма при отработке заданных диаграмм перемещения.
Аналогом заявляемого устройства является позиционный электропривод с линейным (параболическим) регулятором (Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами / Под ред. В.И.Круповича, Ю.Г.Барыбина, М.Л.Самовера. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1982, - 416 с. - С.206-208).
Аналог имеет следующие недостатки: статические ошибки контуров регулирования частоты вращения (ЧВ) и положения, обусловленные нерациональным выбором его структуры, что не позволяет достичь требуемой точности позиционирования исполнительного органа механизма.
Наиболее близким к заявляемому позиционному программно-управляемому электроприводу является позиционный программно-управляемый электропривод с типовыми регуляторами (Добробаба Ю.П., Прохоренко Д.С. Двухкратноинтегрирующая система автоматического регулирования положения // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2007. - №5 - 6. - С.103-104), который принимается за прототип.
Прототип содержит: командоаппарат, формирующий диаграммы перемещения исполнительного органа механизма, выход командоаппарата соединен с первым входом регулятора положения исполнительного органа механизма, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения исполнительного органа механизма соединен с входом фильтра контура частоты вращения электропривода, выполненного в виде апериодического блока, выход фильтра контура частоты вращения электропривода соединен с первым входом регулятора частоты вращения электропривода, выполненного в виде пропорционально-интегрального блока, выход регулятора частоты вращения электропривода соединен с первым входом регулятора тока, выполненного в виде пропорционально-интегрального блока, выход регулятора тока соединен с входом безынерционного преобразователя, к выходу безынерционного преобразователя подключен электродвигатель постоянного тока, механически соединенный с исполнительным органом механизма, датчик тока, датчик частоты вращения электропривода, датчик положения исполнительного органа механизма, выход датчика тока соединен с третьим входом регулятора тока, выход датчика частоты вращения электропривода соединен со вторым входом регулятора частоты вращения электропривода и с входом компенсирующего влияние ЭДС электродвигателя устройства, компенсирующее влияние ЭДС электродвигателя устройство, выполненное в виде инерционно-дифференциального блока, выход компенсирующего влияние ЭДС электродвигателя устройства соединен со вторым входом регулятора тока, выход датчика положения исполнительного органа механизма соединен со вторым входом регулятора положения исполнительного органа механизма.
Конструктивные особенности прототипа обусловливают следующие его недостатки: низкие быстродействия контуров регулирования скорости и положения, что не позволяет достичь высокой точности позиционирования исполнительного органа механизма при отработке заданных диаграмм перемещения.
Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении быстродействия контура регулирования скорости и повышении точности контура регулирования положения.
Техническим результатом изобретения является увеличение точности позиционирования исполнительного органа механизма при отработке заданных диаграмм перемещения.
Указанный технический результат достигается тем, что в позиционном программно-управляемом электроприводе, содержащем командоаппарат, формирующий диаграммы перемещения исполнительного органа механизма, выход командоаппарата соединен с входом фильтра контура положения исполнительного органа механизма, выполненного в виде апериодического блока, выход фильтра контура положения исполнительного органа механизма соединен с первым входом регулятора положения исполнительного органа механизма, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения исполнительного органа механизма соединен с входом корректора контура положения исполнительного органа механизма, выполненного в виде инерционно-пропорционально-дифференциального блока, выход корректора контура положения исполнительного органа механизма соединен с входом фильтра контура частоты вращения электропривода, выполненного в виде инерционно-пропорционально-дифференциального блока, выход фильтра контура частоты вращения электропривода соединен с первым входом регулятора частоты вращения электропривода, выполненного в виде пропорционально-интегрального блока, выход регулятора частоты вращения электропривода соединен с входом корректора контура частоты вращения электропривода, выполненного в виде инерционно-пропорционально-дифференциального блока, выход корректора контура частоты вращения электропривода соединен с первым входом регулятора тока, выполненного в виде пропорционально-интегрального блока, выход регулятора тока соединен с входом безынерционного преобразователя, к выходу безынерционного преобразователя подключен электродвигатель постоянного тока, механически соединенный с исполнительным органом механизма, датчик тока, датчик частоты вращения электропривода, датчик положения исполнительного органа механизма, выход датчика тока соединен с третьим входом регулятора тока, выход датчика частоты вращения электропривода соединен со вторым входом регулятора частоты вращения электропривода и с входом компенсирующего влияние ЭДС электродвигателя устройства, компенсирующее влияние ЭДС электродвигателя устройство, выполненное в виде инерционно-дифференциального блока, выход компенсирующего влияние ЭДС электродвигателя устройства соединен со вторым входом регулятора тока, выход датчика положения исполнительного органа механизма соединен со вторым входом регулятора положения исполнительного органа механизма.
При разработке прототипа использован метод синтеза систем подчиненного регулирования по эталонным передаточным функциям, имеющим в числителе полином нулевой степени. Этот метод предусматривает, что каждый контур имеет по крайней мере такое количество варьируемых параметров, которое соответствует его порядку. Так как внутренние контуры всегда имеют порядок, меньший по сравнению с внешними, то для внутренних контуров обеспечение необходимого количества варьируемых параметров не вызывает затруднений. Для внешних контуров требуемое количество варьируемых параметров не всегда физически реализуемо (основной недостаток).
В монографии (Универсальные эталонные передаточные функции систем / Ю.П.Добробаба, А.Г.Мурлин, В.А.Мурлина, Г.А.Кошкин, О.В.Акулов // Монография. Краснодар: КубГТУ, 2000. - С.59-67) разработана методика синтеза многоконтурных систем с улучшенными характеристиками, которая позволяет устранить указанный недостаток метода синтеза систем подчиненного регулирования по эталонным передаточным функциям за счет использования во внутреннем контуре универсальной эталонной передаточной функции, имеющей в числителе полином первой степени. Такое решение, несмотря на увеличение числа варьируемых параметров во внутреннем контуре (что не вызывает особых затруднений), позволяет из полученного семейства внутренних контуров выбрать такой, при котором часть необходимых для синтеза внешнего контура условий выполняется автоматически, что приводит к уменьшению числа варьируемых параметров во внешнем контуре.
Фильтр контура регулирования положения исполнительного органа механизма имеет передаточную функцию
кп
где T - постоянная времени фильтра контура регулирования положения исполнительного органа механизма;
p - комплексный параметр преобразования Лапласа.
Регулятор положения исполнительного органа механизма имеет передаточную функцию
рп
где К - коэффициент регулятора положения исполнительного органа механизма.
Корректор контура положения исполнительного органа механизма имеет передаточную функцию
кп
где τ - постоянная времени корректора контура положения исполнительного органа механизма.
Фильтр контура регулирования частоты вращения электропривода имеет передаточную функцию
чв
где τ - постоянная времени фильтра контура регулирования частоты вращения электропривода.
Регулятор частоты вращения электропривода имеет передаточную функцию
рчв
где τ - постоянная времени регулятора частоты вращения электропривода;
рчв
β - динамический коэффициент регулятора частоты вращения электропривода.
Корректор контура частоты вращения электропривода имеет передаточную функцию
кчв
кчв
где Т, τ - постоянные времени корректора контура частоты вращения электропривода.
Регулятор тока имеет передаточную функцию
рт
где β - динамический коэффициент регулятора тока;
рт
τ - постоянная времени регулятора тока.
Компенсирующее устройство имеет передаточную функцию
е
где С - коэффициент пропорциональности между скоростью и ЭДС электродвигателя;
бп
К - коэффициент усиления безинерционного преобразователя.
Таким образом, дополнительная установка фильтра контура положения исполнительного органа механизма, корректора контура положения исполнительного органа механизма и корректора контура частоты вращения электропривода, а также изменение передаточной функции фильтра контура регулирования частоты вращения электропривода позволило получить передаточные функции контуров регулирования тока, частоты вращения электропривода и положения исполнительного органа механизма по управляющему и возмущающему воздействиям заявляемого устройства в виде:
я
где I - ток якорной цепи электродвигателя;
зт
U - задающее напряжение контура регулирования тока;
от
К - коэффициент обратной связи по току;
ω - частота вращения электропривода;
зчв
U - задающее напряжение контура регулирования частоты вращения электропривода;
очв
К - коэффициент обратной связи по частоте вращения электропривода;
φ - угол поворота (положение) исполнительного органа механизма;
зп
U - задающее напряжение контура регулирования положения исполнительного органа механизма;
оп
К - коэффициент обратной связи по положению исполнительного органа механизма;
с
М - момент сопротивления электропривода;
µ
Т - некомпенсированная постоянная времени;
J - момент инерции электропривода;
1
µ
2
µ
3
µ
Передаточная функция контура регулирования тока прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура тока - ток якорной цепи электродвигателя» соответствует эталонной передаточной функции первого порядка с постоянной времени T=T. Передаточная функция контура регулирования частоты вращения электропривода прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура частоты вращения электропривода - частоты вращения электропривода» соответствует эталонной передаточной функции третьего порядка с постоянной времени T=4T. Передаточная функция контура регулирования положения исполнительного органа механизма прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура положения исполнительного органа механизма - угол поворота (положение)» соответствует эталонной передаточной функции четвертого порядка с постоянной времени T=8T.
1
µ
2
µ
3
µ
Передаточная функция контура регулирования тока заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура тока - ток якорной цепи электродвигателя» соответствует эталонной передаточной функции первого порядка с постоянной времени Т=T. Передаточная функция контура регулирования частоты вращения электропривода заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура частоты вращения - частоты вращения электропривода» соответствует универсальной эталонной передаточной функции третьего порядка с постоянной времени Т=T. Передаточная функция контура регулирования положения исполнительного органа механизма заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура положения исполнительного органа механизма - угол поворота (положение) исполнительного органа механизма» соответствует эталонной передаточной функции четвертого порядка с постоянной времени T=T.
Анализ передаточных функций контуров регулирования тока, частоты вращения электропривода и положения исполнительного органа механизма по управляющему и возмущающему воздействиям позиционного программно-управляемого электропривода и позиционного программно-управляемого электропривода с типовыми регуляторами показывает, что заявляемое устройство позволяет получить следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- уменьшить динамическую ошибку по частоте вращения электропривода при ступенчатом внешнем возмущаемом воздействии в восемь раз;
- уменьшить динамическую ошибку по перемещению исполнительного органа механизма при ступенчатом внешнем возмущаемом воздействии в шестьдесят четыре раза;
2
µ
- достигнуть предельное быстродействие контура частоты вращения электропривода (постоянная времени второго контура T=T);
3
µ
- достигнуть предельное быстродействие контура положения исполнительного органа механизма (постоянная времени третьего контура T=T).
На чертеже представлена структурная схема позиционного программно-управляемого электропривода.
Позиционный программно-управляемый электропривод содержит командоаппарат 1, формирующий диаграммы перемещения исполнительного органа механизма, выход командоаппарата 1 соединен с входом фильтра контура положения исполнительного органа механизма 2, выполненного в виде апериодического блока, выход фильтра контура положения исполнительного органа механизма 2 соединен с первым входом регулятора положения исполнительного органа механизма 3, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения исполнительного органа механизма 3 соединен с входом корректора контура положения исполнительного органа механизма 4, выполненного в виде инерционно-пропорционально-дифференциального блока, выход корректора контура положения исполнительного органа механизма 4 соединен с входом фильтра контура частоты вращения электропривода 5, выполненного в виде инерционно-пропорционально-дифференциального, выход фильтра контура частоты вращения электропривода 5 соединен с первым входом регулятора частоты вращения электропривода 6, выполненного в виде пропорционально-интегрального блока, выход регулятора частоты вращения электропривода 6 соединен с входом корректора контура частоты вращения электропривода 7, выполненного в виде инерционно-пропорционально-дифференциального блока, выход корректора контура частоты вращения электропривода 7 соединен с первым входом регулятора тока 8, выполненного в виде пропорционально-интегрального блока, выход регулятора тока 8 соединен с входом безынерционного преобразователя 9, к выходу безынерционного преобразователя 9 подключен электродвигатель постоянного тока 10, механически соединенный с исполнительным органом механизма, датчик тока 11, датчик частоты вращения электропривода 12, датчик положения исполнительного органа механизма 13, выход датчика тока 11 соединен с третьим входом регулятора тока 8, выход датчика частоты вращения электропривода 12 соединен со вторым входом регулятора частоты вращения электропривода 6 и с входом компенсирующего влияние ЭДС электродвигателя устройства 14, компенсирующее влияние ЭДС электродвигателя устройство 14, выполненное в виде инерционно-дифференциального блока, выход компенсирующего влияние ЭДС электродвигателя устройства 14 соединен со вторым входом регулятора тока 8, выход датчика положения исполнительного органа механизма 13 соединен со вторым входом регулятора положения исполнительного органа механизма 3.
Позиционный программно-управляемый электропривод с идеальным валопроводом работает следующим образом.
фкп
рп
ккп
фкчв
рчв.
ккчв
ку
рт
Сигнал с выхода командоаппарата 1, представляющий собой задающее напряжение системы автоматического регулирования положения исполнительного органа механизма, поступает на вход фильтра контура положения исполнительного органа механизма 2, преобразуется в соответствии с передаточной функцией W и поступает на первый вход регулятора положения исполнительного органа механизма 3, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по положению исполнительного органа механизма от блока 13. Регулятор положения 3 сумму своих входных сигналов усиливает в К раз. Сигнал с выхода регулятора положения исполнительного органа механизма 3, представляющий собой задающее напряжение корректору контура положения исполнительного органа механизма 4, проходя через корректор контура положения исполнительного органа механизма 4, преобразуется в соответствии с передаточной функцией W и поступает на вход фильтра контура частоты вращения электропривода 5, проходя через фильтр контура частоты вращения электропривода 5, преобразуется в соответствии с передаточной функцией W и поступает на первый вход регулятора частоты вращения электропривода 6, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по частоте вращения электропривода от блока 12. Регулятор частоты вращения электропривода 6 сумму своих входных сигналов преобразует в соответствии с передаточной функцией W Сигнал с выхода регулятора частоты вращения электропривода 6, представляющий собой задающее напряжение корректора контура частоты вращения электропривода 7, проходя через корректор контура частоты вращения электропривода 7, преобразуется в соответствии с передаточной функцией W и поступает на первый вход регулятора тока 8, на второй вход которого поступает сигнал положительной обратной связи по частоте вращения электропривода от блока 12, проходящий через компенсирующее влияние ЭДС электродвигателя устройство 14 и преобразующийся в соответствии с передаточной функцией W, на третий вход регулятора тока 8 поступает сигнал отрицательной обратной связи по току от блока 11. Регулятор тока 8 сумму своих входных сигналов преобразует в соответствии с передаточной функцией W. Сигнал с выхода регулятора тока 8 поступает на вход безынерционного преобразователя 9. Безынерционный преобразователь 9 формирует зависимость напряжения, приложенного к якорной цепи электродвигателя 10 от времени. Электродвигатель 10 приводит в движение исполнительный орган механизма посредством валопровода. Напряжение, приложенное к якорной цепи электродвигателя, определяется значением сигнала на выходе безынерционного преобразователя 9.
Таким образом, качество управления позиционным программно-управляемым электроприводом определяется настройкой фильтра контура регулирования положения исполнительного органа механизма, регулятора положения исполнительного органа механизма, корректора контура положения исполнительного органа механизма, фильтра контура регулирования частоты вращения электропривода, регулятора частоты вращения электропривода, корректора контура частоты вращения электропривода, регулятора тока и компенсирующего влияние ЭДС электродвигателя устройства.