СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМОЙ
METHOD FOR CONTROLLING A DIGITAL ELECTROMECHANICAL TRACKING SYSTEM

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для управления положением различных инерционных объектов, например, для управления положением камер сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).
Известен способ управления цифровой электромеханической следящей системой - аналог (Батоврин А.А., Дашевский П.Г., Лебедев В.Д. и др. Цифровые системы управления электроприводами. Л., «Энергия», 1977. 256 с.) [1], заключающийся в том, что сравнивают командный двоичный код от формирователя командного кода с двоичным кодом преобразователя угла поворота, формируют двоичный код ошибки, преобразуют двоичный код ошибки в напряжение определенной полярности, усиливают его и подают на исполнительный двигатель, которым вращают исполнительный механизм и преобразователь угла поворота, а при совпадении командного двоичного кода от формирователя командного кода и двоичного кода преобразователя угла поворота прекращают подачу напряжения на исполнительный двигатель.
Недостатком такого способа управления цифровой электромеханической следящей системой является невозможность обеспечения требования по точности слежения при больших скоростях привода и длительных тактах квантования цифровой вычислительной машины. Это связано с тем, что при таком способе все сигналы внутри контура передаются с тактом квантования, присущим данному формирователю командного кода, и дискретностью по уровню, определяемой разрядностью аналого-цифрового преобразователя датчика обратной связи. При этом логика управления системой построена таким образом, что останов выходного вала может произойти только при совпадении кода от формирователя командного кода с кодом от аналого-цифрового преобразователя датчика обратной связи. А так как с повышением скорости вращения выходного вала привода уменьшается вероятность того, что из-за большой величины такта квантования коды совпадут именно в момент достижения валом требуемого положения, то имеют место "выбеги" или перерегулирование с забросом вала за уровень, определяемый дискретностью команды, т.е. не обеспечиваются требования по качеству переходного процесса.
Г1
Г2
Г2
у1
у2
у2
у
х
у
1
Известен способ управления цифровой электромеханической следящей системой - аналог (см. Белицкий Д.С., Жарков М.Н., Стоялов В.В., Шутенко В.И. Электромеханический привод в системе управления режимами жидкостных ракетных двигателей. Известия академии наук. Теория и системы управления. 1996, №1, С 118-124) [2], заключающийся в том, что преобразуют двоичные коды Грея δ, δ, δ трех дискретных датчиков угла электромеханического привода в двоичные коды δ, δ, δ, мажоритируют их по принципу один из трех в единый код обратной связи δ, сравнивают командный двоичный код от формирователя командного кода δ с двоичным кодом обратной связи δ, формируют двоичный код рассогласования δ, сравнивают код рассогласования δ с заданной величиной кода точности поддержания требуемого положения δ, при  преобразуют двоичный код рассогласования δ в напряжение соответствующей коду рассогласования полярности, усиливают его и подают на два электродвигателя электромеханического привода, которыми приводят во вращение вал редуктора и вал дискретного датчика угла электромеханического привода в требуемом направлении, а при  прекращают подачу напряжений на электродвигатели электромеханического привода, чем останавливают вращение валов электродвигателей, останавливают вращение выходного вала редуктора валов тормозной и предохранительной муфт и валов дискретных датчиков угла электромеханического привода.
При таком способе управления дублирование электродвигателей электромеханического привода (горячий резерв) обеспечивается работоспособность цифровой электромеханической системы при отказе одного из электродвигателей, мощность каждого из которых составляет 50% от потребной мощности электромеханического привода.
Недостаток такого способа способ управления цифровой электромеханической следящей системой аналогичен недостатку предыдущего аналога.
Г
у
х
у
р
2
1
р
р
Известен способ управления цифровой электромеханической следящей системой - прототип (см. Белицкий Д.С., Жарков М.Н., Стоялов В.В., Шутенко В.И. Электромеханический привод в системе управления режимами жидкостных ракетных двигателей. Известия академии наук. Теория и системы управления. 1996, №1, С 118-124) [2], заключающийся в том, что преобразуют двоичный код Грея δ дискретного датчика угла электромеханического привода в двоичный код обратной связи δ, сравнивают командный двоичный код от формирователя командного кода δ с двоичным кодом обратной связи δ, формируют двоичный код рассогласования δ, сравнивают код рассогласования δ с заданной величиной кода переключения режима управления электродвигателем δ и с заданной величиной кода точности поддержания требуемого положения δ, при  преобразуют двоичный код рассогласования δ в напряжение соответствующее коду рассогласования δ полярности, усиливают его до напряжения питания и подают на электродвигатель электромеханического привода, которыми приводят во вращение вал редуктора и вал дискретного датчика угла электромеханического привода в требуемом направлении, при  подают на электродвигатель электромеханического привода досылающие импульсы напряжений определенной полярности, которыми приводят во вращение вал редуктора и вал дискретного датчика угла электромеханического привода в требуемом направлении, а при  прекращают подачу напряжения на электродвигатель электромеханического привода, чем останавливают вращение вала электродвигателя, останавливают вращение выходного вала редуктора и вала дискретного датчика угла электромеханического привода.
При таком способе управления цифровой электромеханической следящей системой для получения высокой точности позиционирования при больших скоростях вращения вала электромеханического привода под нагрузкой управление и цифровую коррекцию электромеханического привода осуществляют через автономное вычислительное устройство, работающее с собственным тактом квантования, который может быть во много раз выше частоты выдачи управляющих сигналов от формирователя командного кода, служащего лишь источником входной информации.
Недостатком такого способа управления цифровой электромеханической следящей системой является ограниченная возможность работы системы при наличии на выходном вале электромеханического привода значительных позиционной и постоянно действующей нагрузкок, а также при его работе в условиях действия вибраций и ударов, при которых в системе наблюдаются автоколебания с большим забросом выходного вала электромеханического привода за уровень, определяемый дискретностью команды, что снижает плавность процесса регулирования. При этом электродвигатель электромеханического привода системы постоянно работает в режиме больших токов, требуемых для возврата вала электромеханического привода в требуемое положение с заданной точностью, что значительно увеличивает электропотребление системой.
Задачей изобретения является повышение плавности процесса регулирования цифровой электромеханической следящей системой.
Техническим результатом настоящего изобретения является снижение затрат электроэнергии на управление электромеханической следящей системой.
Г
у
х
у
р
П2
п1
р
р
р
п3
пn-1
пn
р
р
Технический результат достигается тем, что в способе управления цифровой электромеханической следящей системой, содержащий преобразование двоичного кода Грея δ дискретного датчика угла электромеханического привода в двоичный код обратной связи δ, сравнение командного двоичного кода от формирователя командного кода δ с двоичным кодом обратной связи δ, формирование двоичного кода рассогласования δ, сравнение его с заданной величиной кода переключения режима управления электродвигателем δ и с заданной величиной кода точности поддержания требуемого положения δ, при выполнении условия  преобразование кода рассогласования δ в напряжение соответствующей коду рассогласования δ полярности, усилении его до значения напряжения питания и подачу на электродвигатель электромеханического привода, а при  прекращение подачи напряжения на электродвигатель электромеханического привода, при этом в отличие от известного способа сравнивают двоичный код рассогласования δ с n-2 дополнительными заданными величинами кода переключения режима управления электродвигателями δ,…,δ, δ, причем n=2,3,…, при  преобразуют код рассогласования δ в напряжение соответствующей коду рассогласования δ полярности, усиливают его до значений, соответствующих напряжению питания, и подают на n электродвигателей электромеханического привода, приводящих во вращение вал редуктора и вал дискретного датчика угла электромеханического привода в требуемом направлении, при достижении кодом рассогласования значения, при котором  прекращают подачу напряжения питания на один электродвигатель электромеханического привода и формируют в нем ток торможения, чем осуществляют его динамическое торможение и приводят во вращение вал выключенного электродвигателя, вал редуктора и вал дискретного датчика угла электромеханического привода в требуемом направлении остальными электродвигателями, при этом ток торможения определяется дифференциальным уравнением
э
где I - ток торможения; t - время; R - активное сопротивление обмоток электродвигателя; L - индуктивность обмоток электродвигателя; К - коэффициент электромагнитной скоростной связи; Ω - угловая скорость вращения вала электродвигателя,
р
при  прекращают подачу напряжение питания на другой электродвигатель электромеханического привода и формируют в нем ток торможения, чем осуществляют его динамическое торможение и приводят во вращение валы выключенных электродвигателей, вал редуктора и вал дискретного датчика угла электромеханического привода в требуемом направлении остальными электродвигателями, и так далее до достижения кодом рассогласования δ значения  при котором прекращают
x
у
п1
подачу напряжения питания на предпоследний электродвигатель электромеханического привода и формируют в нем ток торможения, чем осуществляют его динамическое торможение и приводят во вращение валы выключенных электродвигателей, вал редуктора и вал дискретного датчика угла электромеханического привода в требуемом направлении последним электродвигателем, а при совпадении кодов δ и δ с заданной точностью ±δ, то есть  формируют в последнем электродвигателе электромеханического привода ток торможения, чем осуществляют его динамическое торможение, за счет чего останавливают вращение валов всех электродвигателей, останавливают вращение выходного вала редуктора и вала дискретного датчика угла электромеханического привода.
При таком способе управления цифровой электромеханической следящей системой автоколебания выходного вала электромеханического привода при значительных позиционной или постоянно действующей нагрузках, а также при работе в условиях действия вибраций и ударов, осуществляются только за счет функционирования одного из электродвигателей, мощность которого составляет 1/n потребной мощности электромеханического привода, в результате чего скорость движения выходного вала перед остановом снижается из-за внутреннего трения выключенных электродвигателей и включения режима их динамического торможения. Это приводит к уменьшению забросов выходного вала электромеханического привода за уровень, определяемый дискретностью команды, и к повышению плавности процесса регулирования цифровой электромеханической следящей системой. Как следствие, потребляемые токи электромеханического привода снижаются в соответствующее количеству электродвигателей раз, по сравнению с суммарным токопотреблением всех электродвигателей электромеханического привода.
Так как заявленная совокупность существенных признаков способа позволяет обеспечить технический результат, то заявленный способ соответствует критерию "изобретательский уровень".
Суть способа поясняется с помощью фигуры, на которой изображена блок-схема цифровой электромеханической следящей системы с электромеханическим приводом, имеющим три электродвигателя, на которой изображены:
1 - формирователь командного кода (ФКК);
2 - автономное вычислительное устройство (АВУ);
3 - блок определения сигнала рассогласования (БОСР);
4 - релейное пороговое устройство (РПУ);
5 - преобразователь кода Грея в двоичный код (ПКГ);
6 - первое усилительно-преобразовательное устройство (УПУ1);
7 - второе усилительно-преобразовательное устройство (УПУ2);
8 - третье усилительно-преобразовательное устройство (УПУ3);
9 - электромеханический привод (ЭМП);
10 - первый электродвигатель (ЭД1);
11 - второй электродвигатель (ЭД2);
12 - третий электродвигатель (ЭД3);
13 - редуктор (Р);
14 - дискретный датчик угла ДДУ;
Г
δ - двоичный семиразрядный код Грея;
Х
δ- двоичный семиразрядный код, соответствующий требуемому положению выходного вала электромеханического привода в соответствии с циклограммой работы цифровой электромеханической следящей системы;
У
δ - двоичный семиразрядный код сигнала обратной связи;
р
δ - двоичный код рассогласования;
п2
п3
δ и δ - двоичные коды переключения режима управления электродвигателями;
п1
δ - двоичный код точности поддержания требуемого положения.
В такой цифровой электромеханической системе в качестве ФКК 1 может быть использована цифровая вычислительная машина, БОСР 3 может быть выполнен на базе известных микросхем полусумматоров или полных сумматоров [3], при этом функции сравнения можно обеспечить за счет применения известных схем, реализующих функции равенства, строгого и нестрогого неравенства [4]. ПКГ 5 может быть выполнен на базе известных микросхем арифметико-логических элементов [3]. РПУ 4 может быть выполнено на базе мультиплексора [3], электромагнитных реле и делителей напряжения. УПУ 6 может быть выполнен на базе известных усилителей постоянного тока, например, на основе операционных усилителей [5].
Г
у
х
у
р
р
п1
п2
п3
р
п3
р
р
При включении цифровой электромеханической следящей системы преобразуют двоичный код Грея δ ДДУ 14 ЭМП 9 с помощью ПКГ 5 в двоичный код обратной связи δ. Сравнивают командный двоичный код от ФКК 1 δ, соответствующий требуемому положению выходного вала ЭМП 9 в соответствии с циклограммой работы цифровой электромеханической следящей системы, с двоичным кодом обратной связи δ в БОСР 3 АВУ 2 и формируют в нем двоичный код рассогласования δ. Сравнивают код рассогласования δ с заданной величиной кода точности поддержания требуемого положения δ и с заданными величинами кодов переключения режима управления электродвигателями δ и δ в РПУ 4 АВУ 2. При ⏐δ⏐>δ преобразуют двоичный код рассогласования δ в напряжение, соответствующее коду рассогласования δ полярности в РПУ 4 АВУ 2, усиливают его в УПУ1 6, УПУ2 7, УПУЗ 8 до значений напряжения питания, и подают соответственно на ЭД1 10 и ЭД2 11 и ЭД3 12 ЭМП 9, которыми приводят во вращение вал Р 13 и вал ДДУ 14 ЭМП 9 в требуемом направлении.
При  прекращают подачу напряжения питания на один электродвигатель ЭМП 9, например ЭД3 12, и формируют в нем ток торможения, чем осуществляют его динамическое торможение и приводят во вращение вал выключенного электродвигателя ЭД3 12, вал Р 13 и вал ДДУ 14 ЭМП 9 в требуемом направлении остальными ЭД1 10 и ЭД2 11, при этом ток торможения определяется дифференциальным уравнением
э
где I - ток торможения; t - время; R - активное сопротивление обмоток электродвигателя; L - индуктивность обмоток электродвигателя; К - коэффициент электромагнитной скоростной связи; Ω - угловая скорость вращения вала электродвигателя.
При  прекращают подачу напряжения питания на другой электродвигатель ЭМП 9, например ЭД2 11, и формируют в нем ток торможения, чем осуществляют его динамическое торможение и приводят во вращение валы выключенных ЭД3 12 и ЭД2 11, вал Р 13 и вал ДДУ 14 ЭМП 9 в требуемом направлении ЭД1 10.
Х
у
п1
При совпадении кодов δ и δ с заданной точностью ±δ, то есть  прекращают подачу напряжения питания на последний ЭД1 10 ЭМП 9 и формируют в нем ток торможения, чем осуществляют его динамическое торможение, за счет чего останавливают вращение валов всех ЭД1 10, ЭД2 11 и ЭД3 12, останавливают вращение выходного вала Р 13 и вала ДДУ 14 ЭМП 9.
Таким образом, заявленный способ управления цифровой электромеханической следящей системой позволяет при значительных позиционной или постоянно действующей нагрузках, а также при работе ЭМП 9 в условиях действия вибраций и ударов, уменьшить за счет функционирования перед остановом только одного ЭД1 10, мощность которого составляет 1/3 потребной мощности ЭМП 9, скорость движения выходного вала ЭМП 9, что приводит к уменьшению забросов выходного вала электромеханического привода за уровень, определяемый дискретностью команды, а, значит, и к повышению плавности процесса регулирования цифровой электромеханической следящей системой.
Как следствие потребляемые токи ЭМП 9 снижаются в три раза, по сравнению с суммарным токопотреблением всех трех ЭД1 10, ЭД2 11 и ЭД3 12 ЭМП 9.
п1
п2
Пn-1
пn
С одной стороны, чем больше в такой цифровой электромеханической следящей системе электродвигателей, тем выше плавность процесса регулирования, однако с другой стороны при этом увеличивается масса электромеханического привода, суммарная масса всех усилительно-преобразовательных устройств, что приводит к увеличению массы всей системы и снижению ее надежности. Поэтому выбор количества n электродвигателей и значений кодов δ, δ, …, δ, δ, является предметом оптимизации под конкретное техническое задание.
Литература
1. Батоврин А.А., Дашевский П.Г., Лебедев В.Д. и др. Цифровые системы управления электроприводами. Л., «Энергия», 1977. 256 с. - аналог.
2. Белицкий Д.С., Жарков М.Н., Стоялов В.В., Шутенко В.И. / Электромеханический привод в системе управления режимами жидкостных ракетных двигателей. // Известия Академии наук. Теория и системы управления, 1996, №1, с. 118-124 - прототип.
3. Справочник по интегральным микросхемам/ Б.В. Тарабрин, С.В. Якубовский, Н.А. Барканов и др. под ред. Б.В. Тарабрина. - 2-е изд. Перераб. и доп. М.: Энергия, 1981.
4. Токхейм Р. / Основы цифровой электроники. Пер. с англ. М.: Мир, 1988.
5. Алексеенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем/ А.Г. Алексеенко, Е.А. Коломберт, Г.И. Стародуб. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1983.