ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМЫЙ ПОЗИЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ НА БАЗЕ ИНЕРЦИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПРИ ИДЕАЛЬНОМ ВАЛОПРОВОДЕ
SOFTWARE-CONTROLLED POSITIONED ELECTRIC DRIVE WITH IMPROVED CHARACTERISTICS BASED ON INERTIAL CONVERTER WITH IDEAL SHAFT LINE

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в промышленных установках для отработки позиционными электроприводами с идеальными валопроводами и инерционными преобразователями заданных диаграмм перемещения.
Аналогом заявляемого устройства является 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 и параметров.
Наиболее близким к заявляемому программно-управляемому позиционному электроприводу с улучшенными характеристиками на базе инерционного преобразователя при идеальном валопроводе является программно-управляемый электропривод на базе инерционного преобразователя с типовыми регуляторами и корректором тока при идеальном валопроводе / Добробаба Ю.П., Добробаба Ю.В. Синтез системы автоматического регулирования положения электропривода на базе инерционного преобразователя с типовыми регуляторами и корректором тока при идеальном валопроводе. // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2008. - №2-3. - С.92-93 /, который принимается за прототип.
Прототип содержит командоаппарат, формирующий диаграммы перемещения электропривода, выход которого соединен с первым входом регулятора положения, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения соединен с входом фильтра контура регулирования ЧВ, выполненного в виде апериодического блока, выход фильтра контура регулирования ЧВ соединен с первым входом регулятора ЧВ, выполненного в виде пропорционально-интегрального блока, выход регулятора ЧВ соединен с входом фильтра контура регулирования тока, выполненного в виде дваждыпозиционного блока, выход фильтра контура регулирования тока соединен с первым входом регулятора тока, выполненного в виде пропорционально-интегрального дваждыинтегрального блока, выход регулятора тока соединен с входом корректора тока, выполненного в виде позиционного пропорционально-дифференциального блока, выход корректора тока соединен с тиристорным (инерционным) преобразователем, к выходу тиристорного преобразователя подключен электродвигатель постоянного тока, механически соединенный с исполнительным органом, датчик тока, выход которого соединен со вторым входом регулятора тока, датчик ЧВ, выход которого соединен со вторым входом регулятора ЧВ, датчик положения, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения.
Конструктивные особенности прототипа обуславливают 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.
Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия контуров регулирования скорости вращения и положения.
Указанный технический результат достигается предлагаемым программно-управляемым позиционным электроприводом на базе инерционного преобразователя при идеальном водопроводе, содержащим командоаппарат, формирующий диаграммы перемещения электропривода, выход командоаппарата соединен с входом фильтра контура регулирования положения, выполненного в виде апериодического блока, выход фильтра контура регулирования положения соединен с первым входом регулятора положения, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения соединен с входом корректора положения, выполненного в виде позиционного пропорционально-дифференциального блока, выход корректора положения соединен с входом фильтра контура регулирования ЧВ, выполненного в виде дваждыпозиционного пропорционально-дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования ЧВ соединен с первым входом регулятора ЧВ, выполненного в виде пропорционально-интегрального блока, выход регулятора ЧВ соединен с входом корректора ЧВ, выполненного в виде позиционного пропорционально-дифференциального блока, выход корректора ЧВ соединен с входом фильтра контура регулирования тока, выполненного в виде дваждыпозиционного пропорционально-дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования тока соединен с первым входом регулятора тока, выполненного в виде пропорционально-интегрального дваждыинтегрального блока, выход регулятора тока соединен с корректором тока, выполненного в виде позиционного пропорционально-дифференциального блока, выход корректора тока соединен с тиристорным (инерционным) преобразователем, к выходу тиристорного преобразователя подключен электродвигатель постоянного тока, механически соединенный с исполнительным органом механизма, датчик тока, выход которого соединен со вторым входом регулятора тока, датчик ЧВ, выход которого соединен со вторым входом регулятора ЧВ, датчик положения, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения.
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 регулируемых параметров, которое соответствует его порядку. Так как внутренние контуры всегда имеют порядок меньший, по сравнению с внешними, то для внутренних контуров обеспечение необходимого количества 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, позволяет из полученного семейства внутренних контуров выбрать такое, при котором часть необходимых для синтеза внешнего контура условий выполняется автоматически, что приводит к уменьшению числа варьируемых параметров во внешнем контуре.
Программно-управляемый электропривод с идеальным валопроводом представляют в виде одномассовой электромеханической системы.
Фильтр контура регулирования положения, выполненный в виде апериодического блока, имеет передаточную функцию
кп
где τ - постоянная времени фильтра контура регулирования положения;
р - комплексный параметр преобразования Лапласа.
Корректор контура регулирования положения, выполненный в виде позиционного пропорционально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
кп
где Т - постоянная времени корректора контура регулирования
положения.
Фильтр контура регулирования ЧВ, выполненный в виде дваждыпозиционного пропорционально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
чв
где τ - постоянная времени фильтра контура регулирования ЧВ;
рчв
τ - постоянная времени регулятора ЧВ;
кчв
τ - постоянная времени корректора контура ЧВ.
Регулятор ЧВ, выполненный в виде пропорционального интегрального блока, имеет передаточную функцию
рчв
где β - динамический коэффициент регулятора ЧВ.
Корректор контура регулирования ЧВ, выполненный в виде позиционного пропорционально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
кчв
где Т - постоянная времени корректора контура регулирования ЧВ.
Фильтр контура регулирования тока, выполненный в виде дваждыпозиционного пропорционально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
т
где τ - постоянная времени фильтра контура регулирования тока;
рт
рт
Т, τ - постоянные времени регулятора тока.
Регулятор тока, выполненный в виде пропорционально-интегрального дваждыинтегрального блока, имеет передаточную функцию
рт
где β - динамический коэффициент регулятора тока.
Корректор контура регулирования тока, выполненный в виде позиционного пропорционально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
кт
кт
где Т, τ - постоянные времени корректора контура регулирования тока.
Таким образом, дополнительная установка фильтра контура регулирования положения, корректора контура регулирования положения и корректора контура регулирования ЧВ, а также изменение передаточных функций фильтра контура регулирования ЧВ и фильтра контура регулирования тока позволило получить передаточные функции контуров регулирования тока, ЧВ и положения по управляющему и возмущающему воздействиям заявляемого устройства в виде
;
;
;
;
;
;
где ;
1
µ
В=Т;
;
;
;
1
µ
D=T;
;
;
;
;
;
1
µ
F=T;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
1
µ
P=T;
;
;
;
;
я
I - ток якорной цепи электродвигателя;
зт
U - задающее напряжение контура регулирования тока;
от
K - коэффициент обратной связи по току;
ω - ЧВ электропривода;
зчв
U - задающее напряжение контура регулирования ЧВ электропривода;
очв
K - коэффициент обратной связи по ЧВ;
φ - угол поворота электропривода;
зп
U - задающее напряжение контура регулирования положения;
оп
K - коэффициент обратной связи по положению электропривода;
с
M - момент сопротивления электропривода;
µ
Т - некомпенсированная постоянная времени;
J - момент инерции электропривода;
е
C - коэффициент пропорциональности между ЧВ и ЭДС электродвигателя;
м
С - коэффициент пропорциональности между током и моментом электродвигателя;
я
L - индуктивность якорной цепи электродвигателя.
кт
µ
рт
рт
рт
кт
µ
Так как постоянная времени корректора тока τ равна постоянной времени тиристорного преобразователя Т, то передаточная функция контура регулирования тока прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования тока - ток якорной цепи электродвигателя» представляет собой передаточную функцию четвертого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. Так как из необходимых четырех варьируемых параметров имеются четыре β,τ, Т и Т, то за счет рационального выбора их значений удается привести передаточную функцию контура регулирования тока по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени Т.
рчв
рчв
µ
Передаточная функция контура регулирования ЧВ прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования ЧВ - ЧВ электропривода» представляет собой передаточную функцию шестого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. Так как из необходимых шести варьируемых параметров имеются два β и τ, то за счет рационального выбора их значений удается привести передаточную функцию контура регулирования ЧВ по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени 4Т.
рп
µ
Передаточная функция контура регулирования положения прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования положения - угол поворота электропривода» представляет собой передаточную функцию седьмого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. Так как из необходимых семи варьируемых параметров имеется один варьируемый параметр - коэффициент усиления регулятора положения K, то за счет рационального выбора его значения удается привести передаточную функцию контура положения по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени 8Т.
кт
µ
рт
рт
рт
кт
т
µ
Так как постоянная времени корректора тока τ заявляемого устройства равна постоянной времени тиристорного преобразователя Т, то передаточная функция контура регулирования тока заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования тока - ток якорной цепи электродвигателя» представляет собой передаточную функцию четвертого порядка, имеющую в числителе полином первой степени. Так как из необходимых пяти варьируемых параметров имеются все пять β, τ, Т, Т, τ, то за счет рационального выбора их значений удается привести передаточную функцию контура регулирования тока по каналу управления к универсальному эталонному виду с постоянной времени Т.
чв
т
рчв
рчв
кчв
чв
µ
Так как постоянная времени корректора ЧВ Т заявляемого устройства равна постоянной времени фильтра контура регулирования тока τ, то передаточная функция контура регулирования ЧВ заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования ЧВ - ЧВ электропривода» представляет собой передаточную функцию шестого порядка, имеющую в числителе полином первой степени. Так как из необходимых семи варьируемых параметров имеются четыре β, τ, T, T, а три старших коэффициента получаются автоматически, то за счет рационального выбора значений варьируемых параметров удается привести передаточную функцию контура регулирования ЧВ по каналу управления к универсальному эталонному виду с постоянной времени Т.
кп
чв
рп
кп
µ
Так как постоянная времени корректора положения Т заявляемого устройства равна постоянной времени фильтра контура регулирования частоты вращения τ, то передаточная функция контура регулирования положения заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования положения - угол поворота электропривода» представляет собой передаточную функцию седьмого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. Так как из семи условий, необходимых для синтеза контура регулирования, автоматически получаются пять, то достаточно двух варьируемых параметров - K и τ, за счет рационального выбора их значения удается привести передаточную функцию контура положения по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени Т.
Анализ передаточных функций контура регулирования тока, ЧВ и положения по управляющему воздействию программно-управляемого позиционного электропривода на базе инерционного преобразователя с типовыми регуляторами и корректором тока при идеальном валопроводе и программно-управляемого позиционного электропривода с улучшенными характеристиками на базе инерционного преобразователя при идеальном валопроводе показывает, что заявляемое устройство позволяет получить следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- увеличено быстродействие контура регулирования ЧВ в четыре раза;
- увеличено быстродействие контура регулирования положения в восемь раз.
На чертеже представлена структурная схема программно-управляемого позиционного электропривода с улучшенными характеристиками на базе инерционного преобразователя при идеальном валопроводе.
Программно-управляемый позиционный электропривод с улучшенными характеристиками на базе инерционного преобразователя при идеальном валопроводе содержит командоаппарат 1, формирующий диаграммы перемещения электропривода, выход командоаппарата 1 соединен с входом фильтра контура регулирования положения 2, выполненного в виде апериодического блока, выход фильтра контура регулирования положения 2 соединен с первым входом регулятора положения 3, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения 3 соединен с входом корректора контура регулирования положения 4, выполненного в виде позиционного пропорционально-дифференциального блока, выход корректора контура регулирования положения 4 соединен с входом фильтра контура регулирования ЧВ 5, выполненного в виде дваждыпозиционного пропорционально-дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования ЧВ 5 соединен с первым входом регулятора ЧВ 6, выполненного в виде пропорционально-интегрального блока, выход регулятора ЧВ 6 соединен с входом корректора контура регулирования ЧВ 7, выполненного в виде позиционного пропорционально-дифференциального блока, выход корректора контура регулирования ЧВ 7 соединен с входом фильтра контура регулирования тока 8, выполненного в виде дваждыпозиционного пропорционально-дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования тока 8 соединен с первым входом регулятора тока 9, выполненного в виде пропорционально-интегрального дваждыинтегрального блока, выход регулятора тока 9 соединен с корректором контура регулирования тока 10, выполненного в виде позиционного пропорционально-дифференциального блока, выход корректора контура регулирования тока 10 соединен с тиристорным (инерционным) преобразователем 11, к выходу тиристорного преобразователя 11 подключен электродвигатель постоянного тока 12, механически соединенный с исполнительным органом механизма, датчик тока 13, выход которого соединен со вторым входом регулятора тока 9, датчик ЧВ 14, выход которого соединен со вторым входом регулятора ЧВ 6, датчик положения 15, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения 3.
Программно-управляемый позиционный электропривод с улучшенными характеристиками на базе инерционного преобразователя при идеальном валопроводе работает следующим образом.
рп
Сигнал с выхода командоаппарата 1, представляющий собой задающее напряжение системы автоматического регулирования положения электропривода, поступает на вход фильтра контура регулирования положения 2, где преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода фильтра контура регулирования положения 2 поступает на первый вход регулятора положения 3, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по положению от датчика положения 15. Регулятор положения 3 сумму своих входных сигналов увеличивает в K раз. Сигнал с выхода регулятора положения 3, проходя через корректор контура регулирования положения 4, преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода корректора контура регулирования положения 4, представляющий собой задающее напряжение контура регулирования ЧВ, поступает на вход фильтра контура регулирования ЧВ 5, где преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода фильтра контура регулирования ЧВ 5 поступает на первый вход регулятора ЧВ 6, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по ЧВ от датчика ЧВ 14. Регулятор ЧВ 6 сумму своих входных сигналов преобразует в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода регулятора ЧВ 6 поступает на вход корректора контура регулирования ЧВ 7, где преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода корректора контура регулирования ЧВ 7, представляющий собой задающее напряжение контура регулирования тока, поступает на выход фильтра контура регулирования тока 8, где преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода фильтра контура регулирования тока 8 поступает на первый вход регулятора тока 9, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по току от датчика тока 13. Регулятор тока 9 сумму своих входных сигналов преобразует в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода регулятора тока 9 поступает на вход корректора контура регулирования тока 10, где преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода корректора контура регулирования тока 10 поступает на вход инерционного преобразователя 11. Инерционный преобразователь 11 формирует зависимость напряжения, приложенного к якорной цепи электродвигателя 12 от времени. Электродвигатель приводит в движение исполнительный орган механизма посредством идеального валопровода. Напряжение, приложенное к якорной цепи электродвигателя, определяется значением сигнала на входе инерционного преобразователя 11.
Таким образом, качество управления программно-управляемого позиционного электропривода с улучшенными характеристиками на базе инерционного преобразователя при идеальном валопроводе определяется настройкой фильтра контура положения, регулятора положения, корректора контура регулирования положения, фильтра контура ЧВ, регулятора ЧВ, корректора контура регулирования ЧВ, фильтра контура тока, регулятора тока, корректора контура регулирования тока.