ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С УПРУГИМ ВАЛОПРОВОДОМ
SOFTWARE-CONTROLLED ELECTRIC DRIVE WITH ELASTIC SHAFTING

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в промышленных установках для отработки позиционными электроприводами с упругими валопроводами заданных диаграмм перемещения.
Аналогом является электропривод с типовыми регуляторами и упругим валопроводом /Добробаба Ю.П., Коноплин В.И., Барандыч В.Ю. Двукратно-интегрирующая система автоматического регулирования положения электропривода с типовыми регуляторами и упругим валопроводом // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2007. - №5-6. - С.78-80/.
Аналог имеет следующие недостатки: отсутствие инвариантности, обусловленное применением параметрической компенсации внутренней отрицательной обратной связи по ЭДС электродвигателя (при изменении параметров электропривода контур тока отработает управляющий сигнал со статической ошибкой, что приведет к увеличению времени разгона и торможения), а также невысокое быстродействие отработки управляющего сигнала.
Наиболее близким к заявляемому программно-управляемому электроприводу с упругим валопроводом является программно-управляемый электропривод с типовыми регуляторами и упругим валопроводом /Добробаба Ю.П., Литаш Б.С., Олейников А.А. Трехкратноинтегрирующая система автоматического регулирования положения электропривода с типовыми регуляторами и упругим валопроводом // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2008. - №5-6. - С.88-92/, который принимается за прототип.
Прототип содержит: командоаппарат, формирующий диаграммы перемещения электропривода, выход командоаппарата соединен с первым входом регулятора положения, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения соединен с входом фильтра контура регулирования частоты вращения (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 со входом фильтра контура регулирования тока, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, выход фильтра регулирования тока соединен с первым входом регулятора тока, выполненного в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрального блока, выход регулятора тока соединен со входом безынерционного преобразователя, к выходу безынерционного преобразователя подключен электродвигатель постоянного тока, соединенный упругим валопроводом с исполнительным органом механизма (ИОМ), датчик тока, выход которого соединен с первым входом алгебраического сумматора обратных связей, выход алгебраического сумматора обратных связей соединен со вторым входом регулятора тока, датчик ЧВ электродвигателя, выход которого соединен с первым входом датчика косвенного измерения производной упругого момента, выполненного в виде пропорционального блока, выход датчика косвенного измерения производной упругого момента соединен с входом первого корректора обратных связей, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, выход первого корректора обратных связей соединен со вторым входом алгебраического сумматора обратных связей, второй корректор обратных связей, выполненный в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, выход датчика косвенного измерения производной упругого момента соединен со входом второго корректора обратных связей, выход второго корректора обратных связей соединен с третьим входом алгебраического сумматора обратных связей, датчик ЧВ ИОМ, выход которого соединен со вторым входом датчика косвенного измерения производной упругого момента и со вторым входом регулятора ЧВ, датчик положения ИОМ, 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 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). Конструктивные особенности прототипа обуславливают следующие его недостатки: низкие быстродействия контуров регулирования ЧВ и положения, что не позволяет достичь высокой точности позиционирования ИОМ при отработке заданных диаграмм перемещения.
Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении точности позиционирования ИОМ при отработке заданных диаграмм перемещения.
Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия контуров регулирования ЧВ и положения системы автоматического регулирования положения электропривода в четыре раза, позволяющее улучшить точность позиционирования ИОМ при отработке заданных диаграмм перемещения.
Указанный технический результат достигается предлагаемым программно-управляемым электроприводом с упругим валопроводом, содержащим командоаппарат, формирующий диаграммы перемещения электропривода, выход командоаппарата соединен с первым входом регулятора положения, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения соединен с входом фильтра контура регулирования ЧВ, выход фильтра контура регулирования ЧВ соединен с первым входом регулятора ЧВ, выход регулятора ЧВ соединен со входом фильтра контура регулирования тока, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, регулятор тока, выполненный в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрального блока, выход регулятора тока соединен со входом безынерционного преобразователя, к выходу безынерционного преобразователя подключен электродвигатель постоянного тока, соединенный упругим валопроводом с ИОМ, датчик тока, выход которого соединен с первым входом алгебраического сумматора обратных связей, выход алгебраического сумматора обратных связей соединен со вторым входом регулятора тока, датчик ЧВ электродвигателя, выход которого соединен с первым входом датчика косвенного измерения производной упругого момента, выполненного в виде пропорционального блока, выход датчика косвенного измерения производной упругого момента соединен с входом первого корректора обратных связей, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, выход первого корректора обратных связей соединен со вторым входом алгебраического сумматора обратных связей, второй корректор обратных связей, выполненный в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, выход датчика косвенного измерения производной упругого момента соединен со входом второго корректора обратных связей, выход второго корректора обратных связей соединен с третьим входом алгебраического сумматора обратных связей, датчик ЧВ ИОМ, выход которого соединен со вторым входом датчика косвенного измерения производной упругого момента и со вторым входом регулятора ЧВ, датчик положения ИОМ, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения, алгебраический сумматор контура регулирования тока, установленный после фильтра контура регулирования тока и корректор контура регулирования тока, выполненный в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, установленный параллельно фильтру контура регулирования тока, причем первый вход алгебраического сумматора контура регулирования тока соединен с входом фильтра контура регулирования тока, второй вход алгебраического сумматора контура регулирования тока соединен с выходом корректора контура регулирования тока, выход алгебраического сумматора контура регулирования тока соединен с первым входом регулятора тока, вход корректора контура регулирования тока соединен с выходом регулятора частоты вращения, фильтр контура регулирования частоты вращения выполнен в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, регулятор частоты вращения выполнен в виде позиционного-пропорционально-интегрально-дифференциального блока.
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. - 74 с. См. с.59-67/ разработана методика синтеза многоконтурных систем с улучшенными характеристиками, которая позволяет устранить указанный для прототипа 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.
Программно-управляемый электропривод с упругим валопроводом представляют в виде двумассовой электромеханической системы.
Фильтр контура регулирования ЧВ, выполненный в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, имеет передаточную функцию
рчв
рчв
где Т, τ - постоянные времени фильтра контура регулирования ЧВ;
р - комплексный параметр преобразования Лапласа.
Регулятор ЧВ, выполненный в виде позиционного-пропорционально-интегрально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
рчв
где β - динамический коэффициент регулятора ЧВ;
т
τ - постоянная времени корректора контура регулирования тока.
Фильтр контура регулирования тока, выполненный в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, имеет передаточную функцию
рт
рт
где Т, τ - постоянные времени регулятора тока.
Регулятор тока, выполненный в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрального блока, имеет передаточную функцию
рт
где β - динамический коэффициент регулятора тока.
Корректор контура регулирования тока, выполненный в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
Первый корректор обратных связей, выполненный в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, имеет передаточную функцию
ому
где К - коэффициент обратной связи по упругому моменту;
му
τ - постоянные времени первого корректора обратных связей.
Второй корректор обратных связей, выполненный в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
му
Т - постоянные времени второго корректора обратных связей.
Таким образом, перенастройка регулятора положения, дополнительная установка алгебраического сумматора контура регулирования тока и корректора контура регулирования тока, а также изменения передаточных функций фильтра контура регулирования ЧВ и регулятора ЧВ позволили получить передаточные функции контуров регулирования тока, ЧВ и положения по управляющему и возмущающему воздействиям заявляемого устройства в виде:
где
1
µ
В=T;
;
;
;
;
1
µ
G=T;
;
;
;
;
;
;
1
µ
H=T;
1
µ
N=2T;
;
;
;
;
;
;
;
1
µ
O=2T;
я
I - ток якорной цепи электродвигателя;
зт
U - задающее напряжение контура регулирования тока;
от
К - коэффициент обратной связи по току;
у
М - упругий момент;
м
С - коэффициент пропорциональности между током и моментом электродвигателя;
1
J- момент инерции электродвигателя;
2
J - момент инерции ИОМ;
с
М- момент сопротивления электропривода;
2
ω- ЧВ ИОМ;
зчв
U- задающее напряжение контура регулирования ЧВ;
очв
K- коэффициент обратной связи по ЧВ;
µ
T- некомпенсированная постоянная времени;
2
φ- угол поворота ИОМ;
зп
U - задающее напряжение контура регулирования положения;
оп
К - коэффициент обратной связи по положению;
у
С - жесткость валопровода.
рт
рт
рт
му
му
µ
рчв
рчв
µ
рп
µ
Передаточная функция контура регулирования тока прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования тока - упругий момент» представляет собой передаточную функцию пятого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. Так как из необходимых пяти варьируемых параметров имеются все пять β, τ, Т, τ и Т, то за счет рационального выбора их значений удается привести передаточную функцию контура регулирования тока прототипа по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени Т. Передаточная функция контура регулирования ЧВ прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования ЧВ - ЧВ электропривода» представляет собой передаточную функцию седьмого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. Так как из необходимых семи варьируемых параметров имеются только два варьируемых параметра β и τ, то за счет рационального выбора их значений удается привести передаточную функцию контура регулирования ЧВ прототипа по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени 4Т. Передаточная функция контура регулирования положения прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования положения - угол поворота электропривода» представляет собой передаточную функцию восьмого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. Так как из необходимых восьми варьируемых параметров имеется только один варьируемый параметр - коэффициент усиления регулятора положения К, то за счет рационального выбора его значения удается привести передаточную функцию контура регулирования положения прототипа по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени 8Т.
рт
рт
рт
му
му
т
µ
рчв
рчв
рчв
µ
рп
µ
Передаточная функция контура регулирования тока заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования тока - упругий момент» представляет собой передаточную функцию пятого порядка, имеющей в числителе полином первой степени. Так как из необходимых шести варьируемых параметров имеются все шесть β, τ, Т, τ, Т и τ, то за счет рационального выбора их значений удается привести передаточную функцию контура регулирования тока заявляемого устройства по каналу управления к универсальному эталонному виду с постоянной времени Т. Передаточная функция контура регулирования ЧВ заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования ЧВ - ЧВ электропривода» представляет собой передаточную функцию седьмого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. При этом из семи условий, необходимых для синтеза контура регулирования ЧВ заявляемого устройства, четыре условия выполняются автоматически, поэтому требуется только три варьируемых параметра. За счет рационального выбора значений варьируемых параметров β, τ и Т удается привести передаточную функцию контура регулирования ЧВ заявляемого устройства по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени Т. Передаточная функция контура регулирования положения заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования положения - угол поворота электропривода» представляет собой передаточную функцию восьмого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. Так как из необходимых восьми варьируемых параметров имеется только один варьируемый параметр К, то за счет рационального выбора его значения удается привести передаточную функцию контура регулирования положения заявляемого устройства по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени 2Т.
Анализ передаточных функций контуров регулирования тока, ЧВ и положения по управляющему и возмущающему воздействиям программно-управляемого электропривода с упругим валопроводом и программно-управляемого электропривода с типовыми регуляторами и упругим валопроводом 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 четыре раза.
На чертеже представлена структурная схема программно-управляемого электропривода с упругим валопроводом.
Программно-управляемый электропривод с упругим валопроводом содержит командоаппарат 1, формирующий диаграммы перемещения электропривода, выход командоаппарата 1 соединен с первым входом регулятора положения 2, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения 2 соединен с входом фильтра контура регулирования ЧВ 3, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, выход фильтра контура регулирования ЧВ 3 соединен с первым входом регулятора ЧВ 4, выполненного в виде позиционного-пропорционально-интегрально-дифференциального блока, выход регулятора ЧВ 4 соединен со входом фильтра контура регулирования тока 5, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, и с входом корректора контура регулирования тока 12, выполненного в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования тока 5 соединен с первым входом алгебраического сумматора контура регулирования тока 6, выход корректора контура регулирования тока 12 соединен со вторым входом алгебраического сумматора контура регулирования тока 6, выход алгебраического сумматора контура регулирования тока 6 соединен с первым входом регулятора тока 7, выполненного в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрального блока, выход регулятора тока 7 соединен со входом безынерционного преобразователя 8, к выходу безынерционного преобразователя 8 подключен электродвигатель постоянного тока 9, соединенный упругим валопроводом 10 с ИОМ 11, датчик тока 14, выход которого соединен с первым входом алгебраического сумматора обратных связей 13, выход алгебраического сумматора обратных связей 13 соединен со вторым входом регулятора тока 7, датчик ЧВ электродвигателя 17, выход которого соединен с первым входом датчика косвенного измерения производной упругого момента 16, выполненного в виде пропорционального блока, выход датчика косвенного измерения производной упругого момента 16 соединен с входом первого корректора обратных связей 15, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, выход первого корректора обратных связей 15 соединен со вторым входом алгебраического сумматора обратных связей 13, второй корректор обратных связей 18, выполненный в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, выход датчика косвенного измерения производной упругого момента 16 соединен со входом второго корректора обратных связей 18, выход второго корректора обратных связей 18 соединен с третьим входом алгебраического сумматора обратных связей 13, датчик ЧВ ИОМ 19, выход которого соединен со вторым входом датчика косвенного измерения производной упругого момента 16 и со вторым входом регулятора ЧВ 4, датчик положения ИОМ 20, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения 2.
Программно-управляемый электропривод с упругим валопроводом работает следующим образом.
рп
фкчв
pчв
фкт
ккт
дкипум
косl
кос2
рт
Сигнал с выхода командоаппарата 1, представляющий собой задающее напряжение системы автоматического регулирования положения электропривода, поступает на первый вход регулятора положения 2, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по положению от блока 20. Регулятор положения 2 сумму своих входных сигналов увеличивает в К раз. Сигнал с выхода регулятора положения 2, представляющий собой задающее напряжение контура регулирования ЧВ, проходя через фильтр контура регулирования ЧВ 3, преобразуется в соответствии с передаточной функцией W и поступает на первый вход регулятора ЧВ 4, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по ЧВ ИОМ от блока 19. Регулятор ЧВ 4 сумму своих входных сигналов преобразует в соответствии с передаточной функцией W. Сигнал с выхода регулятора ЧВ 4, представляющий собой задающее напряжение контура регулирования тока, поступает на вход фильтра контура регулирования тока 5 и на вход корректора контура регулирования тока 12. Сигналы с выхода фильтра контура регулирования тока 5, преобразованный в соответствии с передаточной функцией W, и с выхода корректора контура регулирования тока 12, преобразованный в соответствии с передаточной функцией W, поступают соответственно на первый и второй входы алгебраического сумматора контура регулирования тока 6. На первый вход алгебраического сумматора обратных связей 13 поступает сигнал от блока 14, пропорциональный току якорной цепи электродвигателя. Сигналы от блока 17, пропорциональный ЧВ электродвигателя, и от блока 19, пропорциональный ЧВ ИОМ, поступают соответственно на первый и второй входы датчика косвенного измерения производной упругого момента 16. Датчик косвенного измерения производной упругого момента 16 сумму своих входные сигналов увеличивает в К раз. Сигнал с выхода датчика косвенного измерения производной упругого момента 16, пропорциональный первой производной упругого момента, поступает на вход первого корректора обратных связей 15 и на вход второго корректора обратных связей 18. Сигналы с выхода первого корректора обратных связей 15, преобразованный в соответствии с передаточной функцией W, и с выхода второго корректора обратных связей 18, преобразованный в соответствии с передаточной функцией W, поступают соответственно на второй и третий входы алгебраического сумматора обратных связей 13. Сигнал с выхода алгебраического сумматора контура регулирования тока 6 поступает на первый вход регулятора тока 7, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи от алгебраического сумматора обратных связей 13. Регулятор тока 7 сумму своих входных сигналов преобразует в соответствии с передаточной функцией W. Сигнал с выхода регулятора тока 7 поступает на вход безынерционного преобразователя 8. Безынерционный преобразователь 8 формирует зависимость напряжения, приложенного к якорной цепи электродвигателя 9 от времени. Электродвигатель посредством упругого валопровода 10 приводит в движение ИОМ 11. Напряжение, приложенное к якорной цепи электродвигателя 9, определяется значением сигнала на входе безынерционного преобразователя 8.
Таким образом, качество управления программно-управляемым электроприводом с упругим валопроводом определяется настройкой регулятора положения, фильтра контура регулирования ЧВ, регулятора ЧВ, фильтра контура регулирования тока, корректора контура регулирования тока, регулятора тока, первого корректора обратных связей и второго корректора обратных связей.