СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ РОТОРА

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в роторных механизмах на электромагнитных опорах.
2
2
2
2
Известна система подчиненного регулирования электромагнитным подвесом ротора [Пат.RU №2345464, МПК Н02К 7/09, опубл. 27.01.2009], каждый канал которой содержит первый электромагнит, подсоединенный своей обмоткой к первому выходу усилителя мощности, вход которого подключен к выходу ПИДД-регулятора, второй электромагнит, подключенный своей обмоткой ко второму выходу усилителя мощности, элемент сравнения, подсоединенный первым входом к выходу задатчика, вторым входом к выходу датчика положения ротора, и выходом к входу ПИДД-регулятора. ПИДД-регулятор выполнен в виде последовательно соединенных И-, П- и ПД- регулятора, причем ко второму входу ПД-регулятора подключено выходом дифференцирующее звено, а выходом и входом ПИДД-регулятора служат соответственно выход ПД-регулятора и вход И-регулятора, соединенный с входом дифференцирующего звена и со вторым входом П-регулятора.
Данная система автоматического управления (САУ) обеспечивает требуемую динамическую точность управления только при постоянных значениях параметров электромагнитного подвеса ротора, так как она имеет высокую чувствительность к изменению своих параметров. Поэтому рассматриваемая САУ не обеспечивает требуемую динамическую точность управления при воздействии на подвес параметрических возмущений.
2
Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому техническому решению является система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора [Активные магнитные подшипники. Теория, расчет, применение. Ю.Н.Журавлев. - СПб: изд-во «Политехника», 2003. - с.72], содержащая первый электромагнит, подсоединенный своей обмоткой к первому выходу усилителя мощности, второй электромагнит, подсоединенный своей обмоткой ко второму выходу усилителя мощности через датчик тока, пропорциональный регулятор тока, подключенный первым входом к выходу датчика тока и выходом к входу усилителя мощности, элемент сравнения, подсоединенный первым входом к выходу задатчика, вторым входом к выходу датчика положения ротора и выходом через ПИДД-регулятор положения ротора ко второму входу пропорционального регулятора тока.
Данная система автоматического управления (САУ) обеспечивает требуемую динамическую точность управления только при постоянных значениях параметров электромагнитного подвеса ротора, так как она имеет высокую чувствительность к изменению своих параметров. Поэтому рассматриваемая САУ не обеспечивает требуемую динамическую точность управления при воздействии на подвес параметрических возмущений.
Задача полезной модели - построение такой системы автоматического управления электромагнитным подвесом ротора, которая вследствие своей новой структуры обеспечивает технический результат в виде повышения динамической точности управления при воздействии на подвес параметрических возмущений.
Решение поставленной задачи достигается тем, что система управления электромагнитным подвесом ротора, содержащая первый электромагнит, подсоединенный своей обмоткой к первому выходу усилителя мощности, второй электромагнит, подсоединенный своей обмоткой ко второму выходу усилителя мощности через датчик тока, пропорциональный регулятор тока, подключенный первым входом к выходу датчика тока, вторым входом к выходу регулятора положения ротора и выходом к входу усилителя мощности, первый элемент сравнения, подсоединенный первым входом к выходу задатчика, и датчик положения ротора, дополнительно снабжена первым и вторым дифференцирующими фильтрами, которые подключены своими входами к выходу датчика положения ротора, вторым элементом сравнения, подсоединенным первым входом к выходу первого элемента сравнения и вторым входом к выходу первого дифференцирующего фильтра, суммирующим элементом, подключенным первым входом к выходу первого элемента сравнения, вторым входом к выходу второго элемента сравнения и выходом к входу регулятора положения ротора, третьим элементом сравнения, подсоединенным первым входом к выходу первого дифференцирующего фильтра и вторым входом через инерционный фильтр к выходу суммирующего элемента, интегральным регулятором, подключенным выходом к третьему входу суммирующего элемента и первым входом к выходу второго элемента сравнения, блоком умножения, подсоединенным первым входом через релейный элемент к выходу второго элемента сравнения, вторым входом через блок выделения модуля к выходу третьего элемента сравнения и выходом ко второму входу интегрального регулятора, причем второй дифференцирующий фильтр подключен выходом ко второму входу первого элемента сравнения, а регулятор положения ротора выполнен пропорционально-дифференциальным.
При этом первый дифференцирующий фильтр системы управления уже известен [см. Патент RU №96990, G05B 13/00, опубл. 20.08.2010 Бюл. №23] и выполнен в виде последовательно соединенных интегратора, интегросумматора и суммирующего усилителя, выход которого является выходом дифференцирующего фильтра и подключен к входу интегратора и второму входу интегросумматора, а входом дифференцирующего фильтра служит второй вход суммирующего усилителя.
Второй дифференцирующий фильтр системы управления также уже известен [см. Патент RU №96990, G05B 13/00, опубл. 20.08.2010 Бюл. №23] и выполнен в виде последовательно соединенных двух интегросумматоров, выход последнего из которых является выходом дифференцирующего фильтра и подключен ко второму входу обоих интегросумматоров, а входом дифференцирующего фильтра служит первый вход первого интегросумматора, соединенный с третьим входом второго интегросумматора.
На фигуре представлена функциональная схема системы автоматического управления электромагнитным подвесом ротора.
Система управления электромагнитным подвесом ротора содержит первый электромагнит 1, подсоединенный своей обмоткой к первому выходу усилителя мощности 2, второй электромагнит 3, подсоединенный своей обмоткой ко второму выходу усилителя мощности 2 через датчик тока 4, пропорциональный регулятор тока 5, подключенный первым входом к выходу датчика тока 4, вторым входом к выходу регулятора положения ротора 6 и выходом к входу усилителя мощности 2, первый элемент сравнения 7, подсоединенный первым входом к выходу задатчика 8, и датчик положения ротора 9, первый и второй дифференцирующие фильтры 10 и 11, которые подключены своими входами к выходу датчика положения ротора 9, второй элемент сравнения 12, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента сравнения 7 и вторым входом к выходу первого дифференцирующего фильтра 10, суммирующий элемент 13, подключенный первым входом к выходу первого элемента сравнения 7, вторым входом к выходу второго элемента сравнения 12 и выходом к входу регулятора положения ротора 6, третий элемент сравнения 14, подсоединенный первым входом к выходу первого дифференцирующего фильтра 10 и вторым входом через инерционный фильтр 15 к выходу суммирующего элемента 13, интегральный регулятор 16, подключенный выходом к третьему входу суммирующего элемента 13 и первым входом к выходу второго элемента сравнения 12, блок умножения 17, подсоединенный первым входом через релейный элемент 18 к выходу второго элемента сравнения 12, вторым входом через блок выделения модуля 19 к выходу третьего элемента сравнения 14 и выходом ко второму входу интегрального регулятора 16, причем второй дифференцирующий фильтр 11 подключен выходом ко второму входу первого элемента сравнения 7, а регулятор положения ротора 6 выполнен пропорционально-дифференциальным.
Система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора имеет следующее математическое описание:
- для объекта управления
,
- для управляющего устройства
iT
i
u=(τp+1)u-u,
n
f
e
Э
Э
где  - ускорение ротора; m - масса ротора; u - управляющее воздействие; F - неизмеримое возмущение, возникающее в результате действия переменных нагрузок; k - коэффициент усиления усилителя мощности; k - коэффициент связи между изменением силы притяжения и смещением ротора от центрального положения; k - коэффициент пропорциональности между наводимой в обмотке электромагнита ЭДС и скоростью перемещения ротора в магнитом поле; Т- электромагнитная постоянная времени обмоток электромагнитов; R- сопротивление обмоток электромагнитов;
,
где
.
Система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора работает следующим образом.
Сигнал задания с выхода задатчика 8 поступает на первый вход элемента сравнения 7, на второй вход которого поступает сигнал с выхода второго дифференцирующего фильтра 11. На выходе элемента сравнения 7 формируется рассогласование между сигналом задатчика 8 и выходным сигналом второго дифференцирующего фильтра 11. Сигнал с выхода датчика положения ротора 9 поступает на вход первого дифференцирующего фильтра 10, в котором формируется сигнал, пропорциональный истинному значению ускорения ротора. Выходной сигнал первого дифференцирующего фильтра 10 поступает на второй вход второго элемента сравнения 12, на выходе которого образуется сигнал рассогласования между требуемым и истинным значениями ускорения ротора.
T
Для формирования напряжения управления и, реализующего требуемое значения тока i, в структуру системы автоматического управления введен пропорциональный регулятор тока 5, подключенный первым входом к выходу датчика тока 4, вторым входом к выходу регулятора положения ротора 6. Сигнал и, формирующийся на выходе регулятора положения ротора 6, поступает на вход пропорционального регулятора тока 5.
При смещении ротора от центрального положения изменяются силы притяжения, действующие на него, что приводит к отклонению сигнала ускорения ротора от его требуемого закона изменения. Отработка системой этого отклонения осуществляется в ней с помощью дифференциальной связи по косвенно измеренному возмущению сигнала ускорения. В состав данной дифференциальной связи входит контур регулирования переменной структуры, работающий в скользящем режиме. Этот контур образуют первый элемент сравнения 7, подсоединенный своим выходом к первому входу суммирующего элемента 13, блок выделения модуля 19, блок умножения 17, интегральный регулятор 16, суммирующий элемент 13, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента сравнения 7, вторым входом к выходу второго элемента сравнения 12, третьим входом к выходу интегрального регулятора 16 и выходом к входу регулятора положения ротора 6, инерционный фильтр 15, подключенный входом к выходу суммирующего элемента 13 и выходом ко второму входу третьего элемента сравнения 14, а также релейный элемент 18, подсоединенный своим входом к выходу второго элемента сравнения 12 и выходом к первому входу блока умножения 17. Введение данного контура в структуру системы управления электромагнитным подвесом ротора обеспечивает повышение динамической точности управления при воздействии на подвес параметрических возмущений.