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.
Г
у
Х
у
р
2
1
р
2
р
р
1
p
2
р
п1
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 |δ|>δ преобразуют двоичный код рассогласования δ в напряжение соответствующее коду рассогласования δ полярности, усиливают его и подают на электродвигатели электромеханического привода, которыми приводят во вращение вал редуктора и вал дискретного датчика угла электромеханического привода в требуемом направлении, при δ<|δ|≤δподают на электродвигатели 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 |δ|≤δ, прекращают подачу напряжений на электродвигатели 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 осуществлют 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
п2
р
р
р
п1
р
п3
п3
пn-1
п2
пn-1
пn
1
n-1
n
n
2
1
Технический результат достигается тем, что в способе управления цифровой электромеханической следящей системой, содержащем 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 |δ|>δ преобразование кода рассогласования δ в напряжение соответствующей коду рассогласования δ полярности, усиление его до значения напряжения питания и подачу на электродвигатель электромеханического привода, а при |δ|≤δ прекращение подачи напряжения питания 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, …, а n-1 заданным величинам кода переключения режима управления электродвигателем δ, … δ, δ, соответствуют n-1 пороговых значений напряжения питания электродвигателя U, … U, U, причем U является максимальным напряжением питания электродвигателя, U является минимальным напряжением питания электродвигателя, при котором возможно вращение его вала под нагрузкой, a U=0, при этом значения кодов и напряжений питания необходимо выполнение следующих условий:
п1
п2
п2
п3
пn-1
пn
1
2
2
3
n-1
n
|δ|<|δ|, |δ|<|δ|, … <|δ|<|δ|; |U|<|U|, |U|<|U|, …<|U|<|U|;
р
р
р
пn
n
р
пn-1
p
пn
n-1
р
р
п1
p
п2
2
р
Х
у
п1
р
п1
преобразуют код рассогласования δ в напряжение соответствующей коду рассогласования δ полярности и усиливают, при |δ|>δ подают на электродвигатель электромеханического привода усиленное напряжение U соответствующей коду рассогласования δ полярности, чем приводят во вращение вал редуктора и вал дискретного датчика угла электромеханического привода в требуемом направлении, при достижении кодом рассогласования значения, при котором δ<|δ|≤δ, подают на электродвигатель электромеханического привода усиленное напряжение Uсоответствующей коду рассогласования δ полярности, чем приводят во вращение вал редуктора и вал дискретного датчика угла электромеханического привода в требуемом направлении, и так далее до достижения кодом рассогласования δ значения δ<|δ|≤ δ, при котором подают на электродвигатель электромеханического привода усиленное напряжение U соответствующей коду рассогласования δ полярности, чем приводят во вращение вал редуктора и вал дискретного датчика угла электромеханического привода в требуемом направлении, а при совпадении кодов δ и δ с заданной точностью ± δ, то есть |δ|≤δ, формируют в электродвигателе электромеханического привода ток торможения, чем осуществляют его динамическое торможение, за счет чего останавливают вращение вала электродвигателя, останавливают вращение выходного вала редуктора и вала дискретного датчика угла электромеханического привода, при этом ток торможения определяется дифференциальным уравнением
э
где I - ток торможения; t - время; R - активное сопротивление обмоток электродвигателя; L - индуктивность обмоток электродвигателя; K - коэффициент электромагнитной скоростной связи; Ω - угловая скорость вращения вала электродвигателя.
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 за счет функционирования электродвигателя при минимальном напряжении питания, в результате чего скорость движения выходного вала электромеханического привода перед остановом снижается. 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 пропорционально снижению напряжения питания электродвигателя.
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, 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 - усилительно-преобразовательное устройство (УПУ);
7 - электромеханический привод (ЭМП);
8 - электродвигатель (ЭД);
9 - редуктор (Р);
10 - 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 электродвигателем;
п1
δ - двоичный код точности поддержания требуемого положения.
В такой цифровой электромеханической системе 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
p
п3
р
р
3
При включении цифровой электромеханической следящей системы преобразуют двоичный код Грея δ ДДУ 10 ЭМП 7 с помощью ПКГ 5 в двоичный код обратной связи δ. Сравнивают командный двоичный код от ФКК 1 δ, соответствующий требуемому положению выходного вала ЭМП 7 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 УПУ 6 до значения U, и подают на ЭД 8, которым приводят во вращение вал Р 9 и вал ДДУ 10 ЭМП 7 в требуемом направлении.
п2
р
п3
р
р
2
При δ<|δ|≤δ преобразуют двоичный код рассогласования δ в напряжение, соответствующее коду рассогласования δ полярности в РПУ 4 АВУ 2, усиливают его в УПУ 6 до значения U, и подают на ЭД 8, которым приводят во вращение вал Р 9 и вал ДДУ 10 ЭМП 7 в требуемом направлении.
п1
р
п2
р
р
1
При δ<|δ|≤δ преобразуют двоичный код рассогласования δ в напряжение, соответствующее коду рассогласования δ полярности в РПУ 4 АВУ 2, усиливают его в УПУ 6 до значения U, и подают его на ЭД 8, которым приводят во вращение вал Р 9 и вал ДДУ 10 ЭМП 7 в требуемом направлении.
Х
у
п1
p
п1
При совпадении кодов δ и δ с заданной точностью ±δ, то есть |δ|≤δ, прекращают подачу на ЭД 8 ЭМП 7 напряжения и в нем формируют ток торможения, чем осуществляют его динамическое торможение, за счет чего останавливают вращение вала ЭД 8, останавливают вращение выходного вала Р 9 и вала ДДУ 10 ЭМП 7, при этом ток торможения определяется дифференциальным уравнением
э
где I - ток торможения; t - время; R - активное сопротивление обмоток электродвигателя; L - индуктивность обмоток электродвигателя; K - коэффициент электромагнитной скоростной связи; Ω - угловая скорость вращения вала электродвигателя.
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 при минимальном напряжении питания ЭД 8, скорость движения выходного вала ЭМП 7, что приводит к уменьшению забросов выходного вала ЭМП 7 за уровень, определяемый дискретностью команды, а, значит, и к повышению плавности процесса регулирования цифровой электромеханической следящей системой.
Как следствие потребляемые токи ЭМП 7 снижаются пропорционально снижению напряжения питания ЭД 8 ЭМП 7.
1
2
n-1
n
п1
п2
пn-1
пn
С одной стороны, чем больше в такой цифровой электромеханической следящей системе пороговых значений напряжения питания ЭД 8, тем выше плавность процесса регулирования, однако с другой стороны при этом увеличивается суммарная масса РПУ 4 АВУ 2 и снижается его надежность, что приводит к увеличению массы и снижению надежности всей системы. Поэтому выбор количества пороговых значений напряжения питания электродвигателя электромеханического привода U, U, …, U, U, и значений соответствующих им кодов переключения режима управления электродвигателем 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.