УСТРОЙСТВО С УЛУЧШЕННЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ ДИАГРАММЫ ДЛЯ МАЛЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике и может использоваться в промышленных установках для формирования оптимальной по быстродействию диаграммы для малых изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока, состоящей из трех этапов.
Аналогом разрабатываемого устройства является устройство для формирования оптимальной по быстродействию диаграммы для средних перемещений исполнительного органа электропривода постоянного тока, состоящей из пяти этапов. /Пат. на полезную модель №32938, МПК 7 Н02Р 7/80. Устройство для формирования диаграмм перемещения электропривода с ограничениями первой и второй производных скорости / Ю.П.Добробаба, В.А.Мурлина, Г.А.Кошкин, С.В.Добробаба, М.В.Мартыненко // от 27.09.2003, бюл. №27/.
Аналог реализует диаграмму, состоящую из пяти этапов, а необходимо устройство, формирующее диаграмму из трех этапов.
Наиболее близкий к заявляемому устройству с улучшенными динамическими характеристиками для формирования оптимальной по быстродействию диаграммы для малых изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока, состоящей из трех этапов, является устройство для формирования оптимальной по быстродействию диаграммы для малых перемещений исполнительного органа электропривода постоянного тока, состоящей из трех этапов. /Пат. на полезную модель №32650, МПК 7 Н02Р 7/80. Устройство для формирования диаграмм перемещения электропривода с ограничением второй производной скорости / Ю.П.Добробаба, В.А.Мурлина, Г.А.Кошкин, С.В.Добробаба, А.Н.Благодырь // от 20.09.2003, бюл. №26/, которое принимается за прототип.
Прототип содержит: первый задатчик, выход которого соединен с первым входом первого пропорционального блока, выход первого пропорционального блока соединен с входом блока, ограничивающего значение своего входного сигнала, выход блока, ограничивающего значение своего входного сигнала, соединен с входом первого интегрального блока, выход первого интегрального блока соединен с входом второго интегрального блока и с первым входом первого блока произведения, выход второго интегрального блока соединен с входом третьего интегрального блока и с первым входом второго блока произведения, выход третьего интегрального блока соединен со вторым входом первого пропорционального блока, второй задатчик, выход которого соединен с входом блока вычисления модуля, выход блока вычисления модуля соединен с входом второго пропорционального блока, выход второго пропорционального блока соединен с входом блока функции возведения в степень, выход блока функции возведения в степень соединен, с первым и вторым входами третьего блока произведения, и с входом третьего пропорционального блока, выход третьего пропорционального блока соединен со вторым входом второго блока произведения, выход второго блока произведения соединен с третьим входом первого пропорционального блока, выход третьего блока произведения соединен с входом четвертого пропорционального блока, выход четвертого пропорционального блока соединен со вторым входом первого блока произведения, выход первого блока произведения соединен с четвертым входом первого пропорционального блока.
Прототип реализует оптимальную по быстродействию диаграмму для малых перемещений исполнительного органа электропривода постоянного тока, состоящую из трех этапов, которую можно применить для формирования оптимальной по быстродействию диаграммы для малых изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока, состоящей из трех этапов. Недостаток прототипа - в нем предусмотрено изменение величины коэффициентов обратных связей в зависимости от заданного перемещения, что приводит к ухудшению динамических характеристик устройства, а в некоторых случаях, к нарушению его устойчивости.
Задачей является улучшение динамических характеристик устройства, формирующего оптимальную по быстродействию диаграмму для малых изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока (состоящую из трех этапов).
Техническим результатом полезной модели является повышение точности формирования сигнала, соответствующего заданной диаграмме изменения частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока.
Технический результат достигается тем, что из устройства для формирования оптимальной по быстродействию диаграммы для малых перемещений исполнительного органа электропривода постоянного тока выведены первый блок произведения, второй блок произведения, третий блок произведения, блок вычисления модуля, блок функции возведения в степень и соединение между выходом блока, ограничивающего значение своего входного сигнала, и входом первого интегрального блока, соединение между выходом третьего интегрального блока и вторым входом первого пропорционального блока; и дополнительно введены первый блок алгебраического сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого блока, ограничивающего значение своего входного сигнала, выход первого блока алгебраического сумматора соединен с входом первого интегрального блока, второй блок алгебраического сумматора, первый вход которого соединен с выходом третьего интегрального блока, выход второго блока алгебраического сумматора соединен со вторым входом первого пропорционального блока, выход второго интегрального блока соединен с входом второго пропорционального блока, выход второго пропорционального блока соединен с третьим входом первого пропорционального блока, выход первого интегрального блока соединен с входом третьего пропорционального блока, выход третьего пропорционального блока соединен с четвертым входом первого пропорционального блока, выход первого задатчика соединен с входом четвертого пропорционального блока и с входом пятого пропорционального блока, выход четвертого пропорционального блока соединен с первым входом шестого пропорционального блока, выход шестого пропорционального блока соединен с входом второго блока, ограничивающего значение своего входного сигнала, выход второго блока, ограничивающего значение своего входного сигнала, соединен со вторым входом первого блока алгебраического сумматора, выход пятого пропорционального блока соединен с первым входом седьмого пропорционального блока, выход седьмого пропорционального блока соединен с входом третьего блока, ограничивающего значение своего входного сигнала, выход третьего блока, ограничивающего значение своего входного сигнала, соединен с третьим входом первого блока алгебраического сумматора, выход второго задатчика соединен с входом восьмого пропорционального блока, с входом девятого пропорционального блока и со вторым входом второго блока алгебраического сумматора, выход восьмого пропорционального блока соединен со вторым входом шестого пропорционального блока, выход девятого пропорционального блока соединен со вторым входом седьмого пропорционального блока, выход второго блока алгебраического сумматора соединен с третьим входом шестого пропорционального блока и с третьим входом седьмого пропорционального блока.
Предложено разделить функции устройства на логические и демпфирующие: логические блоки формируют диаграмму; дополнительно введенные блоки обеспечивают высокое качество переходных процессов в устройстве. Это позволит реализовать предлагаемому устройству совместно с системой автоматического регулирования частоты вращения исполнительного органа электропривода высокую точности отработки заданной диаграммы движения.
Точность формирования сигнала, соответствующего заданной диаграмме изменения частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока достигается за счет выполнения устройства одноконтурным и дополнительного введения двух варьируемых параметров: постоянной времени отрицательной обратной связи по первой производной частоты вращения исполнительного органа электропривода; квадрата постоянной времени отрицательной обратной связи по второй производной частоты вращения исполнительного органа электропривода.
1
1
1
1
1
Оптимальная по быстродействию диаграмма для малых изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока, сформирована следующим образом, /Добробаба Ю.П., Шаповало А.А. Разработка оптимальных по быстродействию диаграмм изменения скорости электроприводов переменного тока // Изв. вузов. Пищевая технология, 2009, №4, с.91-93/. На первом и третьем этапах третья производная частоты вращения исполнительного органа электропривода равна максимальному значению ; на втором этапе третья производная частоты вращения исполнительного органа электропривода равна максимальному значению со знаком минус -. Длительность первого и третьего этапов равна t; длительность второго этапа равна 2t. В момент времени t вторая производная частоты вращения исполнительного органа электропривода достигает максимального значения ; в момент времени 3t вторая производная частоты вращения исполнительного органа электропривода достигает максимального значения со знаком минус -;в момент времени 2t первая производная частоты вращения исполнительного органа электропривода достигает максимального значения .
Для данной диаграммы справедливы соотношения:
;
;
;
,
нач
где ω - начальное значение частоты вращения исполнительного органа электропривода;
кон
ω - конечное значение частоты вращения исполнительного органа электропривода;
Т - длительность цикла.
Оптимальная по быстродействию диаграмма для малых изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока, состоящая из трех этапов, справедлива при выполнении условия
,
где  - максимально допустимое значение второй производной частоты вращения исполнительного органа электропривода.
Если условие не выполняется, то необходимо перейти к оптимальной по быстродействию диаграмме для средних изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока, состоящей из пяти этапов.
Передаточная функция по каналу управления прототипа имеет вид
,
1
1
где Т=2t;
;
;
1
β - коэффициент усиления первого пропорционального блока;
φ - угол поворота исполнительного органа электропривода;
кон
φ - конечное значение угла поворота исполнительного органа электропривода.
1
2
Как видно из передаточной функции прототипа при изменении задания на перемещение исполнительного органа электропривода изменяется длительность этапов и, как следствие, изменяются постоянные времени передаточной функции прототипа Т и Т, что приводит к ухудшению динамических характеристик устройства, а в некоторых случаях, к нарушению его устойчивости.
Передаточная функция по каналу управления заявляемого устройства имеет вид
,
где ,
ω - частота вращения исполнительного органа электропривода.
Передаточная функция заявляемого устройства по каналу управления является эталонной, т.е. по каналу управления система имеет наилучшие динамические характеристики. При изменении частоты вращения исполнительного органа электропривода постоянные времени передаточной функции не изменяются, т.е. остаются неизменными динамические характеристики заявляемого устройства.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства с улучшенными динамическими характеристиками для формирования оптимальной по быстродействию диаграммы для малых изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока.
Устройство с улучшенными динамическими характеристиками для формирования оптимальной по быстродействию диаграммы для малых изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока содержит первый задатчик 1, выход которого соединен с первым входом первого пропорционального блока 2, выход первого пропорционального блока 2 соединен с входом первого блока 3, ограничивающего значение своего входного сигнала, выход первого блока 3, ограничивающего значение своего входного сигнала, соединен с первым входом первого блока алгебраического сумматора 4, выход первого блока алгебраического сумматора 4 соединен с входом первого интегрального блока 5, выход первого интегрального блока 5 соединен с входом второго интегрального блока бис входом третьего пропорционального блока 9, выход второго интегрального блока 6 соединен с входом третьего интегрального блока 7 и с входом второго пропорционального блока 10, выход третьего интегрального блока 7 соединен с первым входом второго блока алгебраического сумматора 8, выход второго блока алгебраического сумматора 8 соединен со вторым входом первого пропорционального блока 2, выход второго пропорционального блока 10 соединен с третьим входом первого пропорционального блока 2, выход третьего пропорционального блока 9 соединен с четвертым входом первого пропорционального блока 2, выход первого задатчика 1 соединен с входом четвертого пропорционального блока 11 и с входом пятого пропорционального блока 15, выход четвертого пропорционального блока 11 соединен с первым входом шестого пропорционального блока 12, выход шестого пропорционального блока 12 соединен с входом второго блока 13, ограничивающего значение своего входного сигнала, выход второго блока 13, ограничивающего значение своего входного сигнала, соединен со вторым входом первого блока алгебраического сумматора 4, выход пятого пропорционального блока 15 соединен с первым входом седьмого пропорционального блока 16, выход седьмого пропорционального блока 16 соединен с входом третьего блока 17, ограничивающего значение своего входного сигнала, выход третьего блока 17, ограничивающего значение своего входного сигнала, соединен с третьим входом первого блока алгебраического сумматора 4, выход второго задатчика 18 соединен с входом восьмого пропорционального блока 14, с входом девятого пропорционального блока 19 и со вторым входом второго блока алгебраического сумматора 8, выход восьмого пропорционального блока 14 соединен со вторым входом шестого пропорционального блока 12, выход девятого пропорционального блока 19 соединен со вторым входом седьмого пропорционального блока 16, выход второго блока алгебраического сумматора 8 соединен с третьим входом шестого пропорционального блока 12 и с третьим входом седьмого пропорционального блока 16.
кон
нач
кон
2
(3)
(2)
(1)
Устройство с улучшенными динамическими характеристиками для формирования оптимальной по быстродействию диаграммы для малых изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока работает следующим образом. Первый задатчик 1 формирует сигнал равный конечному значению частоты вращения исполнительного органа электропривода ω. Второй задатчик 18 формирует сигнал равный начальному значению частоты вращения исполнительного органа электропривода ω. На входы первого пропорционального блока 2 подают сигнал с первого задатчика 1, равный конечному значению частоты вращения исполнительного органа электропривода ω, и сигналы отрицательных обратных связей: по частоте вращения исполнительного органа электропривода с коэффициентом равным единице; по первой производной частоты вращения исполнительного органа электропривода с постоянной времени равной 2τ (реализует второй пропорциональный блок 10); по второй производной частоты вращения исполнительного органа электропривода с квадратом постоянной времени равным 2τ (реализует третий пропорциональный блок 9). Первый пропорциональный блок 2 усиливает результирующий сигнал (алгебраическая сумма сигналов, поступающих на его входы). Первый блок 3, ограничивающий значение своего входного сигнала, ограничивает сигнал, поступающий с первого пропорционального блока 2, до величины . На входы шестого пропорционального блока 12 подают сигналы: с первого задатчика 1, равный величине  (реализует четвертый пропорциональный блок 11); со второго задатчика 18, равный величине  (реализует восьмой пропорциональный блок 14); отрицательной обратной связи по частоте вращения исполнительного органа электропривода с коэффициентом равным единице. Сумма двух сигналов, поступающих на входы шестого пропорционального блока 12 с первого и второго задатчиков, равны величине частоты вращения исполнительного органа электропривода в конце второго этапа . Шестой пропорциональный блок 12 усиливает результирующий сигнал (алгебраическая сумма сигналов, поступающих на его входы). Второй блок 13, ограничивающий значение своего входного сигнала, ограничивает сигнал, поступающий с шестого пропорционального блока 12, до величины . На входы седьмого пропорционального блока 16 подают сигналы: с первого задатчика 1, равный величине  (реализует пятый пропорциональный блок 15); со второго задатчика 18, равный величине  (реализует девятый пропорциональный блок 19); отрицательной обратной связи по частоте вращения исполнительного органа электропривода с коэффициентом равным единице. Сумма двух сигналов, поступающих на входы седьмого пропорционального блока 16 с первого и второго задатчиков, равна величине частоты вращения исполнительного органа электропривода в конце первого этапа . Седьмой пропорциональный блок 16 усиливает результирующий сигнал (алгебраическая сумма сигналов, поступающих на его входы). Третий блок 17, ограничивающий значение своего входного сигнала, ограничивает сигнал, поступающий с седьмого пропорционального блока 16, до величины . На входы первого блока алгебраического сумматора 4 подают сигналы: со знаком плюс с первого блока 3, ограничивающего значение своего входного сигнала; со знаком минус со второго блока 13, ограничивающего значение своего входного сигнала; со знаком плюс с третьего блока 17, ограничивающего значение своего входного сигнала. На выходе первого блока алгебраического сумматора 4 формируется зависимость третьей производной частоты вращения исполнительного органа электропривода от времени от ω(t). Первый интегральный блок 5 интегрирует зависимость третьей производной частоты вращения исполнительного органа электропривода от времени и формирует зависимость второй производной частоты вращения исполнительного органа электропривода от времени ω(t). Второй интегральный блок 6 интегрирует зависимость второй производной частоты вращения исполнительного органа электропривода от времени и формирует зависимость первой производной частоты вращения исполнительного органа электропривода от времени ω(t). Третий интегральный блок 7 интегрирует зависимость первой производной частоты вращения исполнительного органа электропривода от времени. На входы второго блока алгебраического сумматора 8 подают сигналы: с выхода третьего интегрального блока 7 и со второго задатчика 18. На выходе второго блока алгебраического сумматора 8 формируется зависимость частоты вращения исполнительного органа электропривода от времени ω(t).
кон
нач
1
кон
2
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
кон
1
1
При увеличении частоты вращения исполнительного органа электропривода выполняется условие ω>ω. При этом в интервале времени 0≤t≤t частота вращения исполнительного органа электропривода меньше конечного значения частоты вращения ω<ω, поэтому выходной сигнал первого блока 3, ограничивающего значение своего входного сигнала, равен ; частота вращения исполнительного органа электропривода меньше значения частоты вращения в конце второго этапа ω<ω, поэтому выходной сигнал второго блока 13, ограничивающего значение своего входного сигнала, равен ; частота вращения исполнительного органа электропривода меньше значения частоты вращения в конце первого этапа ω<ω, поэтому выходной сигнал третьего блока 17, ограничивающего значение своего входного сигнала, равен ; выходной сигнал первого блока алгебраического сумматора 4 равен . В момент времени t=t ω=ω, поэтому сумма входных сигналов седьмого пропорционального блока 16 меняет свой знак с плюса на минус и происходит переключение в третьем блоке 17, ограничивающем значение своего входящего сигнала. На интервале времени t≤t≤3t выходной сигнал третьего блока 17, ограничивающего значение своего входного сигнала, равен -; выходной сигнал первого блока алгебраического сумматора 4 равен -. В момент времени t=3t ω=ω, поэтому сумма входных сигналов шестого пропорционального блока 12 меняет свой знак с плюса на минус и происходит переключение во втором блоке 13, ограничивающем значение своего входного сигнала. На интервале времени 3t<t<4t выходной сигнал второго блока 13, ограничивающего значение своего входного сигнала, равен -; выходной сигнал первого блока алгебраического сумматора 4 равен . В момент времени t=4t ω=ω, поэтому сумма входных сигналов первого пропорционального блока 2 равна нулю и происходит переключение в первом блоке 3, ограничивающем значение своего входного сигнала. На интервале времени 4t<t выходной сигнал первого блока 3, ограничивающего значение своего входного сигнала, равен нулю; выходной сигнал первого блока алгебраического сумматора 4 равен нулю. Наличие отрицательных обратных связей по первой и второй производным частоты вращения исполнительного органа электропривода позволяет обеспечить переходный процесс на интервале времени 4t<t с улучшенными динамическими характеристиками.
кон
нач
кон
нач
В описании рассмотрен вариант, при котором увеличивается частота вращения исполнительного органа электропривода (ω>ω). Заявляемое устройство обеспечивает формирование оптимальной по быстродействию диаграммы для малых изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока и при уменьшении частоты вращения исполнительного органа электропривода (ω<ω).
Предлагаемое устройство качественно обеспечивает формирование оптимальной по быстродействию диаграммы для малых изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока.
Точность формирования оптимальной по быстродействию диаграммы для малых изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока определяется настройкой линейных блоков: пропорциональных и интегральных, а также блоков, ограничивающих значение своего входного сигнала.
Разработано, реализовано и экспериментально исследовано устройство на базе программируемого контроллера, формирующего оптимальную по быстродействию диаграмму для малых изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока.