ДИСКРЕТНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СЛЕДЯЩИМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Полезная модель относится к системам дискретного управления следящим электроприводом и может быть использована в управлении технологическим оборудованием и электромеханическими приводными устройствами.
Известна дискретная система управления (патент №80970, МПК: G05B 13/00, опубл. 27.02.2009 г.) с нелинейным регулятором и широтно-импульсным модулятором (ШИМ), формирующим дискретный сигнал, который через усилитель поступает на объект управления. Блок наблюдателя состояний и блок эталонной модели анализируют значения переменных состояний движения объекта и с помощью блока вычислений коэффициентов перенастройки и блока показателей качества регулирования обеспечивают требуемые характеристики системы.
Данное техническое решение имеет недостаток в том, что при отработке системой управления нового задания, когда на выходе устройства сравнения сигнал рассогласования имеет относительно большое значение, на объект управления с усилителя поступает сигнал, формирующий максимальный момент (силу) исполнительного механизма, который может иметь избыточное значение и может привести к нежелательным динамическим воздействиям на объект управления, дополнительным вибрациям и шуму, что в ряде случаев не допустимо.
Известна дискретная система с ШИМ управлением следящим электроприводом, лишенная выше указанного недостатка (Подлевский Н.И., Трусов Е.В. Управление электроприводом дроссельной заслонки с помощью динамичной широтно-импульсной модуляции // Электронные и электромеханические системы и устройства: тез. докл. XIX науч.-техн. конф. Томск, 2015. С. 132-135.), которая наиболее близко подходит к сущности заявленного устройства, содержащая блок управления, формирующий сигнал управления (задания), который сравнивается с сигналом обратной связи, поступающим с датчика угла объекта управления, далее знакопеременный сигнал рассогласования поступает на схемы определения величины и знака рассогласования, выходы которых через логическое устройство (сигнал «пуск\стоп») и схему реверса (сигнал «вперед\назад») управляют сигналами датчика положения ротора (ДПР) двигателя, который механически связан с валом двигателя и электрически связан через схему реверса и логическое устройство с электронным коммутатором (усилителем), который переключает по сигналам ДПР фазные обмотки двигателя, обеспечивая требуемое направление вращение вала, который через редуктор связан с объектом управления, при этом с валом двигателя механически связан датчик скорости, а с валом объекта управления механически связан датчик угла, выходы которых связаны с входами блока задания (БЗ), один выход которого связан со вторым входом схемы определения величины рассогласования, а два других через схему разгона и схему торможения связаны с двумя входами ШИМ, третий вход которого связан с четвертым выходом БЗ, а выход связан с входом логического устройства и обеспечивает широтно-импульсное управление двигателем. Необходимый уровень скважности напряжения питания двигателя формируется ШИМ в зависимости от текущих статических и динамических нагрузок на валу объекта управления.
Недостатком данной системы управления является необходимость проведения анализа в реальном времени нескольких параметров объекта управления с вычислением необходимых коэффициентов воздействия на средства управления для получения требуемого качества электропривода, включая переходные процессы. Это требует дополнительных энергетических затрат и габаритов, что не возможно в случае ограничения по потреблению мощности, массе и габаритам системы.
Технический результат в заявленной дискретной системе управления следящим электроприводом достигается тем, что система управления дополнительно содержит устройство интегрирования, устройство суммирования и компаратор, причем устройство интегрирования первым входом связано с вторым выходом блока задания сигналов, третий выход которого связан с вторым входом устройства интегрирования, выход которого подключен к первому входу устройства суммирования, второй вход которого связан с четвертым выходом блока задания сигналов, при этом выход устройства суммирования подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, а выход компаратора подключен к второму управляющему входу логического устройства.
На фиг. представлена структурно-функциональная схема дискретной системы управления следящим электроприводом.
Дискретная система управления следящим электроприводом содержит блок управления 1 (БУ), выход которого подключен к входу устройства сравнения 2 (УС), второй вход которого подключен к выходу датчика угла 3 (ДУ), механически связанного с объектом управления 4 (ОУ), выход УС (2) подключен к входу схемы величины рассогласования 5 (СВР) и к входу схемы знака рассогласования 6 (СЗР), выход схемы СВР (5) подключен к первому управляющему входу логического устройства 7 (ЛУ), а выход схемы СЗР (6) подключен к входу схемы реверса 8 (CP), другие входы которой связаны с выходами датчика положения ротора 9 (ДПР), механически связанного с валом двигателя 10 (Д), а выходы схемы CP (8) через логическое устройство ЛУ (7) подключены к входам электронного коммутатора 11 (ЭК), который выходами связан с фазными обмотками двигателя 10 (Д), который через редуктор 12 (Р) механически связан с объектом управления ОУ (4), при этом выход датчика скорости 13 (ДС), механически связанного с валом двигателя 10 (Д), и выход датчика угла 3 (ДУ) подключены к первому и второму входу, соответственно, блока задания сигналов управления 14 (БЗСУ), который первым выходом связан с вторым входом схемы СВР (5), вторым выходом связан с первым входом устройства интегрирования 15 (УИ), третьим выходом связан с вторым входом устройства УИ (15), выход которого подключен к первому входу устройства суммирования 16 (УС), связанного вторым входом с четвертым выходом блока БЗСУ (14), при этом выход устройства УС (16) подключен к первому входу компаратора 17 (К), второй вход компаратора 17 (К) подключен к выходу генератора пилообразного напряжения 18 (ГПН), а выход компаратора 17 (К) подключен к второму управляющему входу устройства ЛУ (7).
з
ос
п/с
в/н
п/с
дп
в/н
в/н
кф
ф
тп
п/с
Дискретная система управления следящим электроприводом работает следующим образом. Блок управления 1 по сигналу с центра управления вырабатывает сигнал пропорциональный углу задания α, который сравнивается с сигналом обратной связи α в устройстве сравнения 2. Сигнал рассогласования ±ΔU с выхода устройства сравнения 2 поступает на входы схемы 5 величины рассогласования и схемы 6 знака рассогласования, которые на своих выходах формируют сигнал U (сигнал пуск/стоп), поступающий на первый управляющий вход логического устройства 7 и сигнал U (сигнал вперед/назад), поступающий на управляющий вход схемы реверса 8, соответственно. По команде «Пуск» (уровень сигнала U «1») сигналы U датчика положения ротора 9 двигателя 10 через схему реверса 8 в прямой (сигнал «Вперед» при уровне сигнала U «1») или обратной (сигнал «Назад» при уровне сигнала U «0») последовательности в форме сигналов коммутации фаз U через логическое устройство 7 поступают на ключи электронного коммутатора 11, который формирует фазные напряжения U и фазные токи в двигателе 10 (например, трехфазный бесконтактный двигатель постоянного тока), что приводит к движению его вала с требуемой частотой вращения ω в текущем времени t, который через редуктор 12 поворачивает объект управления 4 на угол α до момента достижения сигнала рассогласования ±ΔU величины меньшей чем заданный сигнал точности отработки угла U, поступающий с выхода блока задания сигналов 14 на второй вход схемы величины рассогласования 5, которая при этом сформирует сигнал U с уровнем «0», соответствующий сигналу «Стоп».
ω
оc
p
т
н
p
т
н
Датчик скорости 13, механически связанный с валом двигателя, формирует сигнал U, который поступает на первый вход блока задания сигналов 14, на второй вход которого поступает сигнал α, формируемый датчиком угла 3, механически связанным с валом объекта управления 4. По сигналам с выходов датчика угла и датчика скорости блок задания сигналов 14 в текущем времени на своих выходах формирует сигналы U (сигнал динамики разгона), U (сигнал динамики торможения), U (сигнал начальной скорости), отвечающие за динамические показатели качества системы управления, при этом сигналы U и U поступают на первый и второй входы устройства интегрирования 15, а сигнал U поступает на второй вход устройства суммирования 16.
и
н
Σ
п
ш
ш
Сигнал U с выхода устройства интегрирования 15, складываясь с сигналом U в устройстве суммирования 16, преобразуется в суммарный сигнал U, который с помощью сигнала U, поступающего с выхода генератора пилообразного напряжения 18 и компаратора 17 преобразуется в широтно-импульсный сигнал U, поступающий на второй управляющий вход логического устройства 7. Дискретная система управления следящим электроприводом в процессе отработки заданного угла с помощью сигнала U и логического устройства 7 формирует требуемую механическую характеристику двигателя 10, снижая его избыточную энергию, необходимую для обеспечения запаса устойчивости от динамических и статических воздействий на объект управления 4.
з
з
oc
и
н
ш
Действительно, при подачи сигнала с БУ на установку нового угла задания α, устройство сравнения 2, сравнивая сигналы α и α, формирует на выходе относительно большое значение сигнала рассогласования ΔU. Однако устройство интегрирования 15 в начальный момент на выходе формирует минимальный сигнал U, который складываясь с сигналом U в устройстве суммирования 16, поступает на вход компаратора 17 и преобразуется в широтно-импульсный сигнал U минимальной скважности, достаточной для начала движения объект управления 4 без динамического удара («в натяг») с плавной выборкой зазоров в механических связях привода.
oc
ω
р
т
и
По динамике изменения сигналов датчика угла 3 α и датчика скорости 13 U блок задания сигналов 14 формирует сигналы разгона U и торможения U, которые поступают на устройство интегрирования 15 и преобразуются на выходе в сигнал U, принимающий в процессе отработки заданного угла значения от минимального до максимального, в зависимости от внешних и внутренних возмущающих факторов, воздействующих на систему, тем самым обеспечивая заданное быстродействие при минимуме потребления энергии путем ограничения избыточной мощности двигателя 10.
Таким образом, предлагаемая дискретная система управления следящим электроприводом позволяет осуществлять движения объекта управления без динамических ударов из-за наличия люфтов в механических связях элементов системы с минимально необходимым энергопотреблением без вычисления коэффициентов воздействия на средства управления в текущем времени отработки угла.