СИСТЕМА АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
ELECTRIC MOTOR ADAPTIVE CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к области систем автоматического управления, а именно к адаптивным системам управления электродвигателем.
Известна адаптивная система управления электродвигателем, содержащая последовательно соединенные электродвигатель, цифровой датчик угловой скорости и последовательно соединенные задатчик входного сигнала, первый сумматор, первый усилитель, интегратор и второй сумматор [1].
Недостатком известного технического решения является то, что в нем не гарантируется устойчивость процесса управления электродвигателем при действии на него координатно-параметрических помех, т.к. параметры объекта управления (электродвигателя) становятся переменными.
С целью повышения точности и запасов устойчивости по амплитуде и фазе системы управления электродвигателем система адаптивного управления электродвигателем дополнительно содержит ассоциативную память, дифференциатор, два блока умножения, три сумматора, цифровой датчик угловой скорости, три усилителя, два блока задержки, три блока определения модуля, выход цифрового датчика угловой скорости через последовательно соединенные первый блок задержки, второй блок задержки, третий сумматор, первый блок определения модуля, ассоциативную память, первый блок умножения подключен ко второму входу второго сумматора, выход которого через цифро-аналоговый преобразователь соединен с входом электродвигателя, а через последовательно соединенные второй усилитель, четвертый сумматор, второй блок определения модуля - ко второму входу ассоциативной памяти, выход цифрового датчика угловой скорости соединен с вторыми входами первого и четвертого сумматоров, а через последовательно соединенные пятый сумматор, третий блок определения модуля, ассоциативную память и второй блок умножения - с третьим входом второго сумматора, выход первого блока задержки соединен со вторыми входами третьего и пятого сумматоров, выход первого сумматора подключен через третий усилитель ко второму входу первого блока умножения, а через последовательно соединенные четвертый усилитель и дифференциатор - ко второму входу второго блока умножения.
Система управления электродвигателем изображена на чертеже, на котором приняты следующие обозначения:
1 - ассоциативная память,
2 - третий усилитель,
3 - первый блок умножения,
4 - четвертый усилитель,
5 - дифференциатор,
6 - второй блок умножения,
7 - второй сумматор,
8 - электродвигатель,
9 - первый усилитель,
10 - интегратор,
11 - второй усилитель,
12 - цифровой датчик угловой скорости,
13 - четвертый сумматор,
14 - второй блок определения модуля,
15 - первый блок задержки,
16 - пятый сумматор,
17 - третий блок определения модуля,
18 - второй блок задержки,
19 - третий сумматор,
20 - первый блок определения модуля,
21 - первый сумматор,
22 - задатчик входного сигнала,
23 - цифро-аналоговый преобразователь,
24 - ПИД-регулятор (с подстраиваемыми параметрами),
Мн - аддитивная помеха, F(t) - мультиактивная помеха.
Функционирует система следующим образом.
С выхода задатчика входного сигнала 22 поступает на вход ПИД-регулятора 24 сигнал задания g(t) адаптивной системы управления.
Далее сигнал управления U(t) с выхода ПИД-регулятора 24 через цифро-аналоговый преобразователь 23 поступает на вход электродвигателя 8.
Через цифровой датчик угловой скорости 12 в виде отрицательной обратной связи сигнал угловой скорости ω(t) с выхода электродвигателя 8 поступает на вход первого сумматора 21 ПИД-регулятора 24.
Пропорциональная (П) составляющая ПИД-регулятора 24 формируется последовательным соединением третьего усилителя 2, первого блока умножения 3 и второго сумматора 7.
Четвертый усилитель 4, дифференциатор 5 и второй блок умножения 6 формируют дифференциальную составляющую (Д), а первый усилитель 9 и интегратор 10 - интегральную (И) составляющую ПИД-регулятора 24.
На электродвигатель 8 в процессе функционирования действует мультипликативная помеха F(t) и аддитивная помеха Мн в виде изменяющегося момента нагрузки.
Мультипликативная помеха F(t) изменяет коэффициенты дифференциального уравнения, описывающего работу электродвигателя 8, а аддитивная - непосредственно действует на выходную величину угловой скорости ω(t).
Для компенсации действия помех F(t) и Мн осуществляется подстройка параметров П и Д составляющих ПИД-регулятора посредством первого блока умножения 3 и второго блока умножения 6 соответственно.
Для этого в ассоциативной памяти 1 записана гиперповерхность в соответствии с формулой
где τ - период квантования, Тм, Тэ - электромеханическая и электрическая постоянные времени электродвигателя 8 соответственно.
а
Значение [n] формируется с помощью второго усилителя 11, четвертого сумматора 13 и второго блока определения модуля 14, b[n] - с помощью первого блока задержки 15, пятого сумматора 16 и третьего блока определения модуля 17, а c[n] - с помощью первого блока задержки 15, второго блока задержки 18, третьего сумматора 19 и первого блока определения модуля 20.
a
д
п
Значения [n], b[n] и c[n] являются адресом для ассоциативной памяти 1 для выбора соответствующих значений Тм [n] для расчета коэффициентов усиления дифференциального k[n] и пропорционального k[n] каналов в составе ПИД-регулятора 24.
где n - номер шага квантования.
п
д
На выходе ассоциативной памяти 1 получается значение Тм [n], которое используется для подачи на входы первого 3 и второго 6 блоков умножения для вычисления k[n] и k[n] по формулам 2.
Для обеспечения устойчивости системы управления электродвигателем 8 потребуем, чтобы ее передаточная функция имела один отрицательный полюс на комплексной плоскости корней. В этом случае желаемая передаточная функция будет иметь вид
ж
где Т - желаемая постоянная времени, a s - оператор Лапласа.
рег
ж
В этом случае переходные процессы в системе будут устойчивыми, без перерегулирования и с заданным временем регулирования t=5Т.
Основной контур управления, состоящий из соединения ПИД-регулятора 24, цифро-аналогового преобразователя 23, электродвигателя 8 и цифрового датчика угловой скорости 12, будет иметь два нуля и три полюса на комплексной плоскости корней. Путем подбора коэффициентов ПИД-регулятора 24 можно компенсировать влияние двух нулей действием двух полюсов, что и приведет к тому, что передаточная функция замкнутого основного контура управления будет иметь один отрицательный полюс.
и
д
п
Эти соображения приводят к тому, что коэффициенты k, k[n] и k[n] будут вычисляться в соответствии с уравнениями (2).
Процедура внесения в ассоциативную память 1 информации для идентификации параметров электродвигателя 8 при различных значениях возмущений F(t) и Мн при различных входных воздействиях U(t) описана в [2] и заключается в следующем.
Для предварительного заполнения ассоциативной памяти 1 выберем следующие диапазоны изменения целочисленных значений
Ищем значения гиперповерхности по формуле (1), которые являются, по сути, идентифицированным значением электромеханической постоянной времени Тм, которая характеризует инерционные свойства и входит в передаточную функцию электродвигателя 8
где k - статический коэффициент передачи электродвигателя.
хх
12
Для примера, при использовании электродвигателя 8 с угловой скоростью холостого хода ω=100 об/с и цифрового датчика с коэффициентом передачи 2, периода квантования τ=0,001 с и диапазона изменения электромеханической постоянной времени Тм=0,001÷1 с максимальные значения адресов ассоциативной памяти равны
Изобретательский уровень предложенного технического решения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности и запасов устойчивости по амплитуде и фазе адаптивной системы управления электродвигателем при действии на него координатно-параметрических помех, изменяющихся в широких пределах.
Литература
1. П.Д. Крутько. Обратные задачи динамики в теории автоматического управления. Цикл лекций: Учебное пособие для вузов. - М.: Машиностроение, 2004, с. 167 (прототип).
2. Интеллектуальные системы автоматического управления / под ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина. - М.: Физматлит, 2001, стр. 221.