ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМЫЙ ПОЗИЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ НА БАЗЕ ИНЕРЦИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПРИ УПРУГОМ ВАЛОПРОВОДЕ
SOFTWARE PROGRAMMABLE POSITIONAL ELECTRIC DRIVE WITH IMPROVED CHARACTERISTICS BASED ON INERTIAL CONVERTER WITH ELASTIC SHAFTING

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в промышленных установках для отработки позиционными электроприводами с упругими валопроводами и инерционными преобразователями заданных диаграмм перемещения.
Аналогом заявляемого устройства является электропривод с линейным (параболическим) регулятором /Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами. / Под ред. В.И.Круповича, Ю.Г.Барыбина, М.Л.Самовера. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1982. - 416 с. - С.206-208/.
Аналог имеет следующие недостатки: статические ошибки контуров регулирования частоты вращения (ЧВ) и положения, обусловленные нерациональным выбором его структуры и параметров.
Наиболее близким к заявляемому программно-управляемому позиционному электроприводу с улучшенными характеристиками на базе инерционного преобразователя при упругом валопроводе является программно-управляемый электропривод на базе инерционного преобразователя с типовыми регуляторами и корректором тока при упругом валопроводе / Добробаба Ю.П., Барандыч В.Ю. Синтез системы автоматического регулирования положения электропривода на базе инерционного преобразователя с типовыми регуляторами и корректором тока при идеальном валопроводе. // Изв. Вузов. Пищевая технология. - 2011. - №1. - С.76-78 /, который принимается за прототип.
Прототип содержит: командоаппарат, формирующий диаграммы перемещения электропривода, выход которого соединен с первым входом регулятора положения, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения соединен с входом фильтра контура регулирования частоты вращения, выполненного в виде апериодического блока, выход фильтра контура регулирования частоты вращения соединен с первым входом регулятора частоты вращения, выполненного в виде пропорционально-интегрального блока, выход регулятора частоты вращения соединен с входом фильтра контура регулирования тока, выполненного в виде дваждыпозиционного блока, выход фильтра контура регулирования тока соединен с первым входом регулятора тока, выполненного в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрального блока, выход регулятора тока соединен с входом корректора контура регулирования тока, выполненного в виде позиционного-пропорционально -дифференциального блока, выход корректора контура регулирования тока соединен с инерционным преобразователем, к выходу инерционного преобразователя подключен электродвигатель постоянного тока, соединенный упругим валопроводом с исполнительным органом механизма (ИОМ), датчик тока, выход которого соединен с четвертым входом регулятора тока, датчик частоты вращения электродвигателя, выход которого соединен с первым входом датчика косвенного измерения производной упругого момента, выход которого соединен с входом первого корректора сигнала обратной связи и с входом второго корректора сигнала обратной связи, первый корректор сигнала обратной связи выполнен в виде дваждыпозиционнного-пропорционального блока, второй корректор сигнала обратной связи выполнен в виде дваждыпозиционнно-дифференциального блока, выход первого корректора сигнала обратной связи соединен с третьим входом регулятора тока, выход второго корректора сигнала обратной связи соединен со вторым входом регулятора тока, датчик частоты вращения исполнительного органа механизма, выход которого соединен со вторым входом датчика косвенного измерения производной упругого момента и со вторым входом регулятора частоты вращения, датчик положения, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения.
Конструктивные особенности прототипа обуславливают следующие его недостатки: низкие быстродействия контуров регулирования скорости и положения, что не позволяет достичь высокой точности позиционирования исполнительного органа механизма при отработке заданных диаграмм перемещения.
Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении быстродействия контуров регулирования скорости вращения и положения.
Техническим результатом изобретения является программно-управляемый позиционный электропривод на базе инерционного преобразователя при упругом валопроводе с повышенным быстродействием системы автоматического регулирования положения электропривода, позволяющий улучшить точность позиционирования исполнительного органа механизма при отработке заданных диаграмм перемещения.
Указанный технический результат достигается предлагаемым программно-управляемым позиционным электроприводом с улучшенными характеристиками на базе инерционного преобразователя при упругом валопроводе, содержащим командоаппарат, формирующий диаграммы перемещения электропривода, выход командоаппарата соединен с входом фильтра контура регулирования положения, выполненного в виде пропорционального блока, выход фильтра контура регулирования положения соединен с первым входом регулятора положения, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения соединен с входом корректора контура регулирования положения, выполненного в виде позиционного-пропорционально-дифференциального блока, выход корректора контура регулирования положения соединен с входом фильтра контура регулирования ЧВ, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционально-дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования ЧВ соединен с первым входом регулятора ЧВ, выполненного в виде пропорционально-интегрального блока, выход регулятора ЧВ соединен с входом корректором контура регулирования ЧВ, выполненного в виде позиционного-пропорционально-дифференциального блока, выход корректора контура регулирования ЧВ соединен с входом фильтра контура регулирования тока, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционально-дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования тока соединен с первым входом регулятора тока, выполненного в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрального блока, выход регулятора тока соединен с входом корректора контура регулирования тока, выполненного в виде позиционного-пропорционально-дифференциального блока, выход корректора контура регулирования тока соединен с входом инерционного преобразователя, к выходу инерционного преобразователя подключен электродвигатель постоянного тока, соединенный упругим валопроводом с исполнительным органом механизма; датчик тока, выход которого соединен с четвертым входом регулятора тока; датчик частоты вращения электродвигателя, выход которого соединен с первым входом датчика косвенного измерения производной упругого момента, выход которого соединен с входом первого корректора сигнала обратной связи и с входом второго корректора сигнала обратной связи, первый корректор сигнала обратной связи выполнен в виде дваждыпозиционнного-пропорционального блока, второй корректор сигнала обратной связи выполнен в виде дваждыпозиционно-дифференциального блока, выход первого корректора сигнала обратной связи соединен с третьим входом регулятора тока, выход второго корректора сигнала обратной связи соединен со вторым входом регулятора тока; датчик частоты вращения исполнительного органа механизма, выход которого соединен со вторым входом датчика косвенного измерения производной упругого момента и со вторым входом регулятора частоты вращения; датчик положения, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения.
При разработке прототипа использован метод синтеза систем подчиненного регулирования по эталонным передаточным функциям, имеющим в числителе полином нулевой степени. Этот метод предусматривает, что каждый контур имеет по крайней мере такое количество регулируемых параметров, которое соответствует его порядку. Так как внутренние контуры всегда имеют порядок меньший, по сравнению с внешними, то для внутренних контуров обеспечение необходимого количества параметров не вызывает затруднений. Для внешних контуров требуемое количество варьируемых параметров не всегда физически реализуемо (основной недостаток).
В монографии / Универсальные эталонные передаточные функции систем / Ю.П.Добробаба, А.Г.Мурлин, В.А.Мурлина, Г.А.Кошкин, О.В.Акулов // Монография. - Краснодар: КубГТУ, 2000. - С.59-67 / разработана методика синтеза многоконтурных систем с улучшенными характеристиками, которая позволяет устранить указанный недостаток метода синтеза систем подчиненного регулирования по эталонным передаточным функциям за счет использования во внутренних контурах универсальной эталонной передаточной функции, имеющей в числителе полином первой степени. Такое решение, несмотря на увеличение числа варьируемых параметров во внутреннем контуре, позволяет из полученного семейства внутренних контуров выбрать такое, при котором часть необходимых для синтеза внешнего контура условий выполняется автоматически, что приводит к уменьшению числа варьируемых параметров во внешнем контуре.
Программно-управляемый электропривод с идеальным валопроводом представляют в виде одномассовой электромеханической системы.
Фильтр контура регулирования положения, выполненный в виде апериодического блока, имеет передаточную функцию
кп
где τ - постоянная времени фильтра контура регулирования положения;
p - комплексный параметр преобразования Лапласа.
Корректор контура регулирования положения, выполненный в виде позиционного-пропорционально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
кп
где Т - постоянная времени корректора контура регулирования положения.
Фильтр контура регулирования ЧВ, выполненный в виде дваждыпозиционного-пропорционально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
чв
где τ - постоянная времени фильтра контура регулирования ЧВ;
рчв
τ - постоянная времени регулятора ЧВ;
кчв
τ - постоянная времени корректора контура ЧВ.
Регулятор ЧВ, выполненный в виде пропорционального-интегрального блока, имеет передаточную функцию
рчв
где β - динамический коэффициент регулятора ЧВ.
Корректор контура регулирования ЧВ, выполненный в виде позиционного-пропорционально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
кчв
где Т - постоянная времени корректора контура регулирования ЧВ;
Фильтр контура регулирования тока, выполненный в виде дваждыпозиционного-пропорционально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
т
где τ - постоянная времени фильтра контура регулирования тока;
рт
рт
Т, τ - постоянные времени регулятора тока.
Регулятор тока, выполненный в виде пропорционально-интегрального-дваждыинтегрального блока, имеет передаточную функцию
рт
где β - динамический коэффициент регулятора тока.
Корректор контура регулирования тока, выполненный в виде позиционного-пропорционально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
кт
кт
где Т, τ - постоянные времени корректора контура регулирования тока.
Первый корректор обратных связей, выполненный в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, имеет передаточную функцию
Второй корректор обратных связей, выполненный в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
му
Т - постоянная времени второго корректора обратных связей.
Таким образом, дополнительная установка фильтра контура регулирования положения, корректора контура регулирования положения и корректора контура регулирования ЧВ, а также изменение передаточных функций фильтра контура регулирования ЧВ и фильтра контура регулирования тока позволило получить передаточные функции контуров регулирования тока, ЧВ и положения по управляющему и возмущающему воздействиям заявляемого устройства в виде:
я
I - ток якорной цепи электродвигателя;
зт
U - задающее напряжение контура регулирования тока;
от
K - коэффициент обратной связи по току;
у
М - упругий момент;
м
С - коэффициент пропорциональности между током и моментом электродвигателя;
1
J - момент инерции электропривода;
2
J - момент инерции ИОМ;
с
М - момент сопротивления электропривода;
2
ω - ЧВ ИОМ;
зчв
U - задающее напряжение контура регулирования ЧВ электропривода;
очв
К - коэффициент обратной связи по ЧВ;
µ
T - некомпенсированная постоянная времени инерционного преобразователя;
2
φ - угол поворота ИОМ;
зп
U - задающее напряжение контура регулирования положения;
оп
К - коэффициент обратной связи по положению электропривода;
у
С - жесткость валопровода.
кт
µ
кт
рт
рт
му
µ
Так как постоянная времени корректора тока τ равна постоянной времени инерционного преобразователя T, то передаточная функция контура регулирования тока прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования тока - упругий момент» представляет собой передаточную функцию шестого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. Так как из необходимых шести варьируемых параметров имеются шесть Т,  β, τ,  и τ, то за счет рационального выбора их значений удается привести передаточную функцию контура регулирования тока по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени T.
рчв
рчв
µ
Передаточная функция контура регулирования ЧВ прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования ЧВ-ЧВ электропривода» представляет собой передаточную функцию восьмого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. Так как из необходимых восьми варьируемых параметров имеются два β и τ, то за счет рационального выбора их значений удается привести передаточную функцию контура регулирования ЧВ по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени 4Т.
рп
µ
Передаточная функция контура регулирования положения прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования положения - угол поворота электропривода» представляет собой передаточную функцию девятого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. Так как из необходимых девяти варьируемых параметров имеется один варьируемый параметр - коэффициент усиления регулятора положения К, то за счет рационального выбора его значения удается привести передаточную функцию контура положения по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени 8Т.
кт
µ
рт
рт
рт
кт
т
µ
Так как постоянная времени корректора тока τ заявляемого устройства равна постоянной времени тиристорного преобразователя T, то передаточная функция контура регулирования тока заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования тока-упругий момент» представляет собой передаточную функцию шестого порядка, имеющую в числителе полином первой степени. Так как из необходимых семи варьируемых параметров имеются все семь β, τ, Т, Т, τ, то за счет рационального выбора их значений удается привести передаточную функцию контура регулирования тока по каналу управления к универсальному эталонному виду с постоянной времени T.
кчв
т
рчв
кчв
рчв
чв
µ
Так как постоянная времени корректора ЧВ Т заявляемого устройства равна постоянной времени фильтра контура регулирования тока τ, то передаточная функция контура регулирования ЧВ заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования ЧВ-ЧВ электропривода» представляет собой передаточную функцию восьмого порядка, имеющую в числителе полином первой степени. Так как из необходимых девяти варьируемых параметров имеются четыре τ, T, β, τ, а пять старших коэффициентов получаются автоматически, то за счет рационального выбора значений варьируемых параметров удается привести передаточную функцию контура регулирования ЧВ по каналу управления к универсальному эталонному виду с постоянной времени T.
кп
чв
рп
кп
µ
Так как постоянная времени корректора положения T, заявляемого устройства равна постоянной времени фильтра контура регулирования частоты вращения τ, то передаточная функция контура регулирования положения заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования положения - угол поворота электропривода» представляет собой передаточную функцию девятого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. Так как из девяти условий, необходимых для синтеза контура регулирования, автоматически получаются семь, то достаточно двух варьируемых параметров - K и τ, за счет рационального выбора их значения удается привести передаточную функцию контура положения по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени T.
Анализ передаточных функций контура регулирования тока, ЧВ и положения по управляющему воздействию программно-управляемого позиционного электропривода на базе инерционного преобразователя с типовыми регуляторами и корректором тока при упругом валопроводе и программно-управляемого позиционного электропривода с улучшенными характеристиками на базе инерционного преобразователя при упругом валопроводе показывает, что заявляемое устройство позволяет получить следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- увеличено быстродействие контура регулирования ЧВ в четыре раза;
- увеличено быстродействие контура регулировании положения в восемь раз.
На чертеже представлена структурная схема программно-управляемого позиционного электропривода с улучшенными характеристиками на базе инерционного преобразователя при упругом валопроводе.
Программно-управляемый позиционный электропривод с улучшенными характеристиками на базе инерционного преобразователя при упругом валопроводе содержит командоаппарат 1, формирующий диаграммы перемещения электропривода, выход командоаппарата 1 соединен с входом фильтра контура регулирования положения 2, выполненного в виде пропорционального блока, выход фильтра контура регулирования положения 2 соединен с первым входом регулятора положения 3, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения 3 соединен с входом корректора контура регулирования положения 4, выполненного в виде позиционного-пропорционально-дифференциального блока, выход корректора контура регулирования положения 4 соединен с входом фильтра контура регулирования ЧВ 5, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционально-дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования ЧВ 5 соединен с первым входом регулятора ЧВ 6, выполненного в виде пропорционально-интегрального блока, выход регулятора ЧВ 6 соединен с входом корректора контура регулирования ЧВ 7, выполненного в виде позиционного-пропорционально-дифференциального блока, выход корректора контура регулирования ЧВ 7 соединен с входом фильтра контура регулирования тока 8, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционально-дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования тока 8 соединен с первым входом регулятора тока 9, выполненного в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрального блока, выход регулятора тока 9 соединен с входом корректора контура регулирования тока 10, выполненного в виде позиционного-пропорционально-дифференциального блока, выход корректора контура регулирования тока 10 соединен с входом инерционного преобразователя 11, к выходу инерционного преобразователя 11 подключен электродвигатель постоянного тока 12, соединенный упругим валопроводом 13 с исполнительным органом механизма 14; датчик тока 15, выход которого соединен с четвертым входом регулятора тока 9; датчик частоты вращения электродвигателя 16, выход которого соединен с первым входом датчика косвенного измерения производной упругого момента 17, выход которого соединен с входом первого корректора сигнала обратной связи 18 и с входом второго корректора сигнала обратной связи 19, первый корректор сигнала обратной связи 18 выполнен в виде дваждыпозиционнного-пропорционального блока, второй корректор сигнала обратной связи 19 выполнен в виде дваждыпозиционнно-дифференциального блока, выход первого корректора сигнала обратной связи 18 соединен с третьим входом регулятора тока 9, выход второго корректора сигнала обратной связи 19 соединен со вторым входом регулятора тока 9; датчик частоты вращения исполнительного органа механизма 20, выход которого соединен со вторым входом датчика косвенного измерения производной упругого момента 17 и со вторым входом регулятора частоты вращения 6; датчик положения 21, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения 3.
Программно-управляемый позиционный электропривод с улучшенными характеристиками на базе инерционного преобразователя при упругом валопроводе работает следующим образом.
фкп
рп
кп
фкчв
рчв
кчв
фкт
у
фкт
кос1
кос2
рт
кт
Сигнал с выхода командоаппарата 1, представляющий собой задающее напряжение системы автоматического регулирования положения электропривода, поступает на вход фильтра контура регулирования положения 2, где преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода фильтра контура регулирования положения 2 поступает на первый вход регулятора положения 3, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по положению от датчика положения 21. Регулятор положения 3 сумму своих входных сигналов увеличивает в К раз. Сигнал с выхода регулятора положения 3, проходя через корректор контура регулирования положения 4, преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода корректора контура регулирования положения 4, представляющий собой задающее напряжение контура регулирования ЧВ, поступает на вход фильтра контура регулирования ЧВ 5, где преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода фильтра контура регулирования ЧВ 5 поступает на первый вход регулятора ЧВ 6, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по ЧВ от датчика ЧВ ИОМ 20. Регулятор ЧВ 6 сумму своих входных сигналов преобразует в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода регулятора ЧВ 6 поступает на вход корректора контура регулирования ЧВ 7, где преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода корректора контура регулирования ЧВ 7, представляющий собой задающее напряжение контура регулирования тока, поступает на вход фильтра контура регулирования тока 8, где преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал от датчика частоты вращения электродвигателя 16, пропорциональный ЧВ электродвигателя, и сигнал отрицательной обратной связи от выхода датчика частоты вращения исполнительного органа механизма 20, пропорциональный ЧВ ИОМ, поступают соответственно на первый и второй входы датчика косвенного измерения производной упругого момента 17. Датчик косвенного измерения производной упругого момента 17 сумму своих входных сигналов увеличивает в C раз. Сигнал с выхода датчика косвенного измерения производной упругого момента 17, пропорциональный первой производной упругого момента, поступает на вход первого корректора обратных связей 18 и на вход второго корректора обратных связей 19. Сигнал с выхода фильтра контура регулирования тока 8, преобразованный в соответствии с передаточной функцией W(p), поступает на первый вход регулятора тока 9. На второй и третий входы регулятора тока 9 поступают сигналы с первого корректора обратных связей 18, со знаком минус, и второго корректора обратных связей 19, преобразованные в соответствии с их передаточными функциями W(p) и W(p). На четвертый вход регулятора тока 9 поступает сигнал отрицательной обратной связи с выхода датчика тока 15, пропорциональный току якорной цепи электродвигателя. Регулятор тока 9 сумму своих входных сигналов преобразует в соответствии с передаточной функцией W(р). Сигнал с выхода регулятора тока 9 поступает на вход корректора контура регулирования тока 10. Сигнал с выхода корректора контура регулирования тока 10, преобразованный в соответствии с передаточной функцией W(p), поступает на вход инерционного преобразователя 11. Инерционный преобразователь 11 формирует зависимость напряжения, приложенного к якорной цепи электродвигателя 12, от времен. Электродвигатель 12 посредством упругого валопровода 13 приводит в действие ИОМ 14. Напряжение, приложенное к якорной цепи электродвигателя 12, определяется значением сигнала на выходе инерционного преобразователя.
Таким образом, качество управления программно-управляемого позиционного электропривода с улучшенными характеристиками на базе инерционного преобразователя при упругом валопроводе определяется настройкой фильтра контура положения, регулятора положения, корректора контура регулирования положения, фильтра контура ЧВ, регулятора ЧВ, корректора контура регулирования ЧВ, фильтра контура регулирования тока, регулятора тока, корректора контура регулирования тока, первого и второго корректоров обратных связей.