УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ ДИАГРАММ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА МЕХАНИЗМА, УПРУГО СОЕДИНЕННОГО С ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ, С ОГРАНИЧЕНИЕМ ЧЕТВЕРТОЙ ПРОИЗВОДНОЙ СКОРОСТИ

Полезная модель относится к электротехнике и может использоваться в промышленных установках для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости.
Аналогом разработанного устройства является устройство для формирования диаграмм перемещения электропривода с ограничением первой и второй производных скорости /Пат. на полезную модель №32937, МПК 7 Н02Р 7/80. Устройство для формирования диаграмм перемещения электропривода с ограничением скорости и ее второй производной / Ю.П.Добробаба, В.А.Мурлина, Г.А.Кошкин, С.В.Добробаба, М.В.Мартыненко // от 27.09.2003, бюл. №27./.
Аналог реализован без учета упругости валопровода электропривода, поэтому его использование не позволяет реализовать оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости, а также отработать перемещения на малые расстояния.
Наиболее близким к заявляемому устройству для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости является устройством для формирования диаграмм перемещения электропривода с ограничением второй производной скорости /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 с вторым входом первого пропорционального блока, второй задатчик, выход которого соединен с входом блока, формирующего на выходе абсолютное значение своего входного сигнала, выход блока, формирующего на выходе абсолютное значение своего входного сигнала, соединен с входом второго пропорционального блока, выход второго пропорционального блока соединен с входом блока, формирующего на выходе значение корня третьей степени своего входного сигнала, выход блока, формирующего на выходе значение корня третьей степени своего входного сигнала, соединен с входом третьего пропорционального блока, с первым и вторым входами третьего блока произведения, выход третьего пропорционального блока соединен с 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 с вторым входом первого блока произведения, выход первого блока произведения соединен с четвертым входом первого пропорционального блока.
Прототип реализован без учета упругости валопровода электропривода, поэтому его использование не позволяет реализовать оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости, а также достичь высокой точности позиционирования исполнительного органа механизма.
Техническим результатом полезной модели является разработка устройства, формирующего оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости и позволяющее совместно с системой автоматического регулирования положения электропривода повысить его быстродействие, достичь необходимой интенсивности перемещения и, как следствие, увеличения производительности промышленных установок.
Технический результат достигается в устройстве для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости тем, что из известного устройства выведен блок, формирующий на выходе значение корня третьей степени своего входного сигнала, вход которого соединен с выходом второго пропорционального блока, а выход которого соединен с входом третьего пропорционального блока, с первым и вторым входами третьего блока произведения; в известное устройство введены четвертый интегральный блок, вход которого соединен с выходом блока, ограничивающего значение своего входного сигнала, выход четвертого интегрального блока соединен с входом пятого интегрального блока и с первым входом четвертого блока произведения, выход пятого интегрального блока соединен с входом первого интегрального блока
и с первым входом пятого блока произведения, блок, формирующего на выходе значение корня пятой степени своего входного сигнала, вход которого соединен с выходом второго пропорционального блока, а выход которого соединен с входом пятого пропорционального блока, пятый пропорциональный блок, выход которого соединен с входом третьего пропорционального блока, с первым и вторым входами третьего блока произведения, шестой блок произведения, первый вход которого соединен с выходом третьего блока произведения, а второй вход соединен с выходом пятого пропорционального блока, выход шестого блока произведения соединен с входом шестого пропорционального блока и с первым входом седьмого блока произведения, выход шестого пропорционального блока соединен со вторым входом пятого блока произведения, выход пятого блока произведения соединен с пятым входом первого пропорционального блока, второй вход седьмого блока произведения соединен с выходом пятого пропорционального блока, выход седьмого блока произведения соединен с входом седьмого пропорционального блока, выход седьмого пропорционального блока соединен со вторым входом четвертого блока произведения, выход четвертого блока произведения соединен с шестым входом первого пропорционального блока.
Оптимальная по быстродействию диаграмма перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости состоит из пяти этапов. При увеличении (уменьшении) угла поворота исполнительного органа механизма четвертая производная скорости последнего на этапах первом, третьем и пятом равна положительному (отрицательному) максимально допустимому значению ; на этапах втором и четвертом равна отрицательному (положительному) максимально допустимому значению . Длительность первого и пятого этапов равна . Длительность второго и четвертого этапов равна . Длительность третьего этапа равна .
Область существования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости ограничивается условиями:
доп
я1
доп
-I≤I≤I;
доп
я3
доп
-I≤I≤I,
доп
где I - допустимое значение тока якорной цепи электродвигателя, А;
я1
я3
1
1
2
3
I, I - значения тока якорной цепи электродвигателя в моменты времени t и (t+t+t), A.
я1
я3
Значения I и I определяются из соотношений:
c
где M - момент сопротивления, Н·м;
м
С - коэффициент пропорциональности между током и моментом электродвигателя, B·с;
1
2
J - момент инерции электродвигателя, кг·м;
2
2
J - момент инерции исполнительного органа механизма, кг·м;
у
С - жесткость валопровода, .
На фиг.1 представлена структурная схема устройства для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости.
Устройство для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости содержит первый задатчик 1, выход которого соединен с первым входом первого пропорционального блока 2, выход первого пропорционального блока 2 соединен с входом блока, ограничивающего значение своего входного сигнала 3, первый интегральный блок 4, выход которого соединен с входом второго интегрального блока 5 и с первым входом первого блока произведения 15, выход второго интегрального блока 5 соединен с входом третьего интегрального блока 6 и с первым входом второго блока произведения 14, выход третьего интегрального блока 6 соединен со вторым входом первого пропорционального блока 2, второй задатчик 7, выход которого соединен с входом блока, формирующего на выходе абсолютное значение своего входного сигнала 8, выход блока, формирующего на выходе абсолютное значение своего входного сигнала 8, соединен с входом второго пропорционального блока 9, выход второго пропорционального блока 9 соединен с входом блока, формирующего на выходе значение корня пятой степени своего входного сигнала 10, третий пропорциональный блок 11, выход которого соединен со вторым входом второго блока произведения 14, выход второго блока произведения соединен с третьим входом первого пропорционального блока 2, третий блок произведения 12, выход которого соединен с входом четвертого пропорционального блока 13, выход четвертого пропорционального блока 13 соединен со вторым входом первого блока произведения 15, выход первого блока произведения 15 соединен с четвертым входом первого пропорционального
блока 2, четвертый интегральный блок 16, вход которого соединен с выходом блока, ограничивающего значение своего входного сигнала 3, выход четвертого интегрального блока 16 соединен с входом пятого интегрального блока 17 и с первым входом четвертого блока произведения 24, выход пятого интегрального блока 17 соединен с входом первого интегрального блока 4 и с первым входом пятого блока произведения 22, пятый пропорциональный блок 18, вход которого соединен с выходом блока, формирующего на выходе значение корня пятой степени своего входного сигнала 10, выход пятого пропорционального блока 18 соединен с входом третьего пропорционального блока 11, с первым и вторым входами третьего блока произведения 12, шестой блок произведения 19, первый вход которого соединен с выходом третьего блока произведения 12, а второй вход соединен с выходом пятого пропорционального блока 18, выход шестого блока произведения 19 соединен с входом шестого пропорционального блока 20 и с первым входом седьмого блока произведения 21, выход шестого пропорционального блока 20 соединен со вторым входом пятого блока произведения 22, выход пятого блока произведения 22 соединен с пятым входом первого пропорционального блока 2, второй вход седьмого блока произведения 21 соединен с выходом пятого пропорционального блока 18, выход седьмого блока произведения 21 соединен с входом седьмого пропорционального блока 23, выход седьмого пропорционального блока 23 соединен со вторым входом четвертого блока произведения 24, выход четвертого блока произведения 23 соединен с шестым входом первого пропорционального блока 2.
Устройство для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости работает следующим образом. На входы первого пропорционального блока 2 подается сигнал с первого задатчика 1, пропорциональный величине заданного перемещения электропривода, и сигналы обратных отрицательных связей: пропорциональный углу поворота исполнительного органа механизма; пропорциональный произведению выходного сигнала третьего пропорционального блока 11 и сигнала, пропорционального скорости исполнительного органа механизма; пропорциональный произведению выходного сигнала четвертого пропорционального блока 13 и сигнала, пропорционального первой производной скорости исполнительного органа механизма; пропорциональный произведению выходного сигнала шестого пропорционального блока 20 и сигнала, пропорционального второй производной скорости исполнительного органа механизма; пропорциональный произведению выходного сигнала седьмого пропорционального блока 23 и сигнала, пропорционального третьей производной скорости исполнительного органа механизма. Первый пропорциональный блок 2 усиливает сигнал, поступающий на его входы. Блок, ограничивающий значение своего входного сигнала 3, ограничивает сигнал, поступающий с первого пропорционального блока 2, до величины . Четвертый интегральный блок 16 интегрирует сигнал, поступающий с блока,
ограничивающий значение своего входного сигнала 3. Пятый интегральный блок 17 интегрирует сигнал, поступающий с четвертого интегрального блока 16. Первый интегральный блок 4 интегрирует сигнал, поступающий с пятого интегрального блока 17. Второй интегральный блок 5 интегрирует сигнал, поступающий с первого интегрального блока 4. Третий интегральный блок 6 интегрирует сигнал, поступающий с второго интегрального блока 5. Выходной сигнал второго задатчика 7, пропорциональный величине приращения заданного перемещения электропривода, поступает на вход блока, формирующего на выходе абсолютное значение своего входного сигнала 8. Второй пропорциональный блок 9 усиливает сигнал с блока, формирующего на выходе абсолютное значение своего входного сигнала 8, поступающий на его вход. На вход блока, формирующего на выходе значение корня пятой степени своего входного сигнала 10, поступает сигнал с второго пропорционального блока 9. Пятый пропорциональный блок 18 усиливает сигнал, поступающий с блока, формирующего на выходе значение корня пятой степени своего входного сигнала 10. Третий пропорциональный блок 11 усиливает сигнал, поступающий с пятого пропорционального блока 18. Четвертый пропорциональный блок 13 усиливает сигнал, равный произведению самого на себя сигнала, поступающего с пятого пропорционального блока 18. Шестой пропорциональный блок 20 усиливает сигнал, равный произведению сигналов, поступающих с третьего блока произведения 12 и с пятого пропорционального блока 18. Седьмой пропорциональный блок 23 усиливает сигнал, равный произведению сигналов, поступающих с шестого блока произведения 19 и с пятого пропорционального блока 18.
1
1
1
1
2
1
2
1
2
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
При подаче сигнала, соответствующего величине заданного перемещения, с первого задатчика 1 на первый вход первого пропорционального блока 2, и сигнала, равного величине приращения заданного перемещения, с второго задатчика 7 на вход блока, формирующего на выходе абсолютное значение своего входного сигнала 8, в интервале времени 0<t≤t выходной сигнал блока ограничения 3 равен . В момент времени t=t сумма входных сигналов пропорционального блока 2 меняет свой знак с плюса на минус, поэтому происходит переключение в блоке ограничения 3. На интервале времени t<t≤(t+t) выходной сигнал блока ограничения 3 равен . В момент времени t=t+t сумма входных сигналов пропорционального блока 2 меняет свой знак с минуса на плюс, поэтому происходит переключение в блоке ограничения 3. На интервале времени (t+t)<t≤(t+t+t) выходной сигнал блока ограничения 3 равен . В момент времени t=t+t+t сумма входных сигналов пропорционального блока 2 меняет свой знак с плюса на минус, поэтому происходит переключение в блоке ограничения 3. На интервале времени (t+t+t)<t≤(t+t+t+t) выходной сигнал блока ограничения 3 равен
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
. В момент времени t=t+t+t+t сумма входных сигналов пропорционального блока 2 меняет свой знак с минуса на плюс, поэтому происходит переключение в блоке ограничения 3. На интервале времени (t+t+t+t)<t≤(t+t+t+t+t) выходной сигнал блока ограничения 3 равен . В момент времени t=t+t+t+t+t сумма входных сигналов пропорционального блока 2 становится равной нулю, поэтому выходной сигнал блока ограничения 3 равен нулю.
2
2
Оптимальная по быстродействию диаграмма перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости представлена на фиг.2-7, где приведены: зависимость угла поворота исполнительного органа механизма от времени φ(t) (фиг.2), зависимость скорости исполнительного органа механизма от времени ω(t) (фиг.3), зависимость первой производной скорости исполнительного органа механизма от времени  (фиг.4), зависимость второй производной скорости исполнительного органа механизма от времени  (фиг.3), зависимость третьей производной скорости исполнительного органа механизма от времени  (фиг.6), зависимость четвертой производной скорости исполнительного органа механизма от времени  (фиг.7).
КОН
НАЧ
Рассмотрен вопрос формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости, при выполнении условия φ>φ.
КОН
НАЧ
Предлагаемое устройство позволяет формировать оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости, при выполнении условия φ<φ.
Предлагаемое устройство обеспечивает формирование оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости для электроприводов с моментом сопротивления типа сухого трения и с активным неизменным моментом сопротивления.
Точность формируемых оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости определяется настройкой линейных блоков: пропорциональных и интегральных, а также блоков, ограничивающих значение своего входного сигнала и блоков произведения.
Разработан, реализован и экспериментально исследован задатчик интенсивности на базе программируемого контроллера, формирующий оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного
органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем, с ограничением четвертой производной скорости.