ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ИДЕАЛЬНЫМ ВАЛОПРОВОДОМ
PROGRAMME CONTROLLED ELECTRIC DRIVE WITH IDEAL SHAFT LINE

Изобретение относиться к электротехнике и может использоваться в промышленных установках для отработки позиционными электроприводами с идеальными валопроводами заданных программ перемещения.
Аналогом заявляемого устройства является программно-управляемый электропривод с типовыми регуляторами и идеальным валопроводом /Добробаба Ю.П., Литаш Б.С., Олейников А.А. Трехкратноинтегрирующая система автоматического регулирования положения электропривода с типовыми регуляторами и идеальным валопроводом // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2008. - №1. - С.84-86/.
Аналог имеет следующие недостатки: низкое быстродействие контуров регулирования частоты вращения и положения, что не позволяет достичь высокой точности позиционирования исполнительного органа механизма при отработке заданных диаграмм перемещения.
Наиболее близким к заявляемому программно-управляемому электроприводу с идеальным валопроводом является программно-управляемый электропривод с идеальным валопроводом /Пат. на изобретение №2370878, МПК Н02Р 7/00, G05B 11/36, G05B 13/02. Программно-управляемый электропривод с идеальным валопроводом / Ю.П.Добробаба, Б.С.Литаш // от 20.10.2009, бюл. №29/.
Прототип содержит командоаппарат, формирующий диаграммы перемещения электропривода, выход командоаппарата соединен с первым входом регулятора положения, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения соединен со входом фильтра контура регулирования частоты вращения, выполненного в виде дважды позиционного пропорционального блока, выход фильтра контура регулирования частоты вращения соединен с первым входом регулятора частоты вращения, выполненного в виде позиционного пропорционально-интегрально-дифференциального блока, выход регулятора частоты вращения соединен со входом фильтра контура регулирования тока, выполненного в виде дважды позиционного пропорционального блока, и со входом корректора контура регулирования тока, выполненного в виде дважды позиционного дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования тока соединен с первым входом алгебраического сумматора, выход корректора контура регулирования тока соединен со вторым входом алгебраического сумматора, выход алгебраического сумматора соединен с первым входом регулятора тока, выполненного в виде пропорционально-интегрально-дважды интегрального блока, выход регулятора тока соединен со входом безынерционного преобразователя, к выходу безынерционного преобразователя подключен электродвигатель постоянного тока, механически соединенный с исполнительным органом механизма, датчик тока, выход которого соединен со вторым входом регулятора тока, датчик частоты вращения, выход которого соединен со вторым входом регулятора частоты вращения, датчик положения, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения.
Конструктивные особенности прототипа позволили достичь предельно возможного быстродействия контура регулирования частоты вращения, но при этом быстродействие контура регулирования положения в два раза меньше, чем его предельно возможное быстродействие. Этот недостаток не позволяет достичь высокой точности позиционирования исполнительного органа механизма при отработке заданных диаграмм перемещения.
Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении быстродействия контура регулирования положения.
Техническим результатом изобретения является повышение точности позиционирования исполнительного органа механизма программно-управляемого электропривода с идеальным валопроводом при отработке заданных диаграмм перемещения.
Указанный технический результат достигается предлагаемым программно-управляемым электроприводом с идеальным валопроводом, содержащим командоаппарат, формирующий диаграммы перемещения электропривода, регулятор положения, выход регулятора положения соединен со входом фильтра контура регулирования частоты вращения, выполненного в виде дважды позиционного пропорционального блока, регулятор частоты вращения, выполненный в виде позиционного пропорционально-интегрально-дифференциального блока, выход регулятора частоты вращения соединен со входом фильтра контура регулирования тока, выполненного в виде дважды позиционного пропорционального блока, выход регулятора частоты вращения соединен со входом корректора контура регулирования тока, выполненного в виде дважды позиционного дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования тока соединен с первым входом первого алгебраического сумматора, выход корректора контура регулирования тока соединен со вторым входом первого алгебраического сумматора, выход первого алгебраического сумматора соединен с первым входом регулятора тока, выполненного в виде пропорционально-интегрально-дважды интегрального блока, выход регулятора тока соединен со входом безынерционного преобразователя, к выходу безынерционного преобразователя подключен электродвигатель постоянного тока, механически соединенный с исполнительным органом механизма, датчик тока, выход которого соединен со вторым входом регулятора тока, датчик частоты вращения, выход которого соединен со вторым входом регулятора частоты вращения, датчик положения, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения, фильтр контура регулирования положения, выполненный в виде позиционного блока, корректор контура регулирования частоты вращения, выполненный в виде дважды позиционного дифференциального блока, второй алгебраический сумматор, выход командоаппарата соединен с входом фильтра контура регулирования положения, выход фильтра контура регулирования положения соединен с первым входом регулятора положения, выход фильтра контура регулирования частоты вращения соединен с первым входом второго алгебраического сумматора, выход регулятора положения соединен со входом корректора контура регулирования частоты вращения, выход корректора контура регулирования частоты вращения соединен со вторым входом второго алгебраического сумматора, выход второго алгебраического сумматора соединен с первым входом регулятора частоты вращения, регулятор положения выполнен в виде позиционного пропорционально-дифференциального блока.
Известен 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 варьируемых параметров, которое соответствует его порядку. Так как внутренние контуры всегда имеют порядок, меньший, по сравнению с внешними, то для внутренних контуров обеспечение необходимого количества варьируемых 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 внутреннем контуре универсальной эталонной передаточной функции, имеющей в числителе полином первой степени. Такое решение, несмотря на увеличение числа варьируемых параметров во внутреннем контуре (что не вызывает особых затруднений), позволяет из полученного семейства передаточных функций внутренних контуров выбрать такой, при котором часть необходимых для синтеза внешнего контура условий выполняется автоматически, что приводит к уменьшению варьируемых параметров во внешнем контуре.
Фильтр контура регулирования положения, выполненный в виде позиционного блока, имеет передаточную функцию
рп
где τ - постоянная времени регулятора положения;
р - комплексный параметр преобразования Лапласа.
Регулятор положения, выполненный в виде позиционного пропорционально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
рп
где k - коэффициент регулятора положения;
р - постоянная времени регулятора положения.
Фильтр контура регулирования частоты вращения, выполненный в виде дважды позиционного пропорционального блока, имеет передаточную функцию
рчв
рчв
где Т, τ - постоянная времени регулятора частоты вращения.
Корректор контура регулирования частоты вращения, выполненный в виде дважды позиционного дифференциального блока, имеет передаточную функцию
чв
где τ- постоянная времени корректора контура регулирования частоты вращения.
Регулятор частоты вращения, выполненный в виде позиционного пропорционально-интегрально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
рчв
где β - динамический коэффициент регулятора частоты вращения;
т
τ - постоянная времени корректора контура регулирования тока.
Фильтр контура регулирования тока, выполненный в виде дважды позиционного пропорционального блока, имеет передаточную функцию
рт
рт
где Т, τ - постоянная времени регулятора тока.
Корректор контура регулирования тока, выполненный в виде дважды позиционного дифференциального блока, имеет передаточную функцию
Регулятор тока, выполненный в виде пропорционально-интегрально-дважды интегрального блока, имеет передаточную функцию
рт
где β - динамический коэффициент регулятора тока.
Таким образом, перенастройка регулятора тока, фильтра контура регулирования тока, корректора контура регулирования тока, регулятора частоты вращения и фильтра контура регулирования частоты вращения, дополнительная установка фильтра контура регулирования положения, корректора контура регулирования частоты вращения и второго алгебраического сумматора, а также изменение передаточной функции регулятора положения позволили получить передаточные функции контуров регулирования тока, частоты вращения и положения по управляющему и возмущающему воздействиям заявляемого устройства в виде:
где
1
µ
B=T;
я
где I - ток якорной цепи электродвигателя;
зт
U - задающее напряжение контура регулирования тока;
от
К, - коэффициент обратной связи по току;
ω - частоты вращения электропривода;
зчв
U - задающее напряжение контура регулирования частоты вращения электропривода;
очв
К - коэффициент обратной связи по частоте вращения;
φ - угол поворота электропривода;
зп
U - задающее напряжение контура регулирования положения;
оп
К - коэффициент обратной связи по положению электропривода;
с
М - момент сопротивления электропривода;
µ
Т - некомпенсированная постоянная времени;
J - момент инерции электропривода;
e
C - коэффициент пропорциональности между скоростью и эдс электродвигателя;
м
С - коэффициент пропорциональности между током и моментом электродвигателя;
я
L - индуктивность якорной цепи электродвигателя.
рт
рт
рт
т
µ
рчв
рчв
рчв
µ
pп
µ
Передаточная функция контура регулирования тока прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования тока - ток якорной цепи электродвигателя» представляет собой передаточную функцию третьего порядка, имеющую в числителе полином первой степени. Так как из необходимых четырех параметров имеются все четыре β, τ, Т и τ, то за счет рационального выбора их значений удается привести передаточную функцию контура регулирования тока прототипа по каналу управления к универсальному эталонному виду с постоянной времени Т. Передаточная функция контура регулирования частоты вращения прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования частоты вращения - частота вращения электропривода» представляет собой передаточную функцию пятого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. При этом из пяти условий, необходимых для синтеза контура регулирования частоты вращения прототипа, два условия выполняются автоматически, поэтому требуется только три варьируемых параметра. За счет рационального выбора значений варьируемых параметров β, τ, Т удается привести передаточную функцию контура регулирования частоты вращения прототипа по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени Т. Передаточная функция контура регулирования положения прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования положения - угол поворота электропривода» представляет собой передаточную функцию шестого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. Так как из необходимых шести варьируемых параметров имеется только один варьируемый параметр k, то за счет рационального выбора его значения удается привести передаточную функцию контура регулирования положения прототипа по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени 2T.
рт
рт
рт
т
µ
рчв
рчв
рчв
чв
µ
pп
рп
рп
µ
Передаточная функция контура регулирования тока заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования тока - ток якорной цепи электродвигателя» представляет собой передаточную функцию третьего порядка, имеющую в числителе полином первой степени. Так как из необходимых четырех варьируемых параметров имеются все четыре β, τ, Т и τ то за счет рационального выбора их значений удается привести передаточную функцию контура регулирования тока заявляемого устройства по каналу управления к универсальному эталонному виду с постоянной времени T. Передаточная функция контура регулирования частоты вращения заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования частоты вращения - частота вращения электропривода» представляет собой передаточную функцию пятого порядка, имеющую в числителе полином первой степени. При этом из шести условий, необходимых для синтеза контура регулирования частоты вращения заявляемого устройства, два условия выполняются автоматически, поэтому требуется только четыре варьируемых параметра. За счет рационального выбора значений варьируемых параметров β, τ, Т и τ удается привести передаточную функцию контура регулирования частоты вращения заявляемого устройства по каналу управления к универсальному эталонному виду с постоянной времени T. Передаточная функция контура регулирования положения заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования положения - угол поворота электропривода» представляет собой передаточную функцию шестого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. При этом из шести условий, необходимых для синтеза контура регулирования положения заявляемого устройства, три условия выполняются автоматически, поэтому требуется только три варьируемых параметра. За счет рационального выбора значений варьируемых параметров k, τ, Т удается привести передаточную функцию контура регулирования положения по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени Т.
Анализ передаточных функций контуров регулирования тока, частоты вращения и положения заявляемого устройства и прототипа показывает, что заявляемое устройство позволяет получить следующее преимущество по сравнению с прототипом - увеличено быстродействие контура регулирования положения в 2 раза.
На чертеже представлена структурная схема программно-управляемого электропривода с идеальным валопроводом.
Программно-управляемый электропривод с идеальным валопроводом содержит командоаппарат 1, формирующий диаграммы перемещения электропривода, выход командоаппарата 1 соединен со входом фильтра контура регулирования положения 2, выполненного в виде позиционного блока, выход фильтра контура регулирования положения 2 соединен с первым входом регулятора положения 3, выполненного в виде позиционного пропорционально-дифференциального блока, выход регулятора положения 3 соединен со входом фильтра контура регулирования частоты вращения 4, выполненного в виде дважды позиционного пропорционального блока, и со входом корректора контура регулирования частоты вращения 12, выполненного в виде дважды позиционного дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования частоты вращения 4 соединен с первым входом второго алгебраического сумматора 5, выход корректора контура регулирования частоты вращения 12 соединен со вторым входом второго алгебраического блока 5, выход второго алгебраического блока 5 соединен с первым входом регулятора частоты вращения 6, выполненного в виде позиционного пропорционально-интегрально-дифференциального блока, выход регулятора частоты вращения 6 соединен со входом фильтра контура регулирования тока 7, выполненного в виде дважды позиционного пропорционального блока, и со входом корректора контура регулирования тока 13, выполненного в виде дважды позиционного дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования тока 7 соединен с первым входом первого алгебраического сумматора 8, выход корректора контура регулирования тока 13 соединен со вторым входом первого алгебраического сумматора 8, выход первого алгебраического сумматора 8 соединен с первым входом регулятора тока 9, выполненного в виде пропорционально-интегрально-дважды интегрального блока, выход регулятора тока 9 соединен со входом безынерционного преобразователя 10, к выходу безынерционного преобразователя 10 подключен электродвигатель постоянного тока 11, механически соединенный с исполнительным органом механизма, датчик тока 14, выход которого соединен со вторым входом регулятора тока 9, датчик частоты вращения 15, выход которого соединен со вторым входом регулятора частоты вращения 6, датчик положения 1 6, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения 3.
Программно-управляемый электропривод с идеальным валопроводом работает следующим образом.
фкп
pп
фкчв
ккчв
рчв
фкт
ккт
pт
Сигнал с выхода командоаппарата 1, представляющий собой задающее напряжение системы автоматического регулирования положения электропривода, через фильтр контура регулирования положения 2 преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(p) и поступает на первый вход регулятора положения 3, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по положению от датчика положения 16. Регулятор положения 3 сумму своих входных сигналов преобразует в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода регулятора положения 3, представляющий собой задающее напряжение контура регулирования частоты вращения, проходя через фильтр контура регулирования частоты вращения 4, преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(р)и поступает на первый вход второго алгебраического сумматора 5. Сигнал с выхода регулятора положения 3, проходя через корректор контура регулирования частоты вращения 12, преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(p) и поступает на второй вход второго алгебраического сумматора 5. Сигнал с выхода второго алгебраического сумматора 5 поступает на первый вход регулятора частоты вращения 6, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по частоте вращения от датчика частоты вращения 15. Регулятор частоты вращения 6 сумму своих входных сигналов преобразует в соответствии с передаточной функцией W(р). Сигнал с выхода регулятора частоты вращения 6, представляющий собой задающее напряжение контура регулирования тока, проходя через фильтр контура регулирования тока 7, преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(p) и поступает на первый вход первого алгебраического сумматора 8. Сигнал с выхода регулятора частоты вращения 6, проходя через корректор контура регулирования тока 13, преобразуется в соответствии с передаточной функцией W(p) и поступает на второй вход первого алгебраического сумматора 8. Сигнал с выхода первого алгебраического сумматора 8 поступает на первый вход регулятора тока 9, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по току от датчика тока 14. Регулятор тока 9 сумму своих входных сигналов преобразует в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода регулятора тока 9 поступает на вход безынерционного преобразователя 10. Безынерционный преобразователь 10 формирует зависимость напряжения, приложенного к якорной цепи электродвигателя постоянного тока 11, от времени. Электродвигатель постоянного тока 11 приводит в движение исполнительный орган механизма посредством идеального валопровода. Напряжение, приложенное к якорной цепи электродвигателя постоянного тока 11, определяется значением сигнала на входе безынерционного преобразователя 10.
Таким образом, качество управления программно-управляемым электроприводом с идеальным валопроводом определяется настройкой регуляторов положения, частоты вращения и тока; фильтров контуров регулирования положения, частоты вращения и тока; корректоров контуров регулирования частоты вращения и тока.