ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМЫЙ ПОЗИЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С УПРУГИМ ВАЛОПРОВОДОМ
SOFTWARE PROGRAMMABLE POSITION ELECTRIC DRIVE WITH ELASTIC SHAFT LINE

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в промышленных установках для отработки позиционными электроприводами с упругими валопроводами заданных программ перемещения.
Аналогом заявляемого устройства является программно-управляемый позиционный электропривод с типовыми регуляторами и упругим валопроводом /Добробаба Ю.П., Литаш Б.С., Олейников А.А. Трехкратноинтегрирующая система автоматического регулирования положения электропривода с типовыми регуляторами и упругим валопроводом. // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2008. - №5-6. - С.88-92/.
Аналог имеет следующие недостатки: низкие быстродействия 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 позиционному электроприводу с упругим валопроводом является программно-управляемый позиционный электропривод с упругим валопроводом /Ю.П.Добробаба, Б.С.Литаш. Программно-управляемый электропривод с упругим валопроводом. // Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2008147582/09(062271) от 02.12.2008/, который принимается за прототип.
Прототип содержит командоаппарат, формирующий диаграммы перемещения электропривода, выход командоаппарата 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 дваждыпозиционного-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 с входом фильтра контура регулирования тока, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, и с входом корректора контура регулирования тока, выполненного в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования тока соединен с первым входом алгебраического сумматора контура регулирования тока, выход корректора контура регулирования тока соединен со вторым входом алгебраического сумматора контура регулирования тока, выход алгебраического сумматора контура регулирования тока соединен с первым входом регулятора тока, выполненного в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрального блока, выход регулятора тока соединен с входом безынерционного преобразователя, к выходу безынерционного преобразователя подключен электродвигатель постоянного тока, соединенный упругим валопроводом с исполнительным органом механизма, датчик тока, выход которого соединен с первым входом алгебраического сумматора обратных связей, выход алгебраического сумматора обратных связей соединен со вторым входом регулятора тока, датчик частоты вращения электродвигателя, выход которого соединен с первым входом датчика косвенного измерения производной упругого момента, выполненного в виде пропорционального блока, выход датчика косвенного измерения производной упругого момента соединен с входом первого корректора обратных связей, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, выход первого корректора обратных связей соединен со вторым входом алгебраического сумматора обратных связей, второй корректор обратных связей, выполненный в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, выход датчика косвенного измерения производной упругого момента соединен с входом второго корректора обратных связей, выход второго корректора обратных связей соединен с третьим входом алгебраического сумматора обратных связей, 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 исполнительного органа механизма, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения.
При разработке прототипа использованы метод синтеза многоконтурных систем подчиненного регулирования по эталонным передаточным функциям и метод синтеза многоконтурных систем подчиненного регулирования с улучшенными характеристиками по универсальным эталонным передаточным функциям. Эталонная передаточная функция имеет в числителе полином нулевой степени. Используемая при разработке прототипа универсальная эталонная функция имеет в числителе полином первой степени. Метод синтеза многоконтурных систем подчиненного регулирования по эталонным передаточным функциям предусматривает, что каждый контур имеет по крайней мере такое количество варьируемых параметров, которое соответствует его порядку. Так как внутренние контуры всегда имеют порядок меньше, 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 метода). 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. - 74 с. См. с.59-67) разработан метод синтеза многоконтурных систем подчиненного регулирования с улучшенными характеристиками по универсальным эталонным передаточным функциям. Этот метод позволяет за счет использования во внутреннем контуре универсальной эталонной передаточной функции из полученного семейства внутренних контуров выбрать такой, при котором часть необходимых для синтеза внешнего контура условий выполняется автоматически. Такое решение несмотря на увеличение числа варьируемых параметров во внутреннем контуре (что не вызывает особых затруднений) приводит к уменьшению числа варьируемых параметров во внешнем контуре. У прототипа передаточная функция контура регулирования тока имеет вид универсальной эталонной передаточной функции, а передаточные функции контуров регулирования частоты вращения и положения имеют вид эталонных передаточных функций. Такие особенности прототипа обуславливают следующий его недостаток - низкое быстродействие контура регулирования положения, что не позволяет достичь высокой точности позиционирования исполнительного органа механизма при отработке заданных диаграмм перемещения.
Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении точности позиционирования исполнительного органа механизма при отработке заданных диаграмм перемещения.
Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия контура регулирования положения системы автоматического регулирования электропривода в два раза, позволяющее улучшить точность позиционирования исполнительного органа механизма при отработке заданных диаграмм перемещения.
Указанный технический результат достигается предлагаемым программно-управляемым позиционным электроприводом с упругим валопроводом, содержащим командоаппарат, формирующий диаграммы перемещения электропривода, регулятор положения, выход регулятора положения соединен с входом фильтра контура регулирования частоты вращения, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, регулятор частоты вращения, выполненный в виде позиционного-пропорционально-интегрально-дифференциального блока, выход регулятора частоты вращения соединен с входом фильтра контура регулирования тока, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, и с входом корректора контура регулирования тока, выполненного в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования тока соединен с первым входом алгебраического сумматора контура регулирования тока, выход корректора контура регулирования тока соединен со вторым входом алгебраического сумматора контура регулирования тока, выход алгебраического сумматора контура регулирования тока соединен с первым входом регулятора тока, выполненного в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрального блока, выход регулятора тока соединен с входом безынерционного преобразователя, к выходу безынерционного преобразователя подключен электродвигатель постоянного тока, соединенный упругим валопроводом с исполнительным органом механизма, датчик тока, выход которого соединен с первым входом алгебраического сумматора обратных связей, выход алгебраического сумматора обратных связей соединен со вторым входом регулятора тока, датчик частоты вращения электродвигателя, выход которого соединен с первым входом датчика косвенного измерения производной упругого момента, выполненного в виде пропорционального блока, выход датчика косвенного измерения производной упругого момента соединен с входом первого корректора обратных связей, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, выход первого корректора обратных связей соединен со вторым входом алгебраического сумматора обратных связей, второй корректор обратных связей, выполненный в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, выход датчика косвенного измерения производной упругого момента соединен с входом второго корректора обратных связей, выход второго корректора обратных связей соединен с третьим входом алгебраического сумматора обратных связей, 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 исполнительного органа механизма, 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 дваждыпозиционного-дифференциального блока, и алгебраический сумматор контура регулирования частоты вращения, причем выход командоаппарата соединен с входом фильтра контура регулирования положения, выход фильтра контура регулирования положения соединен с первым входом регулятора положения, выход регулятора положения соединен с входом корректора контура регулирования частоты вращения, выход фильтра контура регулирования частоты вращения соединен с первым входом алгебраического сумматора контура регулирования частоты вращения, выход корректора контура регулирования частоты вращения соединен со вторым входом алгебраического сумматора контура регулирования частоты вращения, выход алгебраического сумматора контура регулирования частоты вращения соединен с первым входом регулятора частоты вращения, регулятор положения выполнен в виде позиционного-пропорционально-дифференциального блока.
В предлагаемом программно-управляемом позиционном электроприводе с упругим валопроводом контуры регулирования тока и частоты вращения имеют универсальные эталонные передаточные функции, а контур регулирования положения имеет эталонную передаточную функцию.
Силовая часть программно-управляемого позиционного электропривода с упругим валопроводом представлена двухмассовой электромеханической системой.
Фильтр контура регулирования положения, выполненный в виде позиционного блока, имеет передаточную функцию
n
где τ - постоянная времени фильтра контура регулирования положения;
р - комплексный параметр преобразования Лапласа.
Регулятор положения, выполненный в виде позиционного-пропорционально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
pn
где k - коэффициент усиления регулятора положения;
чв
τ - постоянная времени корректора контура регулирования частоты вращения.
Фильтр контура регулирования частоты вращения, выполненный в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, имеет передаточную функцию
рчв
рчв
где Т, τ - постоянные времени регулятора частоты вращения.
Корректор контура регулирования частоты вращения, выполненный в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
Регулятор частоты вращения, выполненный в виде позиционного-пропорционально-интегрально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
рчв
где β - динамический коэффициент регулятора частоты вращения;
m
τ - постоянная времени корректора контура регулирования тока.
Фильтр контура регулирования тока, выполненный в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, имеет передаточную функцию
pm
pm
где T, τ, - постоянные времени регулятора тока.
Корректор контура регулирования тока, выполненный в виде дважды-позиционного-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
Регулятор тока, выполненный в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрального блока, имеет передаточную функцию
рm
где β - динамический коэффициент регулятора тока.
Первый корректор обратных связей, выполненный в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, имеет передаточную функцию
ому
где k - коэффициент обратной связи по упругому моменту;
му
τ - постоянная времени первого корректора обратных связей.
Второй корректор обратных связей, выполненный в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, имеет передаточную функцию
му
где Т - постоянная времени второго корректора обратных связей.
Таким образом, дополнительная установка фильтра контура регулирования положения, корректора контура регулирования частоты вращения, алгебраического сумматора контура регулирования частоты вращения; изменение передаточной функции регулятора положения; перенастройка регулятора частоты вращения, фильтра контура регулирования тока, корректора контура регулирования тока, регулятора тока, первого и второго корректоров обратных связей позволило получить передаточные функции контуров регулирования тока, частоты вращения и положения по управляющему и возмущающему воздействиям заявляемого устройства в виде:
я
I - ток якорной цепи электродвигателя;
зm
U - задающее напряжение контура регулирования тока;
om
k - коэффициент обратной связи по току;
у
M - упругий момент;
м
С - коэффициент пропорциональности между током и моментом
электродвигателя;
1
J - момент инерции электродвигателя;
2
J - момент инерции исполнительного органа механизма;
c
М - момент сопротивления электропривода;
2
ω - частота вращения исполнительного органа механизма;
зчв
U - задающее напряжение контура регулирования частоты вращения;
очв
k - коэффициент обратной связи по частоте вращения;
µ
Т - некомпенсированная постоянная времени;
2
φ - угол поворота исполнительного органа механизма;
зn
U - задающее напряжение контура регулирования положения;
on
k - коэффициент обратной связи по положению электропривода;
у
С - жесткость валопровода.
pm
pm
pm
му
му
m
µ
рчв
рчв
рчв
µ
pn
µ
Передаточная функция контура регулирования тока прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования тока - упругий момент» представляет собой передаточную функцию пятого порядка, имеющую в числителе полином первой степени. Так как из необходимых шести варьируемых параметров имеются все шесть β, τ, Т, 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 исполнительного органа механизма» представляет собой передаточную функцию седьмого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. При этом из семи условий, необходимых для синтеза контура регулирования частоты вращения прототипа, четыре 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 исполнительного органа механизма» представляет собой передаточную функцию восьмого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. Так как из необходимых восьми 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.
pm
pm
pm
му
му
m
µ
рчв
рчв
рчв
чв
µ
pn
n
µ
Передаточная функция контура регулирования тока заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования тока - упругий момент» представляет собой передаточную функцию пятого порядка, имеющую в числителе полином первой степени. Так как из необходимых шести варьируемых параметров имеются все шесть β, τ, Т, τ, T 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 Т. Передаточная функция контура регулирования частоты вращения заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования частоты вращения - частота вращения исполнительного органа механизма» представляет собой передаточную функцию седьмого порядка, имеющую в числителе полином первой степени. При этом из восьми условий, необходимых для синтеза контура регулирования частоты вращения заявляемого устройства, четыре 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 Т. Передаточная функция контура регулирования положения заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования положения - угол поворота исполнительного органа механизма» представляет собой передаточную функцию восьмого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. При этом из восьми условий, необходимых для синтеза контура регулирования положения заявляемого устройства, шесть условий выполняются автоматически, поэтому требуется только два варьируемых параметра. За счет рационального выбора значений варьируемых параметров k и τ удается привести передаточную функцию контура регулирования положения заявляемого устройства по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени T.
Анализ передаточных функций контуров регулирования тока, частоты вращения и положения по управляющему и возмущающему воздействиям заявляемого устройства и прототипа показывает, что у заявляемого устройства увеличено быстродействие контура регулирования положения в 2 раза по сравнению с прототипом.
На чертеже представлена структурная схема предлагаемого программно-управляемого позиционного электропривода с упругим валопроводом.
Программно-управляемый позиционный электропривод с упругим валопроводом содержит командоаппарат 1, формирующий диаграммы перемещения электропривода, выход командоаппарата 1 соединен с 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 с входом фильтра контура регулирования частоты вращения 4, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, и с входом корректора контура регулирования частоты вращения 14, выполненного в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования частоты вращения 4 соединен с первым входом алгебраического сумматора контура регулирования частоты вращения 5, выход корректора контура регулирования частоты вращения 14 соединен со вторым входом алгебраического сумматора контура регулирования частоты вращения 5, выход алгебраического сумматора контура регулирования частоты вращения 5 соединен с первым входом регулятора частоты вращения 6, выполненного в виде позиционного-пропорционально-интегрально-дифференциального блока, выход регулятора частоты вращения 6 соединен с входом фильтра контура регулирования тока 7, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, и с входом корректора контура регулирования тока 15, выполненного в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования тока 7 соединен с первым входом алгебраического сумматора контура регулирования тока 8, выход корректора контура регулирования тока 15 соединен со вторым входом алгебраического сумматора контура регулирования тока 8, выход алгебраического сумматора 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 безынерционного преобразователя 10, к выходу безынерционного преобразователя 10 подключен электродвигатель постоянного тока 11, соединенный упругим валопроводом 12 с исполнительным органом механизма 13, датчик тока 17, выход которого соединен с первым входом алгебраического сумматора обратных связей 16, выход алгебраического сумматора обратных связей 16 соединен со вторым входом регулятора тока 9, датчик частоты вращения электродвигателя 20, выход которого соединен с первым входом датчика косвенного измерения первой производной упругого момента 19, выполненного в виде пропорционального блока, выход датчика косвенного измерения производной упругого момента 19 соединен с входом первого корректора обратных связей 18, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, выход первого корректора обратных связей 18 соединен со вторым входом алгебраического сумматора обратных связей 16, второй корректор обратных связей 21, выполненный в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, выход датчика косвенного измерения производной упругого момента 19 соединен с входом второго корректора обратных связей 21, выход второго корректора обратных связей 21 соединен с третьим входом алгебраического сумматора обратных связей 16, датчик частоты вращения исполнительного органа механизма 22, выход которого соединен со вторым входом датчика косвенного измерения производной упругого момента 19 и со вторым входом регулятора частоты вращения 6, датчик положения исполнительного органа механизма 23, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения 3.
Программно-управляемый позиционный электропривод с упругим валопроводом работает следующим образом.
фкn
pn
фкчв
ккчв
рчв
фкm
ккm
1
2
pm
Сигнал с выхода командоаппарата 1, представляющий собой задающее напряжение системы автоматического регулирования положения электропривода, поступает на вход фильтра контура регулирования положения 2. Фильтр контура регулирования положения 2 свой входной сигнал преобразует в соответствии с передаточной функцией W(р). 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 исполнительного органа механизма от датчика положения исполнительного органа механизма 23. 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, поступает на вход фильтра контура регулирования частоты вращения 4 и на вход корректора контура регулирования частоты вращения 14. Фильтр контура регулирования частоты вращения 4 свой входной сигнал преобразует в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода фильтра контура регулирования частоты вращения 4 поступает на первый вход алгебраического сумматора контура регулирования частоты вращения 5. Корректор контура регулирования частоты вращения 14 свой входной сигнал преобразует в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода корректора контура регулирования частоты вращения 14 поступает на второй вход алгебраического сумматора контура регулирования частоты вращения 5. Сигнал с выхода алгебраического сумматора контура регулирования частоты вращения 5 поступает на первый вход регулятора частоты вращения 6, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по частоте вращения исполнительного органа механизма от датчика частоты вращения исполнительного органа механизма 22. Регулятор частоты вращения 6 сумму своих входных сигналов преобразует в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода регулятора частоты вращения 6, представляющий собой задающее напряжение контура регулирования тока, поступает на вход фильтра контура регулирования тока 7 и на вход корректора контура регулирования тока 15. Фильтр контура регулирования тока 7 свой входной сигнал преобразует в соответствии с передаточной функцией W(р). Сигнал с выхода фильтра контура регулирования тока 7 поступает на первый вход алгебраического сумматора контура регулирования тока 8. Корректор контура регулирования тока 15 свой входной сигнал преобразует в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода корректора контура регулирования тока 15 поступает на второй вход алгебраического сумматора контура регулирования тока 8. Сигнал с выхода алгебраического сумматора контура регулирования тока 8 поступает на первый вход регулятора тока 9. На первый вход алгебраического сумматора обратных связей 16 поступает сигнал отрицательной обратной связи по току от датчика тока 17. Сигнал от датчика частоты вращения электродвигателя 20 поступает на первый вход датчика косвенного измерения производной упругого момента 19. Сигнал от датчика частоты вращения исполнительного органа механизма 22 поступает со знаком минус на второй вход датчика косвенного измерения производной упругого момента 19. Датчик косвенного измерения производной упругого момента 19 сумму своих входных сигналов усиливает в k раз. Сигнал с выхода датчика косвенного измерения производной упругого момента 19 поступает на вход первого корректора обратных связей 18 и на вход второго корректора обратных связей 21. Первый корректор обратных связей 18 свой входной сигнал преобразует в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода первого корректора обратных связей 18 поступает со знаком минус на второй вход алгебраического сумматора обратных связей 16. Второй корректор обратных связей 21 свой входной сигнал преобразует в соответствии с передаточной функцией W(p). Сигнал с выхода второго корректора обратных связей 21 поступает на третий вход алгебраического сумматора обратных связей 16. Выходной сигнал алгебраического сумматора обратных связей 16 поступает на второй вход регулятора тока 9. 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 11, от времени. Электродвигатель 11 посредством упругого валопровода 12 приводит в движение исполнительный орган механизма 13. Напряжение, приложенное к якорной цепи электродвигателя 11, определяется значением сигнала на входе безынерционного преобразователя 10.
Таким образом, качество управления программно-управляемым позиционным электроприводом с упругим валопроводом определяется настройкой: регуляторов, фильтров контуров регулирования, корректоров контуров регулирования и корректоров обратных связей, что позволяет достичь указанного технического результата.