Устройство для управления электромагнитным исполнительным органом

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при управлении различными исполнительными механизмами на базе электромагнитного исполнительного органа пропорционального действия, когда требуется отработка управляющих воздействий с высокой точностью. Целью изобретения является повьшение качества управления электромагнитным исполнительным органом путем линеаризации его регулировочных характеристик . При управлении исполнительным органом 1 с обмоткой 2 используются сигналы, вырабатываемые датчиком 4 тока, датчиком 5 положения. Задающий сигнал 15 подается на вход линейного регулирующего блока 7. На вход сумма тора 12 подается сигнал производной нагрузочного момента электромагнитно го исполнительного органа. 2 ил. с (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСЛНИК HSOEPETEHHR

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4252592/24-02 (22) 28.05.87 (46) 07.02.89. Бюл. У 5 (71) Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) Н,Г.Попович, С.М.Пересада, А.Ю.Хандогин и А.И.,Гришин (53) 621.318.56-5 .(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР.

У 832606,.кл. Н 01 F 7/08, 1981.

Попович Н.Г. и др. Быстродействую, щий электромагнитный привод. — Вестник КПИ "Электроэнергетика", 1981, вып. 4, с. 53-56. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЬ1М ОРГАНОМ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано

ÄÄSUÄÄ 1457002 А1

„„4 H 01 F 7/18 при управлении различными исполнительными механизмами на базе электромагнитного исполнительного органа пропорционального действия, когда требуется отработка управляющих воздействий с высокой точностью. Целью изобретения является повышение каче ства управления электромагнитным исполнительным органом путем линеаризации его регулировочных характеристик. При управлении исполнительным органом 1 с обмоткой 2 используются сигналы, вырабатываемые датчиком 4 тока, датчиком 5 положения. Задающий сигнал 15 подается на вход линейного регулирующего блока 7. На вход сумма- Я тора 12 подается сигнал производной нагрузочного момента электромагнитного исполнительного органа. 2 ил.

1 457002

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при управлении различными исполнительными механизмами на базе электромагнит- 5 ного исполнительного органа (ЭИО) пропорционального действия, когда требуется отработка управляющих воз- . действий с. высокой точностью.

Целью изобретения является повьппе-fp ние качества управления электромагнитным исполнительным органом путем линеариэации его регулировочных характеристик. На фиг. 1 приведена функциональная15 схема устройства для управления ЗИО; на фиг. 2 — упрощенная конструктивная схема ЭИО.

Устройство управления ЭИО .(фиг. 1). содержит электромагнитный исполни- 20 тельный орган 1, включающий обмотку

2 управления, усилитель 3, выход ко-торого через датчик 4 тока соединен с обмоткой 2 управления, датчик 5 положения,. связанный с подвижной частью ЭИО, дифференциатор 6, вход которого соединен с выходом датчика

5 положения, линейный регулирующий блок 7, первый вход которого соединен с выходом дифференциатора 6 линеаризирующий регулятор 8, включающий первый 9 и второй 10 блоки умножения, первый 11 и второй 12 блоки суммирования, блок 13 нелинейности, блок 14 деления. Причем выход дифференциатора. 6 соединен также с первым входом первого блока 9 умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика 4 тока, а выход — с . первым входом блока 11 суммирования. 4р

Выход- датчика 4 тока соединен также с входом блока 13 нелинейности, первым входом блока 14 деления и вторым входом блока 11 суммирования, а выход датчика 5 положения связан также 45 с вторым входом линейного регулирующега блока 7 и первым входом второго блока 10 умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока 12 суммирования, а выход — с входом блока 14 деления. Третий вход линейного регулирующего устройства 7 соединен с выходом блока 13 нелинейности, на четвертый вход подается задающий сигнал 15. Выход линейного ре-55 гулирующего блока 7 связан с первым входом второго блока 12 суммирования, на второй вход которого подается сигнал 16 производной нагрузочного момента электромагнитного исполнительного органа. Выход блока 14 деления связан с третьим входом первого блока 11 суммирования, выход которого соединен с входом усилителя 3.

Рассмотрим работу системы управления при отработке задающего сигнала.

В исходном состоянии подвижная часть ЭИО 1 занимает некоторое на-;. чальное положение (,, ток в обмотке 2 управления, скорость и ускорение подвижной части равны О.

При рассмотрении электромагнитного исполнительного органа как элемента системы автоматического управления в нем могут быть выделены две подсистемы: электромагнитная и механическая, функциональное содержание которых составляют процессы преобразования электромагнитной энергии в механическую.

Уравнение движения механической части ЗИО имеет вид т/u/dt + ader/dt - М„- М„- О, где Iö — момент инерции подвижной части ЭИО;

1 — угол поворота (перемещение) подвижной части ЭИО, равный углу между осями подвижной и неподвижной полюсных систем ЭИО и отсчитываемый от их несогласованного положения {фиг.2); — коэффициент вязкого трения;

М< - момент, развиваемый исполнительным органом;

М„ — момент нагрузки.

Момент, развиваемый ЭИО поворотного типа, ипи усилие ЭИО поступательного действия определяют в соответствии с уравнением Максвелла и „- d1 13 /d 4 где М > - электромагнитная энергия, Взаимосвязь между основными параметрами, определяющими величину электромагнитной энергии для линейной магнитной цепи, может быть установлена с помощью уравнений

Ы m ФР/2;

Ф- Bsс- ПЖ91

BSc/G3 = IM

Но с/ (1) где ф,  — магнитный поток и индукция; 1 4570

С вЂ” магнитная проводимость заэ зора;

S, Р - площадь и величина рабочего зазора;

W — TOK H 8 0 НТКо О6М0Тки управления;

1ио — магнитная постоянная.

Определяя геометрические параметры из упрощенной схемы ЭИО (фиг.2), 10 выражения для электромагнитной энергии и момента, развиваемого исполнительным органом, составят

Иэ В aD&/4 био, (2)

N и B аОдУ4 р,.= р aDI W K„I .

Таким образом, момент, развиваемый ЗИО, пропорционален квадрату тока обмотки управления,что не учитывается в известной системе управле- 20 нияа

Уравнение, описывающее электромагнитную систему ЗИО, может быть представлено в следукхцем виде;

25 (3) U тВ.„+ d+/dt, где U I u R — напряжение, ток и сопротивление обмотки управления ЭИО; . у — потокосцепление, опре- 30 деляемое выражением = . !1, или, учитывая уравнения (1), получим ч = Iw р aD 4/ d = к„,т 4, где К 4= W p аР/(.

Тогда уравнение (3) примет вид от сюда ао

dI/dt = (U — к т(/dt — тк,)/к .

Учитывая также, что исходят иэ уравнения (2) (Г(„/dt = 2K„IdI/dt, получим (им/dt = 2кмт((1 — К,ИЧ/dt— —. ж,)/к

Учитывая приведенные соотношения, ЭИО описывается нелинейной системой дифференциальных уравнений

02

4 подвижной части ЭИО. Например, если нагрузкой является пружина с коэф-. фициентов жесткости С, то

Г(„С р; .(Г(„/dt - Cd%/dt - C® а (K I — С 4 - 4ь ) /I.

В известной системе управляющий сигнал ЭИΠ— напряжение обмотки управления формировался на основании линейности функциональных зависимостей, описывающих ЗИО, что является неправомерным и приводит на практике к ухудшению качества управления ЭИО.

Однако при использовании уравнения в виде

U - ((1 о 1/т 1Г(И/dt) K.4/I +

+ К 1,Ы

Кт = Rîö, - коэффициенты пропорциональности;

Ug — величина управляющего сигнала в лэ(неаризованной сНс теме, нелинейная система дифференциальных уравнений (4) преобразовывается в линейную

dp/dt = < ;

dv/dt 4 йо(/dt = U o — 4с(. (6) "о = КоПЗ " К1(Ч,) Определение закона изменения управляющего сигнала U о в выбранной системе координат в этом случае, подобно как и в известной системе, может производиться одним из методов теории линейного оптимального управления.

При поступлении на вход линейного регулировочного блока 7 сигнала 15 задания на его выходе формируется управлякиций сигнал, который является в общем случае линейной функцией выбранных фазовых координат: положения, скорости и ускорения подвийной части ЗИО 1, а также задающего сигнала 15 (4) 55

dP/d t

ЙЮ/dt = о ; йы/dt = 2KÄI(U — к т(к/dt— — тк„)/тк „- dMÄ/а /f -"4 /т, где Ы = (Г! — M „— 4N) /I — ускорение где К о, К,, К, К вЂ” оптимальные по выбранному критерию качества коэффициенты обратных связей по соответствующим координатам. Но так как в начальный момент времени о1= О, (= О, м = ч,, то U< = КоU>. В блоке 12

7002 6 тока, протекающего через обмотку 2 управления.

Сформированные на выходах датчика

5 положения, дифференциатора 6 и блока 10 нелинейности сигналы поступают на входы линейного управляющего устройства 7. С помощью последнего согласно выражению (7) вырабатывается

10 управляющий сигнал. Причем ускорение подвижной части ЭИО l при реализации линейного управляющего алгоритма определяется косвенным путем по следующей функциональной зависимости:

1 м™ - н

45

55

5 145 суммирования управляющий сигнал U< суммируется с сигналом 16 производ- и ной нагрузочного момента, величина которого, например, для рассмотренного случая, когда нагрузкой является пружина, пропорциональна скорости перемещения подвижной части.

Суммарный сигнал, поступая в блок

10 умножения, перемножается с сигналом, пропорциональным ц, который снимается с датчика 5 положения.

Результирующий сигнал с выхода блока 10 умножения поступает на один из .входов блока 14 деления. Здесь величина этого сигнала делится на величину сигнала, поступающего на второй вход блока 14 умножения с выхода датчика 4 тока. Так как величина тока в начальный момент времени равна О, то с выхода блока 14 деления будет сниматься сигнал максимально возможной, исходя из условий практической реализации, величины.

В блоке 11 суммирования полученный с выхода блока 14 деления сигнал суммируется с сигналами, снимаемыми с выхода датчика 4 .тока и выхода блока 9 умножения.

Так как в начальный момент времени ток в обмотке 2 управления и ускорения подвижной части равны О, то величина последних двух сигналов равна

О и на вход усилителя 3 поступает сигнал, величина которого пропорциональна величине ограниченного выходного сигнала блока 14 деления.

С выхода усилителя 3 усиленное результирующее напряжение поступает на обмотку 2 управления. При этом через обмотку 2 управления ЭИО 1 начинает протекать ток, а на выходе датчика 4 тока формируется сигнал, пропорциональный этому току.

Вследствие протекания тока через обмотку 2 управления возникает момент ЭИО 1, который приводит к перемещению подвижной части ЭИО 1. При этом на выходе датчика 5 положения формируется сигнал, пропорциональный положению подвижной части ЭИО 1, который, проходя через дифференциатор

6, преобразуется в сигнал, пропорциональный скорости перемещения подвижной части ЭИО 1.

Сигнал, пропорциональный моменту

ЭИО 1, формируется на выходе блока

13 нелинейности, реализующем квадра-, тичную зависимость момента ЭИО от практическая реализация которой не представляет затруднений.

Полученный с выхода линейного управляющего устройства 7 управляющий сигнал Uq, просуммированный в блоке

12 суммирования с сигналом производной момента нагрузки, умножается в блоке 10 умножения на величину, пропорциональную перемещению подвижной части ЭИО 1, а затем в блоке 14 деления делится на величину, пропорциональную току обмотки 2 управления, Величина сформированного на выходе блока 14 деления сигнала алгебраически суммируется в блоке 11 суммирования с величиной сигнала с выхода датчика 4 тока и величиной сигнала с выхода блока 9 умножения, которая равна произведению величин сигналов с выхода датчика 4 тока и дифференциатора 6, а затем через усилитель 3 подается на обмотку 2 управления

ЭИО 1.

Так как величины напряжения на обмотке 2 управления, полученные согласно описанному, определяются выражением (5), то это приводит к линеаризации регулировочных характеристик и, следовательно, к повышению по сравнению с прототипом качества управления электромагнитным исполнительным opraHoM. Перемещение подвижной части ЭИО 1 осуществляется по onтимальной, согласно выбранному критерию качества, траектории.

Реализация предлагаемой системы управления ЭИО значительно упрощается при использовании микропроцессорных управляющих устройств.

Формула иэ о брет ения

Устройство для управления электромагнитным исполнительным органом, 02

14570 содержащее датчики тока обмотки управления и положения подвижной части исполнительного органа, дифференциатор, линейный регулирующий блок усилитель, связанный с обмоткой управ5 ления, причем вход дифференциатора связан с выходом датчика положения, первый, второй и третий входы

-линейного регулирующего блока соеди- 1О иены соответственно с выходами датчика положения подвижной части испол- нительного органа и дифференциатора и первым управляющим входом устройв 15 ства, отличающееся тем что, с целью повьппения качества управления электромагнитным исполнительным органом путем линеаризации, его регулировочных характеристик, 20 введен линеариэующий регулятор ° включающий в себя блок нелинейности

Э два блока умножения, блок деления, два блока суммирования, причем выход датчика тока соединен с первым входом первого блока умножения, второй - 25 вход которого подключен к выходу дифференциатора, с первым входом первого блока суммирования, второй вход которого подключен к выходу первого блока умножения, с первым входом блока деления, второй вход которого подключен к выходу второго блока умножения, и через блок нелинейности—

4 с четвертым входом линейного регулирующего блока, выход блока деления подключен к третьему входу первого блока суммирования, выход линейного регулирующего блока соединен с первым входом второго блока суммирования, второй вход которого подключен к второму управляющему входу устройства, а выход — к первому входу вто" рого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика положения подвижной части исполнительного органа, выход первого блока суммирования соединен с входом усилителя.

Фиг.2