Программно-управляемый электропривод с идеальным валопроводом

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в промышленных установках для обработки позиционными электроприводами с идеальными валопроводами заданных программ перемещения. Техническим результатом является повышение быстродействия контуров регулирования частоты вращения и положения электропривода в четыре раза, что позволит улучшить точность позиционирования исполнительного органа механизма при отработке заданных диаграмм перемещения. Программно-управляемый электропривод с идеальным валопроводом содержит командоаппарат для формирования диаграмм перемещения электропривода, регулятор положения в виде пропорционального блока, фильтр контура регулирования частоты вращения (ЧВ) в виде дважды позиционного пропорционального блока, регулятор ЧВ в виде позиционного пропорционально-интегрально-дифференциального блока, фильтр контура регулирования тока в виде дважды позиционного пропорционального блока, корректор контура регулирования тока в виде дважды позиционного дифференциального блока, алгебраический сумматор, регулятор тока в виде пропорционально-интегрально-дважды интегрального блока, безынерционный преобразователь, электродвигатель постоянного тока, исполнительный орган механизма, датчик тока, датчик ЧВ, датчик положения. Перечисленные элементы соединены между собой так, как указано в материалах заявки. 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в промышленных установках для отработки позиционными электроприводами с идеальными валопроводами заданных диаграмм перемещения.

Аналогом заявляемого устройства является электропривод с линейным (параболическим) регулятором и идеальным валопроводом / 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 электроприводу с идеальным валопроводом 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 /, 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 ЧВ, выполненного в виде апериодического блока, выход фильтра контура регулирования ЧВ соединен с первым входом регулятора ЧВ, выполненного в виде пропорционально-интегрального блока, выход регулятора ЧВ соединен с входом фильтра контура регулирования тока, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального 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 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 ЧВ, выход которого соединен со вторым входом регулятора ЧВ, датчик положения, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения.

Конструктивные особенности прототипа обуславливают следующие его недостатки: низкие быстродействия контуров регулирования ЧВ 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 ЧВ и положения.

Техническим результатом изобретения является программно-управляемый электропривод при идеальном 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 электроприводом с идеальным валопроводом, содержащим командоаппарат, формирующий диаграммы перемещения электропривода, выход которого соединен с первым входом регулятора положения, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения соединен со входом фильтра контура регулирования ЧВ, выход фильтра контура регулирования ЧВ соединен с первым входом регулятора ЧВ, выход регулятора ЧВ соединен со входом фильтра контура регулирования тока, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, регулятор тока, выполненный в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрального 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 ЧВ, выход которого соединен со вторым входом регулятора ЧВ, датчик положения, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения, корректор контура регулирования тока, выполненный в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, алгебраический сумматор, выход фильтра контура регулирования тока соединен с первым входом алгебраического сумматора, выход регулятора ЧВ соединен со входом корректора контура регулирования тока, выход корректора контура регулирования тока соединен со вторым входом алгебраического сумматора, выход алгебраического сумматора соединен с первым входом регулятора тока, фильтр контура регулирования ЧВ выполнен в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, регулятор ЧВ выполнен в виде позиционного-пропорционально-интегрально-дифференциального блока.

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 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 внутренних контуров выбрать такой, 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 ЧВ, выполненный в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, имеет передаточную функцию

где T_рчв, τ_рчв - постоянные времени фильтра контура регулирования ЧВ;

p - комплексный параметр преобразования Лапласа.

Регулятор ЧВ, выполненный в виде позиционного-пропорционально-интегрально-дифференциального блока, имеет передаточную функцию

где β_рчв - динамический коэффициент регулятора ЧВ;

τ_T - постоянная времени корректора контура регулирования тока.

Фильтр контура регулирования тока, выполненный в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, имеет передаточную функцию

где T_рт, τ_рт - постоянные времени регулятора тока.

Регулятор тока, выполненный в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрального блока, имеет передаточную функцию

где β_рт - динамический коэффициент регулятора тока.

Корректор контура регулирования тока, выполненный в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, имеет передаточную функцию

Таким образом, перенастройка регулятора положения, дополнительная установка корректора контура регулирования тока и алгебраического сумматора, а также изменения передаточных функций фильтра контура регулирования ЧВ и регулятора ЧВ позволило получить передаточные функции контуров регулирования тока, ЧВ и положения по управляющему и возмущающему воздействиям заявляемого устройства в виде:

где ;

B₁=T_µ;

;

;

H₁=T_µ;

D₁=T_µ;

;

;

;

;

E₁=T_µ;

;

;

;

F₁=2T_µ;

F₂=2T_µ ²;

F₃=T_µ ³;

;

;

;

G₁=2T_µ;

;

;

;

I_я - ток якорной цепи электродвигателя;

U_зт - задающее напряжение контура регулирования тока;

K_от - коэффициент обратной связи по току;

ω - ЧВ электропривода;

U_зчв - задающее напряжение контура регулирования ЧВ электропривода;

K_очв - коэффициент обратной связи по ЧВ;

φ - угол поворота электропривода;

U_зп - задающее напряжение контура регулирования положения;

K_оп - коэффициент обратной связи по положению электропривода;

M_с - момент сопротивления электропривода;

T_µ - некомпенсированная постоянная времени;

J - момент инерции электропривода;

C_e - коэффициент пропорциональности между скоростью и ЭДС электродвигателя;

С_м - коэффициент пропорциональности между током и моментом электродвигателя;

L_я - индуктивность якорной цепи электродвигателя.

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 нулевой степени. Так как из необходимых трех варьируемых параметров имеются все три β_рт, τ_рт и Т_рт, то за счет рационального выбора их значений удается привести передаточную функцию контура регулирования тока прототипа по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени T_µ. Передаточная функция контура регулирования ЧВ прототипа по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования ЧВ - ЧВ электропривода» представляет собой передаточную функцию пятого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. Так как из необходимых пяти варьируемых параметров имеются только два варьируемых параметра β_рчв и τ_рчв, то за счет рационального выбора их значений удается привести передаточную функцию контура регулирования ЧВ прототипа по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени 4T_µ. 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 - коэффициент усиления регулятора положения K_рп, то за счет рационального выбора его значения удается привести передаточную функцию контура регулирования положения прототипа по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени 8T_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, имеющей в числителе полином первой степени. Так как из необходимых четырех варьируемых параметров имеются все четыре β_рт, τ_рт, T_рт и τ_т, 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_µ. Передаточная функция контура регулирования ЧВ заявляемого устройства по каналу управления «задающее напряжение контура регулирования ЧВ - ЧВ электропривода» представляет собой передаточную функцию пятого порядка, имеющую в числителе полином нулевой степени. При этом из пяти условий, необходимых для синтеза контура регулирования ЧВ заявляемого устройства, два условия выполняются автоматически, поэтому требуется только три варьируемых параметра. За счет рационального выбора значений варьируемых параметров β_рчв, τ_рчв и T_рчв удается привести передаточную функцию контура регулирования ЧВ заявляемого устройства по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени T_µ. 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. Так как из необходимых шести варьируемых параметров имеется только один варьируемый параметр К_рп, то за счет рационального выбора его значения удается привести передаточную функцию контура регулирования положения заявляемого устройства по каналу управления к эталонному виду с постоянной времени 2T_µ.

Анализ передаточных функций контуров регулирования тока, ЧВ и положения по управляющему и возмущающему воздействиям программно-управляемого электропривода с идеальным валопроводом и программно-управляемого электропривода с типовыми регуляторами и идеальным валопроводом показывает, что заявляемое устройства позволяет получить следующие преимущества по сравнению с прототипом:

- увеличено быстродействие контура регулирования ЧВ в четыре раза;

- увеличено быстродействие контура регулирования положения в четыре 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 с первым входом регулятора положения 2, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения 2 соединен с входом фильтра контура регулирования ЧВ 3, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционального блока, выход фильтра контура регулирования ЧВ 3 соединен с первым входом регулятора ЧВ 4, выполненного в виде позиционного-пропорционально-интегрально-дифференциального блока, выход регулятора ЧВ 4 соединен с входом фильтра контура регулирования тока 5, выполненного в виде дваждыпозиционного-пропорционалыюго блока, и с входом корректора контура регулирования тока 10, выполненного в виде дваждыпозиционного-дифференциального блока, выход фильтра контура регулирования тока 5 соединен с первым входом алгебраического сумматора 6, выход корректора контура регулирования тока 10 соединен со вторым входом алгебраического сумматора 6, выход алгебраического сумматора 6 соединен с первым входом регулятора тока 7, выполненного в виде пропорционально-интегрально-дваждыинтегрального блока, выход регулятора тока 7 соединен с входом безынерционного преобразователя 8, выход которого соединен с электродвигателем постоянного тока 9, механически соединенного с исполнительным органом механизма, датчик тока 11, выход которого соединен со вторым входом регулятора тока 7, датчик ЧВ 12, выход которого соединен со вторым входом регулятора ЧВ 4, датчик положения 13, выход которого соединен со вторым входом регулятора положения 2.

Программно-управляемый электропривод с идеальным валопроводом работает следующим образом.

Сигнал с выхода командоаппарата 1, представляющий собой задающее напряжение системы автоматического регулирования положения электропривода, поступает на первый вход регулятора положения 2, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по положению от блока 13. Регулятор положения 2 сумму своих входных сигналов увеличивает в K_рп, раз. Сигнал с выхода регулятора положения 2, представляющий собой задающее напряжение контура регулирования ЧВ, проходя через фильтр контура регулирования ЧВ 3, преобразуется в соответствии с передаточной функцией W_фкчв и поступает на первый вход регулятора ЧВ 4, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по ЧВ от блока 12. Регулятор ЧВ 4 сумму своих входных сигналов преобразует в соответствии с передаточной функцией W_рчв. Сигнал с выхода регулятора ЧВ 4, представляющий собой задающее напряжение контура регулирования тока, поступает на вход фильтра контура регулирования тока 5 и на вход корректора контура регулирования тока 10. Сигналы с выходов фильтра контура регулирования тока 5, преобразованный в соответствии с передаточной функцией W_фкт, и корректора контура регулирования тока 10, преобразованный в соответствии с передаточной функцией W_ккт, поступают соответственно на первый и второй входы алгебраического сумматора 6. Сигнал с выхода алгебраического сумматора 6 поступает на первый вход регулятора тока 7, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по току от блока 11. Регулятор тока 7 сумму своих входных сигналов преобразует в соответствии с передаточной функцией W_рт. Сигнал с выхода регулятора тока 7 поступает на вход безынерционного преобразователя 8. Безынерционный преобразователь 8 формирует зависимость напряжения, приложенного к якорной цепи электродвигателя 9 от времени. Электродвигатель приводит в движение исполнительный орган механизма посредством идеального валопровода. Напряжение, приложенное к якорной цепи электродвигателя, определяется значением сигнала на входе безынерционного преобразователя 8.

Таким образом, качество управления программно-управляемым электроприводом с идеальным валопроводом определяется настройкой регулятора положения, фильтра контура регулирования ЧВ, регулятора ЧВ, фильтра контура регулирования тока, корректора контура регулирования тока и регулятора тока.

Программно-управляемый электропривод с идеальным валопроводом, содержащий командоаппарат, формирующий диаграммы перемещения электропривода, выход которого соединен с первым входом регулятора положения, выполненного в виде пропорционального блока, выход регулятора положения соединен со входом фильтра контура регулирования частоты вращения, выход фильтра контура регулирования частоты вращения соединен с первым входом регулятора частоты вращения, выход регулятора частоты вращения соединен со входом фильтра контура регулирования тока, выполненного в виде дважды позиционного пропорционального блока, регулятор тока, выполненный 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, отличающийся тем, что в электропривод дополнительно установлены корректор контура регулирования тока, выполненный в виде дважды позиционного дифференциального блока, алгебраический сумматор, выход фильтра контура регулирования тока соединен с первым входом алгебраического сумматора, выход регулятора частоты вращения соединен со входом корректора контура регулирования тока, выход корректора контура регулирования тока соединен со вторым входом алгебраического сумматора, выход алгебраического сумматора соединен с первым входом регулятора тока, фильтр контура регулирования частоты вращения выполнен в виде дважды позиционного пропорционального блока, регулятор частоты вращения выполнен в виде позиционного пропорционально-интегрально-дифференциального блока.