Способ адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе и устройство для его осуществления



Способ адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе и устройство для его осуществления
Способ адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе и устройство для его осуществления
Способ адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе и устройство для его осуществления
Способ адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе и устройство для его осуществления
Способ адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе и устройство для его осуществления
Способ адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе и устройство для его осуществления
Способ адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе и устройство для его осуществления
Способ адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе и устройство для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2565490:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ) (RU)

Группа изобретений относится к области управления. Технический результат - увеличение точности процесса регулирования. Для этого предложены способ адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе и устройство для его осуществления. Способ заключается в исследовании спектрограммы скоростей электромеханической системы, выделении частоты наиболее существенного возмущения, вычислении полинома, формирующего математическую модель возмущения, и введении этого полинома сомножителем в знаменатель передаточной функции регулятора, и синтезе коэффициентов обратных связей, при этом коэффициенты полиномов передаточных функций регулятора и внеконтурного формирователя меняются в зависимости от текущей скорости рабочего органа. Устройство содержит внеконтурный формирователь, регулятор, силовой преобразователь, электродвигатель постоянного тока, первый и второй элементы сравнения. Кроме этого, в него введены три безинерционных звена обратных связей по напряжения, току и скорости, делитель, квадратор, блок вычисления е1, блок вычисления е2, блок вычисления е2. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к разделу управления и может быть использовано при регулировании параметров сложных электромеханических систем, например электроприводов постоянного и переменного тока.

Существует ряд технических объектов, приводимых в движение средствами автоматизированного электропривода, наличие дефектов в изготовлении механической части которых (например, эксцентриситета валов рабочих органов и систем передач движения) приводит к возникновению гармонических колебаний статического момента нагрузки на валу рабочих органов. При этом частота таких колебаний жестко связана со скоростью электродвигателя, когда момент нагрузки на валу рабочего органа Mн(t) можно представить в виде:

где М0 - постоянная составляющая момента; М1 - амплитуда колебаний момента; ω1 - скорость рабочего органа; t - время.

В некоторых случаях, например при регулировании производительности технологического оборудования за счет изменения скорости рабочих органов, такая частота может меняться.

Минимизация последствий подобных возмущений позволяет значительно улучшить показатели качества систем автоматического управления скоростными режимами технологических установок. Снижение флуктуаций момента нагрузки и, как следствие, скорости рабочих органов технологических машин оказывают существенное влияние на качество выпускаемой продукции. При этом увеличивается точность изготовления деталей при металлообработке, стабилизируются геометрические размеры длинномерных материалов при обработке в поточных линиях (диаметр волокна или провода, толщина пленки и различных покрытий), нормируются их весовые показатели (плотность бумаги, ткани и др.), улучшается светопропускание оптических световодов и т.п.

Известен «Способ каскадного автоматического регулирования» (источник патент РФ №2127895, МПК6 G05B 13/02, год опубликования 1999), заключающийся в том, что осуществляют измерение вспомогательного параметра объекта и стабилизацию его с помощью одноконтурной системы регулирования, измерение основного параметра объекта, стабилизации его с помощью астатической одноконтурной системы регулирования и формирования сигнала задания регулятору внутреннего контура, при этом устанавливают сигналы задания верхнего и нижнего допустимых значений вспомогательного параметра объекта для регулятора внутреннего контура и определяют на заданном интервале ошибку рассогласования для астатического регулятора внешнего контура, воздействующего посредством исполнительного устройства на объект в заданном интервале с помощью аналогового сигнала, определяемого законом регулирования астатического регулятора внешнего контура, при выходе вспомогательного параметра объекта из заданного интервала с выхода регулятора внутреннего контура на исполнительное устройство подают управляющее воздействие релейного типа со знаком, уменьшающим отклонение вспомогательного параметра объекта от верхнего и нижнего допустимых значений, а основного параметра объекта - от заданного значения и одновременно отключают управляющее воздействие астатического регулятора внешнего контура, формируют и сохраняют интегральную составляющую этого регулятора на уровне значения средней позиции выходного сигнала регулятора внутреннего контура, при возврате вспомогательного параметра объекта в заданный интервал одновременно отключают управляющее воздействие регулятора внутреннего контура и включают управляющее воздействие астатического регулятора внешнего контура.

Способ решает поставленные перед ним задачи, но, будучи построенным на релейном принципе работы, в некоторых случаях (например, при гармоническом виде возмущений) может привести к возникновению режима автоколебаний. Кроме этого способ теряет свою работоспособность при отсутствии возможности измерения вспомогательного параметра, который в данном случае должен быть представлен моментом нагрузки на валу двигателя электромеханической системы.

Известен способ регулирования скорости и тока в электромеханической системе с электроприводом постоянного тока (источник книга Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергия, 1979. - 616 с. (стр. 280, рис. 6-15)). Способ является примером построения системы подчиненного регулирования и заключается в том, что регулирование нескольких переменных в системе электропривода производят путем измерения скорости и тока двигателя постоянного тока, сравнения измеренного значения скорости с заданным и подаче сигнала рассогласования на регулятор скорости. Результирующее значение на выходе регулятора скорости считают задающим для регулятора тока, на который подают сигнал обратной связи по току. При этом влияние возможных колебаний момента нагрузки на вал исполнительного двигателя постоянного тока оценивают путем измерения выходного параметра (в данном случае - скорости). Тем самым компенсацию возмущения осуществляют после его воздействия на выходной параметр.

Способ выполняет возложенные на него функции, но имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что при необходимости компенсации влияния флуктаций момента нагрузки на выходную переменную (скорость исполнительного механизма) приходится значительно повышать быстродействие (динамическую точность) системы путем повышения коэффициента петлевого усиления. Это может привести к существенному ухудшению качества отработки управляющего воздействия или повышению токовых форсировок и соответствующему сокращению размеров линейной зоны работы системы, имеющей ограничение мощности силовых исполнительных органов.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ компенсации возмущений в установившемся режиме, именуемый как «принцип внутренней модели» (источник книга Гудвин Г.К. Проектирование систем управления / Гудвин Г.К., Гребе С.Ф., Сальгадо М.Э. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. - 911 с. (стр. 284-285)), который заключается в том, что управление осуществляют регулятором по скорости рабочего органа, для чего предварительно по результату анализа спектрограммы скоростей электромеханической системы, выделяют частоту наиболее существенного возмущения, с учетом этой частоты находят полином, формирующий математическую модель гармонического возмущения момента нагрузки

где s - комплексная переменная Лапласа; ω1=Ω/i - угловая скорость рабочего органа; Ω - угловая скорость вала электродвигателя; i - передаточное отношение редуктора, вводят этот полином сомножителем в знаменатель передаточной функции регулятора по скорости рабочего органа, а искажение передаточной функции электромеханической системы по управлению устраняют за счет воздействия внеконтурного формирователя.

При этом выходной сигнал регулятора по скорости рабочего органа будет содержать гармоническую составляющую, которая благодаря действию отрицательной обратной связи по скорости рабочего органа, замыкающей внешний контур регулирования, обеспечит противофазную компенсацию возмущения. Способ, выбранный за прототип, выполняет свои основные функции, требует измерения лишь выходной координаты объекта управления - угловой скорости вала рабочего органа.

Основным недостатком предложенного технического решения (как будет показано далее) является низкая точность, поскольку способ-прототип отрабатывает только одну частоту внешнего возмущения и не адаптируется к вариации частоты внешнего воздействия. При использовании данного способа сложно добиться приемлемой компенсации возмущения, имеющего разную частоту, что свидетельствует о неселективной инвариантности прототипа, построенного с применением принципа внутренней модели возмущения, на что указано и в приведенном литературном источнике (см. книгу Гудвин Г.К. Проектирование систем управления / Гудвин Г.К., Гребе С.Ф., Сальгадо М.Э. - М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. - 911 с., стр. 287).

Известна следящая система автоматического управления с компенсацией неизмеряемых возмущений (патент РФ №2051401, МПК6 G05B 11/01, год опубликования 1995). Следящая система содержит блок идентификации и формирования сигналов для компенсации возмущений и первый сумматор, причем выходы первого сравнивающего устройства и блока идентификации и формирования сигналов для компенсации возмущений подключены соответственно к первому и второму входам первого сумматора, выход которого связан с входом усилителя и первым входом блока идентификации и формирования сигналов для компенсации возмущений, к остальным входам которого подсоединены выходы соответственно усилителя, второго сравнивающего устройства, последовательного корректирующего устройства, усилителя мощности и датчика обратной связи.

Устройство выполняет свои основные функции, но обладает недостатком, присущим всем системам с наблюдателем Люенбергера, который является основой построения блока идентификации - низкой параметрической робастностью. Даже незначительная вариация параметров объекта управления, входящих в математическую модель, являющуюся основой блока идентификации, приводит к резкому снижению качественных показателей системы управления.

Известна самонастраивающаяся система комбинированного регулирования (патент РФ №2022313, МПК6 G05B 13/00, год опубликования 1994) содержащая регулятор, сумматоры, измеритель рассогласования, блок самонастройки, корректирующий фильтр, блоки умножения, управляемые ключи, блок памяти. Разомкнутый контур управления системы предназначен для компенсации контролируемых возмущений. Замкнутый контур регулирования формирует управление на основе результирующего отклонения выхода объекта от уставки. Блок самонастройки системы предназначен для работы в условиях редкоизмеряемого выхода объекта. Он повышает качество работы обоих контуров системы за счет стабилизации их коэффициентов передачи.

Система решает поставленные задачи, однако обладает рядом существенных недостатков. Во-первых, в состав устройства-аналога необходимо ввести датчик контролируемого внешнего возмущения, что в ряде случаев затруднительно (в частности при воздействии на электромеханическую систему такого возмущения, как момент статического сопротивления на валу электродвигателя). Во-вторых, наличие в контуре обратной связи блоков, производящих сложный логический анализ информации, элементов записи и хранения, блока задержки, усложняет устройство и резко ухудшает его быстродействие. В-третьих, принцип работа блока самонастройки предполагает наличие временного интервала, когда управляющие и возмущающие воздействия системой игнорируются.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для компенсации возмущений (Гудвин Г.К. Проектирование систем управления / Гудвин Г.К., Гребе С.Ф., Сальгадо М.Э. - М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. - 911 с., рис. 10.1). Структурная схема, иллюстрирующая работу способа и устройства-прототипа применительно к электромеханической системе с двигателем постоянного тока приведена на фиг. 1. В состав структурной схемы введены внеконтурный формирователь 1, представляющий собой префильтр и предназначенный для устранения искажения передаточной функции электромеханической системы по управлению; элемент сравнения 2, который формирует на своем выходе сигнал ошибки, управляющий регулятором 3. Регулятор 3 замыкает отрицательную обратную связь по скорости рабочего органа и выполнен в виде блока, передаточная функция которого представляется отношением полиномов. Кроме этого в составе системы имеется силовой преобразователь 4, который преобразует напряжение управления Uy на своем входе в напряжение U на якорной обмотке электродвигателя постоянного тока 5. Измерительный блок 6 предназначен для измерения скорости электродвигателя постоянного тока 5. Регулятор 3 и внеконтурный формирователь 1 реализованы в виде цифровых или аналоговых блоков, которые при наладке требуют установки внутренних параметров, соответствующих полиномам, синтезированным в процессе конструирования системы управления.

В качестве основных параметров, влияющих на работоспособность системы, часть из которых приведена на фиг. 1, выбраны:

UΩЗ - напряжение, определяющее заданное значение скорости рабочего органа;

UΩЗФ - напряжение после внеконтурного формирователя;

Uн, U - управляющее и выходное напряжение силового преобразователя;

Ia - ток якорной цепи электродвигателя постоянного тока;

Ω - угловая скорость вала электродвигателя постоянного тока;

Ωн - номинальная угловая скорость вала электродвигателя постоянного тока;

Мн - момент нагрузки (статического сопротивления).

Также здесь и далее приняты следующие обозначения параметров системы:

КСП и ТСП - коэффициент передачи и постоянная времени силового преобразователя напряжения;

Ra и Та - активное сопротивление и постоянная времени якорной цепи электродвигателя постоянного тока;

С - конструктивная постоянная двигателя постоянного тока;

J - суммарный момент инерции ротора двигателя постоянного тока и рабочего органа;

i - передаточное отношение редуктора.

Система имеет только один полиномиальный регулятор 3, в знаменатель передаточной функции которого, согласно способу-прототипу, введена, как показано выше, модель возмущения. Попытаемся синтезировать структуру регулятора 3 для электромеханической системы, построенной с применением двигателя постоянного тока 5, управляемого от силового преобразователя 4.

Для конкретности приняты следующие значения параметров объекта: КСП=22, ТСП=0,001 с, Ra=0,177 Ом, Та=0,02 с, Ωн=157 рад/с, С=1,37 Вб, J=0,2 кг·м2, i=10.

Пусть требуется обеспечить пуск электромеханической системы на заданный уровень скорости Ω вала двигателя постоянного тока 5, равный 15,7 рад/с, что составляет 10% от номинальной скорости при времени нарастания переходной характеристики системы в линейной зоне ее работы не более 50 мс. После пуска системе необходимо отработать возмущающее гармоническое воздействие момента нагрузки, соответствующее уравнению (1) вида

при отсутствии перерегулирования, обеспечив нулевую статическую ошибку по скорости от действия момента нагрузки.

Согласно принципу селективной инвариантности, полином, формирующий математическую модель возмущения (1), определяется в данном случае в виде

где s - комплексная переменная Лапласа; ω1=Ω/i - угловая скорость рабочего органа, вводится сомножителем в знаменатель передаточной функции (ПФ) регулятора 3, а искажение передаточной функции ЭМС по управлению устраняется соответствующим внеконтурным формирователем 1. Регулятор 3 с такой моделью возмущения приобретает интегральную и колебательную составляющие, которые в условиях действия отрицательной обратной связи (ОС) в совокупности обеспечивают астатизм 1-го порядка, т.е. нулевую статическую ошибку от действия постоянной составляющей момента, и противофазную компенсацию его гармонической составляющей в установившемся режиме работы. Появление дополнительных нулей ПФ системы по управляющему воздействию устраняется соответствующим внеконтурным формирователем 1 (префильтром).

Объектом управления в данной системе являются последовательно соединенные силовой преобразователь 4 и электродвигатель постоянного тока 5. Передаточная функция объекта управления может быть представлена в виде отношения полиномов B(s) и A(s).

Структурным решением поставленной задачи, требующим измерения лишь выходной координаты объекта управления, является электромеханическая система, представленная на фиг. 1, имеющая только один регулятор 3, объединяющий функции полиномиального и регулятора с внутренней моделью.

Для исходного объекта управления с передаточной функцией

по правилам полиномиального модального управления и уравнению

где E(s) и s·F(s) - полиномы числителя и знаменателя ПФ регулятора, причем F(s)=G(s)·V(s), V(s) - вспомогательный полином, обеспечивающий техническую реализуемость регулятора, D(s) - желаемый характеристический полином (ХП) синтезируемой системы, рассчитывают регулятор.

Для этого в соответствии с заданными требованиями динамики формируется структура и определяются параметры регулятора

Использование передаточной функции исходного объекта обеспечивает более полный учет его особенностей и способствует повышению помехоустойчивости и параметрической грубости системы.

Как видно из приведенного соотношения, порядок синтезированного регулятора 3 с учетом внеконтурного формирователя 1 - восьмой.

На фиг. 2 приведены результаты проведенного компьютерного моделирования рассматриваемого технического решения с синтезированным регулятором. Они представлены переходными процессами тока якоря электродвигателя Ia и угловой скорости Ω вала электродвигателя постоянного тока 5. Осуществляется пуск электродвигателя постоянного тока 5 на заданную скорость Ω, равную 10% от номинальной, что при заданных параметрах системы составляет 15,7 рад/с. С учетом выбранного передаточного отношения редуктора i=10 это соответствует угловой скорости рабочего органа ω1=1,57 рад/с. После завершения переходного процесса пуска к валу электродвигателя постоянного тока 5 прикладывается гармонический момент нагрузки Мн выбранного вида . Здесь и далее гармоническое возмущение момента нагрузки воздействует на вал электродвигателя в момент t=4 с. Анализ переходных характеристик указывает на удовлетворительное качество процессов при воздействии заданного внешнего возмущения, обеспечивая время нарастания переходной характеристики системы в линейной зоне ее работы не более 50 мс при отсутствии перерегулирования по скорости и эффективную компенсацию влияния гармонической составляющей момента сопротивления заданного вида.

Попытаемся изменить параметры возмущающего воздействия, оставив структуры внеконтурного формирователя 1 и регулятора 3, настроенными на ранее выбранное возмущение, без изменения.

Проведем аналогичные экспериментальные исследования с той же компьютерной моделью, но выбрав в качестве заданной скорости номинальное ее значение Ω=157 рад/с. При этом параметры внеконтурного формирователя 1 и регулятора 3 не менялись, а воздействие возмущающего момента нагрузки вида из-за изменения Q осуществлялось с новой частотой. На фиг. 3 приведены результаты моделирования режима пуска и приложения в момент t=4c возмущающего момента. Анализ фиг. 3 указывает на то, что отработка данного вида внешнего возмущения без настройки параметров внеконтурного формирователя 1 и регулятора 3 происходит неэффективно. На временной диаграмме скорости заметны колебания, величина которых свидетельствует о нерезультативности работы способа-прототипа на частоте, отличной от заданной. Итак, основным недостатком устройства и способа прототипа являются недостаточная точность из-за отсутствия адаптации к вариации частоты внешнего воздействия.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности системы.

Такой результат достигается за счет того, что способ адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе, заключающийся в том, что управление осуществляют регулятором по скорости рабочего органа, для чего предварительно по результату анализа спектрограммы скоростей электромеханической системы, выделяют частоту наиболее существенного возмущения, с учетом этой частоты находят полином, формирующий математическую модель гармонического возмущения момента нагрузки, вводят этот полином сомножителем в знаменатель передаточной функции регулятора по скорости рабочего органа, а искажение передаточной функции электромеханической системы по управлению устраняют за счет воздействия внеконтурного формирователя, дополняют тем, что колебания момента нагрузки дополнительно компенсируют по внутреннему контуру, представляющему собой обратные связи по напряжению, скорости и току, передаточные функции элементов системы настраивают в два этапа, на первом из которых полином регулятора по скорости рабочего органа формируют с учетом заданного быстродействия системы, по этому полиному находят среднегеометрический корень характеристического полинома внутреннего контура регулирования, задают общий вид желаемого полинома передаточной функции внутреннего контура регулирования, быстродействие которого оптимальным образом соответствует быстродействию регулятора по скорости рабочего органа при их каскадном включении, а на втором этапе по заданному желаемому полиному передаточной функции внутреннего контура регулирования и среднегеометрическому корню характеристического полинома внутреннего контура регулирования формируют коэффициенты полинома передаточной функции внутреннего контура регулирования, причем по результатам измерения скорости рабочего органа постоянно корректируют коэффициенты е1, е2, е3 передаточных функций внеконтурного формирователя и регулятора.

Технический результат достигается тем, что в устройство адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе содержащее внеконтурный формирователь, подключенный к неинвертирующему входу первого элемента сравнения, выход которого соединен с регулятором, силовой преобразователь, подключенный к электродвигателю постоянного тока соединенному с измерительным блоком, соединенным обратной связью по скорости с инвертирующим входом первого элемента сравнения; введены второй элемент сравнения; безинерционное звено обратной связи по скорости с коэффициентом передачи К1; безинерционное звено обратной связи по току с коэффициентом передачи К2; безинерционное звено обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи К3; делитель; квадратор; блок вычисления коэффициента е1, содержащий третий элемент сравнения, два усилителя и первый формирователь, причем вход первого усилителя является входом блока вычисления коэффициента е1, а выход второго усилителя является выходом блока вычисления коэффициента e1; блок вычисления коэффициента е2, содержащий четвертый элемент сравнения, два усилителя и второй формирователь, причем вход третьего усилителя является входом блока вычисления коэффициента е2, а выход четвертого усилителя является выходом блока вычисления коэффициента e2; блок вычисления коэффициента е3, содержащий пятый элемент сравнения, третий формирователь и пятый усилитель, причем инвертирующий вход пятого элемента сравнения является входом блока вычисления коэффициента е3, а выход пятого усилителя является выходом блока вычисления коэффициента е3; при этом внеконтурный формирователь содержит три элемента сравнения, инвертирующий усилитель, три блока умножения, блок расчета обратной функции и три интегратора, причем первый вход шестого элемента сравнения является первым входом внеконтурного формирователя, вход блока расчета обратной функции является вторым входом внеконтурного формирователя, инвертирующий вход первого блока умножения является третьим входом внеконтурного формирователя, инвертирующий вход второго блока умножения является четвертым входом внеконтурного формирователя, а выход третьего интегратора является выходом внеконтурного формирователя; а регулятор содержит три интегратора, четыре блока умножения, четыре элемента сравнения и шестой усилитель, причем неинвертирующий вход девятого элемента сравнения является первым входом регулятора, первый вход седьмого блока умножения является вторым входом регулятора, первый вход четвертого блока умножения является третьим входом регулятора, первый вход пятого блока умножения является четвертым входом регулятора, первый вход шестого блока умножения является пятым входом регулятора, а выход двенадцатого элемента сравнения является выходом регулятора; при этом выход регулятора подключен к неинвертирующему входу второго элемента сравнения, выход которого подключен ко входу силового преобразователя, первый выход измерительного блока через безинерционное звено обратной связи по скорости с коэффициентом передачи К1 соединен с первым инвертирующим входом второго элемента сравнения, второй выход измерительного блока через безинерционное звено обратной связи по току с коэффициентом передачи К2 подключен ко второму инвертирующему входу второго элемента сравнения, третий выход измерительного блока через безинерционное звено обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи К3 подключен к третьему инвертирующему входу второго элемента сравнения; при этом первый выход измерительного блока последовательно через делитель и квадратор соединен с входом блока вычисления коэффициента е1, с входом блока вычисления коэффициента е2, с входом блока вычисления коэффициента е3 и с вторым входом регулятора; выход блока вычисления коэффициента e1 подключен к четвертому входу внеконтурного формирователя и к пятому входу регулятора; выход блока вычисления коэффициента е2 подключен к третьему входу внеконтурного формирователя и к четвертому входу регулятора; выход блока вычисления коэффициента е3 подключен ко второму входу внеконтурного формирователя и к третьему входу регулятора; в блоке вычисления e1 выход первого усилителя соединен с инвертирующим входом третьего элемента сравнения, к неинвертирующему входу которого подключен первый формирователь, а выход третьего элемента сравнения подключен к входу второго усилителя; в блоке вычисления коэффициента e2 выход третьего усилителя соединен с инвертирующим входом четвертого элемента сравнения, к неинвертирующему входу которого подключен второй формирователь, а выход четвертого элемента сравнения подключен к входу четвертого усилителя; в блоке вычисления коэффициента е3 к неинвертирующему входу пятого элемента сравнения подключен третий формирователь, выход пятого элемента соединен с входом пятого усилителя; во внеконтурном формирователе выход шестого элемента сравнения соединен с первым входом третьего блока умножения, ко второму входу которого подключен блок расчета обратной функции, выход третьего блока умножения через последовательно соединенные первый интегратор и второй интегратор подключен к третьему интегратору, выход первого интегратора соединен с неинвертирующим входом первого блока умножения, выход которого подключен к первому входу седьмого элемента сравнения, выход второго интегратора подключен к неинвертирующему входу второго блока умножения, выход которого подключен к первому входу восьмого элемента сравнения, выход третьего интегратора соединен со входом инвертирующего усилителя, выход которого подключен ко второму входу восьмого элемента сравнения, выход которого соединен со вторым входом седьмого элемента сравнения, выход которого подключен ко второму входу шестого элемента сравнения; в регуляторе выход девятого элемента сравнения соединен с входом четвертого интегратора и со вторым входом четвертого блока умножения, который подключен к первому входу десятого элемента сравнения, выход четвертого интегратора соединен с входом пятого интегратора и со вторым входом пятого блока умножения, который подключен ко второму входу десятого элемента сравнения, выходом подключенного к первому входу одиннадцатого элемента сравнения, выход пятого интегратора соединен с входом шестого интегратор, со вторым входом седьмого блока умножения и со вторым входом шестого блока умножения, выход которого подключен ко второму входу одиннадцатого элемента сравнения, выход которого соединен с первым входом двенадцатого элемента сравнения, выход шестого интегратора через шестой усилитель подключен ко второму входу двенадцатого элемента сравнения, а выход седьмого блока умножения подключен к инвертирующему входу девятого элемента сравнения.

На фиг. 4 изображена блок-схема устройства для осуществления предложенного способа, на фиг. 5 приведены результаты компьютерного моделирования работы устройства при тех же условиях и тех же режимах, которые выбраны для способа - прототипа. На фиг. 6 приведены результаты компьютерного моделирования устройства по фиг. 4 с частотой внешнего возмущения, отличной от заданной.

Для фиг. 4 введены следующие обозначения: внеконтурный формирователь 1, первый элемент сравнения 2, выход которого соединен с регулятором 3, силовой преобразователь 4, подключенный к электродвигателю постоянного тока 5 соединенному с измерительным блоком 6, соединенным обратной связью по скорости с инвертирующим входом первого элемента сравнения 2; второй элемент сравнения 7; безинерционное звено обратной связи по скорости 8 с коэффициентом передачи К1; безинерционное звено обратной связи по току 9 с коэффициентом передачи К2; безинерционное звено обратной связи по напряжению 10 с коэффициентом передачи К3; делитель 11; квадратор 12, блок вычисления коэффициента e1 13, блок вычисления коэффициента е2 14, блок вычисления коэффициента е3 15. Блок вычисления коэффициента e1 13 содержит третий элемент сравнения 16, первый усилитель 19, имеющий коэффициент усиления , первый формирователь 21 с коэффициентом d1 и второй усилитель 24 с коэффициентом усиления 1/b0, причем вход первого усилителя 19 является входом блока вычисления коэффициента e1 13, а выход второго усилителя 24 является выходом блока вычисления коэффициента e1 13. Блок вычисления коэффициента е2 14 содержит четвертый элемент сравнения 17, третий усилитель 20, обладающий коэффициентом усиления d4, второй формирователь 22 с коэффициентом d2 и четвертый усилитель 25 с коэффициентом усиления 1/b0, причем вход третьего усилителя 20 является входом блока вычисления коэффициента е2 14, а выход четвертого усилителя 25 является выходом блока вычисления коэффициента е2 14. Блок вычисления коэффициента е3 15 содержит пятый элемент сравнения 18, третий формирователь 23, имеющий коэффициент d3-d42/4 и пятый усилитель 26 с коэффициентом усиления 1/b0, причем инвертирующий вход пятого элемента сравнения 18 является входом блока вычисления коэффициента е3 15, а выход пятого усилителя 26 является выходом блока вычисления коэффициента е3 15. Внеконтурный формирователь 1 содержит шестой элемент сравнения 27, седьмой элемент сравнения 28, восьмой элемент сравнения 29, инвертирующий усилитель 30 с коэффициентом (-е0), первый блок умножения 31, второй блок умножения 32, третий блок умножения 33, блок расчета обратной функции 34 с коэффициентом (1/е3), первый интегратор 35, второй интегратор 36, третий интегратор 37, причем первый вход шестого элемента сравнения 27 является первым входом внеконтурного формирователя 1, вход блока расчета обратной функции 34 является вторым входом внеконтурного формирователя 1, инвертирующий вход первого блока умножения 31 является третьим входом внеконтурного формирователя 1, инвертирующий вход второго блока умножения 32 является четвертым входом внеконтурного формирователя 1, а выход третьего интегратора 37 является выходом внеконтурного формирователя 1. Регулятор 3 содержит девятый элемент сравнения 38, четвертый интегратор 39, пятый интегратор 40, шестой интегратор 41, четвертый блок умножения 42, пятый блок умножения 43, шестой блок умножения 44, десятый элемент сравнения 45, одиннадцатый элемент сравнения 46, двенадцатый элемент сравнения 47, шестой усилитель 48 с коэффициентом (е0) и седьмой блок умножения 49, причем неинвертирующий вход девятого элемента сравнения 38 является первым входом регулятора 3, первый вход седьмого блока умножения 49 является вторым входом регулятора 3, первый вход четвертого блока умножения 42 является третьим входом регулятора 3, первый вход пятого блока умножения 43 является четвертым входом регулятора 3, первый вход шестого блока умножения 44 является пятым входом регулятора 3, а выход двенадцатого элемента сравнения 47 является выходом регулятора 3.

Для организации внутреннего контура регулирования предусмотрен второй элемент сравнения 7, безинерционное звено 8 обратной связи по скорости с коэффициентом передачи К1, безинерционное звено 9 обратной связи по току с коэффициентом передачи К2, безинерционное звено 10 обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи К3.

Для определения угловой скорости рабочего органа ωl, равной Ω/i, в устройство введен делитель 11 с коэффициентом деления i и получающий информацию о скорости электродвигателя постоянного тока 5 с первого выхода измерительного блока 6.

Для расчета коэффициентов e1, е2, и е3 полиномов внеконтурного формирователя 1 и регулятора 3, зависящих от ω1, в устройство введены: - 13 блок вычисления e1; - 14 блок вычисления е2; - 15 блок вычисления е3.

Выход внеконтурного формирователя 1 подключен к неинвертирующему входу первого элемента сравнения 2, выход которого соединен с первым входом регулятора 3. Выход регулятора 3 подключен к неинвертирующему входу второго элемента сравнения 7, выход которого соединен с силовым преобразователем 4. Силовой преобразователь 4 подключен к электродвигателю постоянного тока 5 соединенному с измерительным блоком 6. Измерительный блок 6 выполнен с возможностью измерения напряжения на выходе силового преобразователя 4, скорости и тока двигателя постоянного тока 5. Первый выход измерительного блока 6 соединен обратной связью по скорости с инвертирующим входом первого элемента сравнения 2, также первый выход измерительного блока 6 соединен через безинерционное звено обратной связи по скорости 8 с коэффициентом передачи К1 с первым инвертирующим входом второго элемента сравнения 7. Второй выход измерительного блока 6 через безинерционное звено обратной связи по току 9 с коэффициентом передачи К2 подключен ко второму инвертирующему входу второго элемента сравнения 7. Третий выход измерительного блока 6 через безинерционное звено обратной связи по напряжению 10 с коэффициентом передачи К3 подключен к третьему инвертирующему входу второго элемента сравнения 7. Первый выход измерительного блока 6 также последовательно через делитель 11 и квадратор 12 соединен с входом блока вычисления коэффициента e1 13, с входом блока вычисления коэффициента е2 14, с входом блока вычисления коэффициента е3 15 и со вторым входом регулятора 3. Выход блока вычисления коэффициента e1 13 подключен к четвертому входу внеконтурного формирователя 1 и к пятому входу регулятора 3. Выход блока вычисления коэффициента е2 14 подключен к третьему входу внеконтурного формирователя 1 и к четвертому входу регулятора 3. Выход блока вычисления коэффициента е3 15 подключен ко второму входу внеконтурного формирователя 1 и к Третьему входу регулятора 3. В блоке вычисления e1 13 выход первого усилителя 19 соединен с инвертирующим входом третьего элемента сравнения 16, к неинвертирующему входу которого подключен первый формирователь 21, а выход третьего элемента сравнения 16 подключен ко второму усилителю 24. В блоке вычисления коэффициента е2 14 выход третьего усилителя 20 соединен с инвертирующим входом четвертого элемента сравнения 17, к неинвертирующему входу которого подключен второй формирователь 22, а выход четвертого элемента сравнения 17 подключен к входу четвертого усилителя 25. В блоке вычисления коэффициента е3 15 к неинвертирующему входу пятого элемента сравнения 18 подключен третий формирователь 23, выход пятого элемента сравнения 18 соединен с входом пятого усилителя 26. Во внеконтурном формирователе 1 выход шестого элемента сравнения 27 соединен с первым входом третьего блока умножения 33, ко второму входу которого подключен блок расчета обратной функции 34, выход третьего блока умножения 33 через последовательно соединенные первый интегратор 35 и второй интегратор 36 подключен к третьему интегратору 37, выход первого интегратора 35 также соединен с неинвертирующим входом первого блока умножения 31, выход которого подключен к первому входу седьмого элемента сравнения 28, выход второго интегратора 36 подключен к неинвертирующему входу второго блока умножения 32, выход которого подключен к первому входу восьмого элемента сравнения 29, выход третьего интегратора 37 соединен со входом инвертирующего усилителя 30, выход которого подключен ко второму входу восьмого элемента сравнения 29, выход которого соединен со вторым входом седьмого элемента сравнения 28, выход которого подключен ко второму входу шестого элемента сравнения 27. В регуляторе 3 выход девятого элемента сравнения 38 соединен с входом четвертого интегратора 39 и со вторым входом четвертого блока умножения 42, который подключен к первому входу десятого элемента сравнения 45, выход четвертого интегратора 39 соединен с входом пятого интегратора 40 и со вторым входом пятого блока умножения 43, который подключен ко второму входу десятого элемента сравнения 45, выходом подключенного к первому входу одиннадцатого элемента сравнения 46, выход пятого интегратора 40 соединен с входом шестого интегратор 41, со вторым входом седьмого блока умножения 49 и вторым входом шестого блока умножения 44, выход которого подключен ко второму входу одиннадцатого элемента сравнения 46, выход которого соединен с первым входом двенадцатого элемента сравнения 47, выход шестого интегратора 41 через шестой усилитель 46 подключен ко второму входу двенадцатого элемента сравнения 47, а выход седьмого блока умножения 49 подключен к инвертирующему входу девятого элемента сравнения 38.

Способ осуществляют следующим образом. Первоначально для выбранной электромеханической системы производят снятие и исследование спектрограммы скоростей. Если спектрограмма была построена ранее, пользуются результатами проведенных исследований. На спектрограмме выделяют частоту наиболее существенного воздействия, которое приводит к возникновению доминирующего гармонического возмущения момента нагрузки на валу рабочего органа. По известной кинематической схеме механизма и выявленной частоте находят соответствующую угловую скорость рабочего органа ω1, которая позволяет вычислить математическую модель наиболее существенного возмущения, соответствующую уравнению (2). Для организации процесса управления в состав системы кроме известного внешнего контура регулирования по основной координате (в данном случае - по скорости рабочего органа или жестко связанной с ней скорости электродвигателя постоянного тока 5) организуют внутренний контур регулирования. Как и в случае способа-прототипа полученная модель возмущения вводится сомножителем в знаменатель передаточной функции регулятора 3. Внеконтурный формирователь 1, исключающий искажение передаточной функции системы по управлению, выбирается аналогично прототипу. После этого приступают к синтезу регулятора.

Синтез регулятора проводится в два этапа в направлении от внешнего контура к внутреннему. На первом этапе, как и в представленном выше способе-прототипе, составляется уравнение

где E(s) и s·F(s) - полиномы числителя и знаменателя ПФ регулятора, причем F(s)=G(s)·V(s), V(s) - вспомогательный полином, обеспечивающий техническую реализуемость регулятора, D(s) - желаемый ХП синтезируемой системы, P(s) и Q(s) - ХП и полином воздействия ПФ внутренней подсистемы. В правую часть данного уравнения записывается желаемый ХП синтезируемой системы со значением Ω0=180 с-1, соответствующим заданному быстродействию системы в 50 мс, D(s)=s5+900s4+324000s3+58320000s2+5248800000s+188956800000.

В качестве полинома P(s) задается общий вид желаемого ХП внутренней подсистемы 2-го порядка (в данном случае - также форма Ньютона) с неизвестным значением среднегеометрического корня (СГК) ΩОБ. При этом не требуется введения вспомогательного полинома V(s) - полином Q(s) заменяется коэффициентом b0=42570,6 (свободный член полинома числителя исходного объекта). Определению подлежат параметры полинома E(s) регулятора с моделью возмущения, а также величина СГК полинома P(s) - ΩОБ. При этом быстродействие внутренней системы регулирования скорости будет оптимальным образом соответствовать быстродействию внешнего контура при их каскадном включении. Для рассматриваемой системы получаем уравнение синтеза регулятора внешнего контура

откуда одновременно находим коэффициенты полинома E(s) передаточной функции регулятора

и значение СГК ХП внутренней подсистемы ΩОБ=450 с-1.

На втором этапе синтеза по известному желаемому полиному внутренней системы регулирования скорости рассчитываются коэффициенты безинерционного регулятора состояния, которые в нашем случае принимают значения К1=-4,64; К2=-0,14; К3=-0,007.

Компенсация влияния возникающих колебаний момента нагрузки по рассматриваемому варианту способа происходит за счет того, что при возникновении таких колебаний происходит изменение угловой скорости вала электродвигателя постоянного тока, которое, будучи введено в виде отрицательной обратной связи на вход регулятора, настроенного на гашение заданной частоты, компенсируется внешним и внутренним контуром регулятора.

При изменении скорости вращения электродвигателя постоянного тока 5 происходит изменение скорости вращения рабочего органа, а значит и частоты прилагаемого к валу момента нагрузки. Такое изменение скорости рабочего органа характерно для механизмов, требующих регулирования производительности при смене ассортимента изделий, при изменении режимов обработки различных материалов, предусматривающих скорость рабочих органов, отличную от номинальной. В этом случае эффективность регулирования снижается. Снижение эффективности процесса регулирования объясняется тем, что регулятор был синтезирован, исходя из одного значения угловой скорости рабочего органа, являющейся основным источником обратной связи во внешнем контуре системы. Следовательно, возникает необходимость адаптации технического решения к изменению скорости рабочего органа.

Запишем уравнение (8) в общем виде, используя в нем символьное обозначение скорости рабочего органа ω1 вместо конкретного значения ω1=1,57 рад/с и b0 вместо конкретной величины 42570,6 свободного члена полинома числителя передаточной функции (4) исходного объекта

В уравнении (9) выражение e3s3+e2s2+e1s+e0 является числителем передаточной функции регулятора 3 и знаменателем передаточной функции внеконтурного регулятора 1. В то же время выражение s(s212) соответствует знаменателю передаточной функции регулятора 3. Это позволяет реализовать внеконтурный формирователь 1 и регулятор 3 в виде цифровых или аналоговых блоков, выполняющих математические преобразования с учетом текущего значения ω1.

Решая уравнение синтеза регулятора внешнего контура (9), получаем коэффициенты полинома передаточной функции регулятора E(s)

где коэффициенты d0, d1, d2, d3 и d4 находятся по желаемому ХП синтезируемой системы D(s) с подстановкой конкретного значения Ω0, соответствующего заданному быстродействию. Такие же зависимости e11), e21), е31) будут присущи и полиному внеконтурного формирователя 1. В отличие от способа-прототипа, регулятор и внеконтурный формирователь выполняются с возможностью изменения коэффициентов е1, е2, е3 в зависимости от величины угловой скорости рабочего органа ω1.

В случае изменения задающего воздействия UΩЗ, например при необходимости изменения производительности технологического оборудования, регулятор отработает это изменение. Угловая скорость рабочего органа ω1 изменится, что автоматически повлечет за собой изменение частоты вынужденных колебаний момента нагрузки. В случае отсутствия возможности адаптации эти колебания гасятся системой неэффективно, что приводит к возникновению динамической ошибки и снижению точности системы.

Зависимость частоты гармонического возмущения от угловой скорости рабочего органа ω1 определяет необходимость адаптации регулятора с внутренней моделью к изменениям скоростного режима электромеханической системы. При этом текущее значение скорости рабочего органа вводится в регулятор с внутренней моделью возмущения как переменная, в зависимости от которой перестраиваются коэффициенты f01)=ω12, e11), e21) и e31) внеконтурного формирователя 1 регулятора 3 с внутренней моделью возмущения.

Сигнал задания на скорость UΩЗ проходит через формирователь с передаточной функцией . При этом коэффициенты e11), e21), e31) полинома E(s) имеют значения, соответствующие текущему уровню угловой скорости рабочего органа ω1. Затем сигнал обратной связи по скорости UΩ вычитается из сигнала, полученного на выходе внеконтурного формирователя 1. Сигнал разницы скоростей UΔΩ поступает на ту часть регулятора 3 с внутренней моделью возмущения , которая стоит в прямом канале системы. Аналогично коэффициентам e11), e21), e31) полинома E(s) значение коэффициента f01) полинома F(s) соответствует текущему уровню угловой скорости рабочего органа ω1. Для удобства сопряжения канала адаптации с блоками формирователя и регулятора оба выполняются в канонической форме управляемости. Сформированный таким образом сигнал управления Uy поступает на неинвертирующий вход второго элемента сравнения 7 внутреннего контура регулирования скорости.

Способ, предполагающий коррекцию коэффициентов регулятора и внеконтурного формирователя, отрабатывает возникающие в процессе регулирования Ω переменные по частоте колебания момента нагрузки. Это наглядно видно на примере временных диаграмм, снятых путем компьютерного моделирования системы при воздействии гармонических колебаний момента нагрузки с частотами, соответствующими скоростям 15,7 рад/с (фиг. 5) и 157 рад/с (фиг. 6). И в том, и в другом случае система эффективно отрабатывает приложенный гармонический момент нагрузки. Колебаний скорости после внешнего воздействия не наблюдается.

Предложенный способ адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе позволяет ей подстраиваться к изменениям угловой скорости рабочего органа, что повышает точность системы.

Устройство адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе (фиг. 4) работает следующим образом. По данным предварительного синтеза передаточной функции внеконтурного формирователя 1, предназначенного для коррекции влияния управляющего воздействия UΩз на объект управления, производят настройку блоков вычислений коэффициентов е1, е2 и е3 (13, 14 и 15), устанавливая коэффициенты усиления первого усилителя 19 и третьего усилителя 20; а также первого формирователя 21, второго формирователя 22 и третьего формирователя 23 такими, как указано на фиг. 4. Это соответствует выполнению условий, заданных уравнениями (10-14). Кроме этого второй 24, четвертый 25 и пятый 26 усилители настраивают на заданный величиной b0 коэффициент усиления. Аналогичную операцию предустановки на значение -е0 и е0 осуществляют с инвертирующим усилителем 30 и с шестым усилителем 48. Конкретные значения коэффициентов е0, d1, d2, d3, d4 и b0 выбираются так, как представлено при описании работы заявляемого способа. При этом внеконтурный формирователь 1 компенсирует появление дополнительных нулей передаточной функции системы по управляющему воздействию и перестраивается при изменении скоростей Ω и ω1. Регулятор 3 так же имеет возможность перестройки своей передаточной функции при изменении скоростей электродвигателя постоянного тока 5 и рабочего органа за счет введенных элементов. Система готова к работе.

Допустим, требуемая скорость рабочего органа ω1 электромеханической системы равна той, которая вызывает наиболее значимые гармонические колебания момента нагрузки на валу. Этот режим может быть достигнут путем подачи на вход устройства управляющего сигнала UΩЗ, соответствующего ω1. В начальный момент пуска электродвигатель постоянного тока 5 и жестко связанный с ним рабочий орган начинают изменять свои скорости с нуля. Первый элемент сравнения 2, вырабатывающий на выходе сигнал ошибки ΔUΩ, представляющей собой разность сигналов UΩзф с выхода внеконтурного формирователя 1 и сигнала UΩ с первого выхода измерительного блока 6, подает на вход регулятора 3 наибольшее напряжение ΔUΩ. Регулятор 3 и внеконтурный формирователь 1 могут быть реализованы в виде цифровых или аналоговых блоков, внутренние параметры которых рассчитаны в процессе конструирования системы управления, исходя из известных зависимостей полиномов передаточных функций от угловой скорости рабочего органа ω1, как это представлено ранее для заявляемого способа. В начальный момент пуска отрицательные обратные связи внутреннего контура по току, напряжению и скорости отсутствуют, напряжение ΔUy максимально. Силовой преобразователь 4 переводит свой входной сигнал ΔUy в напряжение U на якорной обмотке электродвигателя постоянного тока 5. Это соответствует нарастанию напряжения U на якорной обмотке электродвигателя постоянного тока 5 и он начинает разгоняться. Появляются сигналы на входах измерительного блока 6, выполненного с возможностью измерения напряжения на выходе силового преобразователя 4, скорости и тока двигателя постоянного тока 5. Для этого сигнал о скорости электродвигателя постоянного тока 5 поступает на первый вход измерительного блока 6, сигнал о токе электродвигателя постоянного тока 5 поступает на второй вход измерительного блока 6, а сигнал о напряжении с выхода силового преобразователя 4 поступает на третий вход измерительного блока 6. Кроме этого, в системе имеются безинерционное звено обратной связи по скорости 8 с коэффициентом передачи К1, безинерционное звено обратной связи по току 9 с коэффициентом передачи К2 и безинерционное звено обратной связи по напряжению 10 с коэффициентом передачи К3. Их назначение - подключать соответствующие сигналы, информирующие систему об основных параметрах, характеризующих работу системы (скорость и ток электродвигателя постоянного тока 5, напряжение силового преобразователя 4) к первому, второму и третьему инвертирующим входам второго элемента сравнения 7 соответственно. В процессе пуска обратные связи по току, напряжению и скорости внутреннего контура обеспечивают требуемое быстродействие, исключая перерегулирование при выходе системы на заданную скорость.

После пуска на выбранную скорость вала электродвигателя постоянного тока 5, которая в данном техническом решении может быть любой, появление на валу внешнего гармонического возмущающего воздействия момента нагрузки, частота которого жестко связана с заданной скоростью и может изменяться, эффективно отрабатывается введенными элементами и связями между ними.

Так, при достижении заданной скорости вала электродвигателя постоянного тока 5 делитель 11 по информации о Ω, поступающей с первого выхода измерительного блока 6, вырабатывает значение Uω1, которое формирует на выходе квадратора 12 сигнал Uω12. Этот сигнал необходим для корректировки зависящих от ω1 коэффициентов е1, е2, и е3 передаточных функций внеконтурного формирователя 1 и регулятора 3.

Поступая на входы блока вычисления коэффициента e1 13, блока вычисления коэффициента е2 14 и блока вычисления коэффициента е3 15, напряжение Uω12 проходит через внутренние элементы указанных блоков вычисления. Для блока вычисления коэффициента e1 13 через первый усилитель 19 (преобразующий входной сигнал с выхода квадратора 12 в выходной с коэффициентом усиления d42/4, где d4 - константа, определяемая в процессе синтеза полиномов внеконтурного преобразователя 1 и регулятора 3), на инвертирующий вход третьего элемента сравнения 16, на неинвертирующий вход которого поступает информация от первого формирователя 21. Первый формирователь 21 генерирует сигнал, равный d1. На выходе третьего элемента сравнения образуется разность сигналов, поступающая на вход второго усилителя 24. Его коэффициент усиления равен 1/b0 и выбирается на основании результатов проведенного заранее синтеза полиномов внеконтурного формирователя 1 и регулятора 3. Полученное значение коэффициента е1, поступая на инвертирующий вход второго блока умножения 32 и второй вход шестого блока умножения 44, корректирует передаточные функции внеконтурного формирователя 1 и регулятора 3. Тем самым производится адаптация системы к выбранному значению скорости. Аналогичные процессы происходят в блоке вычисления коэффициента е2 14 и блоке вычисления коэффициента е3 15. Различие состоит лишь в том, что в блоке вычисления коэффициента е2 14 используют второй формирователь 22, отвечающий за включение в состав сигнала на выходе блока вычисления коэффициента е2 константы d2. Для выполнения той же функции на неинвертирующий вход пятого элемента сравнения 18 подключен третий формирователь 23, вводящий в состав сигнала на выходе блока вычисления коэффициента е3 15 величину (d3-d42/4). Подобное соединение элементов формирует на выходах блоков вычисления коэффициентов e1 (13), е2 (14) и е3 (15) сигналы, зависящие от ω1, что позволяет корректировать полиномы внеконтурного формирователя 1 и регулятора 3 и настраивать их при изменении угловой скорости рабочего органа, адаптируя систему к возникновению колебаний момента нагрузки и исключая вынужденные колебания скорости в широком диапазоне частот, как это предусмотрено выражением (9).

Часть элементов внеконтурного формирователя 1 не изменяют своих свойств, при изменении скорости ω1. К таким элементам относятся, инвертирующий усилитель 30, обладающий постоянным, не зависящим от ω1 коэффициентом усиления (-е0), и блок расчета обратной функции 34. Величина е0, как и b0 выбирается на основании результатов проведенного заранее синтеза полиномов внеконтурного формирователя 1 и регулятора 3, а введение в состав внеконтурного формирователя 1 блока расчета обратной функции 34 обеспечивает на втором входе третьего блока умножения 33 сигнал, равный 1/е3. Элементы с 27 по 37 реализуют синтезированную передаточную функцию внеконтурного формирователя 1 и настраивают ее на текущее значение скорости электродвигателя постоянного тока 5.

При реализации передаточной функции регулятора 3 значение сигнала Uω12 поступает с выхода квадратора 12 на первый вход седьмого блока умножения 49, приводя передаточную функцию регулятора 3 в соответствие выбранному значению скорости двигателя постоянного тока 6. Как и в случае внеконтурного формирователя 1, элементы с 38 по 49 реализуют передаточную функцию регулятора 3, адаптированную под текущее значение ω1, что позволяет эффективно подавлять различные частоты, появляющиеся в возмущающем гармоническом моменте нагрузки при регулировании скорости.

Если скорость электродвигателя постоянного тока 5 изменится (например под действием нового задающего воздействия, отличного от ранее рассмотренного), система отработает это изменение, установив новые значения коэффициентов передаточных функций E(s) и F(s) внеконтурного формирователя 1 и регулятора 3. При этом эффективность работы системы не нарушает, и она успешно отрабатывает влияние нового возмущающего гармонического момента нагрузки.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют увеличить точность системы.

1. Способ адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе, заключающийся в том, что управление осуществляют регулятором по скорости рабочего органа, для чего предварительно по результату анализа спектрограммы скоростей электромеханической системы, выделяют частоту наиболее существенного возмущения, с учетом этой частоты находят полином, формирующий математическую модель гармонического возмущения момента нагрузки, вводят этот полином сомножителем в знаменатель передаточной функции регулятора по скорости рабочего органа, а искажение передаточной функции электромеханической системы по управлению устраняют за счет воздействия внеконтурного формирователя, отличающийся тем, что колебания момента нагрузки дополнительно компенсируют по внутреннему контуру, представляющему собой обратные связи по напряжению, скорости и току, передаточные функции элементов системы настраивают в два этапа, на первом из которых полином регулятора по скорости рабочего органа формируют с учетом заданного быстродействия системы, по этому полиному находят среднегеометрический корень характеристического полинома внутреннего контура регулирования, задают общий вид желаемого полинома передаточной функции внутреннего контура регулирования, быстродействие которого оптимальным образом соответствует быстродействию регулятора по скорости рабочего органа при их каскадном включении, а на втором этапе по заданному желаемому полиному передаточной функции внутреннего контура регулирования и среднегеометрическому корню характеристического полинома внутреннего контура регулирования формируют коэффициенты полинома передаточной функции внутреннего контура регулирования, причем по результатам измерения скорости рабочего органа постоянно корректируют коэффициенты е1, e2, е3 передаточных функций внеконтурного формирователя и регулятора.

2. Устройство адаптивной компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе, содержащее внеконтурный формирователь, подключенный к неинвертирующему входу первого элемента сравнения, выход которого соединен с регулятором, силовой преобразователь, подключенный к электродвигателю постоянного тока, соединенному с измерительным блоком, соединенным обратной связью по скорости с инвертирующим входом первого элемента сравнения, отличающееся тем, что в него введены второй элемент сравнения; безынерционное звено обратной связи по скорости с коэффициентом передачи К1; безинерционное звено обратной связи по току с коэффициентом передачи К2; безынерционное звено обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи К3; делитель; квадратор; блок вычисления коэффициента е1, содержащий третий элемент сравнения, два усилителя и первый формирователь, причем вход первого усилителя является входом блока вычисления коэффициента е1, а выход второго усилителя является выходом блока вычисления коэффициента е1; блок вычисления коэффициента е2, содержащий четвертый элемент сравнения, два усилителя и второй формирователь, причем вход третьего усилителя является входом блока вычисления коэффициента е2, а выход четвертого усилителя является выходом блока вычисления коэффициента е2; блок вычисления коэффициента е3, содержащий пятый элемент сравнения, третий формирователь и пятый усилитель, причем инвертирующий вход пятого элемента сравнения является входом блока вычисления коэффициента е3, а выход пятого усилителя является выходом блока вычисления коэффициента е3; при этом внеконтурный формирователь содержит три элемента сравнения, инвертирующий усилитель, три блока умножения, блок расчета обратной функции и три интегратора, причем первый вход шестого элемента сравнения является первым входом внеконтурного формирователя, вход блока расчета обратной функции является вторым входом внеконтурного формирователя, инвертирующий вход первого блока умножения является третьим входом внеконтурного формирователя, инвертирующий вход второго блока умножения является четвертым входом внеконтурного формирователя, а выход третьего интегратора является выходом внеконтурного формирователя; а регулятор содержит три интегратора, четыре блока умножения, четыре элемента сравнения и шестой усилитель, причем неинвертирующий вход девятого элемента сравнения является первым входом регулятора, первый вход седьмого блока умножения является вторым входом регулятора, первый вход четвертого блока умножения является третьим входом регулятора, первый вход пятого блока умножения является четвертым входом регулятора, первый вход шестого блока умножения является пятым входом регулятора, а выход двенадцатого элемента сравнения является выходом регулятора; при этом выход регулятора подключен к неинвертирующему входу второго элемента сравнения, выход которого подключен ко входу силового преобразователя, первый выход измерительного блока через безинерционное звено обратной связи по скорости с коэффициентом передачи К1 соединен с первым инвертирующим входом второго элемента сравнения, второй выход измерительного блока через безинерционное звено обратной связи по току с коэффициентом передачи К2 подключен ко второму инвертирующему входу второго элемента сравнения, третий выход измерительного блока через безинерционное звено обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи К3 подключен к третьему инвертирующему входу второго элемента сравнения; при этом первый выход измерительного блока последовательно через делитель и квадратор соединен с входом блока вычисления коэффициента е1, с входом блока вычисления коэффициента е2, с входом блока вычисления коэффициента е3 и с вторым входом регулятора; выход блока вычисления коэффициента e1 подключен к четвертому входу внеконтурного формирователя и к пятому входу регулятора; выход блока вычисления коэффициента е2 подключен к третьему входу внеконтурного формирователя и к четвертому входу регулятора; выход блока вычисления коэффициента е3 подключен ко второму входу внеконтурного формирователя и к третьему входу регулятора; в блоке вычисления e1 выход первого усилителя соединен с инвертирующим входом третьего элемента сравнения, к неинвертирующему входу которого подключен первый формирователь, а выход третьего элемента сравнения подключен к входу второго усилителя; в блоке вычисления коэффициента е2 выход третьего усилителя соединен с инвертирующим входом четвертого элемента сравнения, к неинвертирующему входу которого подключен второй формирователь, а выход четвертого элемента сравнения подключен к входу четвертого усилителя; в блоке вычисления коэффициента е3 к неинвертирующему входу пятого элемента сравнения подключен третий формирователь, выход пятого элемента соединен с входом пятого усилителя; во внеконтурном формирователе выход шестого элемента сравнения соединен с первым входом третьего блока умножения, ко второму входу которого подключен блок расчета обратной функции, выход третьего блока умножения через последовательно соединенные первый интегратор и второй интегратор подключен к третьему интегратору, выход первого интегратора соединен с неинвертирующим входом первого блока умножения, выход которого подключен к первому входу седьмого элемента сравнения, выход второго интегратора подключен к неинвертирующему входу второго блока умножения, выход которого подключен к первому входу восьмого элемента сравнения, выход третьего интегратора соединен со входом инвертирующего усилителя, выход которого подключен ко второму входу восьмого элемента сравнения, выход которого соединен со вторым входом седьмого элемента сравнения, выход которого подключен ко второму входу шестого элемента сравнения; в регуляторе выход девятого элемента сравнения соединен с входом четвертого интегратора и вторым входом четвертого блока умножения, который подключен к первому входу десятого элемента сравнения, выход четвертого интегратора соединен с входом пятого интегратора и со вторым входом пятого блока умножения, который подключен ко второму входу десятого элемента сравнения, выходом подключенного к первому входу одиннадцатого элемента сравнения, выход пятого интегратора соединен с входом шестого интегратора, с вторым входом седьмого блока умножения и с вторым входом шестого блока умножения, выход которого подключен ко второму входу одиннадцатого элемента сравнения, выход которого соединен с первым входом двенадцатого элемента сравнения, выход шестого интегратора через шестой усилитель подключен ко второму входу двенадцатого элемента сравнения, а выход седьмого блока умножения подключен к инвертирующему входу девятого элемента сравнения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к системе для улучшения определения добротности системы считывания положения вращения. Сущность изобретения заключается в том, что во время вращения объекта, считываемого датчиком положения, сохраняют данные, связанные с добротностью профиля магнитного датчика, в датчике положения, и выдают данные о положении через штырь датчика положения; и во время когда указанный объект не вращается, выдают, по меньшей мере, часть данных, связанных с добротностью профиля магнитного датчика, через штырь.

Изобретение относится к системам управления вентильными электродвигателями вращения антенны радиолокационной станции (РЛС) и может быть использовано в регулируемых электроприводах.

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для высокоточного автоматического регулирования движения осей оптических телескопов и лидарных станций обнаружения и сопровождения космических объектов.

Изобретение относится к области ручных приводных инструментов. Технический результат - повышение надежности.

Изобретение относится к устройствам измерительной техники и может быть применено в качестве датчика угла фазового сдвига между напряжением и током в системах регулирования возбуждения синхронных электродвигателей, когда они работают в режиме стабилизации коэффициента мощности в узле нагрузки, а также в системах регулирования компенсации реактивной мощности индукционных нагревательных установок, работающих на промышленной и средней частотах при нагреве до высоких температур, к выходу устройства может подключаться прибор для измерения угла фазового сдвига ±80°.

Изобретение относится к разделу управления и может быть использовано для регулирования скорости электромеханического объекта, представляющего собой электродвигатель постоянного тока и упругосвязанный с ним исполнительный механизм.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в промышленных установках для отработки позиционными электроприводами с идеальным валопроводом заданных программ перемещения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах или машинах. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования механичеки коммутируемого электродвигателя постоянного тока или универсального двигателя.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления двигателем постоянного тока, преимущественно при питании от низковольтного источника.

Изобретение относится к контролю и организации оптимального управления и может быть использовано в системах контроля и управления различных динамических систем в реальном масштабе времени.

Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию. Технический результат - обеспечение работоспособности системы регулирования объекта с рециклом при числе управляющих воздействий объекта больше числа целевых выходных переменных.

Изобретения относятся к химической и топливной отраслям промышленности, а также к охране окружающей среды. Сначала сравнивают данные об исходном образце твердого топлива с одной или более требуемых характеристик после обработки.

Изобретение относится к следящим системам, предназначенным для обнаружения, определения, текущего контроля и анализа данных. Технический результат - расширение функциональных возможностей и удобство эксплуатации.

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано для реализации циклических движений. Технический результат - повышение точности реализации циклических движений.

Устройство относится к вычислительной технике. Технический результат заявленного изобретения заключается в обеспечении заданной динамической точности скоростного движения динамического объекта (ДО) на всех участках криволинейной пространственной траектории независимо от динамических свойств этого объекта и его системы управления.

Изобретение относится к системам автоматического регулирования, поддерживающим ориентацию солнечных батарей. Технический результат заключается в повышении точности ориентации и слежения солнечных батарей.

Изобретения относятся к области автоматизированного управления сложными информационными устройствами, использующими ПИД-законы регулирования, и могут найти применение в радиотехнических системах с хаотической динамикой реализации своих целевых функций в условиях интенсивного информационного возмущения.

Изобретение относится к области систем автоматического регулирования. Оно может быть использовано при автоматизации работы различных промышленных объектов, имеющих в своей структуре несколько каналов управления одной технологической величиной, путем использования одного или нескольких контуров регулирования, подключаемых в зависимости от динамических и энергетических характеристик объекта и особенностей возмущающего воздействия.

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и может быть использовано при построении адаптивных систем управления априорно неопределенными линейными динамическими объектами с относительным порядком передаточной функции, большим единицы.

Изобретение относится к области управления непрерывными технологическими процессами. Техническим результатом является повышение эффективности самонастройки и улучшение качества регулирования инерционных объектов. Для этого предложен способ самонастройки системы ПИД-регулирования, основанный на подаче пробного сигнала на объект управления (ОУ), определении параметров модели ОУ на основе измеренных данных переходного процесса и определении настроек регулирования по параметрам модели, при этом ОУ аппроксимируют апериодическим звеном 1-го порядка с запаздыванием, а самонастройку осуществляют в два этапа: на первом этапе подают ступенчатое воздействие на ОУ, а на втором этапе включают двухпозиционное регулирование, затем определяют настройки ПИД-регулирования, оптимальные по интегральному критерию минимума модуля ошибки регулирования. 6 ил.
Наверх