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



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

 


Владельцы патента RU 2576594:

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

Изобретение - способ автоматической компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе и устройство для его осуществления относятся к электроавтоматике и могут найти применение при создании автоматизированных электроприводов постоянного и переменного тока. Технический результат - обеспечивается сокращение аппаратных или программных затрат при технической реализации системы. Способ заключается в исследовании спектрограммы скоростей электромеханической системы, выделении частоты наиболее существенного возмущения, вычислении полинома, формирующего математическую модель возмущения, введении этого полинома сомножителем в знаменатель передаточной функции регулятора, синтезе коэффициентов регулятора и обратных связей внутреннего контура. Устройство содержит внеконтурный формирователь, регулятор, силовой преобразователь, электродвигатель постоянного тока, измерительный блок, первый и второй элементы сравнения. Кроме этого в него введены три безынерционных звена обратных связей по напряжению, току и скорости. 2 н.п. ф-лы, 4 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(i) можно представить в виде

где M0 - постоянная составляющая момента; M1 - амплитуда колебаний момента и ω1 - скорость рабочего органа; t - время.

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, МПК 6 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: Учебн. 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 подачи 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 флуктуаций 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. Следует отметить, что регулятор и внеконтурный формирователь могут быть реализованы в виде цифровых или аналоговых блоков, которые при наладке требуют установки внутренних параметров, соответствующих полиномам, синтезированным в процессе конструирования системы управления. Способ, выбранный за прототип, выполняет свои основные функции, требует измерения лишь выходной координаты объекта управления - угловой скорости вала рабочего органа.

Основным недостатком указанного технического решения (как будет показано далее) являются высокие аппаратные или программные ресурсы, необходимые для реализации системы.

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, МПК 6 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 могут быть реализованы в виде материальных объектов 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;

Uy, U - управляющее и выходное напряжение силового преобразователя;

Iа - ток якорной цепи электродвигателя постоянного тока;

Ω - угловая скорость вала электродвигателя постоянного тока;

Ωн - номинальная угловая скорость вала электродвигателя постоянного тока;

MН - момент нагрузки (статического сопротивления).

Также здесь и далее приняты следующие обозначения параметров системы:

KСП и TСП - коэффициент передачи и постоянная времени силового преобразователя напряжения;

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

C - конструктивная постоянная двигателя постоянного тока;

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

i - передаточное отношение редуктора.

Система имеет 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: KСП=22, TСП=0,001 с, Ra=0,177 Ом, Tа=0,02 с, Ωн=157 рад/с, C=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 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).

Для 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 формируют структуру и определяют параметры регулятора 30

Использование при синтезе регулятора передаточной функции объекта управления обеспечивает более полный учет его особенностей и способствует повышению помехоустойчивости и параметрической грубости системы.

Как видно из приведенного соотношения, порядок регулятора 3 с учетом внеконтурного формирователя 1 - восьмой. Это подтверждает наличие у прототипа недостатка в виде повышенной сложности при технической реализации как в цифровой, так и в аналоговой форме, что неизбежно приводит к высоким аппаратным или программным затратам.

На фиг. 2 приведены результаты проведенного компьютерного моделирования прототипа с синтезированным регулятором 3. Они представлены переходными процессами тока якоря электродвигателя Iа и Ω угловой скорости вала электродвигателя. Осуществляется пуск электродвигателя постоянного тока 5 на заданную скорость Ω, равную 10% от номинальной, что при известных 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 момент нагрузки Mн выбранного вида Здесь и далее гармоническое возмущение момента нагрузки воздействует на вал двигателя 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 нагрузки заданного вида.

Итак, выполняя возложенные на нее задачи, система обладает повышенной сложностью технической реализации регулятора. Это требует больших аппаратных или программных затрат при построении регулятора восьмого порядка как в аналоговой, так и в цифровой формах, снижает надежность системы, создает дополнительные проблемы при настройке регулятора на реальном объекте.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в сокращении аппаратных или программных затрат при технической реализации системы.

Такой результат достигается за счет того, что способ автоматической 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, 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.

Технический результат достигается тем, что в устройство, 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, первый выход которого соединен обратной связью по скорости с инвертирующим входом первого элемента сравнения, введены второй элемент сравнения, безынерционное звено обратной связи по скорости с коэффициентом передачи K1, безынерционное звено обратной связи по току с коэффициентом передачи K2, безынерционное звено обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи K3, при этом выход регулятора подключен к неинвертирующему входу второго элемента сравнения, выход второго элемента сравнения подключен к входу силового преобразователя, первый выход измерительного блока через безынерционное звено обратной связи по скорости с коэффициентом передачи K1 подключен к первому инвертирующему входу второго элемента сравнения, второй выход измерительного блока через безынерционное звено обратной связи по току с коэффициентом передачи K2 подключен ко второму инвертирующему входу второго элемента сравнения, третий выход измерительного блока через безынерционное звено обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи K3 соединен с третьим инвертирующим входом второго элемента сравнения.

На фиг. 3 изображена блок-схема устройства для осуществления предложенного способа, на фиг. 4 приведены результаты компьютерного моделирования работы устройства, реализующего заявляемый способ при тех же условиях и тех же режимах, которые выбраны для способа-прототипа.

Для фиг. 3 введены следующие обозначения: 1 - внеконтурный формирователь, подключенный к неинвертирующему входу первого элемента сравнения 2, выход которого соединен с регулятором 3. В устройстве имеется силовой преобразователь 4, подключенный к электродвигателю постоянного тока 5, соединенному с измерительным блоком 6, первый выход которого соединен обратной связью по скорости с инвертирующим входом первого элемента сравнения 2. Для организации внутреннего контура регулирования предусмотрен второй элемент сравнения 7, безынерционное звено 8 обратной связи по скорости с коэффициентом передачи K1, безынерционное звено 9 обратной связи по току с коэффициентом передачи K2, безынерционное звено 10 обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи K3. Выход регулятора 3 подключен к неинвертирующему входу второго элемента сравнения 2, выход второго элемента сравнения 7 подключен к входу силового преобразователя 4. Первый выход измерительного блока 6 через безынерционное звено 8 обратной связи по скорости с коэффициентом передачи K1 подключен к первому инвертирующему входу второго элемента сравнения 7, второй выход измерительного блока 6 через безынерционное звено 9 обратной связи по току с коэффициентом передачи K2 подключен ко второму инвертирующему входу второго элемента сравнения 7, третий выход измерительного блока 6 через безынерционное звено 10 обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи K3 соединен с третьим инвертирующим входом второго элемента сравнения 7.

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) вводят внутренний контур регулирования. Как и в случае способа-прототипа, полученная модель возмущения вводится сомножителем в знаменатель передаточной функции регулятора. 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 внутреннего контура. В правую часть данного уравнения записывается желаемый полином со значением Ω0=180c-l, 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 внутреннего контура 2-го порядка (в данном примере - также форма Ньютона) с неизвестным значением среднегеометрического корня (СГК) внутреннего контура - Ω. В этом случае не требуется введение вспомогательного полинома V(s). Полином Q(s) заменяется коэффициентом b0=42570,6 (свободный член полинома числителя исходного объекта управления). Определению подлежат параметры полинома E(s) регулятора с моделью возмущения, а также величина СГК полинома P(s)-Ω. При этом быстродействие внутреннего контура системы регулирования скорости будет оптимальным образом соответствовать быстродействию внешнего контура при их каскадном включении. Для рассматриваемой системы получаем уравнение

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

и значение СГК ХП внутреннего контура Ω=450 с-1.

На втором этапе синтеза по известному желаемому полиному внутреннего контура системы регулирования скорости рассчитываются коэффициенты безынерционного регулятора состояния, которые в нашем случае принимают значения K1=-4,64, K2=-0,14, K3=-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 5, которое будучи введено в виде отрицательной обратной связи на вход регулятора 3, настроенного на гашение заданной частоты, и компенсируется внешним и внутренним контурами системы автоматического управления.

Таким образом, порядок передаточной функции регулятора 3, синтезированного для заявляемого по первому варианту способа с учетом порядка передаточной функции внеконтурного формирователя 1 - шестой.

Применение последовательности операций, характерных для заявляемого способа, привело к существенному упрощению технического исполнения регулятора, что при его технической реализации аналоговыми или цифровыми устройствами сокращает аппаратные затраты. Это неизбежно приводит к повышению надежности, а при внедрении сокращает время наладки.

Проанализируем результаты компьютерного моделирования синтезированного регулятора при тех же параметрах объекта, что и для способа прототипа.

Анализ фиг. 4 доказывает высокую эффективность работы системы при пуске и приложении внешнего возмущающего момента нагрузки после 4 секунд работы на установившейся после пуска скорости в 15,7 рад/с.

Итак, при значительном упрощении регулятора заявляемое техническое решение обеспечивает аналогичные показатели качества переходных процессов, что и прототип, который характеризовался более высоким порядком синтезированного регулятора, что доказывает выполнение поставленной задачи - сокращение аппаратных или программных затрат при технической реализации.

Устройство автоматической компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе (фиг. 3) работает следующим образом. Внеконтурный формирователь 1, представляющий собой звено с передаточной функцией 1/E(s) и предназначенный для коррекции влияния управляющего воздействия UΩз, на объект управления, компенсирует появление дополнительных нулей передаточной функции системы по управляющему воздействию. 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, выполненный в виде звена с передаточной функцией E(s)/F(s) и внеконтурный формирователь 1 могут быть реализованы в виде цифровых или аналоговых блоков, внутренние параметры которых рассчитаны в процессе конструирования системы управления, исходя из известной угловой скорости рабочего органа ω1, соответствующей наиболее существенным колебаниям момента нагрузки, 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 ΔUу 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 соединен с первым входом измерительного блока 6, сигнал о токе электродвигателя постоянного тока 5 подключен ко второму входу измерительного блока 6, а сигнал о напряжении с выхода силового преобразователя 4 поступает на третий вход измерительного блока 6. Кроме этого в системе имеются безынерционное звено 8 обратной связи по скорости с коэффициентом передачи K1, безынерционное звено 9 обратной связи по току с коэффициентом передачи K2 и безынерционное звено 10 обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи K3. 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 достижения установившегося процесса на вал электродвигателя постоянного тока 5 начинает воздействовать гармоническая составляющая момента нагрузки, частота которой жестко связана со скоростью вала электродвигателя постоянного тока 5. Поскольку синтезированная двухконтурная система регулирования настроена на данный вид возмущения, компенсация влияния возникающих колебаний момента нагрузки происходит за счет того, что при возникновении таких колебаний происходит изменение угловой скорости вала электродвигателя постоянного тока 5, которое, будучи введено в виде отрицательной обратной связи на вход регулятора 3, настроенного на гашение заданной частоты, компенсируется не только внешним, но и внутренним контуром, выполненным с помощью быстродействующих безынерционных звеньев обратных связей по скорости 8, току 9 и напряжению 10. Таким образом, разделение темпов движения внутреннего и внешнего контуров регулирования позволяет упростить построение внеконтурного формирователя и регулятора с сохранением заданных параметров по быстродействию и точности.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют сократить аппаратные или программные затраты при технической реализации системы.

1. Способ автоматической 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.

2. Устройство автоматической 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, первый выход которого соединен 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, безынерционное звено обратной связи по току с коэффициентом передачи К2, безынерционное звено обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи К3, при этом выход регулятора подключен к неинвертирующему входу второго элемента сравнения, выход второго элемента сравнения подключен к входу силового преобразователя, первый выход измерительного блока через безынерционное звено обратной связи по скорости с коэффициентом передачи К1 подключен к первому инвертирующему входу второго элемента сравнения, второй выход измерительного блока через безынерционное звено обратной связи по току с коэффициентом передачи К2 подключен ко второму инвертирующему входу второго элемента сравнения, третий выход измерительного блока через безынерционное звено обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи К3 соединен с третьим инвертирующим входом второго элемента сравнения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к счетчикам, измеряющим ресурсы и, в частности, относится к системам измерения ресурса энергопотребления, снабженным устройством записи данных и выполненным с возможностью переноса собранных данных в базу данных и к способу использования счетчика энергии для интеллектуального энергопотребления.

Изобретение относится к области астатического автоматического управления динамическими объектами с неопределенными параметрами на основе встроенной модели движения объекта и модальной инвариантности.

Изобретение относится к компьютерной технике. Технический результат - автоматизированное управление климатом на ограниченной территории.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в промышленных технологических комплексах прокатного производства. Технический результат - повышение качества регулирования и снижение динамических нагрузок путем ограничения колебаний, вызванных нелинейной зависимостью момента прокатки от угловой скорости электропривода при коррекции контура тока электропривода.

Изобретение относится к области систем автоматического управления. Технический результат заключается в повышении быстродействия системы управления.

Изобретение относится к области средств автоматизации и может использоваться в системах управления технологическими процессами в химической промышленности, теплотехнике, энергетике.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системе управления электроприводами. Техническим результатом является повышение быстродействия и уменьшение динамической погрешности при регулировании скорости рабочего органа в электромеханической системе с упругими связями.

Изобретение относится к области систем автоматического управления, в частности к технике формирования управляющих сигналов, и может найти применение в следящих системах автоматического управления и регулирования с люфтом в механической передаче.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих электроприводах с исполнительными двигателями постоянного тока или с синхронными машинами, работающими в режимах вентильного двигателя или бесколлекторного двигателя постоянного тока.

Изобретение относится к электроприводам и может быть использовано при создании их систем управления. .
Наверх