Устройство для управления электромеханической системой

Изобретение относится к системе управления автоматизированных электроприводов. Устройство для управления электромеханической системой содержит первый элемент сравнения, регулятор, второй элемент сравнения, силовой преобразователь, измерительный блок, 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, блок обратной связи, усилитель и блок интеграторов. При этом к входу блока обратной связи подключен первый выход измерительного блока. Основной выход блока обратной связи соединен с инвертирующим входом первого элемента сравнения. Выход первого элемента сравнения соединен с задающим входом блока интеграторов, m входы обратной связи которого соединены с соответствующими m выходами блока обратной связи. Выход блока интеграторов через усилитель, коэффициент усиления которого равен 1/fn, подключен к неинвертирующему входу второго элемента сравнения и к входу регулятора, n+1 выходов которого соединены соответственно с n+1 входами регулирования блока интеграторов, при этом при m≥n. Технический результат изобретения заключается в снижении влияния гармонических колебаний момента нагрузки для управления электромеханической системой. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к разделу управления и может найти применение при создании автоматизированных электроприводов постоянного и переменного тока для нужд различных отраслей промышленности.

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 М_н (t) можно представить в виде:

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

Для возмущающего воздействия (1), состоящего из постоянной и гармонической составляющих, соответствующее изображение Лапласа имеет вид

где s - комплексная переменная Лапласа; ; Q - частота вращения электродвигателя; i - передаточное отношение редуктора.

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.

Известна следящая система автоматического управления с компенсацией неизмеряемых возмущений (патент РФ №2051401, МПК6 G05B 11/01, год опубликования 1995). Следящая система содержит задающее устройство, первое сравнивающее устройство, усилитель, последовательное корректирующее устройство, усилитель мощности, двигатель и рабочий орган, при этом выход задающего устройства подключен к первому входу первого сравнивающего устройства, выход усилителя соединен с первым входом второго сравнивающего устройства, а выход двигателя через параллельное корректирующее устройство подключен к второму входу второго сравнивающего устройства и через датчик обратной связи к второму входу первого сравнивающего устройства. Система содержит также блок идентификации и формирования сигналов для компенсации возмущений, который включает первые группы масштабных усилителей, первые интегросумматоры, вторые интегросумматоры, вторые сумматоры, вторые группы масштабных усилителей, третью группу масштабных усилителей, третий сумматор.

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.

Известно 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). В состав структурной схемы входят внеконтурный формирователь, представляющий собой префильтр и предназначенный для устранения искажения передаточной функции электромеханической системы по управлению; первый элемент сравнения, который формирует на своем выходе сигнал ошибки, управляющий регулятором. Регулятор 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, который преобразует напряжение управления на своем входе в напряжение на якорной обмотке электродвигателя постоянного тока. Измерительный блок предназначен для измерения скорости электродвигателя постоянного тока. Регулятор и внеконтурный формирователь реализованы в виде материальных объектов (цифровых или аналоговых блоков), которые при наладке требуют установки внутренних параметров, соответствующих полиномам, синтезированным в процессе конструирования системы управления.

Устройство выполняет свои основные функции, но обладает, как было показано в источнике (патент РФ №2576594, МПК G05B 11/01 (2006.01), год опубликования 2016), повышенной сложностью технической реализации регулятора. Это требует больших аппаратных или программных затрат при построении регулятора как в аналоговой, так и в цифровой формах, снижает надежность системы, создает дополнительные проблемы при настройке регулятора на реальном объекте.

Наиболее близким к заявляемому является устройство автоматической компенсации влияния гармонических колебаний момента нагрузки в электромеханической системе (патент РФ №2576594, МПК G05B 11/01 (2006.01), год опубликования 2016), принятое за прототип. Структурная схема устройства - прототипа приведена на фиг. 1.

Устройство содержит первый элемент сравнения 1, выход которого соединен с регулятором 2, силовой преобразователь 3, подключенный к электродвигателю постоянного тока 4, соединенному с измерительным блоком 5, первый выход которого соединен обратной связью по скорости с инвертирующим входом первого элемента сравнения 1. Кроме этого в устройство введены второй элемент сравнения 6, безынерционное звено обратной связи по скорости 7 с коэффициентом передачи К1, безынерционное звено обратной связи по току 8 с коэффициентом передачи К2, безынерционное звено обратной связи по напряжению 9 с коэффициентом передачи К3, при этом выход регулятора 2 подключен к неинвертирующему входу второго элемента сравнения 6, выход второго элемента сравнения 6 подключен к входу силового преобразователя 3, первый выход измерительного блока 5 через безынерционное звено обратной связи по скорости 7 с коэффициентом передачи К1 подключен к первому инвертирующему входу второго элемента сравнения 6, второй выход измерительного блока 5 через безынерционное звено обратной связи по току 8 с коэффициентом передачи К2 подключен ко второму инвертирующему входу второго элемента сравнения 6, третий выход измерительного блока 5 через безынерционное звено обратной связи по напряжению 9 с коэффициентом передачи К3 соединен с третьим инвертирующим входом второго элемента сравнения 6. Для устранения искажения передаточной функции электромеханической системы по управлению в устройство введен внеконтурный формирователь 10, подключенный к неинвертирующему входу первого элемента сравнения 1.

Для оценки динамических параметров устройства - прототипа проведем исследование переходных процессов в различных режимах работы устройства.

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

- напряжение, определяющее заданное значение скорости рабочего органа;

- напряжение после внеконтурного формирователя;

U_y, U - управляющее и выходное напряжение силового преобразователя;

I_a - ток якорной цепи электродвигателя постоянного тока;

Ω - угловая скорость вала электродвигателя постоянного тока;

- номинальная угловая скорость вала электродвигателя постоянного тока;

M_Н - момент нагрузки (статического сопротивления).

Также здесь и далее приняты следующие обозначения параметров системы:

К_СП и Т_СП - коэффициент передачи и постоянная времени силового преобразователя;

R_a и T_a - 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.

В прототипе управление осуществляют регулятором 2 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 2 по скорости рабочего органа, а искажение передаточной функции электромеханической системы по управлению устраняют за счет воздействия внеконтурного формирователя 10.

Попытаемся синтезировать структуру регулятора 2 для электромеханической системы, построенной с применением двигателя постоянного тока 4, управляемого от силового преобразователя 3.

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

Пусть требуется обеспечить пуск электромеханической системы (ЭМС) на заданный уровень скорости Ω вала двигателя постоянного тока 4, равный 15,7 рад/с, что составляет 10% от номинальной скорости при монотонном характере переходного процесса и 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 заданное быстродействие и 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

Этот полином вводится сомножителем в знаменатель передаточной функции (ПФ) регулятора 2, а искажение передаточной функции ЭМС по управлению устраняется соответствующим внеконтурным формирователем 10.

Объектом управления в данной системе являются последовательно соединенные силовой преобразователь 3 и электродвигатель постоянного тока 4. Передаточная функция объекта управления может быть представлена в виде отношения полиномов B(s) и A(s).

Для повышения робастных свойств синтезируемых систем автоматического управления (исключения появления положительных обратных связей (ОС) или неминимально-фазовых звеньев в составе регуляторов) пренебрежем в расчетах относительно малой постоянной времени T_СП. В результате этого передаточная функция (ПФ) объекта управления принимает вид

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

Синтез регулятора проводится в два этапа в направлении от внешнего контура к внутреннему. На первом этапе составляется уравнение

где s⋅F(s) и E(s) - полиномы n и m - степени соответственно числителя и знаменателя ПФ регулятора, причем m≥n;

F(s)=G(s)⋅V(s), V(s) - вспомогательный полином, обеспечивающий техническую реализуемость регулятора;

D(s) - желаемый характеристический полином (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^-1, соответствующим заданному быстродействию системы в 50 мс, D(s)=s⁵+900s⁴+324000s³[phone]s²[phone]s+188956800000.

В качестве полинома P(s) задается общий вид желаемого ХП внутреннего контура 2-го порядка (в данном примере - форма Ньютона) с неизвестным значением среднегеометрического корня (СГК) внутреннего контура - Ω_0Б. При этом 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_0Б. 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_0Б=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 К1=-0,007, К2=-0,14, К3=-4,64.

Компенсация влияния возникающих колебаний момента нагрузки по рассматриваемому варианту устройства происходит за счет того, что при возникновении таких колебаний происходит изменение угловой скорости вала электродвигателя постоянного тока 4, которое, будучи введено в виде отрицательной обратной связи на вход регулятора 2, настроенного на гашение заданной частоты, компенсируется внешним и внутренним контурами системы автоматического управления.

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

На фиг. 2 приведены результаты проведенного компьютерного моделирования прототипа с синтезированным регулятором 2. Они представлены переходным процессом угловой скорости Ω вала электродвигателя постоянного тока 4. Осуществляется пуск электродвигателя постоянного тока 4 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 4 прикладывается момент нагрузки M_н выбранного вида . Здесь и далее внешнее возмущение в виде изменения момента нагрузки воздействует на вал электродвигателя в момент t=4 с. Анализ переходной характеристики указывает на удовлетворительное качество процесса пуска. Система обеспечивает заданное время нарастания переходной характеристики в линейной зоне ее работы не более 50 мс при отсутствии перерегулирования. При воздействии внешнего возмущения обеспечивается достаточное быстродействие при отработке наброса момента нагрузки заданного вида.

Итак, выполняя возложенные на нее задачи, система обладает повышенной сложностью технической реализации регулятора. Последнее 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 системы на реальном объекте.

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

Технический результат достигается тем, что в устройство для управления электромеханической системой, содержащее первый элемент сравнения, регулятор, второй элемент сравнения, выход которого подключен к входу силового преобразователя, подключенного к электродвигателю постоянного тока, соединенному с измерительным блоком, 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, дополнительно введены блок обратной связи, усилитель и блок интеграторов, при этом к входу блока обратной связи подключен первый выход измерительного блока, основной выход блока обратной связи соединен с инвертирующим входом первого элемента сравнения, выход первого элемента сравнения соединен с задающим входом блока интеграторов, m выходов блока обратной связи соединены с соответствующими m входами обратной связи блока интеграторов, выход блока интеграторов через усилитель, коэффициент усиления которого равен 1/fn, подключен к неинвертирующему входу второго элемента сравнения и к входу регулятора, n+1 выходов которого соединены соответственно с n+1 входами регулирования блока интеграторов, при этом при m≥n. Регулятор, передаточная функция которого выбрана в виде полинома степени n, содержит n+1 блоков регулирования, коэффициент передачи f для каждого блока регулирования определен с учетом частоты наиболее существенного возмущения от f₀ для нулевого блока регулирования до fn для n-го блока регулирования, причем выходы блоков регулирования являются выходами регулятора. Блок обратной связи, передаточная функция которого выбрана в виде полинома степени m, содержит m+1 элементов обратной связи, коэффициент передачи е для каждого элемента обратной связи определен с учетом частоты наиболее существенного возмущения от e₀ для нулевого элемента обратной связи до e_m для m-го элемента обратной связи, причем выходы элементов обратной связи являются выходами блока обратной связи, а выход нулевого элемента обратной связи основным выходом блока обратной связи. Блок интеграторов содержит m+1 узлов сравнения и m интеграторов с передаточной функцией 1/s, соединенных поочередно последовательно, один из входов каждого узла сравнения с нулевого по n-ый является входом регулирования блока интеграторов, при этом один из входов нулевого узла сравнения является задающим входом блока интеграторов, один из входов указанных узлов сравнения с первого по m-ый является входом обратной связи блока интеграторов, а выход m+1-го узла сравнения является выходом блока интеграторов.

На фиг. 3 изображена блок-схема предложенного устройства, на фиг. 4 изображена структура регулятора, блока обратной связи, блока интеграторов и усилителя для произвольных значений n и m (при m≥n), на фиг. 5 приведена структура регулятора, блока обратной связи и усилителя для конкретного случая, когда n=m=3. На фиг. 6 приведены результаты компьютерного моделирования работы устройства, при тех же условиях и тех же режимах, которые выбраны для прототипа.

Для фиг. 3 введены следующие обозначения: 1 - первый элемент сравнения, 2 - регулятор, имеющий n+1 выходов, математическая модель регулятора в общем случае представлена полиномом порядка n. В устройстве имеется силовой преобразователь 3, подключенный к электродвигателю постоянного тока 4, соединенному с измерительным блоком 5. Для организации внутреннего контура регулирования предусмотрен второй элемент сравнения 6, безынерционное звено 7 обратной связи по скорости с коэффициентом передачи K1, безынерционное звено 8 обратной связи по току с коэффициентом передачи K2, безынерционное звено 9 обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи K3. Выход второго элемента сравнения 6 подключен к входу силового преобразователя 3. Первый выход измерительного блока 5 через безынерционное звено 7 обратной связи по скорости с коэффициентом передачи K1 подключен к первому инвертирующему входу второго элемента сравнения 6, второй выход измерительного блока 5 через безынерционное звено 8 обратной связи по току с коэффициентом передачи K2 подключен ко второму инвертирующему входу второго элемента сравнения 6, третий выход измерительного блока 5 через безынерционное звено 9 обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи K3 соединен с третьим инвертирующим входом второго элемента сравнения 6. В то же время первый выход измерительного блока 5 соединен с входом блока обратной связи 10. Основной выход блока обратной связи 10 подключен к инвертирующему входу первого элемента сравнения 1. На фиг. 3 напряжение на основном выходе блока обратной связи 10, подключенное к инвертирующему входу первого элемента сравнения 1 обозначено как . Блок обратной связи 10, передаточная функция которого в общем случае представлена полиномом степени m, имеет так же m выходов обратной связи. Блок интеграторов 11 имеет задающий вход, m входов обратной связи и n+1 входов регулирования. Задающий вход блока интеграторов 11 соединен с выходом первого элемента сравнения 1. При этом первый выход обратной связи блока обратной связи 10 подключен к первому входу обратной связи блока интеграторов 11, второй выход обратной связи блока обратной связи 10 подключен ко второму входу обратной связи блока интеграторов 11 и так далее до m. Выход блока интеграторов 11 через усилитель 12 подключен к неинвертирующему входу второго элемента сравнения 6. Кроме этого выход усилителя 12 соединен с входом регулятора 2, первый выход которого соединен с первым входом регулирования блока интеграторов 11, второй выход регулятора 2 соединен со вторым входом регулирования блока интеграторов 11 и так далее до n+1.

Структура и взаимосвязи элементов регулятора 2, блока обратной связи 10, блока интеграторов 11 и усилителя 12 для произвольных значений n и m при m≥n, изображены на фиг. 4. Блок интеграторов 11 содержит последовательно соединенные узел сравнения 13₀, интегратор 14₁, узел сравнения 13₁, интегратор 14₂ и так далее до узла сравнения 13_m+1. Выход последнего узла сравнения 13_m+1, являющийся выходом блока интеграторов 11, подключен к входу усилителя 12, коэффициент усиления которого равен 1/f_n. Регулятор 2 содержит n+1 блоков регулирования 15₀, 15₁, 15₂ и далее 15_n с передаточными коэффициентами от f₀ до f_n соответственно. Входы всех блоков регулирования 15 регулятора 2 соединены и подключены к выходу усилителя 12. Выходы каждого блока регулирования 15, являющиеся выходами регулирования регулятора 2, подключены к входам регулирования соответствующего по номеру узла сравнения 13 блока интеграторов 11. Блок обратной связи 10 состоит из m+1 элементов обратной связи 16₀, 16₁, 16₂ и далее до 16_m с коэффициентами передачи соответственно от e₀ до e_m. Входы всех элементов обратных связей 16 соединены и подключены к первому выходу измерительного блока 5. Выход элемента обратной связи 16₀ подключен к инвертирующему входу первого элемента сравнения 1. Выход элемента обратной связи 16₁ и выходы каждого следующего до 16m подключены к входам обратной связи соответствующих узлов сравнения с узла сравнения 13₁ по 13_m+1 блока интеграторов 11. Коэффициенты от e₀ до e_m и от f₀ до f_n передаточных функций регулятора 2 и блока обратной связи 10 выбираются с учетом частоты наиболее существенного возмущения следующим образом.

Для формирования передаточных функций регулятора 2 и блока обратной связи 10 используем метод синтеза с применением расширенной канонической формы наблюдаемости.

Воспользуемся синтезированной передаточной функцией (7), полученной по методике, представленной при анализе прототипа. В результате получаем передаточную функцию F(s) регулятора 2, которая для данного конкретного случая может быть записана как

Следовательно, для наших обозначений коэффициенты f для различных степеней s передаточной функции регулятора 2 будут равны:

f₀=0; f₁=2.46; f₂=0; f₃=1.

В свою очередь передаточная функция E(s) блока обратной связи 10 может быть записана следующим образом

Следовательно, для наших обозначений коэффициенты е для различных степеней s передаточной функции блока обратной связи 10 будут равны:

е₀=4438669; e₁=123285; е₂=1370; е₃=2.85.

Коэффициенты безынерционного регулятора состояния, которые в нашем случае принимают значения К1=-0,007, К2=-0,14, К3=-4,64, аналогичны коэффициентам устройства - прототипа..

Таким образом, порядок передаточной функции системы, организованной путем использования заявляемого устройства - третий.

Структура и взаимосвязи элементов регулятора 2, блока обратной связи 10, блока интеграторов 11 и усилителя 12 для конкретного случая n=3, m=3, изображенные на фиг. 5, содержат последовательно соединенные узел сравнения 13₀, интегратор 14₁, узел сравнения 13₁, интегратор 14₂, узел сравнения 13₂, интегратор 14₃, узел сравнения 13₃ выход которого соединен с входом усилителя 12. В данном случае коэффициент усиления усилителя 12 равен 1/f₃. Регулятор 2 составлен из двух блоков регулирования. Блок регулирования 15₁ с коэффициентом f₁ подключен к входу регулирования узла сравнения 13₁, блок регулирования 15₃ с коэффициентом f₃ подключен к входу регулирования узла сравнения 13₃. Поскольку f₀=f₂=0, блоки регулирования 15₀ и 15₂ обозначены на фиг. 5 пунктиром, что означает, что данные блоки регулирования не участвуют в формировании управляющего воздействия. Входы обоих блоков регулирования подключены к выходу усилителя 12. Блок обратной связи 10 в данном случае состоит из четырех элементов обратной связи 16₀, 16₁, 16₂, 16₃ с коэффициентами e₀, e₁, е₂, e₃. Выход элемента обратной связи 16₀, являющийся основным выходом блока обратной связи 10, подключен к инвертирующему входу первого элемента сравнения 1. Выход элемента обратной связи 16₁ соединен с входом обратной связи узла сравнения 13₁, элемент обратной связи 16₂ подключен к входу обратной связи узла сравнения 13₂, элемент обратной связи 16₃ соединен с входом обратной связи узла сравнения 13₃. Входы всех четырех элементов обратной связи 16₀, 16₁, 16₂, 16₃ подключены к первому выходу измерительного блока 5.

Проанализируем результаты компьютерного моделирования предлагаемого устройства при тех же параметрах объекта, что и для прототипа.

Анализ фиг. 6 доказывает высокую эффективность работы системы при пуске, сопоставимую с результатами компьютерного моделирования прототипа, приведенными на фиг. 2. При приложении внешнего момента нагрузки заданной синусоидальной формы после 4 секунды работы на установившейся скорости в 15,7 рад/с наблюдается практически совпадающая с устройством - прототипом динамическая точность отработки внешнего возмущения без потери быстродействия.

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 для управления электромеханической системой (фиг. 3, фиг. 4) работает следующим образом. 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 задающего сигнала , соответствующего ω1. В начальный момент пуска электродвигатель постоянного тока 4 и жестко связанный с ним рабочий орган начинают изменять свои скорости с нуля. Первый элемент сравнения 1, вырабатывающий на выходе сигнал ошибки ΔU_Ω, представляющей собой разность задающего сигнала и сигнала с основного выхода блока обратной связи 10, подает на задающий вход блока интеграторов 11 наибольшее напряжение ΔU_Ω, поскольку на входе измерительного блока 5 напряжение минимально (электродвигатель постоянного тока 4 только начинает набирать свои обороты). Интеграторы 14₁, 14₂ … 14_m блока интеграторов 11 начинают интегрировать входной сигнал ΔU_Ω, поддерживая нарастание выходного сигнала U_и, усиленное усилителем 12 до напряжения U_y. Узлы сравнения 13₀, 13₁, … 13_m+1 обеспечивают участие напряжений на выходах регулирования U_p1, U_p2, … U_n регулятора 2 и напряжений U_oc1, U_oc2 … U_ocm блока обратных связей 10 в формировании закона управления. При этом напряжение U_y поступает на вход регулятора 2, блоки регулирования 15₀, 15₁, … 15_n со своими коэффициентами f₀, f₁, … f_n также участвуют в формировании напряжения U_y. Элементы обратной связи 16₀, 16₁, … 16_m в процессе разгона не участвуют, поскольку напряжение U_Ω минимально. В начальный момент пуска отрицательные обратные связи внутреннего контура по току, напряжению и скорости отсутствуют, напряжение ΔUy максимально. Силовой преобразователь 3 переводит свой входной сигнал ΔUy в напряжение U на якорной обмотке электродвигателя постоянного тока 4. Это соответствует нарастанию напряжения U на якорной обмотке электродвигателя постоянного тока 4, и он начинает разгоняться. Появляются сигналы на входах измерительного блока 5, выполненного с возможностью измерения напряжения на выходе силового преобразователя 3, скорости и тока двигателя постоянного тока 4. Для этого сигнал о скорости электродвигателя постоянного тока 4 подан на первый вход измерительного блока 5, сигнал о токе электродвигателя постоянного тока 4 подключен ко второму входу измерительного блока 5, а сигнал о напряжении с выхода силового преобразователя 3 поступает на третий вход измерительного блока 5. Кроме этого в системе имеются безынерционное звено 7 обратной связи по скорости с коэффициентом передачи K1, безынерционное звено 8 обратной связи по току с коэффициентом передачи K2 и безынерционное звено 9 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 4, напряжение силового преобразователя 3) к первому, второму и третьему инвертирующим входам второго элемента сравнения 6 соответственно. В процессе пуска обратные связи по току, напряжению и скорости внутреннего контура обеспечивают требуемое быстродействие, исключая перерегулирование при выходе системы на заданную скорость.

Регулятор 2, выполненный в виде звена с передаточной функцией F(s), может быть реализован в виде цифрового или аналогового блоков, внутренние параметры которых рассчитаны в процессе конструирования системы управления, исходя из известной угловой скорости рабочего органа ω1, соответствующей наиболее существенным колебаниям момента нагрузки.

После достижения установившегося процесса на вал электродвигателя постоянного тока 4 начинает воздействовать гармоническая составляющая момента нагрузки, частота которой жестко связана со скоростью вала электродвигателя постоянного тока 4. Поскольку синтезированная система регулирования настроена на данный вид возмущения, компенсация влияния возникающих колебаний момента нагрузки осуществляется за счет того, что при возникновении таких колебаний происходит изменение угловой скорости вала электродвигателя постоянного тока 4, которое, будучи введено в виде обратной связи на вход блока обратной связи 10, настроенного на гашение заданной частоты, компенсируется не только с помощью быстродействующих безынерционных звеньев обратных связей по скорости 7, току 8 и напряжению 9, а также введенным блоком обратной связи 10 с передаточной функцией E(s). Как и регулятор 2 блок обратной связи 10 может быть реализован в виде цифрового или аналогового блоков, внутренние параметры которых рассчитаны в процессе конструирования системы управления, исходя из известной угловой скорости рабочего органа ω1, соответствующей наиболее существенным колебаниям момента нагрузки. При этом узлы сравнения 13₀, 13₁, … 13_m+1 и интеграторы 14₁, 14₂, … 14_m блока интеграторов 11 формируют управляющее воздействие на усилитель 12 с учетом появляющихся сигналов регулирования и обратных связей, обеспечивая заданные динамические показатели переходного процесса и качественную отработку синусоидального возмущающего воздействия.

Таким образом, предложенный вариант реализации регулятора 2, блока интеграторов 11 и блока обратной связи 10 позволяет упростить построение устройства с сохранением заданных параметров по быстродействию и точности.

Предлагаемое устройство позволяет сократить аппаратные или программные затраты при технической реализации системы.

1. Устройство для управления электромеханической системой, содержащее первый элемент сравнения, регулятор, второй элемент сравнения, выход которого подключен к входу силового преобразователя, подключенного к электродвигателю постоянного тока, соединенному с измерительным блоком, 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, отличающееся тем, что в него введены блок обратной связи, усилитель и блок интеграторов, при этом к входу блока обратной связи подключен первый выход измерительного блока, основной выход блока обратной связи соединен с инвертирующим входом первого элемента сравнения, выход первого элемента сравнения соединен с задающим входом блока интеграторов, m выходов блока обратной связи соединены с соответствующими m входами обратной связи блока интеграторов, выход блока интеграторов через усилитель, коэффициент усиления которого равен 1/fn, подключен к неинвертирующему входу второго элемента сравнения и к входу регулятора, n+1 выходов которого соединены соответственно с n+1 входами регулирования блока интеграторов, при этом m≥n.

2. Устройство для управления электромеханической системой по п. 1, отличающееся тем, что регулятор, передаточная функция которого выбрана в виде полинома степени n, содержит n+1 блоков регулирования, коэффициент передачи f для каждого блока регулирования определен с учетом частоты наиболее существенного возмущения от f₀ для нулевого блока регулирования до fn для n-го блока регулирования, причем выходы блоков регулирования являются выходами регулятора.

3. Устройство для управления электромеханической системой по п. 1, отличающееся тем, что блок обратной связи, передаточная функция которого выбрана в виде полинома степени m, содержит m+1 элементов обратной связи, коэффициент передачи е для каждого элемента обратной связи определен с учетом частоты наиболее существенного возмущения от е₀ для нулевого элемента обратной связи до e_m для m-го элемента обратной связи, причем выходы элементов обратной связи являются выходами блока обратной связи, а выход нулевого элемента обратной связи является основным выходом блока обратной связи.

4. Устройство для управления электромеханической системой по п. 1, отличающееся тем, что блок интеграторов содержит m+1 узлов сравнения и m интеграторов с передаточной функцией 1/s, соединенных поочередно последовательно, один из входов каждого узла сравнения с нулевого по n-й является входом регулирования блока интеграторов, при этом один из входов нулевого узла сравнения является задающим входом блока интеграторов, один из входов указанных узлов сравнения с первого по m-й является входом обратной связи блока интеграторов, а выход m+1-го узла сравнения является выходом блока интеграторов.