Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ динамических характеристик элементов электромеханических систем регулирования 13
1.1. Электродвигатели и их производственные механизмы 17
1.2. Электромагниты 23
1.3. Электрогидравлические силовые устройства 30
1.4. Магнитные усилители 32
1.5. Датчики механических величин 36
1.6. Логико-вычислительные устройства 43
2. Разработка основных технических требований на устройство определения динамических характеристик 47
2.1. Определение метода и диапазона измерений 47
2.2. Определение требуемого диапазона изменения входных и выходных сигналов элементов электромеханических систем регулирования 56
2.3. Выбор номинальных значений сигналов измерительной части устройства 58
2.4. Определение состава измерительной системы и принципов определения частотных характеристик 59
2.5. Предварительное рассмотрение методов определения частотных характеристик 61
2.6. Технические требования на измерительный блок 62
3. Методики и схемотехнические решения для определения частотньех характеристик характерной группы элементов САР 65
3.1. Выбор характерной группы элементов САР для построения системы измерения 65
3.2. Разработка принципов схемотехнической реализации измерений 66
3.3. Методика определения передаточных функций выбранной группы элементов 71
3.4. Методика определения динамических коэффициентов передачи 74
3.5. Определение передаточных функций путем подачи на вход элемента ступенчатого сигнала 76
3.6. Представление результатов эксперимента 80
4. Разработка структур измерительного устройства и программной поддержки компьютерной обработки информации 81
4.1. Микропроцессорный блок 81
4.2. Функциональный генератор 85
4.3. Общая структура приборно-программного модуля дляизмерения частотных характеристик 91
4.4. Разработка интерфейса и программ для управления внешним задающим генератором 94
4.5. Разработка программы первичной обработки данных 97
4.6. Разработка программы для определения модулей и фаз передаточных функций. 100
5. Экспериментально-расчетные исследования 103
5.1. Испытания устройства для определения частотных характеристик 103
5.2.Определение передаточных функций электромагнита со сплошным магнитопроводом 105
5.2.1. П-образный электромагнит 111
5.2.2. Кольцевой электромагнит высокочастотного электродвигателя 118
5.2.3. Кольцевой электромагнит Nuovo-Pignone 127
Заключение 137
Список литературы 139
- Датчики механических величин
- Определение требуемого диапазона изменения входных и выходных сигналов элементов электромеханических систем регулирования
- Методика определения передаточных функций выбранной группы элементов
- Разработка интерфейса и программ для управления внешним задающим генератором
Введение к работе
В настоящее время существует значительное многообразие систем регулирования, включающих электромеханические элементы (электродвигатели, электромагниты, датчики электрических и неэлектрических величин, релейные регуляторы и т.д.). В соответствии с [33], обобщенная схема такой системы управления (в одномерном исполнении) имеет вид, представленный на рис.1. JFffi
Логико вычислительная подсистема определяющая Xy(t)
Исполнительная подсистема
Объект регулирования
Информационная подсистема
Рис. 1. Обобщенная схема одномерной СУ.
Здесь Xy(t) - управляющий сигнал; X(t) - сигнал обратной связи; Y(t)- регулируемая переменная: R(t) - регулирующее воздействие; F(t) - возмущение.
Система управления (СУ) - замкнутый динамический комплекс, состоящий из управляемых объектов и трех подсистем: информационной, логико-вычислительной и исполнительной.
Объектом управления называют управляемую часть системы, т.е. агрегат, машину или установку, требуемый режим функционирования которых должен поддерживаться управляющей частью системы в соответствии с выбранной или заданной целью управления.
Информационной подсистемой называют совокупность технических средств, предназначенных для получения, передачи и представления информации. К средствам, предназначенным для получения и преобразования первичной информации о внешних и внутренних факторах работы управляемых объектов, относятся следующие элементы СУ: датчики первичной информации, чувствительные и измерительные элементы, анализаторы, преобразователи, вычислительные устройства для первичной обработки информации и др., а также средства для передачи и представления информации в форме, удобной для управления, - передатчики, каналы связи, кодирующие и декодирующие устройства, преобразователи информации, приемники и т. д.
Логико-вычислительной подсистемой называют совокупность технических средств, предназначенных для обработки информации. К техническим средствам для переработки информации относятся разнообразные вычислительные средства, построенные на базе как аналоговой, так и цифровой техники.
Исполнительную подсистему образуют технические средства для формирования управляющих воздействий, осуществляющие непосредственное управление объектами в соответствии с целью управления. Техническими средствами исполнительной подсистемы являются разнообразные регуляторы, следящие системы, автоматические приводы и сервомеханизмы регуляторов. Следует также отметить, что в соответствии с классификацией [33], отражающей современный подход к структуризации системы управления, усилительные устройства, непосредственно управляющие электромеханическими исполнительными элементами, входят, в основном, в комплекс исполнительной подсистемы. Анализ устойчивости и динамических характеристик таких систем часто затрудняется тем, что получение выражений для передаточных функций ряда элементов расчетным путем является весьма сложным. Как правило, наибольшие трудности встречаются при теоретическом описании электромеханических устройств исполнительных подсистем и САР в целом. Это связано со следующими особенностями электромеханических элементов: - такие элементы, как правило, являются полноразмерными четырехполюсниками, не обладающими "детектирующими" свойствами, то есть однонаправленностью передачи входного сигнала. Так, например, для исполнительных элементов типа двигателей и электромагнитов передаточная функция представляет собой матрицу, элементы которой определяются характером преобразования электромагнитной энергии [21]; - большинство таких элементов имеет более или менее явно выраженную нелинейность характеристик. Это объясняется, во-первых, тем, что сам характер электромеханических преобразований в таких элементах носит нелинейный характер (например, усилие, развиваемое магнитом, пропорционально квадрату тока) и, во вторых, нелинейностью характеристик магнитных материалов, применяемых для изготовления магнитопровода; - теоретическое описание некоторых элементов приводит к сложным выражениям для их передаточных функций, причем определение параметров этих передаточных функций часто оказывается затруднительным. Это связано, в первую очередь, со сложными процессами, происходящими при преобразовании электромагнитной энергии. Так, например, усилие, развиваемое электромагнитом со сплошным токопроводящим магнитопроводом, зависит в значительной степени от конфигурации контуров вихревого тока, возникающих при изменении питающих токов или напряжений. Теоретическое описание такого рода процессов для магнитопровода произвольной формы оказывается крайне сложным [26];
Наладка таких систем также существенно облегчается, если имеется возможность оперативного определения динамических (частотных) характеристик элементов системы непосредственно на месте ее установки [14].
Практика проектирования, наладки и исследования сложных систем регулирования, описанная в литературе, подтверждает необходимость построения устройств для надежного экспериментального определения передаточных функций таких систем и их элементов [14,26,36].
В настоящее время существуют две основные группы промышленных приборов, пригодные для указанной цели.
К первой группе следует отнести частотные анализаторы (сигнал-процессоры), одной из функций которых является определение передаточных функций. Основным недостатком этих приборов является их чрезвычайно высокая стоимость (анализатор типа 2034 фирмы В&К - 35-40 тыс. долларов, аналогичный анализатор фирмы HP - 40-50 тыс. долларов). Кроме того, практически все анализаторы такого типа являются двухканальными, что затрудняет определение передаточных функций элементов, имеющих характеристики четырехполюсника.
Ко второй группе могут быть отнесены устройства, представляющие собой платы расширения для ПК. Эти устройства являются, как правило, многоканальными, Однако, большинство таких плат предназначено для использования в стационарных ПК и не включает в себя элементы генератора измерительных сигналов. Устройство такого типа, выпускаемое известными фирмами также имеют стоимость в пределах 1200...2500 $US и требуют для своей работы пакетов прикладных программ стоимостью 2500..4000 $US.
Такие цены обусловлены стремлением разработчиков этих систем сделать их максимально универсальными, то есть пригодными для вибрационных, акустических, механических, электрических и прочих измерений, что значительно усложняет их конструкцию и требования к математическому обеспечению [50,51]. Высокие цены, большие
Наладка таких систем также существенно облегчается, если имеется возможность оперативного определения динамических (частотных) характеристик элементов системы непосредственно на месте ее установки [14].
Практика проектирования, наладки и исследования сложных систем регулирования, описанная в литературе, подтверждает необходимость построения устройств для надежного экспериментального определения передаточных функций таких систем и их элементов [14,26,36].
В настоящее время существуют две основные группы промышленных приборов, пригодные для указанной цели.
К первой группе следует отнести частотные анализаторы (сигнал-процессоры), одной из функций которых является определение передаточных функций. Основным недостатком этих приборов является их чрезвычайно высокая стоимость (анализатор типа 2034 фирмы В&К - 35-40 тыс. долларов, аналогичный анализатор фирмы HP - 40-50 тыс. долларов). Кроме того, практически все анализаторы такого типа являются двухканальными, что затрудняет определение передаточных функций элементов, имеющих характеристики четырехполюсника.
Ко второй группе могут быть отнесены устройства, представляющие собой платы расширения для ПК. Эти устройства являются, как правило, многоканальными, Однако, большинство таких плат предназначено для использования в стационарных ПК и не включает в себя элементы генератора измерительных сигналов. Устройство такого типа, выпускаемое известными фирмами также имеют стоимость в пределах 1200...2500 $US и требуют для своей работы пакетов прикладных программ стоимостью 2500...4000 $US.
Такие цены обусловлены стремлением разработчиков этих систем сделать их максимально универсальными, то есть пригодными для вибрационных, акустических, механических, электрических и прочих измерений, что значительно усложняет их конструкцию и требования к математическому обеспечению [50,51]. Высокие цены, большие габариты и излишняя универсальность таких систем в значительной степени затрудняет их применение при разработках, исследованиях и, особенно, при наладке систем в процессе производства и пусконаладочных работах непосредственно на объектах.
Актуальность настоящей работы определяется, с одной стороны, постоянно возрастающим объемом внедрения электромеханических систем регулирования во все области техники (общее машиностроение, газо- и нефтехимическая промышленность, средства связи, пищевая промышленность и др.), и с другой стороны, практическим отсутствием портативных и доступных измерительных устройств, требующихся для разработки, производства и наладки таких систем.
Целью работы является определение принципов построения и основных схемотехнических решений (на базе анализа параметров элементов электромеханических систем и экспериментальных исследований) универсального устройства, предназначенного для определения динамических характеристик электромеханических элементов систем управления.
Основные задачи, которые решались для достижения поставленной цели, можно сформулировать следующим образом: анализ статических и динамических характеристик электромеханических элементов систем автоматического регулирования и систематизация элементов по характеру передаточных функций, а также входных и выходных параметров; выбор оптимальных методов определения частотных характеристик электромеханических элементов и общих принципов построения устройств для их измерения; разработка методик определения частотных характеристик элементов, представляемых характеристиками как двух-, так и четырехполюсников; разработка алгоритмов определения передаточных функций элементов электромеханических систем; анализ схемотехнических решении по построению основных узлов измерительного устройства и разработка оптимального варианта схемотехнических решений; разработка программного обеспечения для измерительного устройства, включая собственно измерительный блок и управляющий ПК.
Научная новизна работы состоит в том, что проведенные при выполнении исследования позволили впервые получить следующие научные результаты: впервые обоснованы преимущества использования прямого измерения частотных характеристик со сканированием частоты применительно к цифровым системам определения передаточных функций электромеханических элементов систем регулирования, позволяющие более эффективно определять передаточные функции нелинейных элементов по сравнению со спектральным методом. На основании проведенного анализа впервые сделан вывод о целесообразности изменения принципов построения цифровых измерительных устройств для определения динамических характеристик элементов электромеханических систем; разработаны алгоритмы и программы для реализации предложенных методов экспериментального определения динамических характеристик элементов электромеханических систем.
Практическая ценность результатов, полученных в работе, заключается в следующем: сформулированы технические требования на универсальное измерительное устройство для определение динамических характеристик элементов электромеханических систем и функциональных групп элементов, использующее прямой метод измерения частотных характеристик; построен на основании разработанных технических требований макетный вариант измерительного устройства и математическое обеспечение для его функционирования; проведены, с использованием разработанного измерительного устройства, исследования по адекватности математических моделей электромагнитов со сплошным магнитопроводом для П-образной и кольцевой конфигураций магнитопроводов; результаты исследований позволили уточнить параметры передаточных функций электромагнитов со сплошным магнитопроводом и предложить упрощенную феноменологическую модель для осевого электромагнита систем магнитного подвеса. Результаты проведенных исследований внедрены в НПП ВНИИЭлектромеханики. Работа состоит из пяти разделов, заключения и четырех приложений. Первый раздел посвящен анализу характеристик элементов электромеханических систем регулирования и классификации элементов по характерным параметрам.
Во втором разделе приводится обоснование выбора оптимального метода определения частотных характеристик элементов электромеханических систем и основных технических требований на измерительное устройство.
Третий раздел посвящен выбору типичной группы элементов электромеханических САР и разработке методик и алгоритмов определения частотных характеристик элементов для двух- и четырехполюсного представления их передаточных функций.
В четвертом разделе приведен анализ схемотехнических решений по элементам измерительного блока - процессорному блоку и блоку функционального генератора. Предложен алгоритм программ определения частотных характеристик объекта, включающего как программное обеспечение измерительного блока, так и программы для управляющего ПК.
В пятом разделе приведены экспериментальные исследования макетного образца разработанного измерительного блока и результаты экспериментально-расчетных исследований электромагнитов со сплошным магнитопроводом для П-образной и кольцевой конфигураций магнитопроводов.
В ПРИЛОЖЕНИИ 1 приводятся технические требования на разработку процессорного блока, а также принципиальные схемы и краткое описание этого блока.
В ПРИЛОЖЕНИИ 2 приводятся принципиальные схемы блока программно управляемого функционального генератора и расчет элементов схемы.
В ПРИЛОЖЕНИИ 3 приводятся исходные тексты программ определения частотных характеристик и их графического отображения для процессорного блока и управляющего ПК.
В ПРИЛОЖЕНИИ 4 приводится текст программы сравнительного расчета зависимости погрешностей от параметров сигнала для гармонического и шумового сигналов.
Датчики механических величин
В электромеханических системах регулирования применяются, как правило, датчики, входной величиной которых является какое-либо механическое воздействие, а выходной -электрический сигнал. Для перечисленных во введении типов датчиков, применяемых обычно в такой системе, постоянные времени собственно преобразователя имеют значения, существенно меньшие, чем постоянные времени исполнительных элементов и промежуточных логико-вычислительных устройств. Часто устройства преобразования сигнала первичного датчика (нормирующий преобразователь) имеют внутренние постоянные времени большие, чем собственно датчик [41,51,52].
Многие датчики из числа применяемых в электромеханических системах имеют выходной сигнал с параметрами, неудобными для непосредственного использования в системе управления. Например, пьезоэлектрический датчик ускорения или усилия имеет выходной сигнал в виде заряда, пропорционального ускорению или усилию; индуктивный или индуктивно-трансформаторный датчик перемещения имеет выходной сигнал несущей частоты, модулированной рабочим сигналом; фотоэлектрический датчик часто имеет выходной сигнал постоянного тока (рабочей частоты) порядка нескольких микроампер и т.д. Поэтому при анализе частотных характеристик датчиков желательно проводить испытания собственно датчика с принадлежащим ему нормирующим преобразователем.
Ниже приведен краткий анализ характеристик датчиков, наиболее часто применяемых в электромеханических системах регулирования. При этом не выделяются особо группы пассивных и активных датчиков.
Датчики этого типа используют преобразование входной величины путем модуляции несущей частоты питания датчика. Значения несущей частоты для различных типов датчиков по данным [41,52] находятся, как правило, 50...5000 Гц. Для выделения из общего сигнала датчика модулирующей (рабочей) частоты применяются обычно фазочувствительные выпрямители с фильтрами. Эти устройства, являющиеся как бы составной частью датчика, обычно и определяют общую постоянную времени датчикового устройства [52]. Поэтому, для определения динамических свойств такого датчика представляется целесообразным определение его частотных амплитудных и фазовых характеристик в указанной полосе частот совместно со вторичным (нормирующим) преобразователем.
Прямых данных по постоянным времени собственно первичного преобразователя в доступной литературе не найдено. Однако косвенно можно определить значения таких постоянных времени в 0,01...0,0001 с, то есть на порядок и более меньших, чем у нормирующего преобразователя (с фильтром) [52].
Датчики этого типа используют эффект взаимодействия вихревых токов с основным электромагнитным элементом датчика. Поэтому, схемы их включения и основные параметры аналогичны датчикам индуктивного типа, за исключением рабочего диапазона измеряемых перемещений и несущей частоты. Измеряемые перемещения составляют обычно всего 3-5 мм, а несущая частота выбирается в пределах 10... 100 Кгц. В связи с этим частотный диапазон вторичного преобразователя такого датчика расширяется до десятков кГц, то есть существенно превышает рабочий диапазон частот исполнительных элементов системы.
Первичный преобразователь такого датчика измеряет непосредственно лишь деформацию поверхности, на которую он наклеен, поэтому, как правило, такие датчики в электромеханических системах регулирования применяются в качестве датчиков усилия или крутящего момента. Питание датчика может производиться либо постоянным напряжением в пределах 1...24 В, либо напряжением с несущей частотой 50...5000 Гц. Собственно тензорезисторный преобразователь имеет очень высокую частоту линейного преобразования, доходящую до сотен Кгц, однако, при использовании такого преобразователя в составе датчика усилия или момента, его максимальная рабочая частота определяется частотой механических колебаний упругого элемента, на который наклеен датчик. Эта частота существенно ниже, чем у собственно преобразователя и обычно находится в пределах от десятков до сотен Гц. Кроме того, при питании датчика переменным напряжением его усилитель (фазочувствительный выпрямитель) должен иметь на выходе фильтр с постоянной времени, равной 3-5 периодам несущей частоты [52].
Пьезоэлектрический датчик является в значительной степени универсальным, позволяющим с помощью одного и того же вторичного преобразователя проводить измерения механических ускорений, скоростей, перемещений и усилий. Диапазон измерений этих параметров может быть очень широким при применении различных типов пьезодатчиков. В качестве выходного сигнала такого датчика используется значение заряда, возникающего на электродах при возникновении напряжений в теле пьезоэлемента или, реже, напряжение на электродах. Поскольку пьезоэлемент обладает высокой жесткостью, частотные характеристики таких датчиков могут быть весьма высокими. Так, датчики ускорения имеют диапазон частот, в котором их амплитудно-частотная характеристика линейна, вплоть до нескольких десятков Кгц. Значения нижней измеряемой частоты определяются входным сопротивлением вторичного преобразователя и электрической цепи пьезоэлемента и могут достигать значений 0,01 Гц и ниже. При использовании в качестве вторичного (нормирующего) преобразователя усилителя с интегратором, с помощью таких датчиков возможно измерение виброскоростей и виброперемещений в широких пределах. Пьезоэлектрические датчики усилия, вследствие высокой жесткости пьезоэлемента, также имеют очень высокую верхнюю частоту измерений, достигающую десятка Кгц для датчиков малых усилий (до 5000 Н) [10, 51]. Пьезоэлектрический датчик, в отличии от перечисленных выше, является датчиком активного типа. Оптические датчики, включающие светоизлучающий элемент (светодиод, полупроводниковый лазер) и светоприемник (фотодиод, фототранзистор), могут применяться как для измерений малых перемещений, так и для измерений угла поворота. При измерении малых перемещений, между светоизлучателем и светоприемником располагается экран, связанный с непосредственно движущейся частью системы. При перемещении элементов системы изменяется световой поток, воспринимаемый приемником и соответственно его выходной ток или напряжение. Рабочий диапазон измерений такого датчика не превышает обычно нескольких миллиметров, а его динамические свойства целиком определяются динамическими свойствами светоприемника. В зависимости от типа применяемого приемника, постоянная времени такого датчика имеет значения в пределах единиц миллисекунд и менее. Вторичный преобразователь такого датчика представляет собой усилитель, как правило, не ограничивающий быстродействие датчиковой системы.
Оптические датчики угла поворота или скорости, которые широко применяются для регулирования скорости электропривода, фактически представляют собой преобразователи угол-код и используются, в основном, в цифровых системах обработки сигналов.
Определение требуемого диапазона изменения входных и выходных сигналов элементов электромеханических систем регулирования
Для устранения ошибок из-за возможной несимметрии или несоосности установки ротора и статора, используются группы из трех датчиков силы и трех акселерометров, сигналы которых суммируются в каждой из групп. Применение пьезоэлектрических датчиков и усилителей заряда позволяют суммировать сигналы датчиков непосредственным соединением их выходных цепей.
Для измерения усилий используются датчики типа 8001 или 8002 фирмы В&К или серии 9250 фирмы Kistler в сочетании со вторичными преобразователями типа 2635 фирмы В&К. Это позволяет осуществить надежное измерение усилий от единиц Ньютонов до десятков тысяч ньютонов [1,10,51,52].
Измерение перемещений якоря производится акселерометрами пьезоэлектрического типа 4370, фирмы В&К с теми же типами вторичных преобразователей, позволяющих производить однократное или двукратное интегрирование сигнала ускорения для получения сигналов скорости и перемещения. Такое построение системы измерений позволяет производить надежное измерение перемещений и скоростей в диапазоне 0,2...2000 Гц.
Применение пьезоэлектрических датчиков указанных типов для измерения усилия и перемещений обуславливается двумя особенностями. Во-первых, такие датчики могут применяться с одними и теми же усилителями-преобразователями, которые имеют к тому же внутренние схемы интегрирования для преобразования сигналов. Во-вторых, датчики, например, фирмы В&К, и соответствующие усилители-преобразователи имеют очень точную калибровку в рабочем диапазоне частот, что позволяет в большинстве случаев их использование в измерительных системах без дополнительной калибровки. Благодаря этим особенностям эти датчики в настоящее время являются как бы неофициальным промышленным стандартом для виброметрических измерений. В качестве другого такого же стандарта можно назвать серию токовихревых датчиков фирмы Bentley-Nevada. Однако эти датчики и многочисленные их видоизменения обладают одним существенным недостатком, а именно они оказываются чувствительными к первоначальной установке зазора между датчиком и измеряемой поверхностью. Несмотря на частичное устранение этого недостатка в современных системах таких датчиков, при их применении требуется их первоначальная калибровка. Кроме того, эти датчики оказываются чувствительными к материалу поверхности, по которой производится измерение. Различные типы контактных датчиков (реостатные, индуктивно-трансформаторные с подвижным штоком) как правило, плохо работают на частотах порядка сотен герц и выше.
Питание обмотки электромагнита производится через усилители (серии 2700 фирмы В&К, LV50 фирмы RFT или соответствующим усилителем постоянного тока любого другого типа. Для согласования сигнала тока электромагнита со входом измерительного устройства используются датчики тока, из которых наиболее подходящими являются датчики серии HY фирмы LEM, имеющие номинальные значения токов в пределах 5...25 А и выходной сигнал напряжения, пропорциональный току с номинальным значением 4 В. При измерениях параметров маломощных электромеханических элементов для тех же целей возможно также применение шунтов. Однако в случае испытания достаточно мощных электромагнитов (на десятки ампер с питанием от ШИМ усилителей) применение гальванически развязанных датчиков тока является необходимым.
Согласование значений входного напряжения электромагнита со входом измерительного блока осуществляется с помощью делителя напряжения. Такое построение системы позволяет производить одновременные измерения и запись в память как двух входных (ток и напряжение), так и двух выходных (усилие, перемещение) сигналов испытуемого электромагнита. Это дает возможность выбрать любую тройку сигналов для построения матрицы передаточной функции электромагнита.
Измерение входного сигнала испытуемого элемента (вместо прямого его задания) необходимо, поскольку применяемые для питания электромагнита усилители мощности указанных выше типов (как и большинство других), не имеют калиброванных коэффициентов усиления, что не дает возможности точно задать величину входного сигнала электромагнита.
Следует отметить, что при измерении по схеме рис.3.1а будет определяться передаточная функция электромагнита, нагруженного на жесткость упругого элемента, на котором установлен ротор и жесткость датчиков усилия. Однако, для датчиков пьезоэлектрического типа жесткость существенно выше, чем для датчиков усилия других типов. При этом выбором жесткости упругого элемента для испытуемого электромагнита может быть создан режим, соответствующий "холостому ходу" четырехполюсника (перемещение Z=0) или режим "короткого замыкания" (усилие F=0).
Пример использования системы для тарировки и проверки датчиков ускорения и усилия приведены на рис.3.16 [51,52].
При тарировке датчиков ускорения проверяемый датчик устанавливается на столе электродинамического возбудителя (ЭДВ) в непосредственной близости с образцовым датчиком. Возбуждение ЭДВ производится от измерительной системы через соответствующий усилитель. Микропроцессорный блок измерительной части устройства осуществляет сравнение сигналов образцового и проверяемого (рабочего) датчика и вычисляет параметры градуировочной кривой рабочего датчика где Араб и А0бр - амплитуды сигналов рабочего и образцового датчика соответственно. Фазовая погрешность ф рабочего датчика определяется аналогично.
Методика определения передаточных функций выбранной группы элементов
Измерительная система в общем случае связывается с объектом через согласующие устройства. В качестве таких устройств могут выступать датчики различных физических величин, соответствующих входным и выходным сигналам ОИ, а также в усилителе мощности или преобразователе для подачи сигнала возбуждения на элемент или систему. Сигнал возбуждения вырабатывается генератором, управление которым производится общим управляющим персональным компьютером (ПК) измерительного устройства. Входной и выходной сигналы ОИ подаются на блок предварительной подготовки сигналов (БПС), в котором эти сигналы приводятся к уровню, соответствующему динамическому диапазону АЦП микропроцессорной части.
В этом же блоке, при необходимости, производится предварительная фильтрация измерительных сигналов для устранения влияния собственных шумов системы управления на измерительный блок. Фильтрованный и подготовленный сигнал с блока БПС поступает на микропроцессорный контроллер (МП), производящий оцифровку измерительных сигналов, их предварительное преобразование и передачу результатов на общий управляющий ПК комплекса. Управляющий ПК осуществляет управление частотой генератора измерительного сигнала, прием информации об измерительных сигналах от блока МП, а также управление или считывание сигналов блока БПС. Управление генератором производится с использованием стандартного параллельного ПК. Для уменьшения объема приемной части устройства управления генератором используется нестандартный параллельный код, включающий как сигналы данных, так и квитирующие сигналы параллельного порта ПК. Программа управления частотой генератора в ПК формирует 12-битный код, непосредственно управляющий цифро-аналоговым преобразователем генератора сигналов. Такое использование параллельного порта дает возможность уменьшить время передачи кода управления частотой и исключить приемные регистры памяти и логические схемы формирования квитирующих сигналов в генераторе. Блок подготовки сигналов построен на базе операционных усилителей с переменным коэффициентом усиления и аналоговых фильтров на базе переключаемых конденсаторов. Управление коэффициентом передачи измерительного тракта БПС может осуществляться двояким образом. В первом случае, управление коэффициентами передачи производится от блока МП, который определяет в процессе измерения необходимость такого переключения при снижении или увеличении уровня измерительных сигналов. Во втором случае, управление коэффициентом передачи может производиться вручную непосредственно на блоке БПС. Тогда по той же линии связи на блок МП передается сигнал о коэффициенте передачи измерительных каналов БПС. Управление частотой среза фильтров нижних частот, расположенных в БПС и предназначенных для устранения влияния собственных шумов объекта на точность измерения производится вручную. Блок микропроцессора осуществляет прием измерительных сигналов от БПС, их оцифровку с помощью встроенного аналого-цифрового преобразователя и проводит ряд операций по вычислению параметров передаточной функции объекта измерения. Подготовленные таким образом данные по стандартному интерфейсу RS-232 передаются на ПК, где вычисляются частотные характеристики, формируется файл типа матрицы передаточной функции объекта и проводится графическое отображение амплитуды и фазы частных передаточных функций объекта на дисплей. Связь между управляющим ПК и генератором для задания частоты осуществляется с помощью стандартного интерфейса Centronics, который благодаря простоте сопряжения и удобству программирования широко используется для подключения к компьютеру нестандартных внешних устройств [24,39]. При этом, однако, нужно учитывать некоторые ограничивающие особенности этого интерфейса. Это, во-первых, ограничение на длину линии связи устройства, подключенного к интерфейсу Centronics (в данном случае, генератору) - не более 1,5-2 м от компьютера. При разработке модуля для измерения частотных характеристик предполагалось, что все составные части его располагаются компактно, поэтому данное ограничение не является существенным. Кроме того, так как интерфейс Centronics является программно-управляемым, скорость информационного обмена не может быть особенно велика и оказывается напрямую связанной с быстродействием компьютера. Поэтому не имеет смысла сопряжение через параллельный порт устройств, требующих обработки или передачи информации в реальном масштабе времени. Задача измерения частотных характеристик как раз не относится к таким задачам, поэтому и это ограничение не влияет на выбор интерфейса. Среди достоинств интерфейса Centronics можно отметить его стандартность - он есть на каждом компьютере, и на всех компьютерах работает одинаково. Большое значение имеет также простота программирования на любом уровне. В большинстве языков программирования имеются процедура взаимодействия с принтером, которые легко использовать и для программирования нестандартного устройства. А так как с точки зрения программирования Centronics представляет собой три программно доступных регистра, не вызывает затруднений и написание программ нижнего уровня. Интерфейс Centronics и, соответственно, параллельный порт компьютера ориентированы на подключение принтера. Однако при разработке нестандартных устройств для подключению к интерфейсу Centronics его сигналы могут быть использованы произвольно.
Разработка интерфейса и программ для управления внешним задающим генератором
Практическое совпадение экспериментальных и расчетных характеристик подтверждает возможность анализа динамики системы с использованием упрощенной феноменологической модели электромагнита со сплошным магнитопроводом.
Здесь следует отметить, что на первый взгляд, применение феноменологической модели не имеет особой перспективы, поскольку для каждого типоразмера сплошного магнитопровода необходимо подбирать ряд параметров такой модели по результатам эксперимента, то есть уже после изготовления электромагнита. Однако, с точки зрения инженера-конструктора такой путь может быть вполне оправдан. Дело в том, что, например, для систем магнитного подвеса применяется ограниченное количество типоразмеров осевых магнитных подшипников (3...5 типоразмеров), причем подшипник одного типоразмера может применяться в нескольких различных машинах. Такой подход обусловлен требованиями технологии производства, так как существование отлаженной технологии и наличие оснастки для изготовления электромагнита, существенно удешевляет изготовление системы.
Применение разработанного измерительного устройства позволяет без особых затруднений экспериментально подобрать параметры моделей для имеющихся типоразмеров магнитов и в дальнейшем применять эти модели при анализе конкретных систем магнитного подвеса (для примера модно отметить, что упомянутый выше электромагнит NP применяется в трех разработках систем и планируется еще в двух). 1). Разработанное устройство измерения частотных характеристик позволяет в лабораторных, цеховых и полевых условиях определять частотные характеристики электромеханических систем регулирования и их элементов в автоматическом режиме в характерном диапазоне частот и сигналов; 2). Точность работы устройства соответствует требованиям, сформулированным в главе 2 и достаточна для целей экспериментальных исследований наладки и испытаний широкого класса электромеханических систем регулирования; 3). Применение разработанного устройства облегчает анализ адекватности математических моделей элементов электромеханических систем, в том числе и таких сложных для расчетного анализа, как электромагнит со сплошным магнитопроводом; 4). Экспериментальные исследования подтвердили удобство пользования, и универсальность устройства и целесообразность выбранных форматов вывода измерительной информации. Проведенные в работе исследования позволили определить структуру и параметры специализированного устройства (измерительной системы) для определения динамических характеристик электромеханических систем регулирования. В процессе решения этой задачи был получен ряд результатов, имеющих самостоятельное значение, в том числе: - впервые обоснованы преимущества использования прямого измерения частотных характеристик со сканированием частоты применительно к цифровым системам определения передаточных функций электромеханических элементов систем регулирования, позволяющие более эффективно определять передаточные функции нелинейных элементов по сравнению со спектральным методом. На основании проведенного анализа впервые сделан вывод о целесообразности изменения принципов построения цифровых измерительных устройств для определения динамических характеристик элементов электромеханических систем; разработаны алгоритмы и программы для реализации предложенных методов экспериментального определения динамических характеристик электромеханических систем и их элементов; на основании проведенного анализа динамических характеристик элементов электромеханических систем сформулированы основные требования к измерительной системе и определены общие принципы ее построения с разделением ее на спроектированный измерительный блок и внешние согласующие устройства; в соответствии с требованиями к измерительной системе проведена детальная разработка микропроцессорного блока и блока универсального малогабаритного функционального генератора с цифровым управлением; проведена проверка точности работы измерительной системы с использованием измерительных приборов высокого класса и эталонных элементов, подтвердившая запроектированные характеристики системы; впервые проведено прямое сравнение экспериментальных характеристик электромагнитов кольцевой формы со сплошным магнитопроводом с расчетными характеристиками, полученными при непосредственном решении уравнений, описывающих процессы вихревых токов. В результате проведенных исследований были подтверждены основные предпосылки, положенные в основу построения системы для определения динамических характеристик элементов электромеханических систем регулирования. Полученные результаты позволили разработать малогабаритное устройство минимальной стоимости, пригодное для применения в лабораторной и цеховой практике и пусконаладочных работ на объектах.
