Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В связи с бурным развитием научно-«хнической революции во всем мире все острее становится проблема эсурсосбережения. На Украине эта проблема еще более обострилась эсле распада СССР.
Для достижения ресурсосберегающего эффекта за счет повышения )чности работы механизмов многие цифро-аналоговые системы автома-гческого регулирования электропривода (ЭП) выполняются двукратно-ятегрирующими а некоторые и трехкратноинтегрирующими. При почтенных требованиях к динамической ошибке и чувствительности "их систем к параметрическим возмущениям становится актуальной за-іча их многопараметрической оптимизации на максимум контурного ээффициента усиления (максимум добротности) при заданном показа-;ле колебательности. В известных методиках синтеза параметры их ре-гляторов или не соответствуют этому критерию или же определены злько для аналоговых систем подчиненного регулирования (СПР). Со-гветствующие им методики настройки внешнего контура отягощены роцедурами идентификации объекта регулирования, расчетами гочненных значений параметров регулятора и их уставок на реальном эорудовании и не дают, как показали исследования автора, даже теоре-ічєски наилучшего результата. Ряд технологий металлообработки трепет не только высокой точности регулирования скорости и положения еханизмов но и малой чувствительности к изменению параметров істєм, работающих в тяжелых условиях. К ним относятся гибкие авто-атизированные производства с металлорежущими станками, непре-ывные станы горячей и холодной прокатки стального листа. Высокая їчность позиционирования требуется в автоматизированных ско-эстньгх лифтах и ряде других промышленных механизмах.
Актуальность многопараметрической оптимизации цифро-аналого-Dix СПР подтверждается в решениях последних конференций с между-ародным участием по проблемам автоматизированного ЭП.
Данная дисертационная работа, посвященнная решению указанных зіше и сопутствующим им задачам, выполнена в рамках приоритетного іучного направления по программе 5.1.6 "Ресурсосберегающие электро-еханические системы", утвержденной Государственным комитетом краины по вопросам науки и технологии приказом № 15 от 1 марта 1993 >да.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в разработке методик инженерного проекти-эвания и наладки многократноинтегрирутощих цифро-аналоговых СПР \номассовых электроприводов с улучшенными динамическими и )чностными характеристиками на основе методов многопараметри-^ской оптимизации их внешнего контура по нетрадиционным критери-ч: максимум добротности при заданной колебательности или минимум лебательности при заданной добротности.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решались еле ющие задачи:
-
Разработка с применением ЭВМ методик многопараметричеа оптимизации цифро-аналоговых многократноинтегрирующих сие (МИС) по координатам седловой точки поверхности равного уровня у ления в пространстве параметров дискретной амплитудной частотной рактеристики (АПЧХ) по каждому из двух предложенных критериев.
-
Разработка инженерных методик проектирования параметричеі оптимизированных двукратно-, трехкратно- и четырехкратноинтегри ющих контуров по предлагаемым критериям.
-
Сравнительный анализ характеристик и показателей оптимизи ванных систем с традиционно настроенными системами.
-
Исследование условий возникновения автоколебаний в парамет чески оптимизированных МИС при неполадках в виде типового не нейного звена (люфт, зона нечувствительности, насыщение и т.д разработка методики их диагностики.
-
Обеспечение абсолютной устойчивости параметрически оптими рованых контуров с нелинейным ограничением подчиненой координа
-
Экспериментальная проверка инженерных методик оптимизаі параметров цифро-аналоговых дву- и трехкратноинтегрирующих С скорости и положения методами структурного моделирования на ЭВ11 разработка методик их уточненной наладки на реальном оборудовав
ОСНОВНЫЕ МЕТОЛЫ ИССЛЕАОВАНИЯ. Исследование цифро-аш говых многократноинтегрирующих СПР произведены на основе тео] автоматизированного электропривода, частотных методов теории имп> сных систем и автоматического управления. Многопараметрическая тимизация достигалась применением метода чисел Фибоначчи при иске максимума АЧХ и квадратичной интерполяции-экстраполяции і поиске минимума показателя колебательности. Инженерная метод разработана с помощью регрессионного анализа. Абсолютная устой вость оптимизированных МИС при нелинейных ограничениях звен исследованы по частотному критерию Попова В.М. Использованы м< ды структурного моделирования на ЭВМ с применением метода Руї Кутта-Фельберга.
-Методики многомерной параметрической оптимизации многократ интегрирующих цифро-аналоговых СПР по критериям: минимум пок теля колебательности при заданном коэффициенте усиления, максиі коэффициента усиления при заданном показателе колебательности;
-Расчетная формула частоты автоколебаний параметрически опти зированных трехкратно- и четырехкратноинтегрирующих конту цифро-аналоговых СПР для диагностики неполадок в контуре в е люфта, зоны нечувствительности или насыщения звена;
-Методики обеспечения абсолютной устойчивости параметрич' оптимизированных дискретных МИС с нелинейным ограничением си
задания подчиненному контуру;
-Инженерные методики расчета и уточненной наладки параметров гуляторов высокоточных робастных электроприводов с многократно-тегриругащими контурами регулирования их цифро-аналоговых СПР. АОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ подтверждена со-ветствием принятых допущений цели и задачам исследования, приме-нием апробированных альтернативных методов математического ограммирования и моделирования на ЭВМ, методов теорий эктропривода и автоматического управления, а также сходимостью ре-іьтатов расчета, проведенных на адекватной математической модели, с зтериментальными данными, полученными как автором так и другими следователями для некоторых частных случаев.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА Впервые показано существование седло-разной области гиперповерхности равного уровня усиления цифро-элоговых МИС в пространстве параметров их дискретных ампли-\ных частотных характеристик и разработан метод использования комнат ее седловой точки для оптимизации этих систем по одному из /х предложенных критериев: минимум показателя колебательности и заданном контурном коэффициенте усиления, максимум контурного эффициента усиления при заданном показателе колебательности. Впервые доказана оптимальность желаемой дискретной логарифми-:кой амплитудно частотной (ЛАЧХ) типа n-1-O, где п-кратность гегрирования МИС, и разработаны формулы расчета ее низко-гготных сопряжений и псевдочастоты среза по каждому из предложен-х критериев параметрической оптимизации.
Впервые аналитически выведена расчетная формула частоты автоко-іаний параметрически оптимизированых трехкратно- и четы-[кратноинтегрирующих цифро-аналоговых контуров для диагностики голадок в виде люфта, зоны нечувствительности или насыщения. Впервые предложены алгоритмы уточненной настройки оптимальных ічений параметров регулятора многократноинтегрирующего контура предложенным критериям непостредственно на оборудовании. Впервые исследована абсолютная устойчивость многообразия уктурных схем нелинейного ограничения подчиненной координаты в эгократноинтегрирующих цифро-аналоговых СПР и обоснован алго-м ограничения с отключением входного сигнала интеграторов регуля-<а без глубокой отрицательной обратной связи.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. эдложенные инженерные методики многомерной параметрической имизации многократноинтегрирующих контуров цифро-аналоговых Р по показателям колебательности и добротности, способствуют зна-елыюму улучшению их динамических и точностных характеристик и, годаря их большой общности, могут быть рекомендованы в качестве ной типовой методики проектирования и наладки как дискретных так
и непрерывных МИС. Учет дискретного характера процессов позвол при проектировании МИС выбрать пониженную тактовую част управляющего микропроцессора, а следовательно и его стоимость.
Разработанный алгоритм ускоренного поиска минимального значеі показателя колебательности дискретной МИС непосредственно действующем оборудовании значительно упрощает и повышает точне их наладки, открывая дорогу разработкам точной адаптивной са настройки параметров на реальном оборудовании с помощью един встроенного микропроцессора.
Оптимизация по предложенным критериям обеспечивает ми мальную чувствительность МИС к изменению оптимальных значений раметров в силу равенства нулю частных производных в седловой тс гиперповерхности равного уровня усиления.
Полученные результаты могут быть использованы при создании и конструкции высокоточных робастных электроприводов и сие управления технологическими объектами в том числе, например, сие регулирования разнотолщинности прокатываемой полосы мета систем электропривода высокоточных станков и роботов, систем точі позиционирования скоростных лифтов.
Результаты исследования использованы в качестве основных поле ний инженерной методики проектирования и наладки МИС регулир ния скорости высокоточных электроприводов по госбюджетной т 5.51.06/037 "Разработка высокоточных автоматизированных злектрої водов для ресурсосберегающих технологий", выполняемой по при< тетному научному направлению в рамках программы 5.1.6 "Ресурсосб гающие электромеханические системы", утвержденной Государствен комитетом Украины по вопросам науки и технологии приказом N 15 марта 1993 года.
Разработанный пакет диалоговых программ автоматизации прое рования цифро-аналоговых МИС электроприводов включен в библї ку типовых программ персональных компьютеров типа IBM PC XT для научных исследований и учебного процесса на кафедре "Автомат рованные электромеханические системы" ХГПУ (г. Харьков).
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывал! обсуждались на семинарах Академии наук Украины "Динамика * нейных электромеханических систем" (г.Харьков, 1991-1993), ко ренции "MICRO-CAD 92" в Мишкольцском университете (Венгрия, г.), научно-технических конференциях с международным учас "Проблемы подъемно-транспортной техники" (гАлушта, 1993 і "Проблемы автоматизированного электропривода.Теория и практ (г.Харьков, 1994 г.).
ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации опубликова межвузовском научно-техническом сборнике "Оптимизация режимо
боты систем электроприводов" Красноярск, КрПИ,1992; вестнике ХПИ, Электромашиностроение и автоматизация промпредприятий.- вып. 16, N492, Харьков, 1992.; а также в печатных материалах научно-технических конференций с международным участием "Проблемы подъемно-транспортной техники", секция 3, Алушта, 1993 г. и "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика", Харьков, 1994 г.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 97 страницах машинописного текста, и содержит 52 рисунка, 5 таблиц, список литературы из 104 наименований и приложения.
