Введение к работе
Актуальность работы. Современные системы управления электроприводами (СУШ) должны обеспечивать высокую точность воспроизведения заданных траекторий и предельное быстродействие в переходных режимах. Сложность удовлетворения жестких требований к качеству регулирования усугубляется воздействием на электроприводы различного рода возмущений. Структурное решение проблемы оптимального управления электромеханическими системами как нестационарными динамическими объектами обеспечивается путем использования систем разрывного*управления. Релейные регуляторы таких систем в скользящем режиме обладают бесконечным коэффициентом усиления, что придает СУЭП инвариантность к дестабилизирующим факторам. Однако в большинстве серийно выпускаемых в настоящее время комплектных приводов, построенных на основе транзисторных преобразователей напряжения, релейные регуляторы применяются лишь в токовых контурах первого порядка. Такое состояние проблемы обусловлено отсутствием единого достаточно эффективного подхода к структурно - алгоритмическому синтезу релейных СУЭП.
Существующие методы оптимизации систем по быстродействию при наложении ограничений на вектор состояния требуют от проектировщика проведения специальных исследований применительно к каждому конкретному случаю с учетом размерности и структуры объекта управления (ОУ), а также числа и характера ограничиваемых координат. Сложность процедуры синтеза и технической реализации получаемых таким образом алгоритмов резко возрастает с увеличением порядка ОУ. В то же время крайне простые оптимальные по точности релейные системы подчиненного регулирования (СЕР) с линейными функциями переключения при синтезе существующими методами не обеспечивают максимального быстродействия. Кроме того, ограниченная точность наблюдателей производных, применяемых для вычисления сигналов обратных связей по промежуточным координатам СУ, негативно влияет на характер переходных процессов в электроприводах.
Вышеизложенное позволяет утверждать, что повышение качественных показателей функционирования релейных систем управления позиционными следящими электроприводами за счет оптимизации по быстродействию их переходных режимов является актуальной и важной научно - технической задачей.
Цель диссердации - разработка, исследование и внедрение
4 алгоритмов и структур систем разрывного управления, позволяющих с учетом реальных ограничений, накладываемых на переменные состояния ОУ, доступными техническими средствами обеспечить предельные динамические и статические показатели электроприводов в процессе отработки заданных траекторий движения электромеханических систем при низкой чувствительности к параметрическим и координатным возмущениям.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи : создать принципиально новый метод синтеза алгоритмов оптимального по быстродействию управления выходной переменной в системах подчиненного регулирования , ограничивающих в динамических режимах промежуточные координаты ОУ; разработать комплексный подход к вычислению сигналов обратных связей релейных систем при реализации их в различных пространствах состояния; проверить правильность теоретических результатов путем моделирования и лабораторного макетирования синтезированных СУЭП.
Методы исследования. В диссертации использованы общие методы теорий автоматического управления, вариационное и матричное исчисление, методы теории идентификации динамических систем, численные методы. Экспериментальная проверка теоретических положений выполнена на математических моделях, лабораторных макетах и опытно - промышленных образцах СУЭП. Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.
Положения
-
Процедура оптимизации по быстродействию систем управления электроприводами должна основываться на учете ограничений, накладываемых на вектор состояния ОУ.
-
Синтез релейной СПР может быть осуществлен путем построения гиперплоскостей переключения ее регуляторов, проходящих через ряд точек фазового пространства, принадлежащих расчетной оптимальной динамической траектории. Такой подход обеспечивает оптимизацию по быстродействию за счет совмещения уравнениями переключения регуляторов функций поддержания устойчивого скользящего режима и функций критерия изменения структуры систем в переходных процессах.
-
Помехозапщщенное дифференцирование ошибки управления осуществимо с помощью наблюдателей производных, синтез которых может производиться по разработанной методике.
-
Процедура алгоритмического синтеза САУ должна быть методо-
5 логически обособленной, то есть независитмой от способа вычисления сигналов обратных связей.
Результаты 1. Разработан новый метод структурно - алгоритмического синтеза релейных СПР с линейными гиперповерхностями переключения, обеспечивающий оптимальные, по быстродействию переходные процессы при заданных ограничениях фазовых координат ОУ. 2- Программные средства, реализующие предложенный метод и являющиеся эффективным инструментом инженерного проектирования прецизионных электромеханических систем, функционируищх в условиях действия широкого спектра дестабилизирующих факторов.
3. Принципы структурной реализации релейных СПР, позволяющие в
зависимости от имеющегося набора датчиков и требований к ка
честву регулирования вычислять старшие производные ошибки
управления, используемые в качестве обратных связей.
4. Результаты математического моделирования, лабораторно -
стендовых испытаний и внедрения опытно - промышленных образцов
разработанных систем оптимального управления электроприводами,
подтвердившие основные теоретические положения диссертации.
Достоверность научных положений диссертационной работы обоснована корректностью принятых допущений и строгостью применяемого математического аппарата, результатами математического моделирования и экспериментальных исследований, выполненных на лабораторных макетах и опытных образцах, сходимостью расчетных и экспериментальных данных, широкой апробацией научных положений и выводов.
Научная новизна. На базе теоретического обобщения результатов экспериментальных исследований оптимальных по точности систем управления электроприводами разработан принципиально новый метод алгоритмического синтеза релейных систем подчиненного регулирования. Применение этого метода, основанного на учете уровней ограничения фазовых координат ОУ и использующего структурные свойства систем разрывного управления, обеспечивает протекание переходных процессов в электромеханической системе с максимальным при данных ограничениях быстродействием. Опираясь на разработанную методологию структурно - алгоритмического синтеза, предложен комплексный подход к построению вычислителей производных ошибки управления, использование которых в качестве источников сигналов обратных связей придает синтезируемым релейным СПР наряду с оптимальностью по быстро-
действию предельную точность воспроизведения заданных траекторий движения при низкой чувствительности к нестационарности ОУ и внешним дестабилизирующим факторам.
Практическая ценность. Выполненный комплекс исследований и разработанный метод алгоритмического синтеза оптимальных да точности и быстродействию релейных СУ положены в основу создания эффективной и целостной инженерной методики проектирования систем оптимального управления электроприводами, реализованной в виде программных средств, которые могут бнть использованы самостоятельно или как элемент системы автоматизированного проектирования более высокой степени интеграции.
Реализация результатов работы. Внедрение разработанных программных средств синтеза и моделирования релейных СУЩ в проектно - конструкторскую практику Центрального конструкторского Оюро аппаратостроения (г.Тула, Россия) позволило при разрабтке следящих приводов радиолокационных станций выполнить жесткие требования технических заданий, диктующих высокие качественные показатели и низкую чувствительность к широкому спектру дестабилизирующих факторов. Результаты диссертационной работы и реализующий их пакет программ внедрены также в учебный процесс Днепродзержинского государственного технического университета, Тульского государственного университета.
Апробация работы.Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах " Применение в промышленности электроприводов на перспективной элементной базе" (г.Москва, 1992г.), "СВЧ-техника и спутниковый прием" (г.Севастополь, 1993г.), на международных конференциях "Контроль и управление в технических системах" (г. Винница, 1993, 1995г.), "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика" (г.Харьков, 1994, 1995, 1996г.), на научных семинарах НАН Украины "Оптимизация режимов работы электромеханических систем" (г.Днепродзержинск, 1993 - 1997г.) .
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных трудов.
Структура и объем диссертации.Работа состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 137 страницах машинописного текста и включающих 63 рисунка и 3 таблицы, списка литературы из 103 наименований на 10 страницах, приложений на 10 страницах.
