Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния вопроса и постановка задач 18
1.1 Анализ существующих оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов 22
1.2 Анализ задатчиков интенсивности, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов 35
1.3 Анализ однократноинтегрирующей САР положения электропривода 41
1.4 Постановка задач иледований 45
2 Разработка оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов с учётом влияния индуктивности якорной цепи электродвигателя 46
2.1 Оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов с учетом индуктивности якорной цепи электродвигателя при ограничении по напряжению 46
2.2 Оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов с учетом индуктивности якорной цепи электродвигателя при ограничениях по напряжению и максимальному току 59
2.3 Оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов с учетом индуктивности якорной цепи электродвигателя при ограничениях по напряжению, максимальному и минимальному токам 75
2.4 Оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов с учетом индуктивности якорной цепи электродвигателя при ограничениях по напряжению, максимальному и минимальному токам и скорости 93
2.5 Выводы 115
3 Разработка командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов промышленных механизмов с учетом влияния индуктивности якорной цепи электродвигателя 117
3.1 Разработка командоаппарата для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов при ограничении по напряжению 118
3.2 Разработка командоаппарата для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов при ограничениях по напряжению и току 122
3.3 Разработка командоаппарата для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов при ограничениях по напряжению, току и скорости 124
3.4 Цифровое моделирование командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов 128
3.5 Разработка программного обеспечения командоаппаратов для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов при ограничениях по напряжению; по напряжению и току; по напряжению, току и скорости 129
3.6 Выводы 129
4 Синтез двукратноинтегрирующих САР положения электроприводов 131
4.1 Синтез двукратноинтегрирующей САР положения электропри вода с типовыми регуляторами 131
4.2 Синтез модернизированной двукратноинтегрирующей САР положения электропривода 134
4.3 Синтез двукратноинтегрирующей САР положения электропривода с улучшенными характеристиками 138
4.4 Выводы 142
5 Экспериментальное исследование позиционных электроприводов повышенной точности 144
5.1 Экспериментальные исследования электротехнических комплексов без учёта влияния индуктивности якорной цепи электродвигателя 144
5.2 Экспериментальные исследования электротехнических комплексов с учётом влияния индуктивности якорной цепи электродвигателя 155
5.3 Выводы 160
Заключение 161
- Анализ существующих оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов
- Оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов с учетом индуктивности якорной цепи электродвигателя при ограничении по напряжению
- Разработка командоаппарата для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов при ограничении по напряжению
- Синтез модернизированной двукратноинтегрирующей САР положения электропривода
Введение к работе
Проекты нового технологического оборудования выполняются с использованием автоматизированных электроприводов переменного тока. Доля электроприводов постоянного тока в таких проектах незначительна. Иное положение в проектах модернизации действующего оборудования. В робототехнике и металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности действующее оборудование оснащено в основном регулируемым электроприводом постоянного тока с устаревшими средствами и системами управления, а зачастую и с высоким уровнем энергозатрат в технологическом процессе с глубоким регулированием скорости.
Проекты модернизации действующего оборудования в части автоматизированных электроприводов постоянного тока весьма актуальны и выполняются в следующих основных вариантах: замена аналоговых релейно-контактных систем управления на цифровое с использованием промышленных компьютеров, технологических контроллеров, логических контроллеров, интеллектуальных модулей периферии и других устройств, соответствующих нижнему и среднему уровню автоматизации; замена аналоговых релейно-контактных систем управления на цифровое с использованием промышленных компьютеров, технологических контроллеров, логических контроллеров, интеллектуальных модулей периферии и других устройств, соответствующих нижнему и среднему уровню автоматизации, дополнительной заменой аналоговых блоков управления комплектных электроприводов постоянного тока на цифровые с использованием контроллеров привода; замена аналоговых релейно-контактных систем управления на цифровое с использованием промышленных компьютеров, технологических контроллеров, логических контроллеров, интеллектуальных модулей периферии и других устройств, соответствующих нижнему и среднему уровню автоматизации, дополнительной заменой аналоговых блоков управления комплектных элек- троприводов постоянного тока на цифровые с использованием контроллеров привода, а также, с дополнительной заменой силовых блоков комплектных электроприводов. Электродвигатели и сети электропитания остаются неизменными.
Программно-управляемые позиционные электроприводы состоят из за-датчиков интенсивности (командоаппаратов), формирующих диаграммы движения исполнительных органов промышленных механизмов, и системы автоматического регулирования (САР) угловой скорости, отрабатывающей эти диаграммы движения.
В большинстве отраслей промышленности в настоящее время требуется непрерывное увеличение точности позиционирования в пространстве и производительности электроприводов рабочих машин и агрегатов.
Серийно выпускаемые электроприводы для промышленных механизмов обладают такими статическими и динамическими характеристиками, которые уже не позволяют обеспечить дальнейшее повышение эффективности технологических процессов в установках за счет более точной реализации требуемых законов движения их исполнительных органов. Поэтому разработка программно-управляемых электроприводов промышленных механизмов является весьма актуальной.
Целью работы является интенсификация перемещения (поворота) исполнительных органов промышленных механизмов, с обеспечением повышенной точности их позиционирования.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи: разработать оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов; разработать командоаппараты, формирующие оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов; синтезировать двукратноинтегрирующие САР положения исполнительных органов электроприводов, отрабатывающих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов с повышенной точностью; экспериментально проверить полученные' теоретические закономерности.
Методы и средства выполнения исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использованы общепринятые методы теории автоматического управления, автоматизированного электропривода, аналитического и численного' решений дифференциальных уравнений. В основу экспериментальных исследований положена методика исследования электроприводов промышленных установок и методика испытаний микропроцессорного устройства. При проведении исследований использованы пакеты прикладных программ MATLAB, Mathcad, Excel.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе получены новые научные результаты: методика формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительных органов электроприводов; математическое обеспечение командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов; методика синтеза двукратноинтегрирующих САР положения исполнительных органов электроприводов, отрабатывающих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов с повышенной точностью.
Практическая ценность работы определяется тем, что использование полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований позволяет улучшить характеристики программно-управляемых позиционных электроприводов, как следствие, повысить быстродействие перемещения и точность позиционирования исполнительных органов промышленных механизмов.
Результаты диссертационной работы: методика формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительных органов электроприводов; математическое обеспечение командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительные органов электроприводов; методика синтеза двукратноинтегрирую-щих САР положения электропривода, отрабатывающих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов с повышенной точностью, приняты к использованию при модернизации электроприводов промышленных роботов на ООО «ЮгЭнергоПроект-Кубань».
На двукратноинтегрирующую САР положения исполнительного органа электропривода с улучшенными характеристиками получен патент РФ на изобретение № 2401501. На устройство для формирования диаграмм перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем (ЭД), с ограничением скорости и её первой, второй, третьей и четвертой производных скорости получен патент РФ на полезную модель №55230. На командоаппарат, формирующий оптимальную по быстродействию диаграмму перемещения исполнительного органа электропривода при ограничении по напряжению получен патент РФ на полезную модель №69354. На командоаппарат, формирующий оптимальную по быстродействию диаграмму перемещения исполнительного органа электропривода при ограничениях по напряжению, максимальному и минимальному значениям тока и скорости получен патент РФ на полезную модель №101286.
Разработан, реализован и экспериментально исследован командоаппарат на базе программируемого PC-совместимого контроллера «ADAM-5510M-А1», формирующий оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа электропривода.
К защите представляются следующие основные положения:
1. Методика формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительных органов электроприводов.
2. Математическое обеспечение командоаппаратов, формирующих оп тимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного ор гана ЭП. Три командоапарата, формирующие оптимальные по быстродейст вию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов.
3. Методика синтеза двукратноинтегрирующих САР положения испол нительных органов электроприводов, отрабатывающих оптимальные по бы стродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электропри водов с повышенной точностью. Три двукратноинтегрирующие САР положе ния исполнительных органов электроприводов, отрабатывающие оптималь ные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов с повышенной точностью.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий КубГТУ (2003-2011 гг.); на VIII региональной научно-практической конференции молодых учёных «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2006 г.); на международных научно-практических конференциях «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2004-2007 гг.); на международной научной конференции «Технические и технологические системы» (Краснодар 2009 и 2010 г.г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы: 6 статей, из них 1 статья в журнале рекомендованном ВАК; 9 материалов конференций; получены: 1 патент РФ на изобретение; 3 патента РФ на полезные модели.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 8 приложений. Основная часть работы изложена на 175 страницах, включая 43 рисунка, 1 таблицу. Список литературы содержит 165 наименование.
Первая глава диссертационной работы посвящена обзору отечественной и зарубежной литературы, постановке задач исследований.
Известны типовые оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа электропривода без учета влияния индуктив- ности якорной цепи электродвигателя. В диссертационной работе показано, что влияние индуктивности якорной цепи электродвигателя на динамику электропривода с идеальным валопроводом при его перемещении в соответствии с типовыми оптимальными по быстродействию диаграммами приводит к увеличению цикла перемещения электропривода.
Выполнен анализ задатчиков интенсивности (командоаппартов), формирующих типовые оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа электропривода.
В работе показано, что серийно выпускаемая однократноинтегрирующая САР положения имеет следующие недостатки: статические ошибки и низкое быстродействие контуров скорости и положения.
Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительного органа электропривода с учётом влияния индуктивностей якорных цепей электродвигателей.
Позиционный электропривод с постоянным по значению моментом сопротивления и учётом влияния индуктивностей якорных цепей электродвигателей представлен одномассовой электромеханической системой.
Разработаны четыре оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа электропривода с постоянным по значению моментом сопротивления и учётом влияния индуктивностей якорных цепей электродвигателей: при ограничении по напряжению; при ограничениях по напряжению и максимальному току; при ограничениях по напряжению, максимальному и минимальному токам; при ограничениях по напряжению, максимальному и минимальному токам и скорости. Каждая из диаграмм имеет по три вида, так как характеристическое уравнение системы имеет три варианта расклада корней.
Разработано математическое обеспечение, позволяющее определить длительности этапов для четырёх оптимальных по быстродействию диаграмм (каждая диаграмма имеет три вида) перемещения исполнительного органа электропривода с постоянным по величине моментом сопротивления.
Определены условия, при выполнении которых существует каждая из четырех оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительного органа электропривода с постоянным по значению моментом сопротивления.
Третья глава диссертационной работы посвящена разработке командо-аппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов промышленных механизмов с учетом индуктивностей якорных цепей электродвигателей.
При участии автора разработаны три командоаппарата, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа электропривода с моментом сопротивления типа сухого трения: при ограничении по напряжению; при ограничениях по напряжению, максимальному и минимальному токам; при ограничениях по напряжению, максимальному, минимальному токам и скорости.
В приложениях Д, Е и Ж приведено подробное описание принципа действия командоаппаратов.
Цифровое моделирование командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа электропривода с моментом сопротивления типа сухого трения при ограничениях по напряжению; по напряжению и току; по напряжению, току и скорости позволило проверить их работоспособность.
На основе математического обеспечения (аналитических зависимостей координат электропривода от времени при их оптимальном по быстродействию движении) разработано программное обеспечение программируемых РС-совместимых контроллеров ADAM-5510M-A1 на языке программирования С.
Четвёртая глава диссертационной работы посвящена синтезу трёх дву-кратноинтегрирующих САР положения исполнительного органа электропривода: с типовыми регуляторами; модернизированная; с улучшенными характеристиками.
За счёт введения в однократноинтегрирующую САР положения исполнительного органа электропривода пропорционально-интегрального регулятора скорости и фильтра контура скорости получена двукратноинтегрирую-щая САР положения исполнительного органа электропривода с типовыми ре- гуляторами, которая имеет следующие приимущества по сравнению с серийно выпускаемой однократноинтегрирующей САР положения исполнительного органа электропривода: устранена статическая ошибка контура скорости; устранена статическая ошибка контура положения.
Однако, двукратноинтегрирующая САР положения исполнительного органа электропривода с типовыми регуляторами имеет следующие недостатки: низкое быстродействие контура скорости (постоянная времени второго контура равна 4Г ); низкое быстродействие контура положения (постоянная времени третьего контура равна ST ).
За счёт введения в двукратноинтегрирующую САР положения исполнительного органа электропривода с типовыми регуляторами корректора контура скорости получена модернизированная двукратноинтегрирующая САР положения исполнительного органа электропривода, которая имеет следующие преимущества по сравнению с двукратноинтегрирующей САР положения исполнительного органа электропривода с типовыми регуляторами: уменьшена динамическая ошибка по угловой скорости при ступенчатом внешнем возмущаемом воздействии в четыре раза; уменьшена динамическая ошибка по перемещению при ступенчатом внешнем возмущаемом воздействии в шестнадцать раз; достигнуто предельное быстродействие контура скорости (постоянная времени второго контура равна 7^).
Однако, модернизированная двукратноинтегрирующая САР положения исполнительного органа электропривода имеет следующий недостаток - низкое быстродействие контура положения (постоянная времени третьего контура равна 27^).
За счёт введения в модернизированную двукратноинтегрирующую САР положения исполнительного органа электропривода корректора контура положения и усложнения фильтра контура скорости получена двукатноинтегри-рующая САР положения исполнительного органа электропривода с улучшенными характеристиками, которая имеет следующие преимущества по сравнению с модернизированной двукратноинтегрирующей САР положения исполнительного органа электропривода: уменьшена динамическая ошибка по угловой скорости при ступенчатом внешнем возмущаемом воздействии в два раза; уменьшена динамическая ошибка по перемещению при ступенчатом внешнем возмущаемом воздействии в четыре раза; достигнуто предельное быстродействие контура положения (постоянная времени третьего контура равна Гц).
Цифровое моделирование трёх САР положения исполнительного органа электропривода, позволило проверить полученные закономерности и работоспособность исследуемых систем.
Пятая глава диссертационной работы посвящена экспериментальному исследованию позиционных электроприводов повышенной точности. Исследовались электропривод лабораторного стенда и электроприводы роботов с электродвигателями №1,2 и 3: электропривод лабораторного стенда с электродвигателем марки 2ПН10МУХЛ4 мощностью 0,75 кВт; электропривод оснащённый электродвигателем производства АХЕМ1 мощностью 1 кВт (двигатель №1); электропривод оснащённый электродвигателем производства АХЕМ мощностью 9 кВт (двигатель №2); электропривод оснащённый электродвигателем производства АХЕМ мощностью 0,37 кВт (двигатель №3).
В первой серии экспериментов командоаппарат, формирующий оптимальную по быстродействию диаграмму перемещения исполнительного органа электропривода без учёта влияния индуктивности якорной цепи электродвигателя при ограничении скорости, подаёт сигнал на вход цифровой модели двукратноинтегрирующей САР положения исполнительного органа электропривода с улучшенными характеристиками. При этом варьируемым параметром является некомпенсируемая постоянная времени электропривода Гц, изменяемая от значения 0,0001 с до значения 0,05с.
Проведённые эксперементальные исследования показывают, что при малых значениях 7^ для различных типов электроприводов при формировании управляющего сигнала без учёта влияния индуктивности якорной цепи ЭД максимальное значение напряжения, приложенного к якорной цепи ЭД, при переключениях принимает значения больше допустимых.
Поэтому приходится использовать настройки САР положения исполнительного органа электропривода с большими значениями Т .
Известно, что реальное значение перемещения при движении с установившейся скоростью отстаёт от эталонного на величину Т , а это приводит к появлению ошибки по перемещению на величину &>до„Т , где доп - допустимое значение угловой скорости электропривода, рад/с.
Как следует из первой серии экспериментов при Гц равном 0,005 с для электропривода лабораторного стенда и 7^ равное 0,0005 с для электроприводов с электродвигателями №1, 2 и 3 максимальные значения напряжений, приложенных к якорным цепям электродвигателей, не превышают допустимых значений. При этом максимальное значение ошибки по перемещению исполнительного органа электропривода для электропривода лабораторного стенда равно Аф = 0,8 рад, а для электропривода с двигателями №1, 2 и 3 равно Аф =0,16 рад.
Проведённые экспериментальные исследования подтвердили, что при разработке позиционных электроприводов повышенной точности необходимо учитывать индуктивность якорной цепи электродвигателя.
Во второй серии экспериментов командоаппарат, формирующий оптимальную по быстродействию диаграмму перемещения исполнительного органа электропривода при ограничениях по напряжению, максимальному и минимальному токам и скорости с учётом влияния индуктивности якорной цепи электродвигателя, подаёт сигнал на вход цифровой модели двукратноинтег-рирующей САР положения исполнительного органа электропривода с улучшенными характеристиками.
Проведённые экспериментальные исследования показали, что использование командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа электропривода без учёта влияния индуктивностей якорных цепей электродвигателей, возможно при условии настройки САР положения исполнительного органа электропривода с большими значениями Т . При этом максимальное значение ошибки по перемещению исполнительного органа электропривода не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к механизмам повышенной точности.
При использовании командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа электропривода с учётом влияния индуктивностеи якорных цепей электродвигателей, и настройке САР положения исполнительного органа ЭП с Гц =0,0001 с максимальное значение ошибки по перемещению исполнительного органа электропривода удовлетворяет требованиям, предъявляемым к механизмам повышенной точности.
В заключении отражены основные результаты работы.
Анализ существующих оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов
Современный регулируемый электропривод является не только энергосиловой основой, позволяющей обеспечить производственные механизмы промышленных установок необходимой механической энергией, но и средством управления технологическими процессами, так как задачи по реализации качества технологических процессов в настоящее время возлагаются на системы управления регулируемыми электроприводами в сочетании с системами технологической автоматики.
Совершенствованию позиционных программно-управляемых электроприводов промышленных установок в отечественной и зарубежной литературе уделяется большое внимание [1-15, 22-26, 35, 37, 41-44, 55, 62-69, 102-108, 132-146, 158-165].
В настоящее время наиболее перспективными являются системы автоматического управления положением электроприводов промышленных механизмов с раздельными функциями, которые состоят из командоаппарата, формирующего диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов, и САР положения исполнительного органа электропривода, отрабатывающей сформированные диаграммы. Для реализации таких систем требуется: диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов, удовлетворяющие требования технологического процесса; устройства, формирующие заданные диаграммы; САР положения исполнительных органов электроприводов, отрабатывающие сформированные диаграммы перемещения исполнительных органов промышленных механизмов с требуемой точностью.
При разработке диаграмм движения исполнительных органов электроприводов выделяются две группы электроприводов: электроприводы, обеспечивающие перемещение исполнительных органов механизмов с идеальным валопроводом; электроприводы, обеспечивающие перемещение исполнительных органов механизмов с упругим валопроводом. Оптимальное управление электроприводами, обеспечивающих перемещение исполнительных органов механизмов с идеальным валопроводом, достаточно подробно освещено в литературе [70-72, 74, 75,87,93,94, 116, 117, 119, 120-125, 127-130, 141-154].
Оптимальное управление электроприводами, обеспечивающих перемещение исполнительных органов механизмов с упругим валопроводом, освещено в литературе [19, 36, 49, 50, 51, 53, 55, 61].
Для практической реализации диаграмм перемещения исполнительных органов промышленных механизмов необходимо разработать устройства, формирующие требуемые диаграммы в зависимости от заданной величины перемещения. В настоящее время существует очень большое количество командоаппа-ратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы изменения скорости или положения исполнительных органов механизмов. Известны ко-мандоаппараты, формирующие рациональные, близкие к оптимальным по быстродействию, оптимальные по быстродействию диаграммы изменения положения как для электроприводов с идеальными валопроводами, так и для электроприводов с упругими валопроводами. Для обеспечения максимально точной отработки диаграмм перемещения исполнительных органов электроприводов как с идеальными валопроводами, так и упругими валопроводами необходимо синтезировать САР положения исполнительных органов промышленных механизмов и электрического транспорта. В настоящее время известны различные методы синтеза систем. Общим недостатком большинства существующих методов синтеза систем является необходимость фундаментальной физико-математической подготовки и значительных затрат времени для получения эффектного решения. Метод синтеза САР на основе стандартных (эталонных) передаточных функций не имеет указанных недостатков. При синтезе систем по методу I подчиненного регулирования на основе эталонных передаточных функций, имеющим в числителе полином нулевой степени, предполагает, что каждый контур имеет такое количество варьируемых параметров, которое соответствует его порядку. Внутренние контуры всегда имеют порядок меньший, по сравнению с внешними, поэтому для внутренних контуров обеспечение необходимого количества варьируемых параметров не является затруднительным. Для внешних контуров необходимое количество варьируемых параметров не всегда физически достижимо — это основной недостаток, не позволяющий достичь необходимого быстродействия систем. В работах [79,148] предложена методика синтеза многоконтурных систем с улучшенными характеристиками, которая устраняет указанный недостаток метода синтеза систем подчиненного регулирования по эталонным передаточным функциям за счет использования во внутренних контурах универсальных эталонных передаточной функций, имеющих в числителе полином первой степени. Несмотря на увеличение числа варьируемых параметров во внутренних контурах (обычно не вызывает затруднений), позволяет из полученного семейства внутренних контуров подобрать требуемый контур, при котором часть необходимых для синтеза внешнего контура условий выполняется автоматически. Такое решение приводит к уменьшению числа варьируемых параметров во внешнем контуре. Работы [17, 19, 23, 26, 30, 31, 34, 38, 39, 40, 43, 46, 63, 64, 65, 73,76, 78, 81] посвящены синтезу САР скорости или положения исполнительных органов промышленных установок. Работы [33, 58, 96, 149, 158, 161] посвящены позиционнм программно-управляемым электроприводам роботов.
Оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов с учетом индуктивности якорной цепи электродвигателя при ограничении по напряжению
Как следует из зависимости, представленной на рисунке 5.1.7 (электропривод лабораторного стенда с двигателем марки 2ПН10МУХЛ4 мощностью 0,75 кВт), при Т равное 0,005 максимальное значение напряжения, приложенного к якорной цепи электродвигателя; с7МАКС = 238 В не привышает допустимого значения. На рисунке 5.1.11 приведены зависимости задающего значения перемещения, фактического перемещения1 и погрешности по перемещению от времени при Т. .=0 005 с для электроприво да лабораторного стенда. При этом максимальное значение ошибки по перемещению равно Аф =0,8 рад. Как следует из зависимости, представленной на рисунке 5.1.8 (электропривод, оснащённый двигателем производства АХЕМ мощностью 1 кВт (двигатель №1)), при Т равное 0,0005 максимальное значение напряжения, приложенного» к якорной цепи электродвигателя, UMAKC — 236 В не привышает допустимого значения. На рисунке 5.1.12 приведены зависимости задающего значения перемещения, фактического перемещения и погрешности по перемещению от времени при Т.. .=0,0005 с для электропри г вода оснащённого двигателем №1. При этом максимальное значение ошибки по перемещению равно Дер =0,16 рад. Как следует из зависимости, представленной на рисунке 5.1.9 (электропривод, оснащённый двигателем производства АХЕМ мощностью 9 кВт (двигатель №2)), при Т. равное 0,0005 максимальное значение напряжения, г приложенного к якорной цепи электродвигателя, UMAKC = 356 В не привышает допустимого значения. На рисунке 5.1.13 приведены зависимости задающего значения перемещения, фактического перемещения и 153 погрешности по перемещению от времени при Т .=0,0005 с для электропривода оснащённого двигателем №2. При этом максимальное значение ошибки по перемещению равно Дф =0,16 рад. Как следует из зависимости, представленной на рисунке 5.1.10 (электропривод, оснащённый двигателем производства АХЕМ мощностью 0,37 кВт (двигатель №3)), при Гц равное 0,0005 максимальное значение напряжения, приложенного к якорной цепи электродвигателя, /, незначительно привышает допустимое значение. На рисунке 5.1.14 приведены зависимости задающего значения перемещения, фактического перемещения и погрешности по перемещению от времени при Т .=0,0005 с для электропривода оснащённого двигателем №3. При этом максимальное значение ошибки по перемещению равно Дер = 0,16 рад. Экспериментальные исследования электротехнических комплексов, состоящих из командоаппаратов (формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа механизма электропривода с учётом влияния индуктивностей якорных цепей электродвигателей) и цифровой модели двукратноинтегрирующей САР положения электропривода с улучшенными характеристиками. Командоаппарат, формирующий оптимальную по быстродействию диаграмму перемещения электропривода при ограничениях по напряжению, максимальному и минимальному токам и скорости с учётом влияния индуктивности якорной цепи электродвигателя, подаёт сигнал на вход цифровой модели двукратноинтегрирующей САР положения электропривода с улучшенными характеристиками. На рисунке 5.2.2 приведены зависимости задающего значения, фактического перемещения и погрешности по перемещению от времени, электропривода лабораторного стенда при Т. = 0,0001 с получаемые с учётом влияния индуктивностей якорных цепей электродвигателя. При этом максимальное значение ошибки по перемещению исполнительного органа электропривода равно Дф = 0,032 рад, т.е. максимальное значение ошибки по перемещению уменьшилось в 5 раз. Проведённые экспериментальные исследования показали, что использование командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа механизма электропривода без учёта влияния индуктивностей якорных цепей электродвигателей, возможно при условии настройки САР положения исполнительного органа электропривода с большими значениями Гм. При этом максимальное значение ошибки по перемещению исполнительного органа электропривода не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к механизмам повышенной точности. При использовании командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа механизма электропривода с учётом влияния индуктивностей якорных цепей электродвигателей, и настройке САР положения исполнительного органа электропривода с Гц =0,0001 с максимальное значение ошибки по перемещению исполнительного органа электропривода удовлетворяет требованиям, предъявляемым к механизмам повышенной точности.
Основные результаты проведённых теоретических и эксперементаль-ных иследований позиционных электроприводов повышенной точности заключается в следующем.
Разработаны четыре оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов (с ограничением по напряжению; с ограничениями по напряжению и максимальному току; с ограничениями по напряжению и максимальному и минимальному токам; с ограничениями по напряжению, максимальному и минимальному токам и скорости).
Для четырёх оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительных органов электроприводов разработано математическое обеспечение. На базе математического обеспечения; полученного для оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительного органа электропривода, разработано три командоаппарата, формирующих предлагаемые диаграммы. Синтезированы три двукратноинтегрирующие САРположения исполнительного органа электропривода: с типовыми регуляторами; модернизированная; с улучшенными характеристиками. Экспериментально подтверждено, что предлагаемые позиционные электроприводы обеспечивают повышенную точность перемещения. Результаты работы доступны для широкого практического применения, что является залогом эффективного решения задач по повышению точности позиционирования при реконструкции действующих и проектировании вновь создаваемых позиционных электроприводов роботов и в металлургической, машиностроительной, и других отраслях промышленности. Основные аспекты проведённых исследований изложены в 6 статьях, из них 1 статья в журнале рекомендованном ВАК; 9 материалов конференций; получены: 1 патент РФ на изобретение; 3 патента РФ на полезные модели.
Разработка командоаппарата для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов при ограничении по напряжению
Результаты диссертационной работы: методика формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительных органов электроприводов; математическое обеспечение командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительные органов электроприводов; методика синтеза двукратноинтегрирую-щих САР положения электропривода, отрабатывающих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов с повышенной точностью, приняты к использованию при модернизации электроприводов промышленных роботов на ООО «ЮгЭнергоПроект-Кубань».
На двукратноинтегрирующую САР положения исполнительного органа электропривода с улучшенными характеристиками получен патент РФ на изобретение № 2401501. На устройство для формирования диаграмм перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем (ЭД), с ограничением скорости и её первой, второй, третьей и четвертой производных скорости получен патент РФ на полезную модель №55230. На командоаппарат, формирующий оптимальную по быстродействию диаграмму перемещения исполнительного органа электропривода при ограничении по напряжению получен патент РФ на полезную модель №69354. На командоаппарат, формирующий оптимальную по быстродействию диаграмму перемещения исполнительного органа электропривода при ограничениях по напряжению, максимальному и минимальному значениям тока и скорости получен патент РФ на полезную модель №101286.
Разработан, реализован и экспериментально исследован командоаппарат на базе программируемого PC-совместимого контроллера «ADAM-5510M-А1», формирующий оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа электропривода.
К защите представляются следующие основные положения: 1. Методика формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительных органов электроприводов. 2. Математическое обеспечение командоаппаратов, формирующих оп тимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного ор гана ЭП. Три командоапарата, формирующие оптимальные по быстродейст вию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов. 3. Методика синтеза двукратноинтегрирующих САР положения испол нительных органов электроприводов, отрабатывающих оптимальные по бы стродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электропри водов с повышенной точностью. Три двукратноинтегрирующие САР положе ния исполнительных органов электроприводов, отрабатывающие оптималь ные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов с повышенной точностью. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий КубГТУ (2003-2011 гг.); на VIII региональной научно-практической конференции молодых учёных «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2006 г.); на международных научно-практических конференциях «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2004-2007 гг.); на международной научной конференции «Технические и технологические системы» (Краснодар 2009 и 2010 г.г.). Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы: 6 статей, из них 1 статья в журнале рекомендованном ВАК; 9 материалов конференций; получены: 1 патент РФ на изобретение; 3 патента РФ на полезные модели. Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 8 приложений. Основная часть работы изложена на 175 страницах, включая 43 рисунка, 1 таблицу. Список литературы содержит 165 наименование. Первая глава диссертационной работы посвящена обзору отечественной и зарубежной литературы, постановке задач исследований. Известны типовые оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа электропривода без учета влияния индуктив 4, ности якорной цепи электродвигателя. В диссертационной работе показано, что влияние индуктивности якорной цепи электродвигателя на динамику электропривода с идеальным валопроводом при его перемещении в соответствии с типовыми оптимальными по быстродействию диаграммами приводит к увеличению цикла перемещения электропривода. Выполнен анализ задатчиков интенсивности (командоаппартов), формирующих типовые оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа электропривода. В работе показано, что серийно выпускаемая однократноинтегрирующая САР положения имеет следующие недостатки: статические ошибки и низкое быстродействие контуров скорости и положения. Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительного органа электропривода с учётом влияния индуктивностей якорных цепей электродвигателей. Позиционный электропривод с постоянным по значению моментом сопротивления и учётом влияния индуктивностей якорных цепей электродвигателей представлен одномассовой электромеханической системой. Разработаны четыре оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа электропривода с постоянным по значению моментом сопротивления и учётом влияния индуктивностей якорных цепей электродвигателей: при ограничении по напряжению; при ограничениях по напряжению и максимальному току; при ограничениях по напряжению, максимальному и минимальному токам; при ограничениях по напряжению, максимальному и минимальному токам и скорости. Каждая из диаграмм имеет по три вида, так как характеристическое уравнение системы имеет три варианта расклада корней. Разработано математическое обеспечение, позволяющее определить длительности этапов для четырёх оптимальных по быстродействию диаграмм (каждая диаграмма имеет три вида) перемещения исполнительного органа электропривода с постоянным по величине моментом сопротивления. Определены условия, при выполнении которых существует каждая из четырех оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительного органа электропривода с постоянным по значению моментом сопротивления.
Синтез модернизированной двукратноинтегрирующей САР положения электропривода
За счёт введения в модернизированную двукратноинтегрирующую САР положения исполнительного органа электропривода корректора контура положения и усложнения фильтра контура скорости получена двукатноинтегри-рующая САР положения исполнительного органа электропривода с улучшенными характеристиками, которая имеет следующие преимущества по сравнению с модернизированной двукратноинтегрирующей САР положения исполнительного органа электропривода: уменьшена динамическая ошибка по угловой скорости при ступенчатом внешнем возмущаемом воздействии в два раза; уменьшена динамическая ошибка по перемещению при ступенчатом внешнем возмущаемом воздействии в четыре раза; достигнуто предельное быстродействие контура положения (постоянная времени третьего контура равна Гц).
Цифровое моделирование трёх САР положения исполнительного органа электропривода, позволило проверить полученные закономерности и работоспособность исследуемых систем.
Пятая глава диссертационной работы посвящена экспериментальному исследованию позиционных электроприводов повышенной точности. Исследовались электропривод лабораторного стенда и электроприводы роботов с электродвигателями №1,2 и 3: электропривод лабораторного стенда с электродвигателем марки 2ПН10МУХЛ4 мощностью 0,75 кВт; электропривод оснащённый электродвигателем производства АХЕМ1 мощностью 1 кВт (двигатель №1); электропривод оснащённый электродвигателем производства АХЕМ мощностью 9 кВт (двигатель №2); электропривод оснащённый электродвигателем производства АХЕМ мощностью 0,37 кВт (двигатель №3).
В первой серии экспериментов командоаппарат, формирующий оптимальную по быстродействию диаграмму перемещения исполнительного органа электропривода без учёта влияния индуктивности якорной цепи электродвигателя при ограничении скорости, подаёт сигнал на вход цифровой модели двукратноинтегрирующей САР положения исполнительного органа электропривода с улучшенными характеристиками. При этом варьируемым параметром является некомпенсируемая постоянная времени электропривода Гц, изменяемая от значения 0,0001 с до значения 0,05с.
Проведённые эксперементальные исследования показывают, что при малых значениях 7 для различных типов электроприводов при формировании управляющего сигнала без учёта влияния индуктивности якорной цепи ЭД максимальное значение напряжения, приложенного к якорной цепи ЭД, при переключениях принимает значения больше допустимых. Поэтому приходится использовать настройки САР положения исполнительного органа электропривода с большими значениями Т . Известно, что реальное значение перемещения при движении с установившейся скоростью отстаёт от эталонного на величину Т , а это приводит к появлению ошибки по перемещению на величину & до„Т , где доп - допустимое значение угловой скорости электропривода, рад/с. Как следует из первой серии экспериментов при Гц равном 0,005 с для электропривода лабораторного стенда и 7 равное 0,0005 с для электроприводов с электродвигателями №1, 2 и 3 максимальные значения напряжений, приложенных к якорным цепям электродвигателей, не превышают допустимых значений. При этом максимальное значение ошибки по перемещению исполнительного органа электропривода для электропривода лабораторного стенда равно Аф = 0,8 рад, а для электропривода с двигателями №1, 2 и 3 равно Аф =0,16 рад. Проведённые экспериментальные исследования подтвердили, что при разработке позиционных электроприводов повышенной точности необходимо учитывать индуктивность якорной цепи электродвигателя. Во второй серии экспериментов командоаппарат, формирующий оптимальную по быстродействию диаграмму перемещения исполнительного органа электропривода при ограничениях по напряжению, максимальному и минимальному токам и скорости с учётом влияния индуктивности якорной цепи электродвигателя, подаёт сигнал на вход цифровой модели двукратноинтег-рирующей САР положения исполнительного органа электропривода с улучшенными характеристиками. Проведённые экспериментальные исследования показали, что использование командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа электропривода без учёта влияния индуктивностей якорных цепей электродвигателей, возможно при условии настройки САР положения исполнительного органа электропривода с большими значениями Т . При этом максимальное значение ошибки по перемещению исполнительного органа электропривода не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к механизмам повышенной точности. При использовании командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа электропривода с учётом влияния индуктивностеи якорных цепей электродвигателей, и настройке САР положения исполнительного органа ЭП с Гц =0,0001 с максимальное значение ошибки по перемещению исполнительного органа электропривода удовлетворяет требованиям, предъявляемым к механизмам повышенной точности.
