Содержание к диссертации
Введение
Глава I. РЕАЛИЗАЦИЯ, СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И КЛАССИ ФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МНОГОУСТОЙЧИВЫХ ЭЛЕМЕН ТОВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
1.1. Общие принципы реализации электромеханических многоустойчивых элементов
1.2. Сравнительный анализ электромеханических многоустойчивых элементов 25
1.3. Классификация электромеханических многоуо-тойчивых элементов 33
Глава 2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И ИССЛЕДО ВАНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МНОГОУСТОЙЧИВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 40
2.1. Некоторые схемные особенности электромеханических многоустойчивых элементов 40
2.2. Электромеханический фазовый многоустойчивый элемент с большим числом устойчивых состояний 56
2.3. Электромеханический фазо-частотный многоустойчивый элемент 62
2.4. Электромеханический частотно-фазовый многоустойчивый элемент 65
Глава 3. ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ФАЗОВОГО МНОГОУСТОЙЧИВОГО ЭЛЕМЕНТА 72
3.1. Условия устойчивости электромеханических фазовых многоустойчивых элементов и способы повышения их быстродействия 72
3.2. Точность электромеханического фазового многоустойчивого элемента 84
3.3. Исследование переходного процесса электромеханического фазового многоустойчивого
элемента графоаналитическим методом и методом машинного анализа 87
Глава 4. ПОСТРОЕНИЕ СИСТШ УПРАВДЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ФАЗОВОГО МНОГОУСТОЙЧИВОГО ЭЛЕМЕНТА 106
4.1. Схема управления электромеханического фазового многоустойчивого элемента 106
4.2. Система автоматического управления дискретного действия на основе электромеханического фазового многоустойчивого элемента 114
4.3. Возможные области применения электромеханического фазового многоустойчивого элемента. 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136
ЛИТЕРАТУРА 138
ПРИЛОЖЕНИЕ 147
П.І. Принципиальная схема электромеханического фазового многоустойчивого элемента с большимчислом устойчивых состояний 148
П.2. Принципиальная схема электромеханического фазо-частотного многоустойчивого элемента. 149
П.З. Принципиальная схема электромеханического частотно-фазового многоустойчивого элемента 150
П.4. Принципиальная схема трехфазного генератора синусоидального напряжения 151
П.5, Принципиальная схема генератора низкой частоты 152
П.6. Принципиальная схема формирователя импульсов 153
П.7. Принципиальная схема двухполярного формирователя импульсов 154
П.8. Принципиальная схема двухполярного формирователя импульсов 155
П.9. Принципиальная схема привода дискретного действия (ЭШУЭ) с цифровой индикацией 156
П. 10.Принципиальная схема датчика производительности хлопкоочистительной машины 157
П.П.Акт внедрения 158
П.12.Расчет годового экономического эффекта . 159
ПЛЗ.Акт внедрения 164
П.14.Акт внедрения 165
П.І5.Справка о представлении экспоната на ВДНХ УзССР 166
П.16.Фотоснимок электромеханического фазового многоустойчивого элемента 167
- Общие принципы реализации электромеханических многоустойчивых элементов
- Некоторые схемные особенности электромеханических многоустойчивых элементов
- Условия устойчивости электромеханических фазовых многоустойчивых элементов и способы повышения их быстродействия
- Схема управления электромеханического фазового многоустойчивого элемента
Введение к работе
Актуальность темы. В связи с необходимостью повышения эффективности производства, ускорения научно-технического прогресса путем повсеместного внедрения принципиально новой техники систем управления особую актуальность приобретает разработка и исследование элементов и систем автоматики, в частности исполнительных элементов дискретного действия со многими устойчивыми состояниями (электромеханические многоустойчивые элементы).
Применение электромеханических многоустойчивых элементов позволяет сократить количество оборудования, требуемого для преобразования данного объема информации, увеличить надежность систем управления.
В системах управления электромеханические многоустойчивые элементы традиционно используются в сочетании электромагнитной системы с механическим или электронным отсчетным устройством. Электромеханическим многоустойчивым элементам с механическими отсчетными устройствами характерны: низкое быстродействие из-за значительного времени протекания переходных процессов, малый срок службы из-за износа механических частей, шум при работе, зависимость значности и быстродействия от конструкции механических частей.
Элементы с электронными отсчетными устройствами обладают более высоким быстродействием, надежностью, простотой схемного решения, серийнопригодностью, повышенной значностью. Однако принципы создания и разработки различных электромеханических элементов с электронными отсчетными устройствами, а также их свойства изучены мало.
Целью диссертационной работы является разработка принципиально новых электромеханических фазовых многоустойчивых элементов систем управления и исследование их динамических свойств, а также вопросов их применения.
Поэтому разработка и исследование принципиально новых, гибких, простых, быстродействующих и экономичных электромеханических фазовых многоустойчивых элементов (ЭФМУЭ) систем управления являются актуальными.
Для достижения поставленной цели необходимо: осуществить сравнительный анализ и составить классификацию электромеханических многоустойчивых элементов; разработать структурно новые электромеханические фазовые многоустойчивые элементы, а также изучить возможности увеличения числа устойчивых состояний и расширения их функциональных возможностей; исследовать динамические свойства электромеханических фазовых многоустойчивых элементов; разработать схему управления электромеханических фазовых многоустойчивых элементов и систем автоматического управления дискретного действия на их основе.
В работе использовались теория и методы расчета нелинейных электрических цепей, теория автоматического управления, теория точности и имитационное моделирование.
Из полученных результатов следующие положения выносятся на защиту: - принцип реализации ЭМУЭ; сравнительный анализ и классификация ЭМУЭ; принципы построения и возможные варианты ЭФМУЭ, характеризующиеся высокой производительностью, универсальностью и многофункционально стью; условия устойчивости, быстродействия, точности и времени переходного процесса; схема управления ЭФМУЭ и система управления на основе ЭШУЭ; пути и возможные области применения ЭФМУЭ.
По материалам исследований были опубликованы 16 статей и защищены 4 авторских свидетельства и I положительное решение ВНИГПЭ о выдаче авторских свидетельств.
Основные результаты докладывались и обсуждались на У, УІ Всесоюзной межвузовской конференции по теорий и методам рассче-та нелинейных электрических цепей и систем (Ташкент, 1975, 1982); республиканской научно-технической конференции молодых ученых (Ташкент, 1974, 1978, 1983), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТашШ (Ташкент, 1973-1984), на семинарах "Многозначные элементы и структуры" и Научного Совета "Теоретическая электротехника, электроника и моделирование: (Львов, 1983), на объединенном Научном семинаре кафедр "Основы радиоэлектроники", "Автоматика и телемеханика", "Промышленная электроника" (ТашШ, 1984) и на объединенном Научном семинаре лабораторий: "Аппаратурных средств ввода-вывода информации в ЭВМ", "Вычислительные системы", "Элементы и узлы ЭВМ", УзНПО "Кибернетика" АН УзССР (Ташкент, 1984).
Демонстрирован макет ЭМУЭ на тематической выставке "Наука производству-83" ВДНХ УзССР (П.15. Справка).
8 Научная новизна полученных результатов состоит в следующем: предложен новый принцип реализации электромеханических многоустойчивых элементов; разработан ряд вариантов схемных решений электромеханических фазовых многоустойчивых элементов с повышенной значно-стью и большими функциональными возможностями; исследованы условия устойчивости, быстродействие, точность и время переходного процесса, в результате чего определены свойства и возможности применения разработанных электромеханических фазовых многоустойчивых элементов; предложены пути увеличения быстродействия электромеханических фазовых многоустойчивых элементов.
Результаты диссертационной работы использованы в предприятии п/я для сверлильного станка с программным управлением (П,13. Акт внедрения); в производстве "Техноприбор" СКТБ - (СПКБ АСУ "Средазспецавтоматика") г.Ташкента; в системе управления хлопкоочистительной машиной для поддержания равномерной подачи хлопка-сырца в рабочую камеру дясинирования (П.II. Акт внедрения) и в автоматическом регуляторе для подачи технологического пара и воды основным производствам головного предприятия Сергелий-ского I3M0 (П.14. Акт внедрения). Общий экономический эффект от использования в системе управления хлопкоочистительной машины (П.II. Акт внедрения) и в автоматическом регуляторе (П.14. Акт внедрения) составляет 36 тыс. руб. в год. В первом случае ввиду специфики применения экономический эффект не может быть подсчитан (П. 13. Акт внедрения).
В первой главе диссертационной работы произведен сравнительный анализ существующих ЭМУЭ по структуре и выявлены их преимущества и недостатки. На основе этого анализа определены
9 ЭМУЭ, значность которых реализуется изменением конструкции электромагнитной системы.
ЭМУЭ с изменением конструкции электромагнитной системы рассматриваются советскими учеными - Чиликиным М.Г., Исмаило-вым 1ЇЇ.Ю., Ротмировым В.А., Зусманом В.Г., Ивоботенко БД. и др. [30, 34, 42, 67, 84] . ЭМУЭ с изменением конструкции электромагнитной системы освещены также в работах зарубежных авторов Г92-96.].
К таким элементам относятся шаговые двигатели, шаговые искатели и различные комбинации механических устройств с электрическим приводом [ЗО, ЗІ, 34, 42, 54, 67, 74, 75, 84, 85, 92] , которые отличаются сложностью системы управления, необходимостью усилителей момента, наличием силовых усилителей, зависимостью числа состояний от конструкции.
Сигорский В.П., Утяков Л.Л., Ситников Л.С., Раков М.А., Дуб Я.Т., Абдукаюмов А. разработали ЭМУЭ, значность которых реализуется изменением электронных схем [2, 3, 8, 15, 18, 32, 65, 71, 73] , так как этот способ является гибким и удобным как для конструирования, так и для эксплуатации при сохранении надежности.
Разработана классификация ЭМУЭ, которая облегчает подбор того или иного элемента для конкретной системы и определение той или иной системы для конкретного ЭМУЭ.
Во второй главе приведены разработанные блоки электронных схем ЭФМУЭ, а также его различные варианты с выходными параметрами: частота - с многофазными выходами - ГА,В}С, угол поворота вала - & , фаза выходного напряжения фазовращателя -У и постоянное напряжение - U0 .
Разработаны электромеханические частотно-фазовые и фазо-частотные многоустойчивые элементы с выходными параметрами: угол поворота вала - об , фаза выходного напряжения фазовращателя - If , постоянное напряжение - Цо и скорость вращения вала двигателя ~/\/.
В третьей главе представлены результаты исследований ЭШУЭ. Выведено дифференциальное уравнение системы, исследованы вопросы устойчивости, быстродействия и точности элемента. При использовании МЧХ и ЛЧФХ синтезирован ЭШУЭ с лучшими параметрами. Эти данные сопоставлены с результатами машинного анализа.
В четвертой главе разработана схема управления самого элемента, а также системы управления на основе ЭФМУЭ для сверлильного станка с программным управлением и хлопкоочистительной машины. Определены возможности ЭШУЭ, которые можно использовать для преобразования Ы -*-/", а также в качестве цифровых следящих систем для преобразования cLfy ->-Zf~*~oL 8ых и U Sx -^cL-^USd/x предложены возможные области применения систем управления ЭФМУЭ, показаны дальнейшие практические направления по проектированию автоматических систем дискретного действия.
Работа выполнена на кафедре "Основы радиоэлектроники" факультета радиоэлектроники и автоматики Ташкентского ордена Дружбы народов политехнического института им. Абу Райхана Бе-руни.
Общие принципы реализации электромеханических многоустойчивых элементов
Появление новых технологических методов в радиоэлектронике [20, 35, 60, 72] , а также успехи в развитии и построении конкретных многозначных устройств способствовали широкому развитию многоустойчивых элементов [50, 51, 65, 71, 73, 80, 87].
Современные многозначные элементы наряду с простотой, надежностью работы и основными характеристиками, удовлетворяющими требованиям, предъявляемым к устройствам автоматики и радиоэлектроники, обладают такими достоинствами как:
1) многофункциональность, т.е. способность выполнять логические операции запоминания и преобразования сигналов, изменения знатности, а также возможность работы элемента вне многозначных структур;
2) гибридность, определяющая возможность применения одних и тех же элементов в аналоговых и цифровых системах, а также в аналого-цифровых комплексах;
3) повышенное быстродействие (для электромеханических многоустойчивых элементов).
Использование многозначных элементов позволяет сократить количество оборудования, требуемого для распознавания данного объема информации и увеличить надежность системы.
Понятие "многозначные", "многоустойчивые" применяется к элементам и устройствам со значительным числом устойчивых состояний. Следует отметить, что значность многоустойчивых элементов не связана со сложностью устройства.
Простейший электронный многоустойчивый элемент можно создать с помощью двухполюсника (туннельного диода), вольтамперная характеристика (рис. I б) которого имеет падающие участки (j32j. На рис. I а приведена принципиальная схема многоустойчивого элемента с нелинейным двухполюсником (НД), где Е -источник э.д.с, нагрузочное сопротивление.
Точки пересечения вольтамперной характеристики и нагрузочной прямой соответствуют равновесным состояниям системы (рис. I б). Точки пересечения, расположенные на участках характеристики с положительным наклоном соответствуют устойчивым состояниям, а точки пересечения, расположенные на участках характеристики с отрицательным наклоном, неустойчивым состояниям.
Некоторые схемные особенности электромеханических многоустойчивых элементов
Одним из возможных вариантов электромеханических многоустойчивых элементов является ЭФМУЭ, представляющий собой астатическую замкнутую систему, в состав которой входят электромеханические элементы (электродвигатель), обеспечивающие преобразование электрических величин в механические и четырехполюсник с многогорбой амплитудной характеристикой [2, 18].
В ЭФМУЭ используются однофазные, двухфазные и трехфазные фазовращатели.
В качестве однофазных фазовращателей могут быть использованы высокоточные синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы с фазосдвигающей RC цепочкой и фазовращатели с электрической редукцией, т.е. индуктосины и редуктосины (4, 5, 7, 23, 39]. В ЭФМУЭ с однофазным фазовращателей источник сигнала обеспечивается генератором низкой частоты. Здесь кратность частоты получается при включении блока преобразования частоты (обычно делителя или умножителя частоты) либо в канал опорного сигнала, либо в канал детектирования.
Однако однофазные высокоточные фазовращатели не дают улучшения точности устройства, а только увеличивают частоту возбуждения, вследствие чего возрастает значность элемента. Трудность технологического изготовления однофазных высокоточных фазовращателей ограничивает их применение в простых и надежных электромеханических многоустойчивых элементах,
В связи с этим ЭШУЭ с однофазным фазовращателей применяются в автоматических системах с малыми угловыми перемещениями.
В качестве двухфазных фазовращателей могут служить двухфазные индукционные, потенциометрические и емкостные фазовращатели. Применение потенциометрических и емкостных фазовращателей ограничивается из-за неэкономичности питания первичной обмотки и трудности технологического изготовления.
В качестве трехфазных фазовращателей могут быть использованы контактные или бесконтактные сельсины (б, 78, 79].
Источник сигнала в Э1МУЭ с трехфазным фазовращателей (сельсин) обеспечивается от трехфазного источника питания с понижающим трансформатором, трехфазного генератора и однофазного источника питания с преобразователем числа фаз. Однако преобразователи числа фаз [б, 24, 29)громоздки и малонадежны.
Условия устойчивости электромеханических фазовых многоустойчивых элементов и способы повышения их быстродействия
Это и есть дифференциальное уравнение системы ЭЯВМУЭ. Здесь коэффициенты при входной и выходной величинах одинаковы. Эта особенность элемента и исключает появление статических ошибок.
Качество работы элемента определяется его поведением при малых отклонениях углов от устойчивых равновесных значений. Поэтому для решения этой задачи достаточно рассмотреть замкнутую динамическую систему, линеаризованную в окрестностях этих значений углов. На рис. 17 дана характеристика разомкнутой системы без двигателя и фазовращатели, где устойчивым равновесным состояниям соответствуют точки пересечения с осью абсцисс участков характеристики, имеющих отрицательные углы наклона.
Наиболее естественным методом определения устойчивости системы является решение ее характеристического уравнения и определение знаков действительных частей полученных корней. Однако этот метод является трудоемким. Поэтому в данной работе для определения устойчивости системы используется критерий Гурвица [9, 10, 28, 49].
Схема управления электромеханического фазового многоустойчивого элемента
Управление электромеханическим фазовым многоустойчивым элементом осуществляется путем подачи на вход паро-фазного усилителя мощности импульсов определенной полярности, длительности и амплитуды. От полярности управляющего импульса и его амплитуды зависит отработка угла поворота вала.
Система управления, разработанная на основе традиционных схем, состоит из генератора низкой частоты и формирователя импульсов fl7j.
Частота генератора определяется быстродействием элемента, рабочая частота которого составляет порядка І4І20 Гц. Такой генератор реализуется по схеме (П.5, рис.5).
Генератор представляет собой несимметричный мультивибратор. Создание мультивибратора с большим периодом следования импульсов на биполярных транзисторах затруднительно, так как необходимы конденсаторы большой емкости, вследствие чего в данной схеме применен полевой транзистор, позволяющий получить высокие входные сопротивления. Транзистор включен по схеме истоко-вого повторителя. Его нагрузкой является базовая цепь биополярного транзистора Ті Сигнал на вторую половину мультивибратора подается с коллектора этого транзистора. Период колебаний мультивибратора определяется цепью С/ (R2 + R ) и при емкости конденсатора С/ , равной I мкФ, соответствует нескольким секундам. Длительность импульсов определяется цепью R3 . 02.
Для предотвращения шунтирования выхода мультивибратора нагрузкой, сигнал с коллектора транзистора ТЗ подается на вход эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе Т4- .
Связь между транзисторами непосредственная, из-за чего режим эмиттерного повторителя задается каскадом, собранным на транзисторе / 3 . Выходной сигнал генератора, т.е. сигнал, снимаемый с коллектора, подается на формирователь импульсов.
Формирователь импульсов обеспечивает определенную длительность и амплитуду управляющего импульса и может быть реализован по схеме (П.6, рис.6). При недостаточной длительности ( t t/ер ) импульса не происходит перехода выходного вала элемента в следующее устойчивое состояние. При некоторых длительностях ( ts tfxp) происходит переход на один шаг. При больших длительностях происходит переход на .два, три и т.д. шага. Следовательно, управляющие импульсы должны иметь стабильную амплитуду и длительность. С учетом этого требования была выбрана схема одно вибратора, отвечающая при относительной простоте перечисленным требованиям. Связь второго каскада с первым осуществляется через кремниевый стабилитрон Д2. .В устойчивом состоянии открыт и насыщен, а заперт. При запуске ТІ за опирается и напряжение на его коллекторе возрастает, стремясь к напряжению источника питания. Происходит пробой стабилитрона, и ток коллекторной нагрузки Т2. течет через стабилитрон и промежуток эмиттер-база Т1 . Потенциал коллектора Т2. устанавливается на уровне Ifxi-USsi+lIcm. Напряжение коллектора насыщенного транзистора измеряется десятыми долями вольта. Напряжение на промежутке эмиттер-база германиевого транзистора имеет порядок 0,3 В. Амплитуда выходного импульса равна %/4, я Шэ/t + Ucm-If/r/Hcrc.b учетом неравенств Ucm? ZZfet, І с/п Ук/нос с достаточной точностью можно считать: Ucm т.е. амплитуда выходного сигнала определяется напряжением стабилизации стабилитрона, и от параметров и режима транзисторов практически не зависит, т.е. она достаточно стабильна.
