Введение к работе
. 1КГУАЛЫКНПЪ IWOUJimihl. Отличительной особенностью технического прогресса в области систем вентильного электроприводз (ЮІI) и технологической автоматики (ТА) является быстрое и непрерывное совершенствование их элементной базы. За последние два десятилетия существенно выросла установленная мощность силовых тиристорных преобразователен (TTI) постоянного и переменного тока, а также резко снизилась инерционность элементов систем регулирования и мощность информативного сигнала управления в каналах связи ВЭП. Рост соотношения уровня мощности силовой части электрооборудования и мощности управлення элементами ВЭП способствовал резкому увсличенщо влияния помех в схемах автоматизированного электропривода. Сигналы помех стали соизмеримыми с полезными сигналами и приводят к нарушению работоспособности систем автоматического управления технологическими процессами, что наиболее остро проявляет себя в ВЭ11 с автономными источниками электропитания оіраннченнон мощности.
Повышенная чувствительность систем ВЭП к сигналам помех, в первую onqicflb. явилась результатом низкой помехоустойчивости входящих и их состав функциональных блоков, таких как регуляторов на основе операционных усилителен (ОУ), миожнтелыю-делнтельных устройств, датчиков регулируемых и контролируемых параметров, нелинейных функциональных преобразователен, систеи импудьсно-фазового управления (СИФУ) ТП и т.д.
Усложнение алгоритмов управления технологическим» процессами привело к необходимости сочетания принципов аналоговой и цифровой обработки информации и вызвало необходимость п преобразователях как аналогового, так и дискретного (импульсного) типов. Возникшее з результате этого многообразие и сложность технической реализации элементной базы повлекло за собой снижение показателей взаимозаменяемости и резервирования узлов и отдельных элементов ВЭП, снизило степень их ремонтопригодности и надежности, увеличило поток оіказов в ходе технологического процесса.'
Очевидно, чю наиболее рациональными путями комплексного решения задач в области ВЭП является, в первую очередь, переход от чисто аналоговых к многофункциональным способам обработки и передачи* информации, которые позволяли бы минимизировать структурную избыточность' регуляторов п датчиков систем управления за счет представления текущего значения регулируемой или контролируемой координаты технологического процесса одновременно как в аналогозой, так и в импульсной формах, способствуя тем самым сокращению номенклатуры элементной базы, предназначенной для технического оснащения широкого диапазона функций промышленных установок.
К числу форм представления первичной информации, обладающих повышенной многофушциональностыо, стабильностью характеристик и относительной простотой диагностирования, в первую очередь, относятся импульсные сигналы, причем в современных ВЭП и ТА наибольшее распространение получили преобразователи информации, выходная координата которых представляется в широтно-имнульсной или частотно-широтно-импульсной формах и являющаяся результатом развертывающего во времени преобразования входной координаты.
Однако теория и практика информационно-измерительных развертывающих преобразователен (РП), насчитывающих ис один десяток принципиально отличающихся друг от друга способов развертывающего преобразования, до настоящего времени практически не касалась специфических для ВЭП проблем, где в едином замкнутом комплексе работают различные по функциональному назначению слаботочные и мощные преобразовательные устройства, причем последние зачастую, кроме своего прямого назначения, выполняют еще и несвойственные им функции генераторов помех для элементов информационной части систем управления с частотным спектром, примыкающим к зоне рабочих частот ВЭП. Фактически не рассматриваются метрологические характеристики РП в широком частотном диапазоне, включая область частот, выходящую за рамки частоты несущих колебании развертывающей системы. Однако именно этот фактор может дать ответ о целесообразности применения для решения задач в области ВЭП того или иного способа развертывающего преобразования информативной координаты и вида модуляции, реалшуемого с. его помощью. В первую очередь, исследования подобного характера позволяют произвести оценку степени помехоустойчивости РП в области частот замедленной дискретизации (ОЗД), когда частота входного сигнала превышает граничное значение, и развертывающая система переходит в режим преобразования спектра входного динамического воздействия, формируя на выходе низкочастотные гармоники, входящие в область рабочих частот ВЭП. Эти сигналы вызывают нарушение режимов технологического процесса из-за невозможности их распознавания на фоне полезного сигнала управлення, а, следовательно, и подавления. В связи с этнм многообразие принципов построения РП диктует необходимость детального сравнительного анализа по единой методике их динамических показателей для широкого амплитудного и частотного диапазона изменения входной координаты.
Другой актуальной задачей,применительно к РП в области ВЭП и ТА является анализ способов развертывающего преобразования с точки зрения диагностирования работоспособности подобных устройств и возможностей построения на их основе систем управления с автоматическим резервированием каналов передачи информации.
Диссертационная работа направлена на исследование динамических показателей принципов развертывающего преобразования с различными законами модуляции, включая такие сложные комбинированные как амнлитудно- частотно- широтно- импульсные методы обработки информации, создание комплекса развертывающем элементной базы для построения на ее основе регуляторов, функциональных преобразователен, датчиков обратных свячен н СИФУ ТИ вентильных электроприводов с высокой эксплуатационной надежностью, исследование принципов развертывающего преобразования с позиций их применимости для построения систем управления с автоматическим диагностированием и резервированием каналов передачи информативных воздействии. В работе обобщены итоги 25-лстней деятельности автора по вышеуказанным проблемам в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и
руководителя ХОЗДОГОВОРНЫХ работ, ПрОВОЛИМЫХ ЧЕЛЯБИНСКИМ
ГСХГУДЛГСТВЕИНЫМ ТЕХНИЧЕСКИМ УНИВЕРСИТЕТОМ по следующим координационным планам: комплексный план КШ1-2000 по приказу Минвуза СССР N485 от 6.07. 1987г. по проблеме 05.21 - "Разработка методики и средств диагностирования вентильных преобразователей и электроприводов технологических объектов и технических средств обучения"; план і J ИР и ОКР но автоматизации технологических процессов н управлению производством в черной металлургии па 1987 - 1988 г. по проблеме "Техническое диагностирование вентильных электроприводов прокатных станов с применением внешних автоматизированных средств на ЭЦВМ", а также НИР по тематикам: "Автоматизация режимов работы многоклетьевых станов холодного проката", "Разработка высокоточных следящих электроприводов транспортных машин", "Исследование и разработка приводов подачи металлообрабатывающих станков" и др.
Ц1Ш> И ЗАЛА ЧИ РАБОТЫ. Цель работы - создание систем ВЭП и ТА с повышенной эксплуатационной надежностью, достигаемой за счет методов развертывающего во времени преобразования сигналов управления.
Исходя из указанной цели, в работе решались следующие основные задачи:
создание математических моделей н анализ динамики различных
принципов развертывающею преобразования для построения элементов
систем ВОН и ТА:
синтез закона модуляции, обеспечивающего сочетание высоких динамических показателей развертывающей системы с минимальным уровнем ошибок в области частот замедленной дискретизации сигнала' управления;
* анализ различных способов температурной и временной
стабилизации характеристик развертывающих преобразователен
информации;
анализ принципов развсртыпающего преобразования с позиций диагностирования РП и создания на их псионе элементной базы с автоматическим резервированием каналов передачи информации;
» создание комплекса развертывающих реіуляторов, функциональных преобразователен, адаптивных фильтров, датчиков обратных связен с гальванически разделенным входом доя систем НЭП, сочетающих высокое качество обработки информации с простотой технической реализации;
» анализ принципов многозонного развертывающего преобразования и создашіе на его основе устройств обработки информации различного функционального назначения для систем ВЭП повышенной точности и надёжности;
» создание высоконадежных адаптивных развертывающих СИФУ силовыми тиристорними преобразователями систем ВЭП;
» разработка высококачественных систем управления
технологическими процессами с повышенной эксплуатационной надежностью.
МНТОДЫ ИССЯІЩОНАШ/Л Теоретические исследования проведені.! методом математического моделирования поведения развертывающих систем на ЦВМ с использованием трансцендентных функции и представлением результатов в виде пространств динамических состояний объекта, их проекций на плоскость переменных, а также аппарата передаточных функции и частотных характернешк и методов математической статистики. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена экспериментальными исследованиями на лабораторных стендах и промышленных объектах, а тчкже внедрением, разработанной элементной базы в серийное промышленное производство.
{.Математические модели пространств динамических состояний и результаты анализ?, на их основе динамических характеристик различных принципов развертывающего преобразования и видов модуляции для широкого амплитудного и частотного диапазона изменения информативного входного силвша, включающего область часі от замедленной дискретизации, а также с учетом параметров выходного демодуліфующего фильтра. ..
2.Пршщипы построения РП с пшротно-пмпульснон модуляцией третьего рода, іштеїрнрукицнх развертывающих преобразователей с широтко-нипульешні модуляцией и адаптивными к параметрам сигнала сшіхроїїїшцш динамическими характеристиками, а такне способы повышенна их быстродействия и помехоустойчивости.
З.Структура is различные алгоритмы формирования се модуляционной характеристики для реализации принципа интегрирующего развертывающего преобразования, сочетающего в себе высокие
динамические показатели РГІ с выборкой мгновенных значений сигнала управления с повышенной помехоустойчивостью в ОЗД, свойственной интеїрирующнм развертывающий системам.
4.Методы построения развертывающих операционных усилителен, нелинейных функциональных преобразователен, шюжіггсльно-делительных устройств, датчикоп обратных связей с гальванически разделенным входом, интегрирующих систем импульсно-фазового управления ТП и способы повышения их иомехоустончивости, временной и температурной стабильности характеристик.
5.Сиособ многозоиного интегрирующего развертывающего преобразования и принципы построения на его основе РП различного функционального назначения.
б.Результаты анализа принципов развертывающего преобразования с позиций параметрического диагностирования работоспособности одпозонпых и многозонных РП и методы построения на их основе ВЭП с автоматическим резервированием каналов передачи информации.
7.Принципы построения на основе интегрирующих РП систем ВЭП и
ТЛ с повышенными метрологическими и эксплуатационными
характеристиками.
ИЛУЧИЛЯ HOItWltlA работы состоит в следующем.
-
Развита' теория развертывающих систем , и разработаны математические модели пространств динамических состояний н их проекций на плоскость переменных для анализа поведения РП в широком амплитудном н частотном диапазоне изменения информативного входного сигнала. Дан анализ степени помехоустойчивости РП з области частот замедленной дискретизации сигнала управлення. Показано, что наименьшим уровнем ошибок в ОЗД обладают РП, в основе которых лежит принцип интегрирующего развертывающего преобразования;
-
Предложены, теоретически обоснованы и экспериментально исследованы принципы развертывающего преобразования с широтно-импульсной модуляцией третьего рода, обладающие повышенной помехоустойчивостью среди класса развертывающих систем с выборкой мгновенных значений сигнала управления;
-
На основе разработанной математической модели интегрирующего развертывающего преобразования с принудительной синхронизацией теоретически обосновано и экспериментально исследовано свойство адаптации динамических характеристик подобного класса развертывающих систем к параметрам внешних синхронизирующих воздействии и разработаны перестраиваемые фильтры на их основе;
-
По результатам сравнительного аналта динамических характеристик развертывающих систем синтезирована структура и дзно математическое описание различных алгоритмов формирования ее
модуляционной характеристики для реализации принципа интегрирующего развертывающего преобразования, сочетающего в себе высокие динамические показатели широтно-импульсных преобразователей с выборкой мгновенных значений сигнала управления с повышенной помехоустойчивостью в области частот замедленной дискретизации, свойственной интегрирующим развертывающим системам;
-
Предложены, теоретически и экспериментально исследованы принципы шгтегрирующего развертывающего преобразования с амплитудно-частотно-широтио.имиулшюй модуляцией и логическим алгоритмом обработки выходного сигнала, сочетающие в себе высокую температурную и временную стабильность характеристик, помехоустойчивость и простоту технической реализации;
-
Получена математическая модель и на ее основе дан анализ динамических возможностей различных законов модуляции с учетом параметров выходного демодулирующего фильтра. І Іоказано, что наибольшее быстродействие имеют развертывающие снегемы с одиотактиой модуляцией;
-
Дано теоретическое и экспериментальное обоснование высокой точности и помехоустойчивости различных режимов операционного преобразования сигнала управления, основанных . на принципе интсірирующего развертывающего преобразования информативной коордштты в каналах связи систем управления ВЭП;
-
Разработаны различные активные методы повышения температурной и временной стабщшностн характеристик РП,и на основе полученной математической модели оптимизирован по быстродействию контур циклической коррекции дрейфовых параметров интегрирующих развертывающих преобразователей; ;. .
-
Исследованы принципы однозонного развертывающего преобразования с позиций диагностирования состояния РІ1, показана однозначная связь4 .между работоспособностью интегрирующих развертывающих преобразователен и характером их выходной координаты н создана элементная база для. ВЭП с параметрическим диагностированием и автоматическим резервированием каналов преобразования стлала управления.:
Ю.Впервые предложен," теоретически н экспериментально исследован класс миогозониых интегрирующих развертывающих преобразователей с частотно-шіфотно-импульшой модуляцией и устройств различного функционального назначения на его основе.
И .Произведены теоретический анализ и экспериментальные
исследования влияния различного рода неисправностей элементов
многозоиных интегрирующих РЛ и показано, что данный класс
развертывающих преобразователей обладает свойсгвом
само/шагностпрования и адаптации к отказам активных компонентов схемы и является эффективным средством повышения надежности ГОИ за счет мноюкратного автоматического резервирования их каналов передачи информации.
Новизна результатов исследований подтверждена 206 авторскими свидетельствами на изобретения.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ состоит
в том, что осуществлено комплексное решение крупной научно-технической
проблемы повышения качества и эксплуатационной надежности систем
ВЭП и ТА с применением принципов развертывающего во времени
преобразования информативных координат. '"'.".'
Даны инженерные методы расчета статических и динамических
показателей широкого круга развертывающих преобразователей,
приведены универсальные зависимости, позволяющие производить выбор
параметров выходного фильтра РП при различных законах одно- и
двухтактной модуляции. Разработаны принципиальные схемы РП и
жепернментлльно подтверждены их высокие метрологические
характеристики. ,'"'"''''
Разработан, теоретически и экспериментально исследован комплекс регуляторов, функциональных . преобразователей, множителыго-делнтельных устройств, трактов диагностирования и резервирования РП, развертывающих преобразователей с различными методами снижения временного и температурного дрейфа "нуля" выходной координаты, датчиков обратных связей и проводимости силовых, юпочеи с і альваиически разделенным входом, многозонных реіуляторов различного функционального назначения и интегрирующих СИФУ с адаптацией к изменениям параметров напряжения сети.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Внедрены в серийное производство на Харьковском заводе "Электромашина" И Челябинском заводе электромашин интегрирующая развертывающая СИФУ Тії и комплекс развертывающих, реіуляторов для ВЭП буровых станков с автономными источниками электропитания ограниченной мощности и быстродействующих следящих злсхтропрішодов транспортных машин.
Па Орском заводе по обработке цветных металлов внедрена быстродействующая система управления ВЭП многоклетьевого стана холодного проката, полностью выполненная на основе развертывающих преобразователен информации. позволивших ввести в закон регулирования производную второго порядка и за счет этого существенно повысить пронэводителыгоегь стана и качество выпускаемой продукции.
Разработана и. введена в промышленную эксплуатацию на Южноуральском заводе "Кристалл" многозонная развертывающая система регулирования температуры процессом гидротермального синтеза кристаллов пьезокварца 'с автоматическим резервированием каналов
I»
передачи информации, исключающая сбои в ходе технологического процесса по вине электронной части оборудования системы управления.
В НПО "Энергия" введен в эксплуатацию комплекс развертывающих регуляторов для управления режимами работы низкотемпературных электродуговых плазмотронов, обеспечивающий ликвидацию процессов двойного дугообразования и повышение энергетических и эксплуатационных показателей установок подобного рода.
Изданы учебные пособия "Техническая диагностика замкнутых систем автоматизированного электропривода*, "Многозонные развертывающие преобразователи для систем вентильного электропривода и технологической автоматики" и "Развертывающие преобразователи для потенциального разделения цепей постоянного тока", содержание которых используется в учебных курсах "Элементы систем автоматизированного электропривода", "Электронные устройства" и ' "Промышленная электроника" дня студентов энергетического факультета ЧП"У. Методика моделирования динамических процессов в развертывающих системах применяется в курсовом проектировании но курсу лекций "Электронные устройства".
АПРОБАЦИИ РАБОТЫ. Основные положения диссертации докладывались » обсуждались на 14 Всесоюзных, региональных, областных и институтских научно-технических конференциях, в т. ч.: научно-технические семинары "Повышение эффективности вторичных источников нитания"(Киев, 1978 г.;) и "Повышение надежности автоматизированных электроприводов" (Челябинск, 1978 г.) ; заседание координационной комиссии по проблеме "Коммутационно-модуляционные методы повышения точности устройств измерительной техники и автоматики", Челябинск, 1980 г.; научно-технические конференции по проблемам автоматизированного электропривода (Суздаль, 1983 г., Рига, 1984 г.) и "Теплотехнические вопросы применения низкотемпературной плазмы п металлургии", Магнитогорск, 1989 г.; международная конферснщія по автоматизированному электроприводу "AED-95", С. Петербург, 1995 г.
ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации опубликовано в 248 печатных работах, в том числе 32 статьи в центральной печати, 206 авторских свидетельств на изобретение, три учебных пособия.
СТРУКТУРА И ОБЪКМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения,
семи глав, заключения, перечня основных сокращений, понятий и
определений, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации
464 страницы, в том числе 210 страниц основного машинописного текста,
199 рисунков.
