Синтез релейних систем слідкуючого електроприводу підвищеної точності з низькою чутливістю до параметричних та координатних збурень

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЯБЛОНЬ ВОЛОДИМИР ПЕТРОВИЧ

УДК 681.5 : 62-83.

СИНТЕЗ РЕЛЕЙНИХ СИСТЕМ СЛІДКУЮЧОГО ЕЛЕКТРОПРИВОДУ ПІДВИЩЕНОІ ТОЧНОСТІ З НИЗЬКОЮ ЧУТЛИВІСТЮ ДО ПАРАМЕТРИЧНИХ І КООРДИНАТНИХ ЗБУРЕНЬ

Спеціальність 05. 09. 03 - електротехнічні комплекси і системи

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандида та технічних наук

Донецьк - 1999



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаському гірничо-металургійному інституті Міністерства освіти України, м. Алчевськ

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Зеленов Анатолій Борисович, професор кафедри «Автоматизовані електромеханічні системи» Донбаського гірничо-металургійного інституту

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Садовой Олександр Валентинович, завідувач кафедри «Електрообладнання промислових підприємств» Дніпродзержинського державного технічного університету

кандидат технічних наук, доцент

Толочко Ольга Іванівна, доцент кафедри «Електропривод і автоматизація промислових установок» Донецького державного технічного університету

Провідна установа:

Харківський державний політехнічний університет, кафедра «Автоматизовані електромеханічні системи»

Міністерства освіти України, м. Харків

Захист відбудеться «30» вересня 1999 р. о 1530 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.02 в Донецькому державному технічному університеті за адресою: Україна, 340000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1 учбовий корпус, ауд. 201.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ДонДТУ за адресою: Україна, 340000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2 учбовий корпус.

Автореферат розісланий « 25 » серпня 1999 р.

Вчений секретар Ларін А.М.

спеціалізованої вченої ради



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Роль систем автоматизованого електроприводу і, зокрема, слідкуючого електроприводу в сучасному промисловому виробництві виключно велика. Підвищення технічного рівня високотехнологічного обладнання, пов'язаного з переміщенням та механічною обробкою робочого матеріалу, перш за все визначається удосконаленням та розширенням функціональних можливостей електромеханічних систем.

Специфіка функціонування приводу в робототехнічних комплексах, гнучких виробничих системах, прецизійних верстатах, астрономічних та антенних пристроях при традиційно високих вимогах до його енергетичних показників і ресурсу визначається такими факторами:

необхідністю відтворення складних, швидких та точних робочих рухів;

необхідністю реалізації монотонних (без помітного перерегулювання) переміщень робочих органів при виведенні об'єкта в точку стабілізації або на траєкторію відслідкування;

змінним характером сил опору рухові внаслідок неврівноваженості механічної частини об'єкта та складності траєкторії маніпулювання, наявності повітряного навантаження антенних пристроїв і т.ін.;

істотно змінним характером механічної інерції (складна кінематика рухомих ланок механічної частини системи), яка значно змінює динамічний момент приводу;

наявністю в конструкції об'єкта кінематичних ланок зі змінною механічною пружністю;

наявністю характерних істотних нелінійностей (люфти, зазори, зони нечутливості і т.ін.) як в електричній, так і в механічній частинах об'єкта керування;

зміненням параметрів системи внаслідок температурного та часового дрейфу.

Таким чином, побудова керуючих пристроїв названих вище електромеханічних систем пов'язана з вирішенням досить складної задачі синтезу, яка має два аспекти: забезпечення заданих динамічних та статичних якостей системи автоматичного керування, що синтезується, і підтримання цих якостей в умовах дії різних збурюючих впливів, змін параметрів об'єкта керування, наявності нелінійностей, і, зазвичай, неповній априорній інформації про об'єкт керування і умови його функціонування.

Комплексне рішення багатьох задач пов'язаних із загальною проблематикою забезпечення низької чутливості до параметричних та координатних збурень, а також підвищення динамічної та статичної точності може бути знайдено в класі систем керування, стійких при безмежному підвищенні коефіцієнта підсилення. Технічна реалізація безкінечно великих коефіцієнтів підсилення може бути здійснена релейними регуляторами, працюючими в ковзних режимах.

Робота виконана у відповідності з науковим напрямком 07 («Перспективні інформаційні технології, пристрої комплексної автоматизації») за загальним планом проблеми «Наукові основи електроенергетики», затвердженої НАН України (розділ «Розробка теорії синтезу та оптимізації мікропроцесорних систем автоматичного керування вентильним електроприводом постійного та змінного струму з поліпшеними динамічними та статичними характеристиками»). Окремі розробки, технічні рішення та методики використовувалися при виконанні держбюджетної НДР №18 (державна реєстрація №ОАО1001671Р, інв. №0294U002750), НДР №55 (державна реєстрація №0197U003392, інв. №0298U001180).

Мета дисертації - удосконалення релейних систем керування слідкуючим електроприводом, розробка ефективних методів синтезу алгоритмів та структур аналогових і цифрових електромеханічних систем, що забезпечують високі статичні та динамічні показники якості керування за умов дії широкого спектру параметричних і координатних збурень.

Ідея роботи полягає в використанні основних принципів побудування систем керування, стійких при необмеженному підвищенні коефіцієнта підсилення каналу керування, а також основних положень зворотніх задач динаміки та модального керування для придання системам, що синтезуються, заданих статичних та динамічних якостей і низької чутливості до координатних та параметричних збурень.

Основні задачі дослідження.

1. Встановлення однозначного зв'язку між коефіцієнтами алгоритмів керування, які є знаковою функцією лінійної комбінації координат об'єкта керування, та коеффіцієнтами характеристичних поліномів замкнених систем керування.

2. Розробка методів синтезу алгоритмів керування електромеханічними об'єктами в різних фазових просторах координат, в тому числі алгоритмів керування з нелінійними інтегральними зв'язками, з метою надання синтезуємим системам відповідних до вимог порядків астатизму по задаючому та збурюючим впливам, а також забезпечення необхідної точності відтворення заданих траєкторій руху та ступеня чутливості до параметричних та координатних збурень.

3. Розробка методик побудування математичних моделей замкнених релейних електромеханічних систем керування, для визначення статичних та динамічних характеристик цих систем.

4. Розробка методів синтезу релейних алгоритмів прямого цифрового керування електромеханічними об'єктами з прогнозуванням ситуації переткнення ідеальної гіперповерхні ковзання в поточному такті квантування мікропроцесорного керуючого пристрою з метою мінімізації прикордонного шару перемкнень навколо даної гіперповерхні в реальному ковзному русі та підвищення точності відробки заданих траєкторій руху.

5. Виконання експериментальних досліджень, які підтверджують правильність теоретичних положень розроблюваних методів аналізу та синтезу електромеханічних систем керування.

Певність і обгрунтованість результатів роботи підтверджується адекватно обраним математичним апаратом, коректністю прийнятих припущень, погодженістю теоретичних розробок з даними експериментальних досліджень.

Методи досліджень. При вирішенні поставлених задач використовувалися загальні методи теорії оптимального керування, зворотніх задач динаміки і модального керування, методи теорії інваріантності та адаптивного керування, матричне та операційне зчислення, методи математичного моделювання та чисельного рішення систем диференційних рівнянь. Експериментальна перевірка основних теоретичних положень та результатів виконувалася з використанням чисельного моделювання та лабораторно-стендових випробувань.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Встановлено однозначний зв'язок коефіцієнтів алгоритмів керування, які є знаковою функцією від лінійної комбінації координат керованого об'єкта, з коефіцієнтами характеристичного полінома замкненої системи керування.

2. Показано, що застосування релейних регуляторів з інтегральним зв'язком за помилкою регулювання, обмеженним за входом і виходом, дозволяє отримати замкнені слідкуючі системи керування з астатизмом першого порядку за збуренням та другого порядку за завданням, які мають високу добротність за прискоренням та малі значення перерегулювання перехідних характеристик при стрибках сигналу завдання. Розроблена методика розрахунку рівнів обмежень вхідного та вихідного сигналів інтегрального каналу регулювання, при яких усталений рух та перехідні процесси по збуреннях лишаються такими як в системі з лінійним інтегральним зв'язком.

3. Встановлено, що релейна мікропроцессорна система прямого цифрового керування еквівалентна аналогічній аналоговій релейній системі керування, яка має змінну транспортну затримку в керуючому пристрої. Показано, що компенсація впливу затримки на процесси регулювання може бути одержана цілком визначеною зміною коефіцієнтів алгоритму керування та введенням додаткового зворотнього зв'язку за затриманими вибірками керуючого сигналу.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені методи структурно-алгоритмічного синтезу аналогових та цифрових релейних систем керування з заданим спектром збуреного руху, синтезовані алгоритми та структури, рекомендації що до вибору базових розрахункових параметрів об'єктів керування, оригінальні схемні рішення можуть бути використані при проектуванні високоточних релейних слідкуючих електромеханічних систем керування і, зокрема, систем слідкуючого електроприводу постійного струму, який має низьку чутливість до параметричних та координатних збурень.

Матеріали, що викладені в дисертації, використовуються в навчальному процесі ДГМІ при вивченні курсу «Мікропроцесорні системи керування електроприводом», а також у курсовому та дипломному проектуванні.

На захист виносяться такі основні положення та результати.

1. Встановлений незаперечний зв'язок коефіцієнтів релейних алгоритмів керування з коефіцієнтами характеристичних поліномів замкнених систем керування.

2. Методи структурно-алгоритмічного синтезу аналогових та цифрових систем керування з заданим спектром збуреного руху і низькою чутливістю до координатних та параметричних збурень.

3. Алгоритми і структури слідкуючих релейних систем електроприводу, синтезованих в різних фазових координатних просторах.

4. Принципи побудування та технічної реалізації аналогових та цифрових релейних систем керування електроприводами з низькою чутливістю до координатних та параметричних збурень.

5. Результати чисельного моделювання і лабораторно-стендових випробовувань релейних слідкуючих систем керування.

Апробація роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних науково-технічних конференціях: «Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика» (м. Харків, 1996, 1997 р.р.), науково-технічній конференції присвяченій сторіччю з дня народженя Т.П. Губенка «Електромеханiка. Теорiя i практика» (Львiв, 1996 р.), на науково-технічних конференціях Донбаського гірничо-металургійного інституту (1993 - 1999 р.р.).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, переліку посилань та додатків. Вміщує 141 сторінку основного тексту, 69 рисунків на 48 сторінках, 1 таблицю на 1 сторінці і 7 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі досліджень і розробок. Наведена загальна характеристика роботи.

В першому розділі зроблено аналітичний огляд основних підходів до рішення задач синтезу високоточних систем керування, доступних широкому спектрові параметричних та координатних збурень. Вказані принципи побудування інваріантних систем автоматичного керування (САК), які знайшли найбільше застосування при створенні електромеханічних систем. Показано, що загальне єдине рішення задач підвищення точності керування і зниження чутливості до координатних та параметричних збурень може бути отримане в класі систем керування, стійких при необмеженому зростанні коефіцієнта підсилення. Технічно безмежно великі коефіцієнти підсилення можуть бути отримані за допомогою релейних регуляторів, що працюють в ковзному режимі.

Одним з найбільш розвинених в теперішній час методів синтезу релейних систем керування є метод аналітичного конструювання регуляторів (АКР). Безперечною перевагою цього методу є те, що він дозволяє однозначно визначити вигляд і стуктуру закону керування та виключає суб'єктивний підхід до їх вибору. Разом з тим, існує ряд факторів, які ускладнюють знаходження параметрів алгоритмів керування в межах АКР. Відсутність чіткого аналітичного рішення задач вибору коефіцієнтів математичних операцій при вирішенні рівняння Ляпунова та визначенні коефіцієнтів функцій Ляпунова, деяка некоректність синтезу методом АКР систем керування нейтральними та власно нестійкими об'єктами призводять в кінцевому підсумку до необхідності розробки нових методів синтезу релейних систем керування, які б відрізнялися простими розрахунковими процедурами і дозволяли знайти рішення в чіткій аналітичній формі. На основі аналізу ковзних режимів та існуючих методів їх математичного опису показано можливість долання відзначенних ускладнень з притягненням до синтезу релейних регуляторів основних положень зворотніх задач динаміки і модального керування.

В другому розділі викладені основні теоретичні положення розробленого методу синтезу релейних модальних регуляторів, в ході якого збурений рух об'єкту керування описується математичною моделлю такого вигляду:

(1)

де _ оператор диференціювання; - вектор відхилень реального руху системи від деякого бажаного (незбуреного) руху ; та - вектор и матриця постійних коефіцієнтів; - функція керування.

Вимоги до збуреного руху системи керування задаються характеристичним поліномом



(2)

де - параметр нормування.

Використовуючи лінійне перетворення

рівняння (1) приводиться до канонічного вигляду

(3)

або в розгорнутому вигляді

(4)

Вектор являє собою відхилення реального руху системи від заданого незбуреного в канонічному просторі координат.

Алгоритм керування об'єктом (4) відшукується як знакова функція від лінійної комбінації координат цього об'єкту:

(5)

Функція керування (5) завдає рух замкненої системи вздовж гіперповерхні ковзання, яку визначає рівняння

(6)

згідно з яким динаміка координати знаходиться у вигляді:



(7)

Виключивши з (4) останнє рівняння і підставивши в інші значення координати згідно з (7), отримаємо таку систему рівнянь:

яка описує ковзний рух динамічного об'єкту. Виключивши з отриманих виразів всі змінні окрім , дану систему рівнянь можна подати одним диференційним рівнянням ()-ого ступеню:

Наведеному вище диференційному рівнянню відповідає характеристичний поліном

(8)

Дорівнявши (2) та (8) отримаємо систему рівнянь, яка дозволяє знайти коефіцієнти зворотнього зв'язку синтезуємого регулятора

(9)

Використовуючи зворотні лінійні перетворення для векторів змінних в цілому

а також для окремих їх компонент

на основі (5) отримано ряд законів керування об'єктом (1) в різних координатних просторах.

Найпростішим для технічної реалізації замкнених контурів керування є алгоритм керування замкнений по повному вектору координат стану (алгоритм з жорсткими зворотніми зв'язками)

(10)

або в розгорнутому вигляді

(11)

де - вектор коефіцієнтів зворотніх зв'язків; - перший елемент першого рядка зворотньої перетворюючої матриці .

Основною проблемою в технічній реалізації слідкуючих систем керування з алгоритмом (11) є необхідність неодноразового диференціювання сигналу завдання. Але в цілому ряді випадків названа проблема може бути досить просто вирішена. Так наприклад, в системах програмного слідкуючого електроприводу, де сигнал завдання відомий завчасно і на теперішньому етапі технічного розвитку, як правило зберігається і обробляється цифровим керуючим рахуючим пристроєм, отримання з необхідною точністю сигналів передкомпенсації програми не викликає ускладнень. У ситуаціях коли диференціювання сигналу завдання важко здійснити алгоритм (11) може бути реалізований в спрощеному вигляді

(12)

В умовах коли припустиме одноразове диференціювання сигналів зворотніх зв'язків, може бути використаний алгоритм з гнучкими зворотніми зв'язками

(13)

який дозволяє отримати систему керування з астатизмом першого ступеню по збуреннях. Закон керування (13) передбачає використання задля отримання сигналів зворотніх зв'язків реальних диференцюючих елементів. При цьому в роботі запропонована методика пошуку коефіцієнтів гнучких зворотніх зв'язків, що дозволяє отримати спектр руху такий як в системі з ідеальними диференціаторами.

Введення у (12) інтегрального зв'язку від помилки регулювання призводить до алгоритму керування такого вигляду:

(14)

(15)

Застосування обмежень на вході та виході інтегрального каналу регулювання дозволяє забезпечити в астатичних системах керування високі коефіцієнти добротності та отримати при цьому перехідні процеси за завданням з невеликими перерегулюваннями, які не перебільшують значень сталої помилки аналогічних систем без інтегрального зв'язку. Параметри закона керування (14), (15) відшукуються таким чином:

- синтезується алгоритм керування без інтегральної складової. Бажаний характеристичний поліном при цьму обирається таким, аби перехідні процесси мали монотонний характер;

- в знайдений таким чином алгоритм керування вводится інтегральний зв'язок з обмеженнями на вхідний і вихідний сигнали. Коефіцієнт підсиленя інтегрального каналу обирається з умови забезпечення максимальної добротності замкненої системи по прискоренню при збережені стійкості останньої;

- обмеження на вході інтегратора завдається на рівні максимально можливого значення помилки керування в системі з відкинутим інтегральним каналом;

- обмеження на вихідний сигнал інтегратора встановлюється на рівні зведеного до входу релейного елемента значення .

Для визначення статичних і динамічних характеристик систем з релейними алгоритмами керування, їх чутливості до параметричних та координатних збурень розроблена методика побудування математичних моделей замкнених релейних систем керування. Суть даної методики полягає в такому. З урахуванням дестабілізуючих факторів об'єкт керування задається математичною моделлю, яка враховує координатні і параметричні збурення

(16)



де - вектор збурюючих сил, докладених до різних точок системи; - матриця динаміки та вектор коефіцієнтів керування, які є результатом параметричної варіації відповідних операндів ( и ) об'єкта керування (1).

З (16) в ході означеної в роботі послідовності процедур вектор змінних через вихідну змінну та вектор збурень визначається в вигляді

(17)

де , - матриці прямого та зворотнього канонічних перетворень об'єкта (16), - перший елемент першого рядка матриці , - матриця оператор вигляду

Підстановка виразу (17) в рівняння гіперповерхні ковзання відповідних алгоритмів керування дозволяє отримати передатні функції за завданням та вектором збурень замкнених систем керування.

Третій розділ присвячено структурно-алгоритмічному синтезу та дослідженню аналогових релейних систем слідкуючого електроприводу постійного струму, з бажаним спектром збуреного руху.

Динаміка силової частини слідкуючого електроприводу постійного струму з керованим джерелом напруги ланцюгу якоря описується системою лінійних диференційних рівнянь



(18)

де - відповідно кутове переміщення валу навантаження, швидкість валу електродвигуна, струм кола якоря та ЕРС; - коефіцієнт передачі редуктора; - відповідно опір якірного кола, потокозчеплення, електромеханічна та електромагнітна сталі часу системи електроприводу; - коефіцієнт та стала часу силового перетворювача; - керуючий вплив.

Для даного об'єкту керування в ході синтезу отримано ряд алгоритмів регуляторів положення слідкуючого релейного електроприводу. Так алгоритм керування з жорсткими зворотніми зв'язками має такий вигляд

(19)

Коефіцієнти алгоритму (19) виражаються через параметри об'єкта керування та коефіцієнти бажаного характеристичного поліному

(20)

таким чином



а передатна функція задатчика сигналів передкомпенсації має такий вигляд

В ситуаціях коли диференціювання задаючого сигналу важко виконати може формулюватися у спрощеному вигляді або прийматися рівною нулю. Структурну схему регулятора з алгоритмом керування (19) наведено на рис. 1.

Алгоритм керування з жорсткими зворотніми зв'язками за кутовим переміщенням та швидкістю, а також гнучкими зворотніми зв'язками за швидкістю та струмом якірного кола електродвигуна має вигляд:

(21)

де

Даний алгоритм керування враховує вплив на динаміку системи неідеального диференціювання сигналів гнучких зворотніх зв'язків і дозволяє отримати заданий спектр збуреного руху незалежно від цієї неідеальності. Структурна схема регулятора з алгоритмом керування (21) наведена на рис. 2.

З метою підвищення ступеня астатизму та точності слідкування у алгоритм керування (20) була введена нелінійна інтегральна складова. В результаті чого був отриманий такий алгоритм



(22)

де

(23)

в якому значення рівнів обмежень на вході та виході інтегрального каналу регулювання через максимальну швидкість змінення сигналу завдання та максимальний струм навантаження встановлюється виразами

Структурна схема регулятора з алгоритмом керування (22), (23) наведена на рис. 3.

Введення інтегральної складової у закон керування (21) дає таку функцію керування

(24)

де сигнал як і раніш відповідає системі (23), але для інших рівнів обмежень вхідного та вихідного сигналів інтегратора

- максимальна швидкість змінення навантаження.

Структурна схема регулятора з алгоритмом керування (24), (23) наведена на рис. 4.

З використанням запропонованої методики синтезу отримані також вирази законів керування релейних регуляторів струму, які включаються підпорядковано наведеним вище регуляторам положення для обмеження динамічних та статичних перевантажень привода.

Результатами математичного чисельного моделювання підтверджена висока ефективність синтезованих слідкуючих систем, їх низька чутливість до параметричних та координатних збурень. Показано, що при змінах параметрів об'єкта керування, що навіть значно перевищують можливі на практиці, синтезовані релейні регулятори здатні забезпечити стійкість та високі показники якості процесів в електроприводі. Результати моделювання також підтвердили ефективність застосування нелінійної корекції в алгоритмах керування з інтегральними зв'язками та значне зниження часу регулювання і значень перерегулювання завдяки введеню такої корекції (див. рис. 5).

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячено структурно-алгоритмічному синтезу та дослідженю властивостей релейних цифрових електромеханічних систем. Внаслідок детального аналізу реальних ковзних режимів показано, що мікропроцесорна релейна система керування еквівалентна аналогічній аналоговій системі керування з релейним керуючим пристроєм, який має змінну транспортну затримку із значенням в межах від одного до двох періодів квантування цифрового керуючого пристрою. Це призводить до зниження частоти реального ковзного режиму та розширенню прикордонного шару навколо ідеальної гіперповерхні ковзання. Проведений аналітичний огляд основних методів синтезу систем керування об'єктами із часовими затримками виявив можливість дворазового зменшення транспортної затримки цифрового каналу керування шляхом алгоритмічної компенсації, яка може бути здійснена за рахунок введення в закон керування елементів прогнозування ситуації переткнення зображуючою точкою гіперповерхні ковзання в поточному такті квантування.

У загальному вигляді синтез цифрового релейного регулятора електромеханічної системи дозвільного порядку виглядає так. Математична модель об'єкта керування підпорядковується лінійному векторному рівнянню, яке описує збурений рух у каноничному фазовому просторі

(25)

де - затримка каналу керування.

Вводимо у розгляд вектор упереджених координат та перетворюємо систему (25) в деяку еквівалентну систему, яка не має запізнених аргументів

(26)

Алгоритм керування записується у вигляді

(27)

Щоб замкнути керування через цифровий регулятор виражаємо вектор упереджених координат через поточні координати системи. Позначивши через відповідно початковий та кінцевий моменти проміжку квантування та роздивляючись як відгук системи в час на вхід та початкові умови запишемо

(28)

де

(29)

- матриці, які можуть бути розраховані завчасно (до початку процесу керування) поза цифровим керуючим пристроєм. Підстановка (28) в (27) дає алгоритм керування такого вигляду:

. (30)

Розповсюджуючи опис функції керування (30) на всі проміжки квантування та переходячи до дискретного показу осі часу , одержуємо алгоритм керування такого вигляду:

(31)

Для того, щоб виділити різницю у моментах часу квантування мікропроцесорного пристрою керування за входом та виходом, моменти вибірки сигналів зворотніх зв'язків умовно віднесені до попередніх періодів квантування. Це можливо завдяки збігу кінцевого моменту -го проміжка квантування з початковим моментом -го проміжка.

З використанням наведеної вище методики для мікропроцесорних релейних регуляторів положення синтезовані:

- алгоритми керування з жорсткими зворотніми зв'язками



- алгоритм керування з гнучким зворотнім звязком за швидкістю приводу

- алгоритми керування з нелінійними інтегральними складовими

У четвертому розділі роботи також дається опис лабораторного макету релейної системи прямого цифрового керування слідкуючим електроприводом постійного струму й наведені результати досліджень на ньому.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ з ДИСЕРТАЦІІ

В дисертаційній роботі надано рішення актуальної наукової задачі, що полягає у створенні ефективних систем оптимального керування слідкуючим електроприводом з низькою чутливістю до параметричних та координатних збурень. Результати теоретичних та експериментальних досліджень, виконаних у дисертаційній роботі, дозволяють сформулювати такі основні положення та висновки.

1. Встановлений незаперечний зв'язок коефіцієнтів алгоритму керування, який є знаковою функцією лінійної комбінації координат об'єкту керування, з коефіцієнтами характеристичного поліному замкненої САК дозволив розробити і обгрунтувати нові методи структурно-алгоритмічного синтезу релейних систем керування з низькою чутливістю до координатних та параметричних збурень.

2. Розроблені методи синтезу дозволяють отримати алгоритми релейного керування, подані в різних фазових просторах координат, та, відповідно, побудувати структури замкнених систем керування, що мають різні показники точності керування, чутливість до параметричних та координатних збурень, а також відрізняються складністю технічної реалізації.

3. При побудуванні систем керування з гнучкими зворотніми зв'язками запропонована методика дозволяє врахувати вплив неідеального диференціювання сигналів та відповідно зкорегувати синтезуємі алгоритми керування.

4. Показано, що застосування нелінійної корекції у вигляді обмеження вхідного та вихідного сигналів інтегратора в релейних системах з інтегральним каналом регулювання дозволяє забезпечити високу добротність синтезованої системи при малих значеннях перерегулювання в перехідних процессах.

5. Розроблена методика та побудовані математичні моделі замкнених релейних систем керування.

6. Одержані алгоритми керування для регуляторів положення та струму релейного слідкуючого електроприводу постійного струму.

7. Результати експериментальних досліджень демонструють низьку чутливість синтезованих систем релейного слідкуючого електроприводу до параметричних та координатних збурень.

8. Розроблено метод синтезу цифрових модальних релейних систем керування з прогнозуванням ситуації перетину гіперповерхні ковзання в поточному такті квантування. Отримані алгоритми керування регуляторів положення цифрових релейних мікропроцесорних систем слідкуючого електроприводу постійного струму.

9. Наведено приклад практичної реалізації релейної мікропроцесорної системи керування слідкуючим електроприводом постійного струму з низькою чутливістю до параметричних та координатних збурень.



ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІІ

1. Зеленов А.Б., Яблонь В.П. Аналитическое конструирование релейных регуляторов систем электропривода с нелинейной интегральной связью. // Электромашиностроение и электрооборудование. Республиканский межведомственный научно-технический сборник. Выпуск 48. Київ: «Техніка», 1995. С. 6-10.

2. Яблонь В.П. Микроконтроллер для релейной системи прямого цифрового управления электроприводом. // Республіканський міжвідомчий науково-технічний збірнік. Випуск 50. Київ: «Техніка», 1998. С. 36-41.

3. Зеленов А.Б., Рябенко Л.И., Яблонь В.П. Микропроцессорная система управления шаговым электроприводом. // Электромашиностроение и электрооборудование. Республиканский межведомственный научно-технический сборник. Выпуск 47. Київ: «Техніка», 1995. С. 3-6.

4. Зеленов А.Б., Яблонь В.П., Рябенко Л.И. Цифро-аналоговая система управления позиционным электроприводом. // Тезисы докладов всесоюзной научно-технической конференции. Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах и системах электроснабжения промышленности и транспорта. Днепропетровск: 1990. С. 302-303.

5. Зеленов А.Б., Яблонь В.П. Синтез релейных астатических электромеханических систем управления с высокими динамическими показателями. // Електромеханіка. Теорія і практика. Наукове видання. Праці конференції з міжнародною участю. Львів-Славськ, 25-28 вересня 1996р. Львів: Видавництво Державного університету «Львівська політехніка», 1996. С. 87-90.

6. Яблонь В.П. Использование теории ОЗД для синтеза электромеханических систем с нелинейной интегральной связью. // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Труды конференции с международным участием. Крым, Алушта, 16-21 сентября 1996. Харьков: Основа, 1996. С. 137-139.

7. Яблонь В.П. Синтез цифровых релейных электромеханических систем с компенсацией вычислительного запаздывания регулятора. // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Труды научно-технической конференции. Крым, Алушта, 15-20 сентября 1997. Харьков: Основа, 1997. С. 159-161.

У статтях [1,5] дисертантом запропоновано використання нелінійного інтегрального зв'язку для поліпшення динамічних характеристик системи, розроблені методи синтезу таких систем з використанням основних положень аналітичного конструювання регуляторів; в [4] здійснено синтез цифрових релейних регуляторів положення, запропоновані схемні рішення по їх реалізації, проведені лабораторні дослідження; в [3] розроблено апаратне та програмне забезпечення мікропроцесорного контролера системи прямого цифрового керування електроприводом.



АНОТАЦІЯ

автоматизований електропривід керування алгоритм

Яблонь В.П. Синтез релейних систем слідкуючого електроприводу підвищеної точності з низькою чутливістю до параметричних та координатних збурень. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси і системи. - Донецький державний технічний університет, Донецьк, 1999.

Захищаються оригінальні методи синтезу релейних слідкуючих систем керування, що базуються на встановленому в роботі незаперечному зв'язку коефіцієнтів релейної функції керування з коефіцієнтами характеристичного поліному замкненої системи. Розглянуті властивості алгоритмів керування, що синтезовані в різних координатних фазових просторах та наведені структурні схеми систем керування, засновані на цих алгоритмах. Розроблена методика побудови математичних моделей таких систем, що дозволяє аналізувати їх основні властивості та вплив на них координатних та параметричних збурень. Синтезовані регулятори для аналогових та цифрових систем релейного слідкуючого приводу з низькою чутливістю до координатних та параметричних збурень і заданим спектром збуреного руху. Ефективність побудованих систем проілюстрована результатами математичного моделювання і лабораторно-стендових випробувань.

Ключові слова: модальне керування, необмежений коефіцієнт підсилення, стійкість до параметричних та координатних збурень, інваріантність, релейні системи керування, слідкуючий електропривід, мікропроцесорний контролер.



АННОТАЦИЯ

Яблонь В.П. Синтез релейных систем следящего электропривода повышенной точности с низкой чувствительностью к параметрическим и координатным возмущениям. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Донецкий государственный технический университет, Донецк, 1999.

Защищаются оригинальные методы синтеза релейных следящих систем управления, которые базируются на установленной однозначной связи коэффициентов релейной функции управления с коэффициентами характеристического полинома замкнутой системы. Разработанные методы синтеза позволяют получать алгоритмы релейного управления, представленные в различных фазовых пространствах координат и обладающие соответственно различными точностными показателями, степенью чувствительности замкнутых систем к параметрическим и координатным возмущениям, а также сложностью технической реализации.

При построении алгоритмов управления с гибкими обратными связями предлагаемая методика синтеза позволяет учесть изменения вносимые реальным дифференцированием сигналов и скорректировать управление таким образом, чтобы динамические и статические свойства замкнутой системы оставались такими же как в случае применения идеальных дифференцирующих связей. Показано, что применение нелинейной коррекции в виде ограничения входного и выходного сигналов интегратора в релейных системах с интегральным каналом регулирования позволяет обеспечить высокую добротность синтезированной системы при малых значениях перерегулирования в переходном процессе по управлению. Представлена методика расчета уровней ограничений входа и выхода интегратора.

Разработана методика и построены математические модели релейных систем управления произвольного порядка, позволяющие анализировать динамические и статические характеристики, чувствительность к параметрическим и координатным возмущениям этих систем.

Синтезированы регуляторы для систем релейного следящего электропривода с низкой чувствительностью к координатным и параметрическим возмущениям и заданным спектром возмущенного движения. В ходе аналитических и экспериментальных исследований установлено, что:

- релейный регулятор положения, замкнутый жесткими обратными связями по координатам электропривода (положению вала нагрузки, скорости и току электрической машины, ЭДС преобразователя), обеспечивает замкнутой системе следящего электропривода астатизм первого порядка по задающему воздействию и является статическим в отношении нагружающего воздействия;

- применение релейного регулятора положения с жесткими обратными связями по положению и скорости, а также гибкими обратными связями по скорости и току электропривода позволяет обеспечить системе электропривода астатизм первого порядка как по задающему, так и по нагружающему воздействиям;

- регуляторы положения с нелинейными интегральными связями от ошибки регулирования обеспечивают вторую степень астатизма замкнутых систем следящего электропривода по задающему воздействию при высокой добротности по ускорению и малых значениях перерегулирования в переходных процессах позиционирования.

Установлено, что цифровая микропроцессорная релейная система управления эквивалентна аналогичной аналоговой системе с релейным управляющим устройством, имеющим переменное транспортное запаздывание, находящееся в пределах от одного до двух периодов квантования цифровой системы. Это приводит к снижению частоты реального скользящего режима и расширению пограничного слоя вокруг идеальной гиперповерхности скольжения. Выявлена возможность двукратного уменьшения транспортного запаздывания цифрового канала управления путем алгоритмической компенсации, которая может быть осуществлена за счет введения в закон управления элементов прогнозирования ситуации пересечения изображающей точкой гиперповерхности скольжения в текущем такте квантования.

Разработан метод синтеза цифровых модальных релейных систем управления с прогнозированием ситуации пересечения гиперповерхности скольжения в текущем промежутке квантования и компенсацией транспортного запаздывания канала управления. Получены алгоритмы управления регуляторов положения цифровых микропроцессорных систем релейного следящего электропривода постоянного тока.

Приведен пример практической реализации релейной микропроцессорной системы управления следящим электроприводом постоянного тока, обеспечивающей высокую точность воспроизведения заданных траекторий движения при низкой чувствительности к координатным и параметрическим возмущениям.

Ключевые слова: модальное управление, неограниченный коэффициент усиления, устойчивость к параметрическим и координатным возмущениям, инвариантность, релейные системы управления, следящий электропривод, микропроцессорный контроллер.



ANNOTATION

Yablon V.P. Synthesis of relay systems of electrodrive of high precision with low sensitivity to parameter and coordinate disturbances. - Manuscript.

Dissertation for competition for academic rank of candidate of technical sciences by speciality 05.09.03 - electrotechnical complexes and systems. - Donetsk State Techical University, Donetsk, 1999.

There is defence of original methods of synthesis of relay control systems, which are based on the simple connection of relay control function coefficients with coefficients of characteristic polynom of closed system. There is consideration of properties of control algorithms, which are synthesized in different coordinate phase spaces and there are structural schemes of control systems on the base of these algorithms. The method of construction of these systems' mathematical models, which allows to analyse their main properties and the influence on them of coordinate and parameter disturbances, is worked out. The regulators for analog and digital systems of relay electrodrive with low sensitivity to coordinate and parameter disturbances and given spectrum of disturbance movement are synthesized.

The efficiency of the constructed systems are illustrated by the results of mathematical modelling and laboratory trials.

Key words: modal control, unlimited coefficient of amplification, resistance to parameter and coordinate disturbances, invariance, relay control systems, electrodrive, microprocessor controller.

Размещено на Allbest.ru

...