САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 1996 года по МПК G05B13/02 

Изобретение относится к системам автоматического управления электроприводами и может быть использовано при управлении различными объектами с различными инерционными характеристиками в различных температурных условиях.

Известен самонастраивающийся электропривод, содержащий датчик скорости, последовательно соединенные первое дифференцирующее звено, первый умножитель, первый сумматор, первый усилитель, электродвигатель с редуктором, датчик тока, второй сумматор, интегратор и делитель, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости, механически соединенного с выходным валом редуктора, который соединен также с объектом управления и датчиком положения, выход которого подключен к отрицательному входу измерителя рассогласования, выход делителя соединен с вторым входом первого умножителя, а второй и третий отрицательные входы второго сумматора подключены соответственно к выходам второго усилителя и нелинейного элемента, входы которых подключены к выходу датчика скорости, кроме того, апериодическое звено второго порядка, последовательно соединенные второе дифференцирующее звено, апериодическое звено и второй умножитель, третье дифференцирующее звено, выход которого соединен с входом первого дифференцирующего звена, выход апериодического звена второго порядка соединен с вторым входом первого сумматора, второй вход второго умножителя подключен к выходу делителя, третий вход первого сумматора соединен с выходом второго умножителя, а входы апериодического звена второго порядка, второго и третьего дифференцирующих звеньев подключены к выходу измерителя рассогласования [1]
Недостатком этого устройства является то, что в нем появляются большие ошибки при скоростях вращения привода, близких к нулю.

Известен также самонастраивающийся электропривод, содержащий измеритель рассогласования, усилитель, нелинейный элемент, сумматор, интегратор, делитель и регулятор, сигнальный выход которого соединен с входом объекта управления, с которым связаны датчик тока, датчик скорости и датчик положения, являющиеся выходами объекта управления, причем выход датчика положения подключен к первому входу измерителя рассогласования, второй вход которого соединен с входом системы, а выход измерителя рассогласования подключен к сигнальному входу регулятора, выход датчика тока подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом усилителя, подключенного входом к выходу датчика скорости и к входу нелинейного элемента, выход которого соединен с третьим входом сумматора, подключенного выходом к входу интегратора, кроме того, электропривод содержит первый и второй выпрямители, релейный элемент, элемент выборки-хранения, сигнальный вход которого соединен с выходом делителя, первый вход которого соединен с выходом первого выпрямителя, подключенного входом к выходу интегратора, выход датчика скорости соединен с входом второго выпрямителя, подключенного выходом к второму входу блока деления, управляющий вход регулятора соединен с выходом элемента выборки-хранения, управляющий вход которого соединен с выходом релейного элемента, подключенного входом к выходу датчика скорости [2]
Указанное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к изобретению.

Недостатком этого устройства является то, что в нем ухудшается точность работы, если величина активного сопротивления якорной обмотки двигателя меняется в широких пределах. Это имеет место, если температура окружающей среды меняется в больших пределах. Указанные (большие) изменения температуры возможны, например, в космическом пространстве, где температура может меняться на несколько сотен градусов.

В результате возникает задача построения такой самонастраивающейся системы, которая обеспечила бы высокую динамическую точность работы рассматриваемого электропривода и с учетом значительного изменения активного сопротивления якорной обмотки электродвигателя.

Цель изобретения формирование дополнительного сигнала управления, подаваемого на вход привода, который обеспечивает инвариантность качественных показателей и динамических свойств рассматриваемого привода к изменениям величины активного сопротивления якорной обмотки электродвигателя.

Это достигается тем, что в самонастраивающийся электропривод, содержащий последовательно соединенные измеритель рассогласования, регулятор, усилитель, электродвигатель с редуктором, выходной вал которого соединен с датчиком скорости и датчиком положения, выход которого подключен к первому входу измерителя рассогласования, второй вход которого соединен с входом устройства, последовательно соединенные первый релейный элемент, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости и входом первого релейного элемента, а его третий вход с выходом датчика тока якорной обмотки электродвигателя, первый интегратор, первый выпрямитель, блок деления, второй вход которого через второй выпрямитель подключен к выходу датчика скорости, элемент выборки-хранения, второй вход которого через второй релейный элемент соединен с выходом датчика скорости, а его выход с вторым входом регулятора, дополнительно введены последовательно соединенные второй и третий сумматоры, второй интегратор, четвертый сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика тока, первый блок умножения, третий интегратор и второй блок умножения, второй вход которого подключен к второму входу регулятора, а его выход к третьему входу этого регулятора, последовательно соединенные третий блок умножения, первый вход которого соединен с выходом второго сумматора, а его второй вход с вторым входом первого блока умножения и через функциональный преобразователь с выходом первого интегратора, пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу источника постоянного напряжения, и четвертый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, а его выход с вторым входом третьего сумматора, третий вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом второго интегратора, а вторым входом с выходом третьего интегратора, причем первый и второй входы второго сумматора подключены соответственно к выходам датчика скорости и усилителя.

На чертеже схематически изображен самонастраивающийся электропривод.

Он содержит последовательно соединенные измеритель рассогласования 1, регулятор 2, усилитель 3, электродвигатель 4 с редуктором, выходной вал которого соединен с датчиком 5 скорости и датчиком 6 положения, выход которого подключен к первому входу измерителя рассогласования 1, второй вход которого соединен с входом устройства, последовательно соединенные первый релейный элемент 7, первый сумматор 8, второй вход которого соединен с выходом датчика 5 скорости и входом первого релейного элемента 7, а его третий вход с выходом датчика 9 тока якорной обмотки электродвигателя 4, первый интегратор 10, первый выпрямитель 11, блок деления 12, второй вход которого через второй выпрямитель 13 подключен к выходу датчика 5 скорости, элемент 14 выборки-хранения, второй вход которого через второй релейный элемент 15 соединен с выходом датчика 5 скорости, а его выход с вторым входом регулятора 2, последовательно соединенные второй 16 и третий 17 сумматоры, второй интегратор 18, четвертый сумматор 19, второй вход которого подключен к выходу датчика 9 тока, первый блок 20 умножения, третий интегратор 21 и второй блок 22 умножения, второй вход которого подключен к второму входу регулятора 2, а его выход к третьему входу этого регулятора, последовательно соединенные третий блок 23 умножения, первый вход которого соединен с выходом второго сумматора 16, а его второй вход с вторым входом первого блока 20 умножения и через функциональный преобразователь 24 с выходом первого интегратора 18, пятый сумматор 25, второй вход которого подключен к выходу источника 26 постоянного напряжения и четвертый блок 27 умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора 19, а его выход с вторым входом третьего сумматора 17, третий вход которого подключен к выходу пятого блока 28 умножения, соединенного первым входом с выходом второго интегратора 18, а вторым входом с выходом третьего интегратора 21, причем первый и второй входы второго сумматора 16 подключены соответственно к выходам датчика 5 скорости и усилителя 3. Регулятор содержит апериодическое звено 29 второго порядка, первое дифференцирующее звено 30, апериодическое звено 31 первого порядка, второе 33 и третье 34 дифференцирующие звенья, шестой 32 и седьмой 35 блоки умножения. Объект управления 36 соединен с выходным валом редуктора.

Кроме того, на чертеже введены следующие обозначения:
α_вх- сигнал задающего воздействия;
δ- рассогласование электропривода;
α и соответственно угол и скорость вращения вала редуктора;
i выходной сигнал датчика тока;
U сигнал управления двигателем;
U* усиливаемый сигнал.

Самонастраивающийся электропривод работает следующим образом.

Сигнал δ ошибки с измерителя 1 рассогласования после коррекции в регуляторе 2 через усилитель 3 поступает на электродвигатель 4, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающего сигнала U. Электропривод при работе с различными объектами обладает переменным моментом инерции I, который может меняться в широких пределах. При изменении температуры окружающей среды в широких пределах может меняться величина активного сопротивления цепи якоря электродвигателя R. Это снижает качественные показатели электропривода и часто приводит к неустойчивости его работы.

Выходной сигнал нелинейного элемента 7 определяется выражением (Msign)K_эм)/K_эм, где М_ст величина момента сухого трения.

Первый отрицательный (со стороны релейного элемента 7) и третий (со стороны датчика 9) положительный входы сумматора 8 имеют единичные коэффициенты усиления, а его второй отрицательный вход коэффициент усиления К_в/К_эм, интегратор 10 описывается передаточной функцией W₁₀(P) K_эм/Р и на его выходе получим сигнал равный
K_эм (i-(Msign)/K_эм-K/K_эм)dt где t₀ и t₁ соответственно время начала и конца одного конкретного рабочего цикла;
К_эм, К_в соответственно коэффициенты электромагнитный и вязкого трения.

Момент М_дв, развиваемый двигателем (при отсутствии на выходном валу внешнего и шарнирного моментов), определяется выражением
M_дв= iK_эм= I(t)+Msign(t)+K(t)
(1) где I суммарный момент инерции всех вращающихся частей привода, приведенных к валу редуктора.

Из выражения (1) легко получить
I Ki- sign- (2)
После интегрирования левой и правой частей уравнения (2) будем иметь
I K_эмi- sign- dt (3)
Из выражения (3) видно, что его правая часть точно совпадает с сигналом, получаемым на выходе интегратора 10.

Для того, чтобы блок 12 деления работал качественно и не терял работоспособности, необходимо обеспечить постоянные знаки его входных сигналов. С этой целью в его входных каналах включены соответственно первый 11 и второй 13 выпрямители. При этом для сохранения работоспособности блока деления 12 (с целью недопущения деления на малый сигнал) второй выпрямитель 13 выполнен таким образом, что при уменьшении его входного сигнала ниже установленного уровня Δ выходной сигнал имеет постоянную минимально допустимую величину.

Блок деления 12 вычисляет значение момента инерции на основе соотношения
J (4)
При уменьшении скорости движения ниже некоторого допустимого значения Δ релейный элемент 15 переводит элемент 14 выборки-хранения в режим запоминания. На выходе элемента 14 сохраняется то значение момента инерции, которое было измерено в момент отключения релейного элемента 15. При увеличении скорости движения в некоторый момент (определяется значением Δ) вновь срабатывает релейный элемент 15, элемент 15 выборки-хранения переводится в режим слежения и опять воспроизводит текущее значение момента инерции, которое имел объект управления перед остановкой двигателя, что обеспечивает устойчивое состояние системы. В течение времени отключения сигнала в моменте инерции (скорость движения меньше Δ ) может произойти изменение истинного (текущего) значения момента инерции на некоторую величину. Это может привести к снижению качества работы привода. Однако величина Δ является достаточно малой, т.е. рабочие скорости находятся далеко за указанным пределом, а уменьшение до величины Δ возможно только перед остановкой и реверсом привода. В случае резкого изменения момента инерции в режиме остановки электропривода, приводящего даже к нарушению в начале движения устойчивости, по истечении некоторого малого промежутка времени работоспособность и качественные показатели работы привода полностью восстанавливаются.

Первый (отрицательный) и второй (положительный) входы сумматора 16 имеют соответственно коэффициент усиления К_эм и единичный коэффициент усиления. В результате на его выходе формируется сигнал, равныйU-K.

Обозначим через Х₁ и Х₂ оценки тока i и сопротивления R.

На выходе интегратора 18 формируется сигнал Х₁.

Функциональный преобразователь 24 реализует функцию
если где К максимально допустимый выходной сигнал функционального преобразователя 24.

Источник 26 постоянного напряжения формирует положительный сигнал δ₂. Второй отрицательный вход сумматора 25 имеет единичный коэффициент усиления, а его первый положительный вход коэффициент усиления 1/L (L индуктивность якорной цепи).

В результате на выходе сумматора 25 формируется сигнал
(U-K)-δ₂
Первый (положительный) и второй (отрицательный) входы сумматора 19 имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе блока 27 умножения будет формироваться сигнал, равный
(U-K)-δ₂(x₁-i)
Первый (со стороны сумматора 16) положительный и третий (со стороны блока 28) отрицательный входы сумматора 17 имеют коэффициент усиления 1/L, а его второй положительный вход единичный коэффициент усиления. В результате на входе интегратора 18 с передаточной функцией W₁₈(P) формируется сигнал
= (U-K-X₁-X₂)/L+(U-K)(X₁-i)/(LX₁)-δ₂(X₁-i)
а на входе интегратора 21, имеющего передаточную функцию W₂₁(P) сигнал (X₁-i)/X₁.

В результате на выходе интегратора 18 формируется сигнал, равный оценке тока X₁ i^o, а на выходе интегратора 21 сигнал, равный оценке активного сопротивления якорной обмотки электродвигателя Х₂ R^o, что и является искомой переменной величиной.

Следует отметить, что положительные величины δ₁ и δ₂ выбираются так, чтобы решение характеристического уравнения Х² + δ₂λ+δ₁=0 имело отрицательные действительные корни. Именно эти корни и будут определять быстроту и качество оценки Х₂ R^o. Величины δ₁ и δ₂ назначает проектировщик, исходя из параметров системы.

Передаточная функция апериодического звена 29 второго порядка имеет вид
W₂₉(P) 1/[(T₁P+1)(T₂P+1)] где Т₁ и Т₂ некоторые достаточно малые постоянные времени, определяемые конкретными свойствами электропривода.

Передаточная функция второго 33 и третьего 34 дифференцирующих звеньев имеет вид
W₁(P) P/(T₁P+1); W₂₀(P) P/(T₂P+1)
Передаточная функция первого дифференцирующего звена 30 имеет вид W₃₀(P) P/(T₁P+1)
Передаточная функция апериодического звена 31 имеет вид
W₃₁(P) /(T₂P+1)
Учитывая, что на выходе блока 12 деления формируется сигнал, равный величине I, передаточную функцию корректирующего устройства, расположенного между измерителем 1 рассогласования и усилителем 3, можно представить в виде
W_k(P) (5)
Поскольку электродвигатель 4 с редуктором точно описывается передаточной функцией
W₄(P) (6) где К_д 1/К_эм, i_p передаточное отношение редуктора, то для реализации поставленной задачи в прямую цепь привода необходимо ввести именно последовательное корректирующее устройство (5). В этом случае передаточная функция прямой цепи электропривода имеет вид
W(P) (7) где К_у коэффициент усиления усилителя 3.

Из выражения (7) видно, что параметры передаточной функции W(P) являются постоянными, не зависящими от переменных параметров момента инерции нагрузки и активного сопротивления якорной цепи двигателя. Так как величины I и R в выражении (6) являются переменными, то необходимо каждый раз подстраивать параметры I и R в выражении W_к(P) под соответствующие текущие значения. Это и делается в корректирующем устройстве с помощью умножителей 32 и 35.

Изобретение относится к системам автоматического управления и предназначено для управления электроприводами с переменными нагрузочными характеристиками и переменным активным сопротивлением обмотки якоря. Изобретение позволяет улучшить точность и качество процесса управления, когда значительно изменяются инерционность объекта управления и активное сопротивление якорной обмотки электродвигателя. Эффект достигается за счет того, что дополнительно вводятся самонастраивающиеся контуры, обеспечивающие подстройку параметров регулятора при изменении параметров момента инерции нагрузки и активного сопротивления якорной цепи электродвигателя. 1 ил.

Самонастраивающийся электропривод, содержащий последовательно соединенные измеритель рассогласования, регулятор, усилитель, электродвигатель с редуктором, выходной вал которого соединен с датчиком скорости и датчиком положения, выход которого подключен к первому входу измерителя рассогласования, второй вход которого соединен с входом электропривода, последовательно соединенные первый релейный элемент, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости и входом первого релейного элемента, а его третий вход с выходом датчика тока якорной обмотки электродвигателя, первый интегратор, первый выпрямитель, блок деления, второй вход которого через второй выпрямитель подключен к выходу датчика скорости, элемент выборки-хранения, второй вход которого через второй релейный элемент соединен с выходом датчика скорости, а его выход с вторым входом регулятора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные второй и третий сумматоры, второй интегратор, четвертый сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика тока, первый блок умножения, третий интегратор и второй блок умножения, второй вход которого подключен к второму входу регулятора, а его выход к третьему входу этого регулятора, последовательно соединенные третий блок умножения, первый вход которого соединен с выходом второго сумматора, а его второй вход с вторым входом первого блока умножения и через функциональный преобразователь с выходом второго интегратора, пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу источника постоянного напряжения, и четвертый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, а его выход с вторым входом третьего сумматора, третий вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом второго интегратора, а вторым входом с выходом третьего интегратора, причем первый и второй входы второго сумматора подключены соответственно к выходам датчика скорости и усилителя.