Устройство для управления электромагнитным исполнительным органом Советский патент 1989 года по МПК H01F7/18 

4i

сл ч

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при управлении различными исполнительными механизмами на базе электромагнитного исполнительного органа пропорционального действия, когда требуется отработка управляющих воздействий с высокой точностью. Целью изобретения является повьшение качества управления электромагнитным исполнительным органом путем линеаризации его регулировочных характеристик. При управлении исполнительным органом 1 с обмоткой 2 используются сигналы, вырабатываемые датчиком 4 тока, датчиком 5 положения. Задающий сигнал 15 подается на вход линейного регулирующего блока 7. На вход сумма тора 12 подается сигнал производной нагрузочного момента электромагнитно го исполнительного органа. 2 ил. с (Л

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при управлении различными исполнительными механизмами на базе электромагнит- кого исполнительного органа (ЭИО) пропорционального действия, когда требуется отработка управляющих воздействий с высокой точностью.

Целью изобретения является повьшение качества управления электромагнитным исполнительным органом путем линеаризации его регулировочных характеристик.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для управления ЭИО; на фиг. 2 - упрощенная конструктивная схема ЭИО.

Устройство управления ЭИО .(Фиг. I) содержит электромагнитный исполни- тельный орган 1 , включакяций обмотку 2 управления, усилитель 3, выход которого через датчик 4 тока соединен с обмоткой 2 управления, датчик 5 положения, связанный с подвижной частью ЭИО, дифференциатор 6, вход которого соединен с выходом датчика 5 положения, линейньй регулирующий блок 7,.первый вход которого соединен с выходом дифференциатора 6. ли- неаризирующий регулятор 8, включающий первый 9 и второй 10 блоки умножения, первый 11 и второй 12 блоки суммирования, блок 53 нелинейности, блок 14 деления. Причем выход диффе- ренциатора. 6 соединен также с первым входом первого блока 9 умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика 4 тока, а выход - с . первым входом блока 11 суммирования. Выход датчика 4 тока соединен также с входом блока 13 нелинейности, пер- вым входом блока 14 деления и вторым входом блока 11 суммирования, а выход датчика 5 положения связан также с вторым входом линейного регулирующего блока 7 и первым входом второго блока 10 умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока 12 суммирования, а выход - с вхо- дом блока 14 деления. Третий вход линейного регулируннцего устройства 7 соединен с выходом блока 13 нелинейности, на четвертый вход подается задающий сигнал 15. Выход линейного регулируклцего блока 7 связан с первым входом второго блока 12 суммирования на второй вход которого подается сигнал 16 производной нагрузочного

момента электромагнитного исполнительного органа. Выход блока 14 деления связан с третьим входом первого блока 11 суммирования, выход которого соединен с входом усилителя 3.

Рассмотрим работу системы управления при отработке задающего сигнала..

JB исходном состоянии подвижная часть ЭИО 1 занимает некоторое на-, чальное положение (/ , ток в обмотке 2 управления, скорость и ускоре ние подвижной части равны 0.

При рассмотрении электромагнитного исполнительного органа как элемента системы автоматического управлени в нем могут быть вьщелены две подсистемы: электромагнитная и механическая, функциональное содержание которых составляют процессы преобразования электромагнитной энергии в механическую.

Уравнение движения механической части ЭИО имеет вид

+ -Vdq /dt - М„ - М„ О,

где Хц - момент инерции подвижной

. части ЭИО;

Lf - угол поворота (перемещение) подвижной части ЭИО, равный углу между осями подвижной и неподвижной полюсных систем ЭИО и отсчитываемый от их несогласованного положения (фиг.2);

) - коэффициент вязкого трения; Мц - момент, развиваемый исполнительным органом; М - момент нагрузки. Момент, развиваемый ЭИО поворотного типа, или усилие ЭИО поступательного действия определяют в соответствии с уравнением Максвелла

My dWj/di/,

где Wj - электромагнитная энергия.

Взаимосвязь между основными параметрами, определяющими величину электромагнитной энергии для линейной магнитной цепи, может быть установлена с помощью уравнений

Wj 4 F/2;

ф BS с IWG з;

F BSc/Gj IW;

Сэ HeSc/.(О

где Ф, В - магнитньй поток и индукция;

Gj - магнитная проводимость за- ; зора;

Sj, сГ - площадь и величина рабочего зазора;, I, W - ток и число витков обмотки управления; |Uo- магнитная постоянная. Определяя геометрические парамет- ры из упрощенной схемы ЭИО (фиг.2), выражения для электромагнитной энергии и момента, развиваемого исполнительным органом, составят

УЭ - B aDc V/4|Uo;(2)

My f/o HoaDI w .

20

25

Таким о.бразом, момент, развивае- мый ЭИО, пропорционален квадрату тока обмотки управления,что не учитывается в известной системе управления.

Уравнение, описывающее электромагнитную систему ЭИО, может быть представлено в следующем виде:

и IR-, + dv/dt,(3)

где и,1 и RY - напряжение, ток и сопротивление обмотки управления ЭИО; у - потокосцепление, опре- 30 линейную

деляемое выражениемdy/dt uj

V ф- V7, . или, учитывая уравнения (1), получим

4 IwVoaDl / Ky,,

где Кц, W aD/cf.

Тогда уравнение (3) примет вид

и Kv /dl/dt + K IdM /dt + IRy, отсюда

dl/dt (U - K dif/dt - 1К,,)/Кц,.

Учитывая также, что исходят из уравнения (2),

2K Idl/dt,

Однако пр ния в виде

и (Uj, + + Kyld4/dt

где KC 1Кц;

К Rj

нелинейная с

уравнений (4

dw/dt а dd/dt и

- IRi)/K

dM«/dt получим

dMy/dt (U -

Учитывая приведенные соотношения, ЭИО описывается нелинейной системой дифференциальных уравнений

dif/dt ы;(4)

dW/dt 0 ;

do(/dt (U - - - Ш,,)/1Кц,у- dM /dt/I - Vfl(/I,

где fl( (Ы w( - M H - b)) /I - ускорение

OK Определени равляющего си системе коорд добно как и жет производи

40 теории линейн ления.

При поступ регулировочно задания на ег

4g управляющий с в общем случа выбранных фаз ния, скорости части ЭИО 1, нала 15

50

Ue K.Uj

,, к

- Кзс,

где Ко, К

ее выбранному кр циенты обратн вующим коорди чальный момен -( Ч о , то Uo

7002

подвижной части ЭИО. Например, если нагрузкой является пружина с коэффициентов жесткости С, то

М,

dMrt/dt - - Clft of (KM - Ci/- Vw)/.

в известной системе управляющий сигнал ЭИО - напряжение обмотки управления фop иpoвaлcя на основании линейности функциональных зависимостей, описывающих ЭИО, что является неправомерным и приводит на практике к ухудщению качества управления ЭИО.

Однако при использовании уравнения в виде

линейную

и (Uj, + l/IdMj,/dt) Ч- + Kyld4/dt Ktl,(5)

где KC 1Кц;/2К

К Rj - коэффициенты пропорциональности;Ufl - величина управляющего сигнала в лц- неаризованной системе,

нелинейная система дифференциальных

уравнений (4) преобразовывается в

dy/dt uj

dw/dt а dd/dt и о - Vo(.

(6)

Определение закона изменения управляющего сигнала U , в выбранной системе координат в этом случае, подобно как и в известной системе, может производиться одним из методов

теории линейного оптимального управления.

При поступлении на вход линейного регулировочного блока 7 сигнала 15 задания на его выходе формируется

управляющий сигнал, который является в общем случае линейной функцией выбранных фазовых координат: положения, скорости и ускорения подвийной части ЭИО 1, а также задающего сигнала 15

Ue K.Uj - K,(L/- ) - (7)

,, к.

К - оптимальные по

- Кзс,

где Ко, К

е выбранному критерию качества коэффициенты обратных связей по соответствующим координатам. Но так как в начальный момент времени ы О, с О, -( Ч о , то Uo KoUj. В блоке 12

суммирования управляющий сигнал U суммируется с сигналом 16 производ- и ной нагрузочного момента, величина которого, например, для рассмотренно- с го случая, когда нагрузкой является пружина, пропорциональна скорости перемещения подвижной части.

Суммарный сигнал, поступая в блок 10 умножения, перемножается с сигна;- ю лом, пропорциональным (, который снимается с датчика 5 положения.

Результирующий сигнал с выхода блока 10 умножения поступает на один из .входов блока 14 деления. Здесь 15 величина этого сигнала делится на величину сигнала, поступающего на второй вход блока 14 умножения с выхода датчика 4 тока. Так как величина тока в начальный момент времени 20 равна О, то с выхода блока 14 деления будет сниматься сигнал максимально возможной, исходя из условий практической реализации, величины.

тока, протекающего через обмотку 2 управления.

Сформированные на выходах датчика 5 положения, дифференциатора 6 и 6jio ка 10 нелинейности сигналы поступают на входы линейного управляющего устройства 7, С помощью последнего согласно выражению (7) вырабатывается управляющий сигнал. Причем ускорение подвижной части ЭИО 1 при реализации линейного управлякщего алгоритма определяется косвенным путем по следую щей функциональной зависимости:.

d - М„/1 - Vw/I,

практическая реализация которой не представляет затруднений.

Полученный с выхода линейного управляющего устройства 7 управляклций сигнал Ue, просуммированный в блоке 12 суммирования с сигналом производной момента нагрузки, умножается в блоке 10 умножения на величину, проВ блоке 11 суммирования получен- 25 порциональную перемещению подвижной

ный с выхода блока 14 деления сигнал суммируется с сигналами, снимаемыми с выхода датчика 4 .тока и выхода блока 9умножения,

Так как в начальный момент време- ни ток в обмотке 2 управления и ускорения подвижной части равны О, то величина последних двух сигналов равна О и на вход усилителя 3 поступает сигнал, величина которого пропорцио- нальна величине ограниченного выходного сигнала блока 14 деления,

С выхода усилителя 3 усиленное результирующее напряжение поступает на обмотку 2 управления. При этом через обмотку 2 управления ЭИО 1 начинает протекать ток, а на выходе датчика 4 тока формируется сигнал, пропорциональный этому току.

Вследствие протекания тока через обмотку 2 управления возникает момент ЭИО 1, который приводит к перемещению подвижной части ЭИО 1, При этом на выходе датчика 5 положения формируется сигнал, пропорциональный положению подвижной части ЭИО 1, который, проходя через дифференциатор 6, преобразуется в сигнал, пропорциональный скорости перемещения подвижной части ЭИО 1.

Сигнал, пропорциональный моменту ЭИО 1, формируется на выходе блока 13 нелинейности, реализующем квадратичную зависимость момента ЭИО от

тока, протекающего через обмотку 2 управления.

Сформированные на выходах датчика 5 положения, дифференциатора 6 и 6jio- ка 10 нелинейности сигналы поступают на входы линейного управляющего устройства 7, С помощью последнего согласно выражению (7) вырабатывается управляющий сигнал. Причем ускорение подвижной части ЭИО 1 при реализации линейного управлякщего алгоритма определяется косвенным путем по следующей функциональной зависимости:.

d - М„/1 - Vw/I,

практическая реализация которой не представляет затруднений.

Полученный с выхода линейного управляющего устройства 7 управляклций сигнал Ue, просуммированный в блоке 12 суммирования с сигналом производной момента нагрузки, умножается в блоке 10 умножения на величину, прочасти ЭИО 1, а затем в блоке 14 деления делится на величину, пропорциональную току обмотки 2 управления.

Величина сформированного на выходе блока 14 деления сигнала алгебраически суммируется в блоке 11 суммирования с величиной сигнала -с выхода датчика 4 тока и величиной сигнала с выхода блока 9 умножения, которая равна произведению величин сигналов с выхода датчика 4 тока и дифференциатора 6, а затем через усилитель 3 подается на обмотку 2 управления ЭИО 1 ,

Так как величины напряжения на обмотке 2 управления, полученные согласно описанному, определяются выражением (5), то это приводит к линеаризации регулировочных характеристик и, следовательно, к повьщгению по сравнению с прототипом качества управления электромагнитным исполни- тельным органом. Перемещение подвижной части ЭИО 1 осуществляется по оптимальной, согласно выбранному критерию качества, траектории.

Реализация предлагаемой системы управления ЭИО значительно упрощаетс при использовании микропроцессорных управляющих устройств.

Формула изобретения

Устройство для управления электромагнитным исполнительным органом.