Способ управления приводом машины Советский патент 1992 года по МПК B23K37/04 H02P5/06 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к управлению приводом машины. Наиболее близким к предлагаемому является способ, при котором задается закон изменения угловой скорости главного приводного вала машины. Однако этот способ не позволяет обеспечить разгон с наименьшими динамическими нагрузками в подвижных соединениях машины в связи 6 тем, что используемый в нем закон изменения скорости вала приводного двигателя не учитывает динамических характеристик исполнительных и передаточных механизмов, положенных в основу машины, т.е. этот закон не учитывает изменения приведенного момента инерции машины в случае использования в ней механизмов с переменным передаточным отношением. Цель изобретения - уменьшение динамической нагруженности на приводной вал машины при ее разгоне. Поставленная цель достигается тем, что напряжение, подаваемое на приводной двигатель постоянного тока изменяется по закону , II 1/„п dco со с1Лп HK-Jn c..-.-)«Я, где Мс - приведенный момент сил технологического сбпротивления; .1п - приведенный момент инерции; 95-угол поворота главного приводного вала машины (выходного звена исполнительного механизма) или вала двигателя (обобщенная координата); R - сопротивление якорной цепи двигателя;О) скорость вращения главного приводного вала или вала двигателя (обобщенная скорость); а скорость вращения вала двигателя определяетсяй Шзад + ftJf . Jn . где о)зад - скорость вращения, определенная заданным законом в функции от угла поворота вала двигателя р; (Of угловая скорость звена приведения (главного приводного вала машины) при некотором значении р, соответствующее значениюЗп ; Зп значение приведенного момента инерции при некотором фиксированном значении р. Для машин с одной степенью подвижности управляющая программа по силе (крутящему моменту) может быть представлена в виде -i--f, (1) Мд (ОО) где Мд - приведенный крутящий момент на валу приводного двигателя; d 60 - аналог углового обобщенно(О J d го ускорения; f п - производная от приведенdного момента по у). Уравнение (1) определяет закон изменения крутящего момента на валу приводного двигателя в случае, если задан закон изменения ш в функции обобщенной координаты f). При этом закон изменения (Ы должен учитывать взаимосвязь между массово-геометрическими характеристиками передаточных и исполнительных механизмов машин. Эта взаимосвязь может быть выявлена следующим образом. Предположим, что , зто означает, что крутящий момент на валу двигателя изменяется по закону, .являющемуся зеркальным отражением закона Мс, т.е. Мд компенсирует только момент от сил сопротивления Мс. В этом случае изменение ш приводного двигателя или главного приводного вала машины определяется выражением(«Ч).(2) Преобразование уравнения (2) дает возможность выразить зависимость между й)И массово-геометрическими характеристиками следующим образом W--1 . оу - -Jn Разделим левую и правую части последнего уравнения на (о, получим . . О) . df 2 Предположив, что в дальнейшем каждому значению р будет соответствовать значение п и G , умножим левую и правую части последнего уравнения на d , получим п dQ In; dcQ V din u 2/ Ь Проинтегрируем левую и правую части уравнения, получим Hft V « где cOf - некоторые значения со . соответствующие некоторому определенному углу РИз уравнения (3) получаем - .. со со Уравнение (4) имеет следующий физический смысл. Если умножить левую и правую часть этого уравнения на - и возвести в 15 1 2 квадрат, получим jor - oh Последнее равенство есть выражение, определяющее равенство кинетической энергии системы при различных и соответствующие этим углам ыиЗпг при равен стве и Мс Другими словами. кинетическая энергия в каком-то фиксированном значении остается неизм нной для значений (р текущих. . При переменной величинеЗп Т ()уравнение (4) указывает на неравномерность вращени глйвяого приводного вала Ьбуславлеяиую внутренней динамикой MaifJtiHMi т.е. массово геометрическими хар ктеристиками ее исполнительных и передаточйгыхмеханизмрв при отсутствии сил (моментов) движущих и сопротивления. Уравшние (4) описывает закон изменения оЬоб1иб«ной скорости машины, присущий ей и неизменный при отсутствии сил движуцих, срг ротивления, трения и др. В связи с этим управление перёходныии процессами (разгон, торможение) требует не только выбора (назначения) закона изменения оЗо5щенной скорости От начального до конечного зна енйй, но и учета выше отмеченной закономерности, так как наличие собственной скорости машины, описанной вырэж нием (4) в значительной степени влияет на дйнами1|ескую нагружен-; ность вала приводного Двигателя. Таким образом tu), выходящая в уравнение (1), должна быть представлена в виде (с учетом уравнения 4)

vw:

Ш-СОзал- -СОу In

Напряжение, подаваемое на приводной двигатель постоянного тока, определяется

,+«2 из условия равенства мощностей, которое имеет вид и , ), где и - напряжение, подаваемое на электродвигатель:Т-ток, потребляемый двигателем; R - сопротивление якорной цепи двигателя. Отсюда и 4|д ш-Е.(6) Таким образом, напряжение, подаваемое на приводной двигателе постоянного тока, определяется выражением (6} при подстановке в него Мд из (1) и ft из (5), Предлагаемое техническоерешение отличается от известного тем, чтозвкон изменения напряжения, подаваемого на двигатбль постояни ного тока, учить в а ет динамические характеристики машины, в частности изме нения приведенного момента инерции, при использовании в ней механизмов с переменным передаточным отношением.. На фиг.1 приведена схема машины с электромеханическим приводом, включающим исполнительный механизм (кривощипно-ползунный) с подвижными звеньями: 1 кривошип, 2 - шатун, 3 - ползун, 4- коробка скоростей, 5 - приводной двигатель. Взаимосвязь силовых, скоростных и массово-геометрических характеристик машины может быть выражена уравнением V+jn-v. 1п )-h}nO --... , ://; .в уравнении (7) принято Мс О, п const и определяет кинетическую энергию всех масс подвижных звеньев механизмов машины, имеющих .постоянное передаточное отношение; Jn - учитывает изменение кинетической энергии подвижных звеньев механизмов машины и являетя функцией обобщенной координаты уз. То сть -н :))л.: Для рассматриваемого примера значе ие приведенного момента инерции, опрееляемое из равенства кинетических нергий, имеет вид АВ 2 м . (Mif -aR4/(.(v;f, )р.эл. - момент инерции ротора электродвигателя;Ткор.ск. - кинетическая энергия 1-го элемента коробки скоростей. Индексы в приведенных уравнениях соответствуют обозначениям звеньев на фиг.1, В последнем уравнении ,0, .5 d pv dt wi Аналогично vJ dpi Используя аналогичные преобразования, имеем (wf ( Производная }п по обобщенной координате имеет вид. 2-Зз2- - й +2 Xs2 Xs2 + Y,2 Ys2 + 2 -max xXa -Хз.(9) Как видно, уравнения (8) и (9) есть функции обобщенной координаты и отображает внутреннюю динамику машины (фиг.1). Графики функций )п и Jn jn + }п представлены на фиг.2. На фиг.З изображена зависимость п от tp. Пусть требуется разогнать машину, изменив ее обобщенную скорость от нуля до cUcp (средняя скорость установившегося движения) по линейному закону где РР - угол разгона (угол за который происходит изменение от нуля до соьр). График зависимости (10), представленный на фиг.4, позволяет построить зависимости отдельных составляющих формулы (7), которые дают возможность видеть раздельное влияние массово-геометрических и кинематических характеристик машины на динамическую нагруженность приводного вала. На фиг.5 показаны зависимости отдельных составляющих, входящих в уравнение (7), на фиг.6 - зависимость Мд от у) (т.е. сумма составляющих, изображенных на фиг.6) за время разгона по закону, соответствующему выражению (10). На фиг.5 видно, что наибольшее влияние на неравномерность движения оказмвают функции )п(у) ЙРассматриваемый пример указывает на то, что закон изменения скорости в процессе разгона должен выбираться с учетом функций)пи7п. Таким образом, чтобы значение крутящего момента на приводном валу машины не выходило за пределы некоторых значений Мдмакс и Мдмин. При этом выбор закона изменения о) в функции у должен учитывать массовб-геометрические характеристики исполнительных и передаточных механизмов машины. Этот учет сводится к тому, чтобы увеличение (уменьшение) значений Мд, обусловленное изменением In , компенсировалось уменьшением (увеличением) Мд за счет изменения ( . В связи с зтим данный закон изменения скорости определяется уравнениями управления (5) и (10) и может быть представлен в -ip+o). Выражение (11) учитывает, с одной стороны, рост скорости по закону, определенному зависимостью (10), а с другой стороны, необходимость изменения скорости в процессе разгона по закону, определённому уравнением (4). Как видно из уравнения (7) и графиков (фиг.5) первая составляющая w) представляет собой уравнение прямой в случае ее л и/о изменяют по за1кону, соответствующему формуле (10). В случае если скорость изменяют по закону, описанному уравнением (11), первая составляющая уравнения (7) Мд будет переменной. Изменяются также вторая и третья составляю щие Мд (уравнение 7). При этом суммарное значение Мд будет поставлять другую функцию, в сравнении с фиг.6. Предлагаемый способ программного управления дает возможность определить значения крутящего момента на приводном валу машины по формуле 1 с учетом (11). Это дает возможность определить допустимые Мд и выбрать тем самым величину , в пределах которой значения Мд остаются в требуемых диапазонах. Выбор связан с временем разгона, т.е. производительностью машины. Время разгона может быть определено tp.(12, в выражении (12) значение О) выбирается из выражения (11). Предлагаемый;способ управления приводом машины может быть реализован с помощью систем{( управления, включающей вычислительное устройство. На фиг.7 представлена структурная схема системы управления, реализующая предлагаемый управления приводом машины. Система управления состоит из вычислителя 1,регулятора2, двигателя 3 пострянного тока, датчика 4 угла поворота главного приводного вала Д1, датчика5 крутящего момента на главном приводном валу Д2, источника б постоянного напряжения, пульта 7 управления. Вычислитель 1 на основании сигналов с датчикрв Д 1 и Д 2 формирует сигнал Уз, пропорциональный величине напряжения, подаваемого от источника 6 постоянного напряжения через регулятор 2 на двигатель 3 постоянного тока таким образом. Что -Цз. где Ua - сигнал управления, вырабатываемый вычислителем 1; К - козффициент пpoпopцйoнaльнoctи (усиления); Ua - напряжение, подаваемое на приводной двигатель 3. .Датчики Д1 и Д2-5 механически связаны с главным приводным валом машины и вырабатывают сигналы, пропорциональные углу поворота и крутящему моменту соответственно. Пульт 7 управления предназначен для включения-отключения привода машины. На фиг.8 представлена структурная схема вычислителя 1. В блоке 8 вычисляется значение угловой скорости ш по формуле (11), т.е. u)-fi(-y)-bai. В блоке 9 вычисляется значение приведенного момента сопротивления Мс как функция угла поворота у приводного вала машины. Эта зависимость является заданной для каждой технологической операций. В блокеТО вычисляется значение приведенного момента инерции 1 1 I 0.1 и , +Jn . В блоках 8-10 вычисление величин производится на основании сигнала с датчика угла поворота Д1-4 главного приводного вала машины. В блоках 11 и 12 вычисляется соответственно производные от угловой скорости ((вычисленной в блоке 8) и от приведенного момента инерции (вычисленного в блоке 10) по углу поворота главного приводного вала машины у). В блоке 13 вычисляется значение заданного приведенного движущего момента инерции Мда по формуле .. п .-I . dcu Me где все составляющие правую часть этого уравнения есть значения, вычисленные в блоках 8-12. Вычисленная величина Мда в блоке 14 сравнивается с сигналом, поступающим с датчика Д2-4 действительного момента на приведенном валу машины Мдд, и находится их разность А Мд . В блоке 15 вычисляется расчетное значение приведенного момента Мдр М) АМд. И затем в блоке 1 б вычисляется значение Ua управляющего сигнала по формуле Ua Мдр -w R . Система управления приводом машины работает следующим образом. В начальном положении система управления обеспечена, т.е. напряжение UIWT. и УПОСТ. равно нулю. Двигатель 3 не вращается.С пульта 7 управления включается источник постоянного напряжения- 6. На вычислитель 1 приходит питающее напряжение UOMT. Сигнал с датчика Д1-4 поступает в вычислитель 1. На основании зтого сигнала в вычислителе 1 определяется значение Мда. В том случае, если 0 Если О Р -.1п .е. в любом случае со, вычисленное в блоке , не равно нулю. Значение вычисленного Мдз сравниватся с Мдд, поступающее в виде сигнала с атчика Д2-5.. В начальный момент , озтому А . В связи с этим на выоде вычислителя в начальный момент пояится сигнал изнач. V2 -Мда -O-R . Этот сигнал поступает на вход регулятоа 2, который непосредственно управляет

напряжением Da. подаваемым на приводной двигатель 3. Таким образом в начальный момент, на двигатель 3 подается напряжение

изнач К ; иэначч

которое заставляет двигатель вращаться. Вращение двигателя приводит к изменению сигналов с датчиков Д1-4 и Д2-5. Эти сигналы поступаютв вычислитель 1. который вырабатывает новое значение Us, соответствующее сигйалам с датчиков.

Обратная связь по крутящему моменту позволяет стабилизировать действительный приведенный крутящий момент Мдд на

уровне заданного Мдз

Использование предлагаемого способа

управления приводом машины обеспечивает уменьшение динамической нагруженности на главный приводной вал машины по сравнению с известными способами. Кроме этого, предлагаемый способ позволяет снизить энергоемкость и металлоемкость проектируемых машин. формул а и 3 о бретен и я Способ управления приводом машины, при котором задают продолжительность разгона до достижения средней скорости установившегося движения, исходя из допустимь(х динамических нагрузок на глйвный вал машины, путем подачи напряжения на приводной двигатель, о т л и ч а ю щ и и с я

тем. что, с целью уменьшения динамической нагруженности на приводной вал машины при ее разгоне, указанное напряжение изменяют по закону

.

do

Л(,-Т-034d5

где Me - приведенный момент сил технологического сопротивления;

.In - приведенный момент инерции: - угол поворота вала двигателя; R-сопротивление якорной цепи двигателя;

15 (О- скорость вращения вала двигателя, при этом скорость вращения вала двигателя определяется выражением

vfET

О) - ОЬад + Wf

In

где Шэад- скорость вращения, определяемая заданным законом в функции от угла поворота вала двигателя;

In - значение приведенного момента инерции при некотором фиксированном значении р

оу-угловая скорость звена приведения (главного приводного вала машины) при неQ котором значении обобщенной координаты, соответствующем значению In ,

Изобретение относится к машиностроению и может найти применение при управлении приводами механизмов с изменяющимся в процессе движения моментом инерции. Целью изобретения является снижение динамической нагруженности на приводной вал машины при ее разгоне. Поставленная цель достигается тем, что напряжение, подаваемое на приводной двигатель постоянного тока при разгоне машины, изменяется по закону\аг" 1п •где а)эад, - скоро-

Jn

3f3/Z

2Ti If

Фиг.г

w

ФигЗ

Фиг,6