Совершенствование позиционных электроприводов повышенной точности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Прохоренко, Дмитрий Сергеевич

• Прохоренко, Дмитрий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Прохоренко, Дмитрий Сергеевич

Введение

1 Анализ современного состояния вопроса и постановка задач

1.1 Анализ существующих оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов

1.2 Анализ задатчиков интенсивности, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов

1.3 Анализ однократноинтегрирующей САР положения электропривода

1.4 Постановка задач иледований

2 Разработка оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов с учётом влияния индуктивности якорной цепи электродвигателя

2.1 Оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов с учетом индуктивности якорной цепи электродвигателя при ограничении по напряжению

2.2 Оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов с учетом индуктивности якорной цепи электродвигателя при ограничениях по напряжению и максимальному току

2.3 Оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов с учетом индуктивности якорной цепи электродвигателя при ограничениях по напряжению, максимальному и минимальному токам

2.4 Оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов с учетом индуктивности якорной цепи электродвигателя при ограничениях по напряжению, максимальному и минимальному токам и скорости

2.5 Выводы

3 Разработка командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов промышленных механизмов с учетом влияния индуктивности якорной цепи электродвигателя

3.1 Разработка командоаппарата для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов при ограничении по напряжению

3.2 Разработка командоаппарата для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов при ограничениях по напряжению и току

3.3 Разработка командоаппарата для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов при ограничениях по напряжению, току и скорости

3.4 Цифровое моделирование командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения электроприводов

3.5 Разработка программного обеспечения командоаппаратов для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения электроприводов при ограничениях по напряжению; по напряжению и току; по напряжению, току и скорости

3.6 Выводы

4 Синтез двукратноинтегрирующих САР положения электроприводов

4.1 Синтез двукратноинтегрирующей САР положения электропривода с типовыми регуляторами

4.2 Синтез модернизированной двукратноинтегрирующей САР положения электропривода

4.3 Синтез двукратноинтегрирующей САР положения электропривода с улучшенными характеристиками

4.4 Выводы 142 5 Экспериментальное исследование позиционных электроприводов повышенной точности

5.1 Экспериментальные исследования электротехнических комплексов без учёта влияния индуктивности якорной цепи электродвигателя

5.2 Экспериментальные исследования электротехнических комплексов с учётом влияния индуктивности якорной цепи электродвигателя

5.3 Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование позиционных электроприводов повышенной точности»

Проекты нового технологического оборудования выполняются с использованием автоматизированных электроприводов переменного тока. Доля электроприводов постоянного тока в таких проектах незначительна. Иное положение в проектах модернизации действующего оборудования. В робототехнике и металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности действующее оборудование оснащено в основном регулируемым электроприводом постоянного тока с устаревшими средствами и системами управления, а зачастую и с высоким уровнем энергозатрат в технологическом процессе с глубоким регулированием скорости.

Проекты модернизации действующего оборудования в части автоматизированных электроприводов постоянного тока весьма актуальны и выполняются в следующих основных вариантах:

- замена аналоговых релейно-контактных систем управления на цифровое с использованием промышленных компьютеров, технологических контроллеров, логических контроллеров, интеллектуальных модулей периферии и других устройств, соответствующих нижнему и среднему уровню автоматизации;

- замена аналоговых релейно-контактных систем управления на цифровое с использованием промышленных компьютеров, технологических контроллеров, логических контроллеров, интеллектуальных модулей периферии и других устройств, соответствующих нижнему и среднему уровню автоматизации, дополнительной заменой аналоговых блоков управления комплектных электроприводов постоянного тока на цифровые с использованием контроллеров привода;

- замена аналоговых релейно-контактных систем управления на цифровое с использованием промышленных компьютеров, технологических контроллеров, логических контроллеров, интеллектуальных модулей периферии и других устройств, соответствующих нижнему и среднему уровню автоматизации, дополнительной заменой аналоговых блоков управления комплектных электроприводов постоянного тока на цифровые с использованием контроллеров привода, а также, с дополнительной заменой силовых блоков комплектных электроприводов. Электродвигатели и сети электропитания остаются неизменными.

Программно-управляемые позиционные электроприводы состоят из за-датчиков интенсивности (командоаппаратов), формирующих диаграммы движения исполнительных органов промышленных механизмов, и системы автоматического регулирования (САР) угловой скорости, отрабатывающей эти диаграммы движения.

В большинстве отраслей промышленности в настоящее время требуется непрерывное увеличение точности позиционирования в пространстве и производительности электроприводов рабочих машин и агрегатов.

Серийно выпускаемые электроприводы для промышленных механизмов обладают такими статическими и динамическими характеристиками, которые уже не позволяют обеспечить дальнейшее повышение эффективности технологических процессов в установках за счет более точной реализации требуемых законов движения их исполнительных органов. Поэтому разработка программно-управляемых электроприводов промышленных механизмов является весьма актуальной.

Целью работы является интенсификация перемещения (поворота) исполнительных органов промышленных механизмов, с обеспечением повышенной точности их позиционирования.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

- разработать оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов;

- разработать командоаппараты, формирующие оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов;

- синтезировать двукратноинтегрирующие САР положения исполнительных органов электроприводов, отрабатывающих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов с повышенной точностью;

- экспериментально проверить полученные' теоретические закономерности.

Методы и средства выполнения исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использованы общепринятые методы теории автоматического управления, автоматизированного электропривода, аналитического и численного' решений дифференциальных уравнений. В основу экспериментальных исследований положена методика исследования электроприводов промышленных установок и методика испытаний микропроцессорного устройства. При проведении исследований использованы пакеты прикладных программ MATLAB, Mathcad, Excel.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе получены новые научные результаты:

- методика формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительных органов электроприводов;

- математическое обеспечение командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов;

- методика синтеза двукратноинтегрирующих САР положения исполнительных органов электроприводов, отрабатывающих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов с повышенной точностью.

Практическая ценность работы определяется тем, что использование полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований позволяет улучшить характеристики программно-управляемых позиционных электроприводов, как следствие, повысить быстродействие перемещения и точность позиционирования исполнительных органов промышленных механизмов.

Результаты диссертационной работы: методика формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительных органов электроприводов; математическое обеспечение командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительные органов электроприводов; методика синтеза двукратноинтегрирую-щих САР положения электропривода, отрабатывающих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов с повышенной точностью, приняты к использованию при модернизации электроприводов промышленных роботов на ООО «ЮгЭнергоПроект-Кубань».

На двукратноинтегрирующую САР положения исполнительного органа электропривода с улучшенными характеристиками получен патент РФ на изобретение № 2401501. На устройство для формирования диаграмм перемещения исполнительного органа механизма, упруго соединенного с электродвигателем (ЭД), с ограничением скорости и её первой, второй, третьей и четвертой производных скорости получен патент РФ на полезную модель №55230. На командоаппарат, формирующий оптимальную по быстродействию диаграмму перемещения исполнительного органа электропривода при ограничении по напряжению получен патент РФ на полезную модель №69354. На командоаппарат, формирующий оптимальную по быстродействию диаграмму перемещения исполнительного органа электропривода при ограничениях по напряжению, максимальному и минимальному значениям тока и скорости получен патент РФ на полезную модель №101286.

Разработан, реализован и экспериментально исследован командоаппарат на базе программируемого РС-совместимого контроллера «АВАМ-5510М-А1», формирующий оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа электропривода.

К защите представляются следующие основные положения:

1. Методика формирования оптимальных по быстродействию диаграмм перемещения исполнительных органов электроприводов. и V

2. Математическое обеспечение командоаппаратов, формирующих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительного органа ЭП. Три командоаппарата, формирующие оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов. i

3. Методика синтеза двукратноинтегрирующих САР положения исполнительных органов электроприводов, отрабатывающих оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов с повышенной точностью. Три двукратноинтегрирующие САР положения исполнительных органов электроприводов, отрабатывающие оптимальные по быстродействию диаграммы перемещения исполнительных органов электроприводов с повышенной точностью.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий КубГТУ (2003-2011 гг.); на VIII региональной научно-практической конференции молодых учёных «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2006 г.); на международных научно-практических конференциях «Электроэнергетические комплексы и системы» (Краснодар, 2004-2007 гг.); на международной научной конференции «Технические и технологические системы» (Краснодар 2009 и 2010 г.г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы: 6 статей, из них 1 статья в журнале рекомендованном ВАК; 9 материалов конференций; получены: 1 патент РФ на изобретение; 3 патента РФ на полезные модели.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 8 приложений. Основная часть работы изложена на 175 страницах, включая 43 рисунка, 1 таблицу. Список литературы содержит 165 наименование.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Прохоренко, Дмитрий Сергеевич

Результаты работы доступны для широкого практического применения, что является залогом эффективного решения задач по повышению точности позиционирования при реконструкции действующих и проектировании вновь создаваемых позиционных электроприводов роботов и в металлургической, машиностроительной, и других отраслях промышленности.

Основные аспекты проведённых исследований изложены в 6 статьях, из них 1 статья в журнале рекомендованном ВАК; 9 материалов конференций; получены: 1 патент РФ на изобретение; 3 патента РФ на полезные модели.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Прохоренко, Дмитрий Сергеевич, 2011 год

1. Ahrens, D. Regelung von shcwingungsfahigen Streiken in der Papierindu-strie / D. Ahrens, E. Roatz // Techn. Mitt. AEG Telefimkem-1968. - №5.-P. 458-460.

2. Ankudinov, A.I., Kravels V.l., Ankudinov, K.A. Measurement of the electromechanical time constant of DC electric drives // Measurement Techniques/-1990.-Vol. 33.-P.1229-1231.

3. Ankudinov, A.I., Kravels, V.l., Semchenko, M-.Ya. Damping factor meter for single eponential radio and video pulses // Measurement Techniques. 1988-Vol. 31.-P.776-779.

4. Baginsky, I. L. High-energy capacitance electrostatic micromotors /IX. Baginsky, E.G. Kostsov // J. of Micromechanics and Microengineering. -2003.-№13.-P. 190200.

5. Bobrow, J.E., Dubowsky, S., Gibson, J.S. Time OptimaLGontrol of Robotic Manip ulators Along Specified Paths // Int. J. Robotics Res., 1985. Vol. 4, No. 3, PP. 317.

6. Dahl, О., Path-constrained Robot Control with Limited Torques-Experimental Evaluation // IEEE Tr. Rob. Automat., 1994. Vol. 10. PP. 658-669:г

7. Eisele, H., Vance A. Parallel control system requlates motor torque. Westing-house Engr., 1966, vol 26, № 4.

8. Koyanagi, K. Time response model of ER fluids for precision control ofmotors / K. Koyanagi // J. Physics. 2009. - №149. - P. 190-200.

9. Kieffer,. J., Cahill, A., James, Mi, Robust and. Accurate Time-Optimal Path-Tracking Control for Robot Manipulators// IEEE Trans. Robot. Autom. Vol.13* No. 6, December 1997. PP. 880-889.

10. Loocke, G. Der Einfluss von drehelastishen Gliedern au das,Вetriebsver-halten von walzwerksautrieben / G. Loocke // Tech. Mitt. AEG Telefun-ken. - 1968. - №4. -P. 255-258.

11. Rpatz, E. Drehzahlregelung eines stammotors mit schwingungstahigerMechanik / E. Roatz // Tech. Mitt. AEG- Telefunken. 1970. - №6.

12. Weber, W. Ein systematishes Verfahren zura Entwutr linearer und adaptiver Regelungs system, ETZ A, 1967, № 6.

13. Анкудинов, К.А., Измерение электромеханической постоянной времени электропривода постоянного тока по амплитуде реакции апериодического звена. // Изв. вузов. Электромеханика. 2008. № 6. С. 26-29.

14. A.c. 1557633 СССР. Устройство контроля электропривода / А. И. Анкудинов., В.И. Кравец., М.Я. Семченко и др. //-Опубл. 1990. № 14.

15. Анкудинов, А.И., Кравец, В.И., Анкудинов, К.А. Измерение электромеханической постоянной времени электропривода постоянного тока // Измерительная техника. -1990.-№ 12.-С. 31-32.

16. Акимов, JI.B., Колотило, В.И. Динамика однокатно-интегрирующей СПР положения с обобщенным наблюдателем состояния контура регулирования скорости в режиме малых перемещений // Изв. вузов. Электромеханика. 2000. № 1.С. 60-65.

17. Акимов, JI.B., Долбня, В.Т., Колотило, В.И. Системы управления'электроприводами постоянного тока с наблюдателями состояния. Харьков: ХГПУ, 1998. 117 с.

18. Акимов, JI.B., Долбня, В.Т., Колотило, В.И. Динамика двукратноинтегри-рующей СПР скорости,, замкнутой через наблюдатель.состояния // Электричество. 1999. № 4.

19. Акимов, JI.B., Долбня, В.Т., Колотило, В.И. Динамика трехкратноинтегри-рующей СПР скорости с наблюдателями состояния полного и пониженного-порядков // Техн. Электродинамика. 1998. № 4. С. 52-62.

20. Алексеев, В.М. Об одной оценке возмущений обыкновенных дифференциальных управлений // Вестн. Московск. Ун-та. Сер. 1. Математика, механика. 1961. №2. С. 28-36.

21. Афанасьев, В.Н., Колмановский, В.Б., Носов, В.Р. Математическая теория конструирования систем управления. М.: Высш. шк., 1988. 574 с.

22. Амосов, А. А., Дубинский, Ю.А., Копченова, Н.В. Вычислительные методы для инженеров. М.: Высш. шк. 1994. 554 с.

23. Анго, А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1965. 780 с.

24. Авдушев, С. А. Электромеханические системы управления тяжелыми металлорежущими станками / С.А. Авдушев, C.B. Демидов, В.А. Рыдов, и др.; под общей ред. СВ. Демидова. JL: Машиностроение 1986. - 236 с

25. Башарин, A.B., Новиков, В.А., Соколовский, Г.Г. Управление электроприводами Л.: Энергоиздат, 1982.

26. Басков, С.Н., Радионов, A.A., Усатый, Д.Ю. Пуск асинхронного двигателя в электроприводах с повышенным пусковым моментом // Изв. вузов. Электромеханика. 2004. № 2. С.47-49.

27. Болтянский, В.Г. Математические методы оптимального управления. М.: Наука, 1962. 408 с.

28. Бесекерский, В.А., Попов, Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972. 767 с.

29. Бесскерский, В. А. Теория систем автоматического регулирования/ В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. Изд. 3-е - М.: Наука, 1975. - 768 с.

30. Букреев, В.Г., Гусев, Н.В. Алгоритм планирования траектории движения следящего многокоординатного электропривода // Изв: вузов. Электромеханика. 2003. №3. С. 16-20.

31. Букреев, В.Г. Адаптивное управление электромеханическими системами робототехнических комплексов // Изв. вузов. Электромеханика. 2003. № 5. С. 50-54.

32. Букреев, ВТ., Параев, Ю.И< Адаптивные регуляторы в дискретных системах управления сложными электромеханическими объектами. Томск: Изд-во Том. Политехи, ун-та, 2000, 278 с.

33. Бочин, В.В., Косматов, В.И., Мерзляков, Ю.В., Толмачев, Г.Г. Анализ способов и устройств цифрового измерения скорости вращения вала двигателя // Изв. вузов. Электромеханика. 2004. № 2. С.65-68;

34. Багданов, A.A. Синтез оптимального регулятора электропривода с бесконтактным двигателем постоянного тока // Изв. вузов. Электромеханика. 2006. №3. С.61-63.

35. Богданов, A.A. Дискретная математическая модель бесконтактного двигателя постоянного тока // Измерение, контроль, информатизация: Сб. Материалов шестой Междунар. науч.-практ. конф; Барнаул: Алтайский гос. техн. ун-т. 2005. С. 59-63.

36. Букреев, В.Г., Старых, A.A. параметрический синтез регуляторов электромеханических систем // Изв. вузов. Электромеханика. 2006. № 3. С.69-71 .

37. Барковский, В. В. Методы синтеза систем управления / В.В. Барковский, В.Н. Захаров, A.C. Шаталов. М.: Машиностроение, 1969. - 328 с.

38. Баховрин, А. А. Цифровые системы управления электроприводами / A.A. Батоврин, П.Г. Дашевский, В.Д. Лебедев, Б.Л. Марков, Н.И. Чечерин Л.: Энергия, 1977. - 256 с.41.