Стационарные динамические режимы точных электромеханических систем с фазовым управлением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Сяо Щи

• Сяо Щи
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сяо Щи

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

1.1 Классификация электромеханических систем.

1.2 Анализ результатов основополагающих исследований в области создания электромеханических систем точного воспроизведения параметров движений.

1.3. Обоснования уточнения классификации электромеханических систем.

1.4 Основные принципы построения точных электромеханических систем на базе синхронизированных машин постоянного тока.

1.5 Современные фазовые электромеханические системы с цифровым управлением.!.

1.6 Основные цели и задачи работы.

Выводы.

ГЛАВА И. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ С ЯВНОВЫРОЖЕННЫМ ВЛИЯНИЕМ СУХОГО ИЛИ ВЯЗКОГО ТРЕНИЯ.

2.1 Получение аналитических зависимостей моментов сухого или вязкого трения.

2.2 Уточнение математической модели двигателя постоянного тока при учете моментов вязкого и сухого трения.

2.3 Исследование стационарных колебаний скорости в электромеханических комплексах, вызванных периодическими и случайными возмущениями.

2.4 Исследование влияния стационарных дестабилизирующих факторов на поведение прецизионных систем во всем диапазоне изменения их скоростей.

Выводы.

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СИСТЕМ С

ФАЗОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ.

ЗЛ Исходные положения.

3.2 Исследование дихотомии фазовой системы.

3.3 Исследование субсинхронного режима работы фазовой системы.

3.4 Исследование асинхронного режима работы фазовой системы.

Выводы.

ГЛАВА IV. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ С ФАЗОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Разработка программного обеспечения для моделирования фазовой системы.

4.3 Анализ полученных результатов.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Стационарные динамические режимы точных электромеханических систем с фазовым управлением»

Современный этап развития промышленности характеризуется полной автоматизацией технологических комплексов, которая неразрывно связана с расширением и усложнением функций управления. Поэтому к реализующим эти функции прецизионным установкам предъявляются все более жесткие требования.

Во-первых, повышение производительности и качества работы многих механизмов и машин станкостроительной, бумагоделательной, химической и других отраслей промышленности, прямо связано с необходимостью расширения диапазонов регулирования скоростей и увеличением точности воспроизведения параметров движения.

Во-вторых, бурное развитие новых отраслей науки и техники, качественное выполнение процессов, в которых невозможно без применения следящих и программных, а также точных систем стабилизации скорости и позиционирования, обеспечивающих необходимое высокое качество их технологических процессов.

Например, для производства новейших микропроцессоров фирмы "Intel" требуются системы позиционирования с точностью до 0.2 мкм. Техническое оборудование для генной инженерии требует еще более точных систем позиционирования с многократным воспроизведением (повторением) заданного режима.

Производство полупроводниковых приборов, выращивание искусственных кристаллов, магнитные системы установок для физико-технических экспериментов предъявляют требования по стабилизации отдельных параметров с погрешностью (0.01-0.001)%. Еще более высокие требования к погрешности измерения угловой скорости предъявляются в метрологических установках. Для целого ряда образцовых средств, воспроизведения угловой скорости или углового ускорения, погрешность задания и стабилизации параметров движения должна находиться на уровне 0.001% при диапазоне регулирования более 10000:1.

В связи с этим, проблема создания точных систем электропривода в последние годы находится в центре внимания ученых и инженеров, работающих в этой области.

Бурный прогресс в области дискретной микроэлектроники в 70е годы двадцатого века вызвал резкое улучшение всех качественных показателей цифровых вычислительных машин и устройств цифровой техники. С другой стороны, повышение требований к системам автоматического управления и усложнение самих объектов управления привели к тому, что средствами непрерывной автоматики уже не могли решаться многие практические задачи, в том числе и построения точных систем позиционирования (ТСП) и стабилизации скорость (ТССС). Это привело к тому, что, опережая промышленный прогресс, уже в 60е годы в научных коллективах России стали интенсивно разрабатываться различные варианты дискретного управления ЭМС. Теория построения таких систем с цифровыми регуляторами, базируется на фундаментальных трудах: В.А. Бесекерского, Л.Т. Кузина, ЯЗ. Цыпкина (Россия), Э. Джури, Б. Куо, Ю. Ту (США) и других ученых. Но практическая реализация ЭМС с цифровым управлением в России связана с работами научных коллективов, руководимых В.Н. Дроздовым, С.А. Ковчиным, P.A. Кулесским, В.А. Новиковым, О.В. Слежановским, Е.А. Танским, P.M. Трахтенбергом, В.Т. Файнштейном, и другими исследователями.

На основании анализа структур ряда точных систем электропривода, разработанных в России и заграницей, установлено, что для осуществления такой точной стабилизации, необходимо использовать дискретный астатический регулятор. Наиболее рациональными, техническими реализациями этого принципа, являются системы фазового управления. Они характеризуются высокой добротностью по скорости при малом периоде дискретизации. Варианты реализации этого принципа отличаются конструктивным исполнением, способами коррекции динамических показателей и алгоритмами работы частотно-фазовых дискриминаторов. Вопросам разработки, исследования и конструирования таких систем посвящено большое число монографий, научных статей и авторских свидетельство.

Однако, после тщательного анализа результатов, полученных этими предшествующими исследователями, заметим, что многие теоретические и практические вопросы еще недостаточно изучены, это связано в основном с двумя причинами:

1)многие разработанные в то время теоретические методы, такие, как теория дихотомии, гармоническая линеаризация второго рода и т.п. еще не были применены для решения практической задачи - исследования точных систем с фазовым управлением.

2)отсутствие мощной вычислительной техники, существенно ограничивало глубину исследований динамических режимов точных систем, особенно с учетом нелинейностей в их элементах и различных возмущений.

Поэтому настоящую работу следует рассматривать как продолжение и дополнение к этим исследованиям.

Основными целями работы являются следующие:

• Совершенствование методов аналитического исследования стационарных динамических режимов, дихотомии и устойчивости точных ЭМС с компьютерным управлением;

• Исследование принципов построения точных электромеханических систем воспроизведения параметров движения в виде скорости и перемещения (точного позиционирования) рабочих органов технических объектов.

Конкретные задачи для достижения поставленных целей сформулированы в первой главе после анализа результатов 7 основополагающих исследований в области создания электромеханических систем точного воспроизведения параметров движений.

В диссертации выдвинуты и развиты следующие научные положения, представляемые на защиту.

1. Уточнение и развитие классификации электроприводов, которая отвечает требование современного развития этих систем.

2. Уточненная математическая модель силовой части электромеханических систем с явновыроженным влиянием сухого или вязкого трения, работающих в режимах малых стационарных колебаний момента и других возмущений.

3. Методика исследования стационарных динамических режимов работы точных электромеханических систем с фазовым управлением: определение дихотомичности систем, определение параметров автоколебаний методам гармонической линеаризации первого или второго рода.

4. Результаты моделирования различных динамических режимов работы электромеханических систем с фазовым управлением с целью проверки их адекватности натурным испытаниям для подтверждения достоверности предложенных аналитических моделей.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Сяо Щи

Выводы

1 .Теоретическое исследование (методом гармонической линеаризации) автоколебаний фазовых систем и их исследование на математической (компьютерной) модели показали, что их результаты совпадают. Отсюда можно сделать вывод, что применение метода гармонической линеаризации первого и второго рода для исследования динамических процессов фазовых систем позволяет получить достоверно точные результаты.

2.Результаты теоретического исследования влияний возмущений на стабильность угловой скорости фазовых систем с учетом вязкого или сухого трения и их исследования на модели совпадают. Этим доказана достоверность и целесообразность применения модели точной электромеханической системы с учетом вязкого или сухого трения.

3.Экспериментально доказана достоверность полученного вывода в третей главе, о том что дихотомичность ФСАУ с периодической нелинейностью ФД неопределима, поскольку возникновения автоколебаний в этих системах не только зависят от параметров объекта, но и зависят от воздействующих сигналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1 .Актуальность уточнения классификации электромеханических систем, обусловлена появлением новых точных механизмов со сверхшироким диапазоном регулирования скорости до (104-105):1, высокоскоростных электроприводов, и других современных ответственных электромеханических устройств и комплексов. Уточненная классификация позволяет научно обоснованно составить техническое задание (ТЗ) на проектирование любой новой ЭМС, реализовать её функциональную, принципиальную и конструктивную схемы и составить методику приемосдаточных испытаний.

2.Показано, что рациональным принципом создания современных прецизионных электроприводов, за исключением установок, работающих на сверхнизких скоростях, является совершенствование фазовых систем с синхронизированными машинами постоянного тока.

3.Установлено, что для исследования точных ЭМС целесообразно воспользоваться уточненными моделями их объектов управления, учитывающими влияния сухого и вязкого трения. При этом влияния момента трения на привод малой мощности и большой мощности сильно отличаются.

• Для привода малой мощности его модель с учетом сухого трения имеет повышенный коэффициент передачи и пониженную собственную частоту по сравнению с базовой моделью.

• С учетом вязкого трения, соответствующая модель привода большой мощности имеет пониженный коэффициент и повышенную собственную частоту по сравнению с базовой моделью. Чем больше рабочая угловая скорость, тем сильнее это влияние. • Во всех других случаях, не зависимо от мощности, жесткие системы привода, его динамическая модель мало отличается от базовой.

4.Для исследования стационарных динамических режимов работы точной электромеханической системы с фазовым управлением, целесообразно сначала оценивать дихотомичности системы, а затем только определять параметры автоколебаний в случае, когда система недихотомична или ее дихотомичность неопределима.

5.Установлено, что с помощью современных вычислительных техник, целесообразно применять метод гармонической линеаризации первого рода и второго рода для определения качественных показателей динамических режимов фазовых системы.

6.Результаты теоретических исследований показывают, что: Во-первых, коэффициенты гармонической линеаризации для фазовых детекторов с различными характеристиками очень сильно отличается друг от друга. Если в системе использован ФД с насыщением, а не с периодической характеристикой, то она имеет больший запас по автоколебанию.

Во-вторых, при малых уставках по скорости привода, когда дискретностью отдельных элементов нельзя пренебречь, запас по автоколебанию уменьшается почти в 2 раза. Поэтому при проектировании низкоскоростных ФСАУ к их параметрам нужны, предъявлять боле строгие требования.

7.Теоретическое исследование автоколебаний (методом гармонической линеаризации) и влияний возмущений на стабильность угловой скорости (с учетом влияний сухого или вязкого трения) фазовых систем, и их исследование на математической (компьютерной) модели показали, что их результаты совпадают. Этим доказаны достоверности и целесообразность применяемых в настоящей работе методик исследований, таких, как

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сяо Щи, 2000 год

1. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода. - СПб.: Энергоатомиздат, 1994.-496с.

2. Ковчин С.А. Основные вопросы теории и принципы построения точных систем электропривода. Диссертация на соискание ученой степени доктора техн. наук. - Л. : ЛПИ, 1973. - 890с.

3. Вольдек А.И. Электрические машины. Л. : Издание 2-е, Энергия,1974.-840с.

4. Осмоловский П.Ф. Итерационные многоканальные системы автоматического управления. М. : Советское радио, 1969. - 256с.

5. Андрущук Вик.В. Теоретическое и экспериментальное исследование высокоточной системы электропривода с беспазовой машиной постоянного тока. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л. : Издательство ЛПИ, 1973. - 16с.

6. Петухов Н.В. Исследование точной системы электропривода при детерминированных возмущениях. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л. : Издательство ЛПИ,1975.- 16с.

7. Алартырев М.С. Теоретическое и экспериментальное исследования низкоскоростной системы электропривода постоянного тока. -Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. Л. : Издательство ЛПИ, 1974. - 16с.

8. Киппер X. Исследование фазо-импульсной системы точного электропривода с подчиненными контурами регулирования. -Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. Л. : Издательство ЛПИ, 1974. - 16с.

9. Ефимов И.Г. Дискретная система электропривода с широким диапазоном регулирования скорости. Л. : ЛДНТП, 1969. - 19с.

10. Ю.Кривцов А. H. Сравнительной анализ низкоскоростных фазо-импульсных систем. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - J1. : Издательство ЛПИ, 1972. - 16с,

11. П.Веселков Е.Л. Исследование прецизионных электроприводов переменного тока с двигателями двойного питания. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л. : Издательство ЛПИ, 1973. - 16с.

12. Трахтенберг P.M. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. М. : Энергоатомиздат, 1982. - 170с.

13. Староверов Б.А. Разработка и исследование астатических дискретных систем электропривода с импульсными силовыми преобразователями. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук.-Киев: 1973.-24с.

14. Тарарыкин C.B. Принципы управляемой синхронизации машин в технологических агрегатах для производства ленточных и волоконных материалов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора техн. наук. - Санкт-Петербург: 1992.-34с.

15. Фалеев М.В. Микропроцессорные импульсно-фазовые электроприводы информационно-измерительных систем. -Диссертации на соискание ученой степени доктора техн. наук. -Иваново : 1997. 338с.

16. Панталеев В.И. Электропривод переменного тока в прецизионных следящих системах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора техн. наук. - Красноярск : 1993. - 41с.

17. Бронов С.А. Следящий электропривод с индукторным двигателем двойного питания. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л.: Издательство ЛПИ, 1989.-16с.

18. Гелиг А.Х., Леонов Г.А., Якубович В.А. Устойчивость нелинейных систем с неединственным состоянием равновесия. М. : Науки, 1978. -400с.

19. Шахгильдян В.В., Ляховкин A.A. Системы фазовой автоподстройки частоты. М. : Связь, 1972. -448с.

20. Системы фазовой синхронизации с элементами дискретизации. 2-е издание // Под ред. Шахгильдяна В.В. - М. : Радио и связь, 1989. -320с.

21. Потанов A.M. Настройка и испытания следящих приводов М. Энергия (Библиотека по автоматике вып. 387), 1970. - 250с.

22. Шарахин В.Н. Исследование электропривода с повышенной точностью стабилизации скорости. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л. : Издательство ЛПИ, 1965,- 16с.

23. Павлов Г.Г., Смирнов Г.А., Фролова A.B. Разработка и исследование калибровочных стендов. //Труды ЛПИ, N282. Л. : Машиностроение, 1967.-с 104-126.

24. Смирнов Г.А. Прецизионное воспроизведение параметров движения. -Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора техн. наук. Л. : Издательство ЛПИ, 1975. - 44с.

25. Андрущук Вл.В. Теоретическое и экспериментальное исследование высокоточной системы электропривода. Автореферат диссертациина соискание ученой степени канд. техн. наук. Л.: Издательство ЛПИ, 1969.-23с.

26. Андрущук Вл.В. Цифровые системы измерения параметров движения механизмов в машиностроении. СПб. : Политехника, 1992. - 237с.

27. Рыдов В.А. Разработка и исследование цифрового электропривода для станков с ЧПУ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л. : Издательство ЛПИ, 1980. -16с.

28. Яковлев В.А. Цифровой электропривод подач станков с программным управлением. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. -Л.: Издательство ЛПИ, 1985.-18с.

29. Лившиц Л.Л. Повышение производительности и точности фрезерных станков на основе совершенствования управления электроприводами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л. : Издательство ЛПИ, 1989. - 16с.

30. Сотомайор М.Х. Анализ и синтез цифровых систем управления электроприводами с компенсационными регуляторами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - СПб. : Издательство СПбГТУ, 1993. - 16с.

31. Хаммами А.К. Разработка методологии, расчет и исследование финитных электромеханических систем с цифровым управлением. -Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. СПб.: Издательство СПбГТУ, 1998. - 16с.

32. Барышников В.Д., Куликов С.Н. Автоматизированные электроприводы машин бумагоделательного производства. Л. : Энергоатомиздат, 1982. - 144с.

33. Шестаков В.М. Регулируемые электроприводы отделочных агрегатов целлюлозно-бумажной промышленности. М. Лесная промышленнсть, 1982. - 160с.

34. Новиков В.А. Исследование автоматизированных тиристорных электроприводов бумагоделательных машин. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л. 1967,-16с.

35. Пантелеев В.И. Электропривод переменного тока в прецизионных следящих системах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора техн. наук. - Красноярск : Издательство КрГТУ, 1993. -41с.

36. Бронов С.А. Прецизионный позиционный электропривод с двигателями двойного питания. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора техн. наук. - Красноярск : Издательство КрГТУ, 1999. - 40с.

37. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А., Семенов И.М. Кафедра САУ: история, настоящее и будущее. //В кн. "Системы автоматического управления". -Л. : Издательство ЛПИ, 1990. 5-13с.

38. ГОСТ Р.50369-92. Электропривод. Термины и определения М. : Госстандарт, 1992. - 12с.

39. ГОСТ 27803-91. Электроприводы регулируемые для станкостроения и робототехники. Общие технические требования. М. : Госстандарт, 1991.-18с.

40. Заборовский С.А. Исследование системы согласованного вращения асинхронных двигателей с реакторным управлением. Авторефератдиссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. J1.: Издательство ЛПИ, 1969,-16с.

41. Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы М.: Высшая школа, 1967. - 527с.

42. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Л. : Энергия, 1973. - 304с.

43. Ковчин С.А. , Фан Лицзинь Особенности подчиненного управления двухмассовыми упругими электромеханическими системами // Труды СПбГТУ 1995, N 452. с.28-38.

44. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. Учебное пособие 2-ое издание - М.: Наука, 1988-256с.

45. Рыкин О.Р. , Юревич Е.И. Метод гармонической линеаризации второго рода в вопросах устойчивости САУ с периодическими нелинейностями Л.: Труды ЛПИ , N 303 , Энергия. 1969-С.9-15.

46. Ковчин С.А., Фан Лицзинь. Свойства упругих электромеханических систем с цифровым управлением // Труды СПбГТУ 1996, N 462. с.23-31.

47. Фишбейн В.Г. Расчет систем подчиненного регулирования вентильного электропривода постоянного тока — М.: Энергия, 1972-136с.

48. Попов Е.П., Пальтов И.П. Приближенные методы исследования нелинейных автоматических систем М.: Государственное издательство физико-математической литературы,1960-791с.

49. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. М.: Наука, 1976-575с.

50. Тун А.Я. Системы контроля скорости электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1984-167с.157

51. Гелиг А.Х. Динамика импульсных систем и нелинейных сетей. Л.: Издательство Ленинградского университета, 1982-191 с.

52. Галицков С.Я. Системы управления прецизионными станками и роботами. Самара, Издательство СГТУ, 1993-118с.

53. Гельднер К., Кубик С. Нелинейные системы управления. М.: Издательство «Мир», 1987-368с.

54. Пинчук В.М. , Шарахин В.Н. Системы подчненного управления электроприводами. Л.: издательство ЛПИ, 1983.-80с.

55. Дьяконов В.П. Справочник по применению системы РС МаИ,АВ. М.: Издательство "Наука", 1993.-93с.

56. Дьянконов В.П., Абраменкова И.В. МаЙаЬ 5.0/5.3 система символьной математики. - М.: 1999.-633с.