1 АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
Проблема повышения быстродействия электропривода, являющегося энергетической основой автоматизации технологических процессов, несмотря на большие достижения в этой области, остаётся актуальной, поскольку решение задач совершенствования технологии производства и его интенсификации невозможно без создания автоматизированных электроприводов с высокими динамическими и энергетическими показателями.
Актуальность этого направления неоднократно подчёркивалось в докладах украинских с международным участием конференций по проблемам автоматизированных электроприводов (Харьков 1994 г.-2002 г.).
Развитие микропроцессорной техники обусловило создание электроприводов с непосредственным цифровым управлением, доля которых в общем числе регулируемых приводов неуклонно возрастает. Достоинства систем подчинённого регулирования способствовали их широкому применению в различных отечественных и зарубежных разработках цифровых систем управления. Однако, как известно, эти структуры не реализуют предельных динамических возможностей электропривода. В связи с этим задачи улучшения динамических показателей работы вышеуказанных электроприводов, а именно этому направлению посвящена магистерская работа, являются актуальными.
2 ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью работы является разработка и теоретическое обоснование путей реализации комбинированного управления по задающему воздействию для повышения быстродействия электроприводов с непосредственным цифровым управлением на основе использования особенностей построения дискретных систем подчинённого регулирования и информации о желаемом изменении регулируемой координаты и её разностей, которая содержится в типовых задающих устройствах.
Задачи исследования:
обоснование целесообразности применения комбинированного управления по задающему воздействию;
разработка задающих устройств (ЗУ), позволяющих реализовать комбинированное управление;
разработка структур и определение параметров различных комбинированных цифровых систем регулирования положения (СРП);
разработка математической модели, позволяющей осуществить проверку результатов синтеза и анализ качества регулирования различных многократных цифровых систем управления;
проведение анализа и определение наиболее эффективных структур комбинированного управления;
проведение экспериментальных исследований с целью определения достоверности теоретических положений.
3 ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ
Практическое значение работы состоит в разработке комплекса мер по созданию быстродействующих электроприводов с непосредственным цифровым управлением: определены наиболее эффективные структуры комбинированного управления многократными цифровыми системами регулирования положения и систематизированы результаты по выбору их параметров (получены как аналитические выражения, так и их графическое представление); разработана математическая модель для анализа исследуемых систем.
4 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана приведенная выше общая характеристика работы.
В первом разделе проведём обзор литературных источников, посвящённых проблемам повышения быстродействия электроприводов. Показано, что одним из возможных способов повышения быстродействия и точности воспроизведения желаемых законов движения является реализация комбинированного управления, при котором, наряду с управлением по отклонению, используется регулирование в разомкнутом цикле по управляющему воздействию. Это положение подтверждается как общей теорией комбинированного управления, так и работами Чермалыхина В.М., КоцегубаП.Х., У. Рифеншталя, Минтуса А.Н. и др., в которых доказана эффективность комбинированного управления непрерывными и цифроаналоговыми системами. Однако вопросы создания комбинированных систем регулирования электроприводов с непосредственным цифровым управлением изучены недостаточно, что и определило круг задач, решаемых в магистерской работе.
Электроприводы с непосредственным цифровым управлением получили развитие и распространение благодаря работам Перельмутера В.М., Радимова С.Н., Файнштейна В.Г., Файнштейна Э.Г. и др. исследователей. В практике их построения известны как однократные, работающие с одним периодом квантования во всех контурах регулирования, так и многократные системы подчинённого регулирования, в которых период квантования внешних контуров больше и кратен периоду дискретности вентильного преобразователя (ВП), с которым работает контур регулирования тока (КРТ).
Предметом исследования в данной работе являются многократные цифровые системы регулирования положения. Такой подход позволяет получить общие закономерности и зависимости, которых возможно использовать и для однократных систем, поскольку последние являются частным случаем многократных.
При построении однократных систем возможно улучшение их динамических показателей средствами импульсной коррекции запаздывания в контуре регулирования скорости (КРС).
Для комплексного решения вопросов реализации комбинированного управления и определения его эффективности необходимо осуществить синтез и анализ наиболее распространённых на практике систем регулирования положения (с однократно и двукратно интегрирующими контурами регулирования скорости, с датчиками мгновенного и среднего значения скорости, с различными алгоритмами интегрирования в регуляторах и задающих устройствах, с компенсацией запаздывания в КРС и без неё).
Во втором разделе рассматриваются вопросы синтеза многократных цифровых систем регулирования, которые поясняются на примере системы регулирования скорости (рис.1) с различными периодам квантования: 
- в контуре регулирования тока и 
- в контурах регулирования скорости, где k - целое число.
Для согласования работы контуров регулирования тока и скорости используется экстраполятор нулевого порядка (Э). Контур регулирования тока настроен согласно рекомендациям, приведенным в работах В.Г.Файнштейна, Э.Г.Файнштейна, из условия, что изменение среднего значения тока при скачке задания на его входе происходит по экспоненциальному закону
желаемая постоянная времени экспоненты.
Рисунок 1 - Структурная схема двукратно интегрирующего КРС с импульсной коррекцией запаздывания
Оптимизация систем производится из условий модульного оптимума (МО), поскольку такая настройка даёт удовлетворительные результаты не только для непрерывных, но и для цифровых систем. Постоянные интегрирования контуров регулирования определяются при их последовательной оптимизации.
В трeтьем разделе рассмотрено комбинированное управление цифровыми системами регулирования положения. Оно достигается с помощью задающих устройств, которые формируют на входе контура регулирования положения (КРП) с пропорциональным (линейным) регулятором положения (РП) сигнал, пропорциональный заданному (желаемому) закону изменения во времени регулируемой координаты (положения), и корректирующих связей. Рассматриваются системы, в которых подчинёнными контурами являются как однократно интегрирующие, так и двукратно интегрирующие контуры регулирования скорости при различных способах организации обратной связи по скорости и при использовании различных алгоритмов интегрирования, как в задающих устройствах, так и в РС2.
При реализации комбинированного управления в системах регулирования положения с ограничением рывка выбором соответствующей структурной схемы задающего устройства всегда можно получить дискретную передаточную функцию подлежащей оптимизации комбинированной системы, вида
при полностью управляемых коэффициентах числителя.
Это позволяет осуществить оптимизацию системы (определить параметры корректирующих связей) из условий обеспечения процесса конечной длительности
,
где i принимает значения от 1 до m.
На рис.2 приведена линейная часть задающего устройства, позволяющего реализовать комбинированное управление с m=5 в системах регулирования положения с двукратно интегрирующим контуром скорости и датчиком среднего значения скорости. Для аналогичных систем с обратной связью по мгновенному значению скорости можно реализовать комбинированное управление только с m=4. В случае построения систем регулирования положения с однократно интегрирующим контуром регулирования скорости порядок комбинированного управления соответственно понижается на единицу (m=4,3), так как исчезает дополнительная корректирующая связь, заведенная за интегральный регулятор скорости РС2.
Рисунок 2 - Структурная схема задающего устройства для СРП с двукратно интегрирующим КРС
{При наведении указателя мыши на рисунок появится схема задающего устройства для СРП с обратной связью по мгновенному значению скорости (m=4)}
Реализации импульсной коррекции запаздывания в контурах регулирования скорости (если k=1) позволяет повысить жесткость механической характеристики электропривода и при этом упростить структуру задающего устройства, поскольку порядок передаточной функции замкнутой системы регулирования положения не будет зависеть от вида обратной связи по скорости, и будет одинаков как для систем с датчиком мгновенной, так и средней за период измерения скорости.
В четвёртом разделе приведены результаты разработки алгоритма управления задатчиком положения, при использовании которого задание на положение отрабатывалось бы СРП без ошибки вне зависимости от периодов квантования в КРТ, внешних контурах регулирования и уровней ограничения скорости, ускорения и рывка. Разработана модель СРП в пакете MATLAB (фирмы "Mathwork") для проверки результатов теоретических исследований. Проведен анализ переходных процессов в СРП при реализации комбинированного в сравнении с системами, работающими по отклонению. Сделаны выводы о целесообразности применения комбинированного управления цифровыми СРП.
Для сравнения приведу графики переходных процессов двукратно интегрирующей СРП с обратной связью по среднему значению скорости, работающую по отклонению и с комбинированным управлением при k=2 и y=2, на которых явно виден выигрыш в быстродействии.
Рисунок 3 - Графики переходных процессов двукратно интегрирующей СРП с обратной связью по среднему значению скорости, работающую по отклонению и с комбинированным управлением при k=2 и y=2.
Планируется провести экспериментальные исследования на лабораторном стенде тиристорного электропривода постоянного тока с микропроцессорным управлением для проверки сходимости результатов математического моделирования с экспериментальными переходными процессами, полученными на лабораторном стенде.
5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В магистерской работе дано решение актуальной научной задачи, заключающееся в раскрытии особенностей построения комбинированных цифровых систем регулирования положения электроприводами, в научном обосновании синтеза этих систем и технических решений для улучшения динамических характеристик электроприводов с непосредственным цифровым управлением.
6 ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
Обосновано применение комбинированного управления для улучшения динамических показателей работы электроприводов с непосредственным цифровым управлением.
Разработаны задающие устройства, расширяющие сферу применения комбинированного управления для создания эффективных цифровых систем регулирования положения. Показано, что при комбинированном управлении снимается противоречие между числом контуров регулирования и быстродействием, которое доведено до уровня процессов с конечной длительностью. Последнее справедливо как для однократных, так и для многократных цифровых систем.
Разработаны системы регулирования положения, не требующие изменения параметров систем при отработке перемещений с различными значениями рывка и ускорений (замедлений), что может оказаться полезным для улучшения энергетических показателей работы привода.
Установлено, что реализация комбинированного управления в СРП с ограничением рывка, независимо от структурного построения контура скорости, позволяет осуществить отработку задания с максимальным при заданных ограничениях быстродействием. Доказано, что при предложенной методике синтеза переходные процессы во всех рассмотренных системах будут одинаковы, поэтому эффективность комбинированного управления тем выше ,чем хуже динамические свойства соответствующих исходных систем с регулированием по отклонению.
Выполнен анализ и синтез большого количества возможных вариантов построения цифровых систем регулирования положения с комбинированным управлением; разработана математическая модель для исследования многократных цифровых систем регулирования положения.