Главная » 2014»Июль»26 » Скачать Модальные регуляторы цифровых электроприводов постоянного тока. Пахомов, Александр Николаевич бесплатно
3:38 AM
Скачать Модальные регуляторы цифровых электроприводов постоянного тока. Пахомов, Александр Николаевич бесплатно
Модальные регуляторы цифровых электроприводов постоянного тока
Диссертация
Автор: Пахомов, Александр Николаевич
Название: Модальные регуляторы цифровых электроприводов постоянного тока
Справка: Пахомов, Александр Николаевич. Модальные регуляторы цифровых электроприводов постоянного тока : диссертация кандидата технических наук : 05.09.03 Красноярск, 2004 163 c. : 61 04-5/3668
Объем: 163 стр.
Информация: Красноярск, 2004
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ЦИФРОВОГО МОДАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМАМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
С ПРЯМЫМ ЦИФРОВЫМ МОДАЛЬНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ;
21; Расчетная схема цифровой системы электропривода
22 Математическое описание двигателя постоянного тока
2211 Дифференциальные уравнения двигателя постоянного тока
2:22 Передаточные функции и структурная схема двигателя постоянного тока
223 Линейные уравнения состояния двигателя постоянного тока
23 Математическое описание микроЭВМ
231 Функции, выполняемые микроЭВМ в системах электропривода!
232 Алгоритм работы и передаточная функция цифрового фильтра
233 Соотношение периода прерывания микроЭВМ и периода коммутации силового преобразователя
24 Математическое описание силового преобразователя
241 Статическая модель силового преобразователя;
242 Динамическая модель силового преобразователя;
243 Визуальная модель управляемого выпрямителя
244 Визуальная модель широтно-импульсного преобразователя
25 Особенности учета чистого запаздывания
26 Математическое описание объекта управления цифровых систем в пространстве состояний
261 Связь между передаточными функциями и уравнениями состояния объекта управления
262 Связь линейных дифференциальных уравнений непрерывной части объекта управления и дискретных-уравнений состояния
263 Технология расчета дискретных уравнений состояния по передаточным функциям и дифференциальным уравнениям непрерывной части объекта управления
27 Обсуждение результатов
3 МЕТОДИКА СИНТЕЗА ЦИФРОВЫХ МОДАЛЬНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ
31: Синтез цифрового модального регулятора
32 Синтез цифрового комбинированного регулятора
33 Особенности учета переменного характера чистого запаздывания при синтезе модального цифрового регулятора системы силовой преобразователь-двигатель постоянного тока
34 Выбор характеристического полинома замкнутой цифровой системы
341 Общий вид характеристического полинома замкнутой системы
314:2; Стандартные распределения полюсов непрерывных систем автоматического управления
343 Уточнение коэффициентов характеристического полинома
Грехема-Летропа
3 44 Сравнительный анализ стандартных распределений полюсов импульсных систем автоматического управления,
35 Обсуждение результатов
4 ТЕХНОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ С МОДАЛЬНЫМ
УПРАВЛЕНИЕМ
4Л Синтез регулятора тока якоря двигателя постоянного тока
411 Модальный регулятор мгновенных значений тока якоря
412 Комбинированный регулятор среднего за последний период коммутации в периоде прерывания тока якоря
42 Синтез регулятора частоты вращения вала двигателя
421 Метод организации токоограничения в цифровой модальной системе управления с переменной структурой
422 Модальный регулятор мгновенного значения частоты вращения в системе с переменной структурой
422 Комбинированный регулятор мгновенного значения частоты вращения
43 Интерфейсная часть программы автоматизированного расчета цифровых систем с модальным управлением
44 Исследование динамических характеристик цифровых систем с модальным управлением
441 Математическое моделирование замкнутых цифровых систем с модальным регулятором
442 Математическое моделирование замкнутых цифровых систем с комбинированным регулятором
443 Математическое моделирование системы модального управления с переменной структурой
45 Обсуждение результатов
Введение:
Актуальность темы. Автоматизированные электроприводы являются главным средством приведения в движение большинства рабочих-машин итех нологических агрегатов в машиностроении, металлургии, станкостроении, транспорте и других отраслях промышленности. Основная тенденция развития электропривода заключается в существенном усложнении функций, выполняемых электроприводом, и законов движения рабочих машин при одновременном повышении требований к точности выполняемых операций. Это неизбежно приводит к функциональному и техническому усложнению управляющей части электропривода и ? закономерно вызывает использование в ней средств цифровой вычислительной техники, что стимулирует развитие микропроцессорных регуляторов и средств их автоматизированного проектирования:
К основным» причинам применения цифровых устройств и систем. ш локальных электроприводах следует отнести следующие достоинства цифрового способа представления информации: а) высокая помехозащищенность в условиях сильных электромагнитных помех, характерных для промышленного производства; б) возможность длительного хранения информации без каких-либо искажений; в) простота контроля при передаче, записи и хранении; г) возможность настройки, модификации и расширения цифровых систем без внесения существенных изменений висходную аппаратную часть за счет перепрограммирования; д) простота унификации цифровых устройств и др.
Создание высокоточных и быстродействующих электроприводов, как основного элемента автоматизации и интенсификации технологических процессов, и систем управления, обеспечивающих высокую эффективность производства, является на сегодняшний день актуальной научно-технической и хозяйственной задачей; Такие требования могут быть удовлетворены, в частности, за счет использования в системах электропривода (СЭП) средств микропроцессорной техники. Для этого необходима прикладная теория проектирования систем электропривода с прямым микропроцессорным управлением (СЭМУ), учитывающая: специфические* особенности: цифрового способа- управления: дис кретность силового преобразователя (СП) и микроЭВМ, чистое запаздывание, вносимое микроЭВМ совместно с СП, различные способы^ формирования сигналов обратных связей (ОС) и др. Созданию такой теории посвящены многочисленные работы (см., например, [6, 14, 75, 76]), в том числе для построения систем управления с подчиненным.регулированием координат СЭП [13, 15, 34, 54]. Элементы теории проектирования систем модального управления недостаточно разработаны для СЭМУ.
В настоящей работе предлагается методика синтеза модальных регуляторов цифровых электроприводов постоянного тока с заданными быстродействием и порядком астатизма, учитывающая дискретные свойства микроЭВМ и; СП, а также датчиков всех выходных координат. Разработка такой методики является важной и актуальной, поскольку дополняет теоретический раздел проектирования; сложных электромеханических систем (стабилизации, следящих систем, систем с числовым программным управлением и др.) с модальным управлением. Это придает промышленным сериям электроприводов необходимые статические и динамические показатели качества.
Объектом исследования являются: СЭП постоянного тока с прямым микропроцессорным управлением, в которых большинство функций регулирующей части? вплоть до управления ключами СП, реализуется программно.
Предмет исследования включает в себя динамические и статические характеристики электропривода постоянного тока с цифровым модальным управлением, учитывающим влияние переменного характера чистого запазды ван ия (43) и наличие двух периодов дискретности - периода прерывания микроЭВМ и периода коммутации СП:
Цель диссертационной работы: создание методики синтеза цифровых электроприводов с модальным управлением, обеспечивающей заданные быстродействие и порядок астатизма, исследование их динамических и статических свойств и формирование практических рекомендаций по применению в СЭМУ.
Для-достижения указанной:целив работе поставлены следующие задачи ф исследования:
•разработка визуальных моделей СЭП постоянного тока* с цифровым управлением на основе, их математического описания для использования в среде Simulink пакета MatLab;
• создание программных средств для автоматизированного формирования матриц дискретных уравнений? состояния? объекта управления (ОУ) с учетом; влияния i43, характерного для СЭМУ, и двух периодов дискретности;
• разработка методики расчета* коэффициентов цифровых модальных регуляторов методом' пространства состояния; обеспечивающей желаемые собственные значения матрицы динамики замкнутой цифровой системы и требуемый порядок астатизма;
• разработка метода токоограничения в модальных системах;
• проверка теоретических положений при помощи математического моделирования цифровой СЭП постоянного тока с модальным управлением.
Основная идея диссертационной работы заключается в построении!: методики синтеза цифровых модальных регуляторов СЭП на основе уравнений состояния ОУ, учитывающих два периода; дискретности и 43, с применением динамической ОС по выходной координате, что одновременно обеспечивает желаемый вид переходных процессов и заданный порядок астатизма, а также повышает быстродействие: за* счет введения: нелинейных ОС, исключающих субгармонические колебания.
Методы! исследования: Теоретические; исследования выполнены с привлечением современной теории электропривода [56, 57], теории автоматического управления [4], классической теории импульсных [21, 107] и цифровых [64, 68] систем, непрерывного [4, 20] и дискретного [53,94] преобразований Лапласа, метода пространства состояний [68, 115] и передаточных функций [4, 64], метода стандартных коэффициентов [72], симплекс-метода Нелдера-Мида [25].
Экспериментальные исследования полученных теоретических результатов проведены методом математического моделирования во временной [17, 18] и частотной [19, 24] областях с применением ПЭВМ: ф
Основные результаты, выносимые на?защиту. При решении поставленных задач были получены; результаты, определяющие новизну работы и выносимые на защиту:
• методика численного расчета матриц дискретных уравнений состояния I
ОУ, учитывающая 43 >в канале управления, два; периода дискретности, а также три способа формирования сигналов ОС;
• визуальные модели элементов СЭП постоянного тока, учитывающие дискретные и нелинейные особенности СП и микроЭВМ;
• методика расчета коэффициентов нелинейных ОС в цифровой СЭП с модальным управлением, обеспечивающая, заданные быстродействие, характер переходных процессов и порядок астатизма;
• практические рекомендации по использованию стандартных настроек непрерывных систем автоматического управления в цифровых системах;
• метод построения модальной СЭМУ с переменной структурой для организации; токоограничения в динамических режимах при пуске, торможении и реверсе двигателя постоянного тока (ДПТ).
Научная новизна диссертационной работы:
• разработана двух'этапная методика, проектирования цифровых модальных регуляторов, обеспечивающая желаемые собственные значения матрицы динамики замкнутой цифровой системы управления и заданный в соответствии с технологическими требованиями порядок астатизма;
• осуществлена коррекция коэффициентов характеристического полинома Грехема-Летропа, что обеспечило близкую закономерность распределений полюсов и схожий вид переходных характеристик для разных порядков;
• предложен метод токоограничения в СЭМУ с модальным управлением.
Значение для теории. Полученные теоретические результаты дополняют теорию электропривода цифровых систем при проектировании модальных регуляторов методом пространства состояний; обеспечивающих как требуемый характер переходных процессов; так и,точность регулирования за счет повышения астатизма замкнутой системы. Ф
Практическая ценность выполненных исследований:
• полученная методика синтеза цифровых астатических систем с модальным управлением обеспечивает высокие статические и динамические показатели и параметрическую грубость СЭМУ, исключает субгармонические колебания в системах с высоким быстродействием;
• разработана компьютерная программа, ,не предъявляющая высоких требований к используемой персональной ЭВМ; для автоматизированного расчета и исследования систем с модальным регулированием координат;
• предложены рациональные значения эквивалентных постоянных времени; характеризующих быстродействие замкнутых систем, для адаптированных к цифровым системам стандартных распределений полюсов;
• повышено быстродействие в 1,2 раза и снижено перерегулирование в 2,5 раза (на 4 %) в переходных характеристиках за счет уточнения коэффициентов характеристических полиномов; доставляющих минимум интегралу от произведения модуля ошибки регулирования на время регулирования;
• даны рекомендации по реализации режима предложенного токоограни-чения при пуске, реверсе и торможении ДПТ.
Достоверность полученных результатов работы определяется использованием для проверки полученных теоретаческих положений апробированной длительной проектной и эксплуатационной практикой математической модели СЭП постоянного тока, исследованием свойств предложенных СЭП в тестовых режимах методом математического моделирования, ожидаемым поведением их переходных характеристик, в том числе с различными визуальными моделями СП, а также при изменении параметров ОУ и управляющей части.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на IV (3-6 июня 2003 г.) Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (г. Красноярск), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием; «Повышение эффективности производства использования энергии в- условиях* Сибири» (г. Иркутск, 16-19 апреля 2002 г.), Всероссийской научно-методической конференции «Совершенствование качества подготовки специалистов» (г. Красноярск, 18-20 апреля 2002 г.), международной научно-технической конференции «Датчики и системы» (г. Санкт-Петербург, 24-27 июня 2002 г.), научно-техническом семинаре «80 лет Отечественной школы электропривода» (г. Санкт-Петербург, 2002 г.)
Использование результатов диссертации.
Теоретические результаты диссертационной работы использованы в разделе «Проектирование микропроцессорных регуляторов промышленных электроприводов» учебной; программы дисциплины «Микропроцессорные средства и системы в электроприводе и технологических комплексах» Красноярского государственного технического университета, методика синтеза цифровых модальных регуляторов используется при курсовом и дипломном проектировании студентов, специальности 180400 - «Электропривод и, автоматика промышленных установок и технологических комплексов», а также при разработке системы управления-электроприводами стана рулонной прокатки, в ЗАО «Краспро-мавтоматика» (г. Красноярск).
Публикации; По результатам^ выполненных исследований и материалам диссертации опубликовано 14 печатных, работ общим объемом 6,5 п.л., в том числе 1 статья: в издании, по списку ВАК, 9 статей в сборниках, 4 работы на Всероссийских и международных конференциях и семинарах:
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав; заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации 163 страницы, в том числе 144 страницы основного текста, 55 рисунков, 7 таблиц, 13 страниц списка использованной литературы из 125 наименований, 5 страниц приложений.
