WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

КОПЫЛОВА Лариса Геннадьевна УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ С УПРУГИМИ СВЯЗЯМИ ПРИ ОГРАНИЧЕННОЙ МОЩНОСТИ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» (ИГЭУ).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Тарарыкин Сергей Вячеславович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Староверов Борис Александрович кандидат технических наук, доцент Лебедев Сергей Константинович Ведущая организация ОАО «НИИ Электропривод», г. Иваново

Защита состоится «27» ноября 2009 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.064.02 при ИГЭУ по адресу: г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, корп. Б, ауд. Б-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭУ, автореферат размещен на сайте www.ispu.ru.

Автореферат разослан « » октября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета В.В. Тютиков 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Электромеханические системы (ЭМС) – электроприводы (ЭП) входят в состав технологического оборудования самого широкого спектра действия различных отраслей промышленности. Управление ЭП является эффективным способом регулирования механических и технологических переменных промышленных установок.

Повышение требований к качеству управления ЭМС становится причинной использования при проектировании управляющих устройств (УУ) более детальных математических моделей объектов, которые учитывают, в частности, упругие свойства кинематических передач.

Кроме типовых, существуют более совершенные средства управления – регуляторы состояния (РС), позволяющие значительно расширить возможности проектируемых динамических систем.

Важной особенностью рабочих режимов различного технологического оборудования являются возникающие в процессе работы механические перегрузки, при которых должно обеспечиваться автоматическое ограничение тока (момента) двигателя максимально допустимым значением.

Если опасные перегрузки возникают редко, то система ограничения тока (момента) может функционировать как защитное устройство, полностью отключающее ЭП и вызывающее перерыв в работе механизма.

Однако любой технологический процесс, связанный с производством материалов и изделий, стремятся согласно экономической целесообразности сделать непрерывным. Примерами таких технологических комплексов являются бумаго- и картоноделательные машины, непрерывные станы холодной прокатки, конвейерные линии многих производств, а также технологические агрегаты циклического действия: подъемно-транспортные машины, экскаваторы, металлообрабатывающие станки, промышленные манипуляторы.

Для таких технологических комплексов должно предусматриваться автоматическое ограничение координат, не вызывающее перерывов в технологическом процессе, которые могли бы снизить производительность системы.

В отличие от каскадного, модальное управление (МУ) позволяет достичь требуемого качества регулирования для систем высокого порядка в линейной области их работы. Между тем при больших отклонениях координат от заданных в системах МУ не предусмотрены способы ограничения переменных, которые в переходных процессах могут превысить максимально допустимые значения. Таким образом, динамические свойства системы, полученные «в малом» с помощью более совершенного алгоритма управления, теряются «в большом».

Известны классические способы ограничения координат, которые, на первый взгляд, должны быть совместимы со структурой системы модального управления. К ним относятся задатчики темпа изменения входного сигнала, нелинейные обратные связи типа отсечек по ограничиваемым переменным, а также упреждающее токоограничение (УТО). Эффективность применения указанных элементов защиты подтверждается для ЭМС низкого порядка с жесткими кинематическими связями между валом двигателя и исполнительным органом. Однако перенос их в неизменном виде на электромеханические системы с упругими связями (упругомассовые ЭМС) уже не гарантирует получения желаемых результатов и высокого качества управления.

Разработка нового технологического оборудования проводится, как правило, на основе систем автоматизированных ЭП переменного тока, ЭП постоянного тока здесь составляет лишь незначительную часть. В то же время в технологическом оборудовании, находящемся в эксплуатации, наблюдается иная ситуация. В базовых отраслях промышленности, таких как металлургическая, машиностроительная, целлюлозно-бумажная, действующее оборудование оснащено преимущественно регулируемым ЭП постоянного тока. При модернизации подобных систем возможен как полный переход от двигателей постоянного тока к двигателям переменного тока, так и частичное совершенствование оборудования, но с сохранением в нем в качестве управляемых элементов электроприводов постоянного тока.

Таким образом, в настоящее время для упругомассовых ЭМС, построенных по принципам модального управления и включающих в себя двигатели как постоянного, так и переменного тока, отсутствуют эффективные способы автоматического ограничения переменных в переходных процессах.

Целью работы является разработка и реализация эффективных методов управления упругомассовыми электромеханическими системами повышенной сложности при значительных изменениях режимов функционирования, связанных с переходами из линейной области «малых» в нелинейную зону «больших» отклонений координат состояния, обусловленных ограниченными возможностями силовых исполнительных устройств.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1) анализ проблем и возможностей управления упругомассовыми ЭМС в областях «малых» и «больших» изменений координат состояния с использованием известных технических решений;

2) исследование особенностей управления нелинейными ЭМС повышенной степени сложности в режимах ограничения тока (момента) силовых исполнительных устройств;

3) разработка и исследование эффективных методов формирования переходных процессов статических и астатических ЭМС длительного и повторно-кратковременного режимов работы в условиях ограничения тока силовой цепи;

4) исследование особенностей применения методов ограничения координат состояния ЭМС постоянного и переменного тока с учетом влияния явных и скрытых факторов сложности;

5) практическая реализация разработанных методов и средств управления упругомассовыми ЭМС ограниченной мощности.

Связь с целевыми программами. Полученные результаты исследований и разработанные способы токоограничения нашли отражение в следующих целевых программах.

1. Федеральная целевая научно-техническая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы, тема «Развитие теории робастного управления электроэнергетическими и электротехническими системами для повышения эффективности функционирования».

2. Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)». Подраздел № 2.1.2. «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук», тема «Разработка теории робастного модального управления для решения задач автоматизации технологических объектов».

Методы исследований. При решении поставленных задач в работе использованы методы пространства состояний и модального управления, аппарат теории матриц и передаточных функций (ПФ), методы частотной коррекции систем автоматического управления (САУ) и гармонической линеаризации нелинейностей. Проведение исследований синтезированных систем управления выполнялось методом имитационного моделирования.

Научная новизна работы определяется разработкой и реализацией новых подходов к решению проблемы формирования переходных процессов «в большом» для упругомассовых ЭМС, построенных на базе регуляторов состояния различного типа:

1) установлены основные закономерности влияния темпа изменения скорости и величины нагрузочного момента упругомассовых ЭМС, содержащих задатчик интенсивности (ЗИ) и узел токоограничения, на колебательность процессов стабилизации тока силовой цепи, обусловленные особенностями влияния тока на эквивалентный коэффициент передачи нелинейного элемента в контуре токоограничения;

2) выявлены существенные ограничения возможностей классических и компенсационных полиномиальных регуляторов (ПР) «входа-выхода», синтезированных методами модального управления, в достижении высокодинамичных процессов стабилизации тока (момента) электродвигателей при сохранении робастных свойств создаваемых ЭМС;

3) разработана методика эффективной частотной коррекции контуров токоограничения статических упругомассовых ЭМС постоянного и переменного тока с различными типами регуляторов состояния на основе использования компенсационных корректирующих устройств пониженного порядка и типовых ПИ- и ИД- звеньев в условиях относительно стабильных и существенно меняющихся параметров системы;

4) разработан комплекс методов решения проблемы токоограничения астатических ЭМС, основанных на применении корректирующих устройств с размерностью, соответствующей степени астатизма, логических переключающих устройств, интегрирующих звеньев с синхронным изменением накопленной информации и структурных объединений каналов токовой отсечки (ТО) и основного регулятора;

5) предложено эффективное решение задачи высокочастотного токоограничения для ЭМС, работающих в напряженных повторно-кратковременных режимах, основанное на комбинации скорректированного канала токовой отсечки с дополнительным каналом упреждающего токоограничения.

Практическая ценность работы состоит:

1) в разработке рекомендаций по выбору типов и расчету параметров корректирующих звеньев в каналах токоограничения различных видов ЭМС, а также по настройке комбинированных систем, содержащих каналы токовой отсечки и упреждающего токоограничения;

2) в возможности применения разработанных систем для управления электроприводами постоянного и переменного тока различных технологических машин, функционирующих как в длительном, так и повторнократковременном режимах работы;

3) в разработке вычислительных моделей ЭМС повышенной степени сложности, позволяющих проводить их всесторонние компьютерные исследования на ранних стадиях проектирования.

Реализация результатов работы. Материалы диссертационной работы, касающиеся разработанного метода ограничения переменных, использованы при построении системы управления «Интеграл» металлорежущего координатно-сверлильного станка. Система реализована на IBM-совместимом компьютере и многоосевом контроллере движения, выполняющем функции цифрового управления электроприводами, построенными на базе асинхронных двигателей типа АИР и IGBT-модулей фирмы Mitsubishi Electric. Результаты приняты к внедрению в ОАО «Орелтекмаш» (г. Орел). Полученные результаты нашли также применение в учебном и научно-исследовательском процессах кафедры «Электроники и микропроцессорных систем» ИГЭУ. На их основе разработаны программы и составлены варианты комплексной лабораторной и расчетно-графической работ. Эти материалы используются при подготовке бакалавров по направлению 220200 «Автоматизация и управление» и инженеров по специальности 210106 «Промышленная электроника» в курсе «Теория нелинейных и дискретных систем управления», а также магистров направления 220200 «Автоматизация и управление» в курсе «Современные проблемы автоматизации и управления».

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и получили положительную оценку на Международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии XIII – XV Бенардосовские чтения» (Иваново, 2005 г., 2007 г., 2009 г.); Пятой Международной конференции по автоматизированному электроприводу (СанктПетербург, 2007 г.); Четырнадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 5 статей в журналах, входящих в перечень периодических научных изданий, рекомендованных ВАК Министерства образования России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 112 наименований и 3 приложений. Работа изложена на 150 листах машинописного текста и содержит 105 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, показаны научная новизна и практическая ценность, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ возможностей управления упругомассовыми ЭМС при отработке ими задающих и возмущающих воздействий с помощью систем подчиненного регулирования координат и на основе использования регуляторов и наблюдателей состояния.

Показано, что в условиях повышения технологических требований (к производительности машин, качеству выпускаемой продукции и т.п.) современные электромеханические системы, являющиеся важной составной частью производственного оборудования, проявляют себя как сложные динамические объекты с большим количеством инерционностей, взаимосвязями переменных, наличием резонансных зон и т.п., создающих значительные трудности для управления изменением координат как в линейной области «малых» (рис. 1, область «1»), так и в нелинейной зоне «больших» (рис. 1, область «2») отклонений, обусловленной ограниченными возможностями силовых исполнительных элементов (преобразователей энергии, электродвигателей, кинематических звеньев).

В области «1» осуществляется регулирование скорости электропривода или положения Рис. 1.

исполнительного механизма.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.