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 10 000:1.

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.

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.