Введение к работе
Актуальность темы. Совершенствование систем управления электродвигателями стимулировало применение надёжных асинхронных двигателей (АД) в приводах механообрабатывающего оборудования (станков с ЧПУ и промышленных роботов).
Особенность функционирования АД в приводах станков с ЧПУ и промышленных роботов состоит в использовании следящего режима с большим диапазоном изменения нагрузки и необходимости регулирования основных параметров (мощности, скорости перемещения и др.) в широких пределах.
Экономичность работы станка и качество получаемых изделий во многом зависит от точности встроенных средств управления, представляющих собой сложную многоконтурную систему. Исследование и проектирование подобных систем можно выполнить на хорошем уровне с использованием компьютерного моделирования процессов в объекте и системе управления, требующих создания совокупности моделей управляемых электродвигателей.
Цель работы состоит в повышении эффективности управления механо-обрабатывающим оборудованием на основе разработанных моделей управляемых асинхронных двигателей.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
исследовать существующие методы и средства моделирования динамических процессов в управляемом асинхронном двигателе;
составить математические модели объекта (АД) с обоснованием целесообразности принятого уровня идеализации для обеспечения управляемости;
выбрать совокупность переменных, соответствующих условиям наблюдаемости, т. е. доступности для измерений с заданной точностью;
определить типовые программные комплексы, позволяющие обеспечить моделирование при заданных условиях;
создать в выбранных программных комплексах модели управляемых асинхронных двигателей, параметры которых базируются на использовании их
паспортных данных;
разработать принципы и способы создания встроенных в программные комплексы моделей АД, применяемых в современных станках и промышленных роботах;
создать методику определения диапазонов регулирования рабочих характеристик (механических и временных) асинхронного электродвигателя в автоматизированном электроприводе;
разработать методику определения управляющих входных воздействий, необходимых для получения заданных значений выходных переменных - скорости вращения и момента асинхронного электродвигателя;
провести экспериментальные исследования характеристик управления реальных типовых трехфазных АД с короткозамкнутым ротором для верификации компьютерных (имитационных) моделей.
Научная новизна:
установлены связи между технологическими требованиями к автоматизированному приводу механообрабатывающего оборудования и основными характеристиками исполнительного асинхронного электродвигателя;
разработана совокупность моделей, описывающих зависимости между требованиями к приводу механообрабатывающего оборудования и параметрами управления асинхронным двигателем;
разработан способ решения задачи определения областей управляемости исполнительного асинхронного двигателя;
разработан способ решения задачи определения областей управляющих воздействий для обеспечения заданных режимов работы двигателя.
Практическая ценность:
создана совокупность моделей асинхронного двигателя в средах MultiSim и Matlab, обеспечивающая эффективное исследование процессов управления асинхронными двигателями;
разработана методика определения управляющих воздействий, обеспечивающих заданные режимы работы исполнительного асинхронного двигателя
механообрабатывающего оборудования;
создана встроенная в программный комплекс схемотехнического моделирования MultiSim библиотека моделей промышленных трёхфазных асинхронных двигателей.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использованы методы теории автоматического управления, электрических машин и автоматизированного электропривода, а также математический анализ для обработки и интерполяции экспериментальных данных. Исследование процессов в асинхронном двигателе выполнено методами математического моделирования с применением разработанных автором программ и имитационных моделей. Реализация математических алгоритмов осуществлена в программных средах Matlab и MathCAD. Схемотехническое моделирование проведено с использованием программного комплекса MultiSim.
Достоверность полученных результатов определяется корректным применением методов численного интегрирования, теории автоматического управления, положений теории электротехники и электрических машин и подтверждается согласованностью результатов математического и имитационного моделирования с данными экспериментальных исследований промышленных электродвигателей.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах кафедры «Электротехники, электроники и автоматики» ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», на ХІ-й научной конференции ГОУ ВПО МГТУ «Станкин» и «Учебно-Научного Центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» (Москва, 23-25 апреля 2008 г.), на ХП-й научной конференции ГОУ ВПО МГТУ «Станкин» и «Учебно-Научного Центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» (Москва, 14-15 мая 2009 г.), на Международной научно-технической конференции «Мехатроника, Автоматизация, Управление» (МАУ-2009) (Геленджик, 28 сентября — 3 октября 2009 г.), на ХШ-й научной конференции ГОУ ВПО МГТУ «Станкин» и «Учебно-Научного Центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ
РАН» (Москва, май 2010г.).
Внедрение результатов исследования осуществлено в учебный процесс:
в ГОУ ВПО МГТУ «Станкин» по дисциплинам: «Электротехника и электроника»; «Автоматизированный электропривод»; «Теория автоматического управления» в виде лабораторного практикума и библиотеки моделей АД;
во Владимирском государственном университете в курсе «Электромеханические и мехатронные системы».
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 8 опубликованных печатных работах, в том числе в журнале «Вестник МГТУ «Станкин», входящем в перечень утвержденных ВАК РФ изданий.
Структура и объём работы. Диссертация общим объёмом 210 страниц состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 98 наименований и 6 приложений. Основной текст изложен на 152 страницах, включает 94 рисунка, 5 таблиц и 41 математическую формулу.
