Введение к работе
Актуальность проблемы. Автоматизация технологических процессов, а также активное внедрение в современное производство робототехнических комплексов является одной из важнейших задач нашего времени. В этой связи дальнейшее развитие и совершенствование электромеханических систем (ЭМС), методов и алгоритмов управления ими, а также выбор надежных исполнительных элементов приобретают первостепенное значение.
Среди различных исполнительных устройств ЭМС наиболее универсальными регулировочными свойствами и эксплуатационными характеристиками обладают бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ), первые серии которых были созданы в пятидесятых годах двадцатого века посредством замены щеточно-коллекториого узла двигателя постоянного тока на более надежный полупроводниковый коммутатор. БДПТ работают в условиях вакуума и агрессивных сред, экономичны и более быстроходны, чем двигатели щеточного типа, весьма гибки в управлении, а срок их службы практически ограничен износом подшипникового узла. Большой вклад в теорию и практику создания и совершенствования БДПТ, а также управления им внесли инженеры и ученые И.Е. Овчинников, Н.И. Лебедев, Ш.И. Лутидзе, А.А. Дубенский, В.К. Лозенко, A.M. Бертинов, В.А. Балагуров, Д.А. Бут, М.Г. Чшшкик.
В настоящее время разработка и исследование электромеханических систем с БДПТ в качестве объекта управления приобретает все большее значение, что обусловлено существующими преимуществами по сроку службы, способностью работы в жестких условиях эксплуатации, универсальностью регулировочных свойств, а также достаточной гибкостью в управлении. Многообразие существующих и разрабатываемых бесконтактных двигателей повлекло за собой появление большого числа различных схем управления этими двигателями. Как отмечают некоторые исследователи, в условиях серийного производства изготовление таких схем затруднено, так как требует дополнительных затрат, связанных с изменением технологической оснастки, контрольной аппаратуры и конструкторской документации на них.
Следует отметить, что основное внимание исследователей сосредоточено на решении прикладных вопросов проектирования отдельных узлов БДПТ и их конструктивного совершенствования. Значительно меньшее количество работ посвящено вопросам разработки новых универсальных алгоритмов и методов управления электромеханическими системами с БДПТ, направленных на улучшение их энергетических показателей.
В этой связи в области управления ЭМС с БДПТ возникает ряд вопросов и связанных с ними проблем теоретического и прикладного характера, для решения которых необходимо проведение соответствующих исследований.
Таким образом, проблема создания новых высоконадежных ЭМС с БДПТ, функционирующих по ряду параметров оптимально, а также разработки соответствующих алгоритмов и методов улучшения качества рабочих процессов и динамических свойств, реализующих принцип энергосберегающих технологий, является актуальной.
Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии с научно-исследовательской работой Воронежского государственного технического университета ГБ 96 - 22 «Исследование электромеханических систем».
Объектом исследования является ЭМС с БДПТ.
Цель н задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка и исследование методов и алгоритмов энергосберегающего управления высоконадежными электромеханическими системами на базе БДПТ, ориентированными на использование в качестве исполнительных элементов сложных роботизированных производственных комплексов и ЭМС специального назначения.
В соответствии с целью исследования в работе поставлены следующие задачи:
-
Проанализировать специфические особенности БДПТ как объекта управления в рамках электромеханических систем.
-
Разработать комплексную математическую модель БДПТ как функционального элемента ЭМС.
-
Разработать универсальный алгоритм формирования энергосберегающего управления ЭМС с БДПТ.
-
Провести исследование ЭМС с БДПТ с позиции управляемости и наблюдаемости, а также асимптотической устойчивости как системы с дискретно поступающей информацией о ее состоянии.
-
Осуществить моделирование и исследование двухдвигательной ЭМС на базе БДПТ.
Методы исследований. Для реализации поставленных в диссертации задач при проведении исследований использовались методы теории автоматического управления, а также методы теории оптимального управления, теорій графов, прикладные методы математического моделирования и компьютерных технологий.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
-
Комплексная математическая модель БДПТ, реализующая концепцию m -подсистем с позиционными обратными связями, позволяющая осуществить системный анализ ЭМС с БДПТ.
-
Универсальные алгоритмы формирования энергосберегающего управления, отличающиеся наличием корректирующих процедур, учитывающих принципиальные особенности ЭМС с БДПТ как системы гибридного типа и
позволяющих осуществить оперативную адаптацию к изменяющимся условиям работы объекта управления.
-
Специальные методы управления, позволяющие использовать ЭМС с БДПТ на принципах энергосберегающих технологий.
-
Результаты исследования ЭМС с БДПТ с позиции принципов стабилизации, управляемости и наблюдаемости как непрерывно функционирующей системы с дискретно поступающей информацией о ее состоянии.
-
Методы синхронизации частоты вращения БДПТ как исполнительного элемента ЭМС с частотой задающего генератора системы, повышающие стабильность частоты вращения.
-
Результаты моделирования и анализа динамических процессов для однодвигательньгх и двухдвигательных ЭМС с БДПТ, позволяющие повысить эффективность процедур алгоритмизации управления.
Практическая значимость работы. Предложенные в работе алгоритмы формирования управляющих функций могут быть использованы при разработке ЭМС с БДПТ бытового, транспортного, специального и общепромышленного предназначения, в частности исполнительных элементов роботизированных комплексов.
Разработанное в работе специальное программное обеспечение может найти свое применение по двум направлениям: во-первых, в научных исследованиях при разработке систем управления различными процессами в опытно-конструкторских бюро, научно-исследовательских и проектных организациях; во-вторых, в автоматизированных системах управления сложными процессами.
Также полученные в работе результаты могут быть применены в учебном процессе для подготовки студентов соответствующих специальностей.
Потенциальный экономический эффект от внедрения результатов работы в промышленность обусловлен повышением функциональной надежности соответствующих устройств и снижением затрат на энергопотребление.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы внедрены:
в учебный процесс кафедры «Автоматика и информатика в технических системах» Воронежского государственного технического университета по курсу «Системы управления электроприводами» для студентов специальности 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»;
в учебный процесс кафедры «Электротехника» Воронежского государственного аграрного университета по курсам «Электропривод» и «Автоматика» для студентов специальности 311400 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»;
в производство и разработку устройств специального назначения с бесконтактными электроприводами постоянного тока ОАО «Агроэлектромаш», г. Воронеж. Результаты внедрения подтверждаются соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на второй Республиканской научной конференции «Современные проблемы информатизации», 1997 г.; на третьей, четвертой и пятой Международных электронных конференциях «Современные проблемы информатизации», 1998,1999, 2000 гг.
Кроме того, результаты работы докладывались и обсуждались на научно-методических семинарах кафедр «Робототехнические системы» и «Автоматика и информатика в технических системах», а также на научно-технических конференциях Воронежского государственного технического университета (1997 -2000 гг.).
Публикации. По результатам исследований опубликована 21 печатная работа, из них 7 статей и 14 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 170 наименований и содержит 141 страницу машинописного текста, 24 рисунка, 4 таблицы и приложения.
