Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ систем управления многосвязным электроприводом с нежесткой механикой 10
1.1. Общая характеристика и требования к системам многосвязного асинхронного электропривода с векторным управлением и нежесткой механикой 10
1.2. Классификация и анализ способов демпфирования механических колебаний в электроприводе с нежесткой механикой 14
1.3. Анализ средств коммуникации современных электроприводов 18
1.4. Задачи работы 25
Выводы 28
2. Математическое описание многосвязного асинхронного электропривода с векторным управлением и нежесткой механикой 29
2.1. Анализ особенностей векторного управления асинхронным двигателем при управлении электроприводом с нежесткой механикой 29
2.2. Разработка математического описания многосвязного асинхронного электропривода с векторным управлением и нежесткой механикой 35
2.3. Анализ связи между требованиями к динамике и параметрами стандартных форм распределения корней характеристического уравнения 46
Выводы 52
3. Разработка регулятора состояния многосвязного асинхронного электропривода с нежесткой механикой 53
3.1. Синтез регулятора состояния электропривода с нежесткой механикой с учетом ограничения вязкоупругого момента 53
3.1.1. Синтез линейного регулятора состояния 53
3.1.2. Ограничение моментов в механических передачах 58
3.1.3. Оптимизация контура вязкоупругого момента 64
3.1.4. Устойчивость и исследование разработанной системы управления с регулятором состояния 71
3.2. Методика настройки параметров регулятора состояния для обеспечения робастных свойств электропривода 74
3.2.1. Использование пакета SimulinkResponse Optimization 75
3.2.2. Настройка параметров линейного регулятора состояния 81
3.2.3 Настройка параметров компенсатора вязкоупругого момента 88
Выводы 93
4. Разработка наблюдателей состояния с учетом действия внешних возмущений 94
4.1. Оценка влияния возмущения на восстановление переменных состояния 94
4.2. Методика синтеза астатических наблюдателей состояния 96
4.3. Синтез наблюдателей состояния 100
4.4. Исследование статических и динамических характеристик
наблюдателей состояния 109
4.5. Динамическое закрытие зазора механических передач 115
Выводы 120
5. Разработка и реализация средств коммуникации для систем многосвязного электропривода 121
5.1. Методика разработки средств коммуникации электропривода 122
5.2. Разработка требований и выбор средств коммуникации для системы многосвязного электропривода 126
5.3. Программно-аппаратный комплекс настройки и управления электроприводами серии ЭПВ 130
5.3.1. Разработка программного обеспечения преобразователей частоты серии ЭПВ для обеспечения развитых средств коммуникации 130
5.3.2. Разработка адаптераPC-CAN/RS485 134
5.3.3. Описание программного комплекса VCDrive для настройки и управления сетью электроприводов с персонального компьютера 139
5.4. Экспериментальное исследование разработанных средств коммуникации 142
Выводы 148
Основные выводы и результаты работы 149
Список использованной литературы 151
Приложения 160
- Общая характеристика и требования к системам многосвязного асинхронного электропривода с векторным управлением и нежесткой механикой
- Анализ особенностей векторного управления асинхронным двигателем при управлении электроприводом с нежесткой механикой
- Синтез регулятора состояния электропривода с нежесткой механикой с учетом ограничения вязкоупругого момента
- Оценка влияния возмущения на восстановление переменных состояния
Введение к работе
Решение важной государственной задачи удвоения ВВП невозможно без существенного повышения производительности труда. В решении этой задачи особая роль принадлежит автоматизированному ЭП, обеспечивающему преобразование электрической энергии в механическую и движение до 90% механизмов и машин в промышленности. Бурное развитие силовой электроники и микропроцессорных средств позволило реализовать сложные алгоритмы управления двигателями переменного тока. В результате асинхронный ЭП с векторным управлением стал доступным и широко используется при создании и модернизации систем ЭП, в том числе систем многосвязного ЭП, когда несколько ЭП приводят в движение общую РМ
При этом в условиях жестких требований к энергетике, быстродействию и полосе пропускания таких ЭП необходимо демпфировать колебания, вызванные нежесткостью кинематических связей. Эта проблема стала предметом исследований достаточно давно. В работах Ю.А. Борцова, Б.Ш. Бургина, Г.М. Иванова, Б.В. Квартального, В.И. Ключева, Г.Г. Соколовского, СВ. Тарарыкина, В.М. Шестакова и других выполнены исследования взаимного влияния электрической и механической частей ЭП, предложены последовательная и параллельная коррекция систем подчиненного регулирования, а также синтез регуляторов состояния, обеспечивающих необходимое качество регулирования. Но в большинстве работ рассматриваются системы ЭП постоянного тока. В системах асинхронного многосвязного ЭП с векторным управлением и нежесткой механикой обеспечению монотонности переходных процессов скорости РМ и моментов в передачах при максимальном быстродействии, вариации моментов инерции двигателей и РМ, коэффициентов жесткости и вязкости, а также информационному обеспечению системы, в том числе в условиях действия внешних возмущений, уделено недостаточно внимания.
В ноябре 2007 года Международной электротехнической комиссией была принята группа стандартов ІЕС 61800-7 [108], определяющая виды интерфейсов и профили систем ЭП [105, 109]. Кроме собственно требований и правил общения ЭП с управляющим устройством верхнего уровня принятие такого стандарта подтверждает, что средства коммуникации являются необходимой и неотъемлемой частью систем ЭП. В системах многосвязного ЭП, где интеллект системы распределен между индивидуальными комплектными ЭП и вышестоящим управляющим устройством, обеспечение свободного обмена информацией между элементами системы в режиме реального времени является необходимым условием эффективной работы оборудования. Под свободой в данном случае имеется в виду способность обмена за определенный отрезок времени объемом данных, необходимым для выполнения функций каждого элемента системы.
Для решения этой задачи производители современных комплектных ЭП оснащают их средствами коммуникации, реализующими поддержку коммуникационных протоколов, выполняющими функции промышленного контроллера и другими. Но на сегодняшний день общепринятого набора средств коммуникации и критериев их выбора еще не сложилось.
В этой связи разработка системы многосвязного асинхронного электропривода с векторным управлением и нежесткой механикой, а также требований и методики разработки средств коммуникации этой системы представляется актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка методики синтеза систем управления многосвязным асинхронным электроприводом с векторным управлением и нежесткой механикой, обеспечивающей свободный обмен информацией между элементами системы в условиях действия внешних возмущений.
В соответствии с указанной целью решены следующие задачи:
- выполнен анализ способов демпфирования механических колебании в ЭП с упругими кинематическими связями;
- разработана математическая модель многосвязного асинхронного ЭП с нежесткой механикой с учетом особенностей векторного управления;
- разработаны структура и методика расчета параметров микропроцессорной системы управления скоростью РМ и моментами в передачах, обеспечивающие демпфирование их колебаний и ограничение моментов в передачах в условиях вариации параметров объекта;
- выполнен синтез НС объекта, учитывающих действие на него внешних возмущений;
- создана и апробирована методика разработки средств коммуникации индивидуальных комплектных ЭП, проведены экспериментальные исследования созданных средств коммуникации.
Методы исследований. При решении поставленных задач в работе использованы методы теории пространства состояний, модального управления, метод операционного исчисления, аппарат передаточных функций и структурных схем, методы имитационного моделирования и натурного эксперимента.
Научная новизна работы представлена:
- методом ограничения моментов, возникающих в кинематических связях асинхронного ЭП с векторным управлением и нежесткой механикой; - аналитической зависимостью значения среднегеометрического корня характеристического уравнения разрабатываемой системы ЭП как от времени регулирования, так и от требуемой полосы пропускания;
- методикой синтеза системы асинхронного ЭП с векторным управлением и нелинейным PC переменной структуры, позволяющей рассчитывать параметры регулятора и НС при заданных параметрах нежесткой механики, уровне ограничения моментов и полосе пропускания системы ЭП;
- методикой синтеза НС с повышенным (вторым и более) порядком астатизма, позволяющих в условиях действия на объект управления внешних возмущений повысить точность восстановления как переменных объекта, так и возмущений.
Практическую значимость имеют следующие результаты работы:
- рекомендации по настройке PC, обеспечивающей сохранение монотонности переходных процессов и быстродействия системы при вариации параметров объекта;
- результаты исследования наблюдателей состояния полного порядка, а также астатических НС, в том числе с повышенным порядком астатизма, позволяющие дать рекомендации по использованию каждого типа наблюдателей в системах многосвязного ЭП с нежесткой механикой;
- методика разработки средств коммуникации, ориентированная на создание систем многосвязного асинхронного ЭП, свободно обменивающихся информацией в режиме реального времени как между индивидуальными ЭП так и с вышестоящим уровнем управления при минимальных аппаратных затратах.
На защиту выносятся следующие результаты:
- структура, методика расчета и настройки параметров нелинейного PC переменной структуры многосвязного асинхронного ЭП с векторным управлением и нежесткой механикой;
- структуры, методики расчета и результаты исследований НС с астатизмом повышенного порядка;
- методика разработки средств коммуникации для индивидуальных комплектных ЭП в системе многосвязного ЭП.
Реализация и внедрение результатов работы. Материалы диссертационной работы, касающиеся синтеза PC и НС, ограничения регулируемых переменных и обеспечения свободного информационного обмена между ЭП и другими устройствами, реализованные в преобразователях частоты марки ЭПВ, серийно выпускаемых ООО «ЭЛПРИ» Чебоксарского электроаппаратного завода, приняты к внедрению в ГУЛ «Конструкторское бюро приборостроения» (г.Тула), внедрены в безредукторном ЭП лифта, разработанном совместно с ОАО «НИПТИЭМ» (г. Владимир), а также нашли применение в учебном и научно-исследовательском процессах на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Ивановского государственного энергетического университета.
Апробация работы. Основные положения работы и её результаты докладывались и обсуждались на Межвузовских научно-технических конференциях «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК-2003 и ПОИСК-2004, Иваново, 2003 г. и 2004 г.); I Международной научно-технической конференции «Перспективы использования компьютерных технологий в текстильной и легкой промышленности» (ПИКТЕЛ-2003, Иваново, 2003 г.); Международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологий» (XI, XII, XIV Бенардосовские чтения, Иваново, 2003 г., 2005 г., 2007 г.); Международной научно-технической конференции «Теория и инженерия металлургических процессов» (Краков, Польша, 2003 г.); Десятой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 1 доклад за рубежом (в Польше) и 6 статей в журналах, входящих в перечень периодических научных изданий, рекомендуемых ВАК Минобразования России.
Структура и объём работы. Диссертационная работа включает введение, пять разделов, заключение, список использованной литературы и приложение. Она содержит 159 страниц основного текста, 92 рисунка, 5 таблиц, список использованной литературы, включающий 109 наименований, и приложение на 32 страницах.
Общая характеристика и требования к системам многосвязного асинхронного электропривода с векторным управлением и нежесткой механикой
К наиболее характерным группам установок и промышленного оборудования, где приходится учитывать влияние нежесткости механических передач на динамические показатели ЭП, изнашиваемость деталей и, в конечном счете, на качество продукции и производительность оборудования, относятся металлорежущие станки, роботы и автоматические манипуляторы, бумагоделательные машины, высокоскоростные поточные линии текстильной и химической промышленности, крановые механизмы, лифты, экскаваторы и т.д. Среди них можно выделить объекты, в которых РМ или механизм приводятся в движение двумя или более комплектными ЭП, что позволяет снизить мощность отдельных ЭП и повысить надежность системы, а также обеспечить закрытие зазоров в механических передачах. К таким объектам прежде всего относятся опорно-поворотные устройства антенн, телескопов, подъемно-транспортных механизмов и специальных установок [9], центрифуги и перемешивающие устройства [28], поворотные круги локомотивных депо [33], а также прецизионные металлообрабатывающие станки и промышленные роботы. В перечисленных объектах имеет место упругость первого рода, связанная с нежесткостью механических передач, а связь отдельных ЭП через упругий обрабатываемый материал характерна для технологических линий.
Как при техническом переоснащении, так и при создании новых систем ЭП для всех перечисленных объектов предпочтение в настоящее время отдается комплектном) асинхронному ЭП на базе ПЧ, в изобилии представленному на рынке. Среди используемых в универсальных сериях ПЧ способов управления [62-74, 99] наилучшие быстродействие и точность формирования электромагнитного момента двигателя обеспечивает векторное управление.
Резюмируя вышесказанное, определим класс объектов исследования как системы многосвязного асинхронного ЭД имеющие в своем составе два и более комплектных ЭП, включающих двигатель и ПЧ с векторной системой управления и приводящих в движение через систему нежестких кинематических связей одну РМ.
При разработке систем управления ЭП необходимо руководствоваться требованиями национальных п международных стандартов, параметрами выпускаемых комплектных ЭП, изложенными в технических условиях и руководствах по эксплуатации, а также требованиями технических заданий и особенностями конструкции и эксплуатации конкретного промышленного оборудования, для которого ведется разработка.
В отсутствии стандартов, регламентирующих ЭП для рассматриваемого класса объектов, можно ориентироваться на требования к основным техническим параметрам ЭП, приведенные в ГОСТ 27803-91 «Электроприводы регулируемые для металлообрабатывающего оборудования и промышленных роботов. Технические требования» [21]. В нем для транзисторных ЭП переменного тока мощностью менее 30 кВт определено значение полосы пропускания не менее 100 Гц для ЭП подач и не менее 20 Гц для ЭП главного движения. Диапазон регулирования скорости может иметь значения до 103, от 103 до 104, и свыше 104 для ЭП подач и до 102, от 102 до 103, и свыше 103 для ЭП главного движения.
Кроме того, согласно этому же ГОСТ 27803-91 ЭП главного движения с двигателями переменного тока должны допускать в течение не более 10 с перегрузку по моменту в 1,2-2 раза по сравнению с допустимым длительным значением в соответствии с характеристиками двигателей во всем диапазоне рабочих скоростей. Причем по согласованию с потребителем допускается изготавливать ЭП с другими значениями перегрузки по моменту.
Требования к параметрам регулирования в ЭП опорно-поворотных устройств ниже требований к ЭП металлообрабатывающих станков. Например, в техническом задании на разработку системы двухдвигательного ЭП опорно-поворотного устройства, находящегося в ГУП «Конструкторское бюро приборостроения» (г. Тула), были поставлены требования: - полоса пропускания ЭП, замкнутого по скорости вала двигателя: 20-50 Гц; - диапазон регулирования скорости вращения: 1... 1000; - время нарастания момента двигателя при подаче скачка управляющего воздействия до Миом не более 3-5 мс; - статическая точность регулирования момента ±5%; - перегрузочная способность ЭП по моменту ЗМН0М в диапазоне частот 0 н- 0,9Пяои ; - коэффициент повышения амплитуды отрабатываемого гармонического воздействия на частоте резонанса механической части должен быть не хуже реакции эквивалентного колебательного звена с коэффициентом демпфирования 0,5.
При расчетах параметров регуляторов скорости для объектов с нежесткой механикой, описанных в литературе [9, 84, 86], принимают еще более низкие значения технических параметров. Так, среднегеометрический корень характеристического уравнения контура скорости с модальным регулятором принят равным со0 = 13 с"1 в [9] и со0 = 20 с-1 в [84, 86], следовательно, полоса пропускания контура скорости не превысит значения /пр о /2я- = 3,2 Гц. При этом описанные регуляторы являются статическими. Кроме того, в [9] значение среднегеометрического корня контура положения принято в два раза меньшим значения среднегеометрического корня контура скорости.
Среди особенностей объектов рассматриваемого класса выделим - нежесткость кинематических связей. Она приводит к возникновению колебаний скорости и вязкоупругого момента, что вызывает дребезг люфта механических передач, повышенный износ, а иногда и поломку деталей, снижает качество продукции и производительность оборудования; - изменения геометрии механизма (движение зеркала антенны, изменение положения охвата манипулятора в пространстве, изменение длины каната подъёмника), присоединенных масс (масса переносимого груза) и физических свойств материалов (нагревание, старение) [9], а так же, как и в других объектах, замену двигателей, отдельных узлов и деталей механизма на аналогичные при проведении ремонта или модернизации. Следствием этого является изменение моментов инерции рабочей машины и двигателей, коэффициентов жесткости и вязкости кинематических связей; - действие возмущений сложной формы, например, ветровой нагрузки, оборотных пульсаций статического момента, ударных нагрузок и т.п.
Анализируя требования ГОСТ 27803-91 [21], данные, приведенные в литературе, и особенности объектов рассматриваемого класса, можно сделать следующие выводы: - требования по полосе пропусканій контура скорости в ЭП рассматриваемого класса примерно соответствуют требованиям к ЭП главного движения металлообрабатывающих станков. При этом значение полосы пропускания должно как минимум в два раза превышать значение полосы пропускания контура положения, которое имеет порядок единиц Гц; - в рассматриваемых ЭП не требуется регулирование скорости вверх от номинальной снижением потока возбуждения электродвигателя, а также не требуется диапазон регулирования скорости больше 1000;
Анализ особенностей векторного управления асинхронным двигателем при управлении электроприводом с нежесткой механикой
При рассмотрении систем ЭП с нежесткой механикой проводят анализ взаимного влияния электрической и механической частей [5, 10, 24, 25, 32-34, 36, 47, 57, 91-93, 96]. Установлено [24, 25, 33, 91-93], что конструктивные или естественные (противоЭДС двигателя, вязкое трение в кинематических связях, соотношение моментов инерции вала двигателя и РМ), а также структурные (обратные связи по току, скорости в системе управления) особенности ЭП влияют на степень взаимосвязи между его электрической и механической частями. Подобрав определенным образом параметры механики привода и системы управления, можно усилить демпфирующее действие электрической части на процессы в механической части ЭП.
Естественные факторы, демпфирующие колебания механической части, зависят от выбора двигателя и параметров механики привода, которые часто являются заданными условиями при построении системы ЭП. Кроме того, эти факторы сами по себе не могут обеспечить эффективного демпфирования [25] и рассматриваются как вспомогательные. Однако их следует учитывать при синтезе системы управления.
В качестве критерия оценки взаимосвязи электрической и механической частей ЭП используют коэффициент электромеханической связи кэс [25, 33, 36, 91]. Диапазон изменений кэс принято разделять на области слабой, существенной и жесткой электромеханической связи по демпфирующей способности ЭП. В областях слабой и жесткой электромеханической связи демпфирующая способность ЭП мала по причине: в первом случае слабого влияния изменений скорости на величину тока, а во втором случае - чрезмерной жесткости механической характеристики ЭП. В области существенной электромеханической связи демпфирующая способность ЭП достигает своего наибольшего значения.
Известно множество работ [5, 9, 10, 24, 25, 29, 32-36, 47, 57, 84, 91-94, 96], в которых анализируется влияние структурных особенностей ЭП на динамику упругой ЭМС. Однако все они рассматривают одноконтурную систему ЭП постоянного тока, либо ЭП с системой подчиненного регулирования координат. Вопрос взаимного влияния электрической и механической частей в ЭП переменного тока представляется недостаточно изученным.
Итак, рассмотрим контур электромагнитного момента асинхронного ЭП с системой векторного управления с целью выяснить взаимное влияние электрической и механической частей.
Из теории векторного управления ЭП известно, что наиболее простой в структурном исполнении и в тоже время наиболее эффективной по перегрузочной способности и динамическим характеристикам привода является система векторного управления с ориентацией тока статора по вектору потокосцепления ротора АД [12, 76, 100]. Такая ориентация позволяет раздельно управлять потокосцеплением и электромагнитным моментом двигателя в каналах регулирования реактивной (Id) и активной (Iq) составляющих тока статора.
Электромагнитные уравнения АД, записанные относительно тока статора и потокосцепления ротора в ортогональной системе координат (d,q), ориентированной по вектору потокосцепления ротора (\yrq = 0;4W =xVr) ПРИ допущении о симметрии электромагнитной системы двигателя, отсутствии насыщения, потерь в стали, влияния пазов и высших пространственных гармоник поля, имеют вид [14, 76]: о4 = -RsId + Ud + oLs Iq - - .. (2 і) dlq L oLs- - = -RsIq + Uq -oLs uyId —ft-aiyyvr; (2.2) Tr = -yr+LmId; (2.3) at v - o + (os=(o + ———; (2.4) Tr ці, M -zp -xVrIq, (2.5) где Rs, Rr - активные сопротивления фаз статора и ротора; Ls, Lr, Lm - индуктивности фаз статора, ротора, взаимная; I? а = 1 — коэффициент рассеяния; LsLr Tr = —— постоянная времени роторной цепи; R,. Ucj ,Uq, Id, Iq - проекции векторов напряжения и тока статора на оси d и q ; сОцУ - частота вращения вектора потокосцепления ротора; со = 2р(ог - электрическая частота вращения ротора; со,. - механическая частота вращения ротора; со5 - частота скольжения. Lr Внутренняя обратная связь по ЭДС двигателя (противоЭДС), связывающая электри ческую и механическую части ЭП, учитывается слагаемым ( —а шЧ /-) в уравнении (2.2). Jr
Функциональная схема контура тока асинхронного ЭП с векторной системой управления, построенной на основе уравнений (2.1-2.5) и в соответствии с классической системой «Трансвектор» [101, 106], представлена на рис. 2.1.
Не вдаваясь в подробности работы и технической реализации системы, отметим наличие в ней блока компенсации перекрестных связей. Этот блок компенсирует влияние перекрестных связей (двух последних составляющих в уравнениях (2.1) и (2.2)) на процессы, происходящие в контурах составляющих токов Ij и Iq двигателя. Такая компенсация является необходимым условием синтеза процессов в контуре тока, выполняемого при условии полной компенсации взаимного влияния каналов управления по осям d.qw действия противоЭДС ротора. Блок формирует сигналы компенсации по осям d и q в соответствии с выражениями: Ukd= {-oLs vIq + -%) , (2.6) Ukq = -( А чЛ/ + QVVI/?-) (2-7) Кпч Lr где km - коэффициент передачи преобразователя частоты по амплитуде напряжения.
Рассмотренная система векторного управления позволяет осуществлять управление АД при раздельном регулировании: - поля - током Irf (ток потока, намагничивающий ток, реактивный ток); - момента - током Iq (ток момента, активный ток).
Синтез регулятора состояния электропривода с нежесткой механикой с учетом ограничения вязкоупругого момента
Полная управляемость и наблюдаемость объекта определяет принципиальную возможность синтеза регуляторов и наблюдателей состояния. Наиболее известными и часто употребляемыми являются критерии полной управляемости и наблюдаемости Калмана [16, 31]. Поскольку в разрабатываемой системе управления применяется и PC, и НС, удобнее воспользоваться критерием управляемости по выходу [90], что позволяет проверить одновременное выполнение условий полной управляемости и наблюдаемости объекта.
Используя структурную схему рис. 3.1 создадим модель системы управления с PC в пакете расширения Simulink системы компьютерной математики Matlab. На рис. 3.2 представлена созданная модель.
На рис. 3.3 представлены временные характеристики модели рис. 3.2. Кривые 1 и 3 рис. 3.3 - соответственно задающее и возмущающее воздействия, кривые 2 и 4 - скорость РМ 2 и упругий момент My . Рассмотрены пуск на номинальную скорость, реверс и останов, а также отработка наброса и сброса момента сопротивления. Во всех рассмотренных режимах как &2, так и Му изменяются монотонно.
Таким образом, для принятой математической модели объекта возможно синтезировать PC, обеспечивающий устойчивость системы и выполнение первого из предъявленных к системе управления требований (см. п. 1.1, стр. 13) - обеспечение монотонного характера переходных процессов скорости вращения вала РМ и вязкоупругого момента при пуске, реверсе и торможении.
Рассмотрим теперь, каким образом можно обеспечить ограничение вязкоупругих моментов в пределах перегрузочной способности по электромагнитному моменту используемых в системе комплектных ЭП.
В ЭП в общем случае требуется ограничивать три основные группы параметров: - энергетические (ток, напряжение), что связано с ограниченной мощностью источника энергии и коммутационными возможностями ключей; - механические (силы и моменты в кинематических передачах), что связано с прочностью элементов передач; - параметры движения исполнительного органа ЭП (ограничение угла поворота, скорости, ускорения, рывка).
В соответствии с принятым в данной работе подходом полагаем, что ограничение энергетических переменных реализовано в контуре электромагнитного момента комплектного ЭП переменного тока (рис. 2.1), на основе которого разрабатывается система управления.
Ограничения механических параметров и параметров движения в ЭП могут быть обусловлены аварийными режимами (короткое замыкание, стопорение, перегрузка и т.п.) или переходными процессами.
Указанные ограничения, связанные с аварийными режимами, реализуются защитными устройствами комплектного ЭП и при синтезе системы управления не рассматриваются. Ограничения в переходных режимах рассматриваются в том случае, если они часты или существенно влияют на качество продукции.
Рассмотрим детально ограничение моментов, возникающих в механических передачах многосвязного асинхронного ЭП с нежесткой механикой в переходных режимах при использовании PC, учитывая необходимость простоты их реализации.
Для ограничения координат ЭП применяют четыре основных способа: - с помощью отсечек [6, 88-90]; - с ограничением сигнала на входе контура регулирования переменной [4, 6, 7, 9, 88, 89, 93], - с логическим переключающим устройством [б, 39]; - с задатчиком интенсивности на входе контура регулирования переменной [84].
В структуре системы с отсечками (рис. 3.4,а) используются нелинейные элементы с зоной нечувствительности, в структуре системы с ограничением сигналов на входе контура (рис. 3.4,6) — нелинейные элементы с насыщением. В первом случае при достижении переменной хп своего предельно допустимого значения начинает действовать отрицательная обратная связь, и сигнал XJт поддерживается постоянным независимо от величины сигнала задания U3n. Во втором случае сигнал U3n поддерживается постоянным и соответствующим максимально допустимодгу значению хп при значениях Vрп, превышающих уровень насыщения.
В обоих случаях контур переменной JC„_, размыкается на время поддержания переменной хп на максимально допустимом уровне. В результате динамика разомкнутой системы может не соответствовать требуемой, а при определенных параметрах объекта и величинах входных воздействий система может оказаться неустойчивой.
Особенно это актуально для систем ЭП с нежесткой механикой, в которых колебательный характер переходных процессов скоростей двигателя и РМ, а также моментов в передачах обусловливает необходимость разработки регуляторов этих координат. Кроме того, использование отсечек или ограничения сигнала на входе контура подразумевает наличие независимого контура ограшгчиваемой координаты, как, например, в системах подчиненного регулирования [7]. В этом случае ограничение координат основано на использовании отдельных регуляторов выходной и промежуточных координат с выбором минимального значения на выходах регуляторов для формирования напряжения силового преобразователя. Такой способ ограничения координат усложняет структуру системы управления. Это особенно ощутимо в ЭП с нежесткой механикой, где количество промежуточных координат не менее двух (скорость двигателя, упругий момент). К тому же, как отмечают сами авторы [39], система может быть неустойчивой либо переходить в автоколебательный режим в зависимости от уровня и формы внешний воздействий.
Задатчик интенсивности в системах управления ЭП [6-8, 84] располагается на входе контура регулирования скорости и предназначен для ограничения ускорения и рывка - первой и второй производных скорости соответственно. Такая задача стоит в ЭП, например, транспортеров, подъемно-транспортных механизмов и, прежде всего, лифтов. В принятых к рассмотрению объектах, например, опорно-поворотных устройствах антенн, телескопов, использование задатчика интенсивности не рационально, поскольку в структурах таких систем есть внешний контур управления перемещением (позиционирования).
Ограничение моментов, возникающих в кинематических связях нежесткой механики, может достигаться построением PC в реальных, а не фазовых, координатах, что позволяет выделить в синтезированной системе управления (рис. 3.1) контур упругого момента и поставить на его входе ограничение [19]. Структура нелинейного PC показана на рис. 3.6. Упругий момент здесь ограничивается сигналом на входе контура упругого момента.
Оценка влияния возмущения на восстановление переменных состояния
В объектах рассматриваемого класса эффективная работа системы в целом невозможна без свободного обмена информацией между комплектными ЭП и другим оборудованием, что обеспечивается правильным выбором средств коммуникации. Как правило, при проектировании систем ЭП полагаются на средства коммуникации, имеющиеся в выбранном для реализации системы комплектном ЭП. Однако такой подход обладает рядом существенных недостатков, к которым необходимо отнести: — неопределенность набора средств коммуникации, достаточных для выполнения предъявленных к системе требований, и необходимых характеристик средств коммуникации; — недостаточность имеющихся в выбранном комплектном ЭП средств коммуникации, либо отсутствие характеристик, необходимых для выполнения требований к проектируемой системе в целом. В результате это приводит к неработоспособности системы; — ограниченность информации об имеющихся в выбранном комплектном ЭП средствах коммуникации. Как правило, известны только их характеристики и основные режимы работы. Невозможно прогнозировать, как будут работать средства коммуникации и система ЭП в целом в ситуациях, не описанных производителем; — невозможность изменения, как набора, так и характеристик и алгоритмов работы средств коммуникации, существующих в выбранном комплектном ЭП. Для этого придется разрабатывать специальное устройство, заменяющее либо дополняющее эти средства коммуникации; — возможность возникновения сложности с организацией обмена информацией при использовании в проектируемой системе комплектных ЭП разных производителей, а также с другим оборудованием; — скудность, явную недостаточность набора средств коммуникации с низкими характеристиками в комплектных ЭП отечественного производства [62-64]. -— Поэтому необходима методика разработки средств коммуникации, позволяющая обеспечить проектируемую систелгу достаточным набором таких средств.
Задача исследования и технической реализации средств коммуникации не менее актуальна. Подтверждением этого является постоянное соперничество производителей ПЧ и комплектных ЭП в развитии средств коммуникации своей продукции и отсутствие в свободном доступе информации о способах, алгоритмах их реализации.
Для разработки и последующей реализации средств коммуникации проектируемой системы ЭП необходимо решить ряд последовательных задач.
На первом этапе, который можно назвать «Определение требований и выбор средств коммуникации», нужно определить требования к средствам коммуникации проектируемой системы ЭП, некоторые из которых имеют количественную оценку, например, объем передаваемых данных, время передачи фиксированного объема данных, и их приоритет по отношению друг к другу. Затем, руководствуясь принципом разумной достаточности, нужно выбрать средства коммуникации, сначала аппаратные, а затем и программные, с помощью которых будут выполнены поставленные требования.
На втором этапе необходимо «Разработать и реализовать коммуникационный протокол» (Fieldbus), служащий основой для создания других средств коммуникации. В случае уникального или, как говорят, закрытого коммуникационного протокола [43, 44] необходимо разработать в первую очередь его спецификацию — описание с набором правил, по которым функционирует протокол. Далее, как и в случае открытого протокола, спецификация которого стандартизирована на международном уровне, нужно решить ряд инженерных задач, связанных с его реализацией. Для этого надо распределить уровни протокола между аппаратными и программными средствами, выбрать либо использовать уже имеющиеся аппаратные средства для реализации физического и, в случае аппаратной реализации, канального уровней протокола. Затем разработать, реализовать и отладить алгоритмы приема и проверки, формирования и передачи кадра в случае программной реализации канального уровня протокола. Для реализации прикладного уровня необходимо разработать, реализовать и отладить алгоритм обработки кадра, разработать средства диагностики связи. Полученное решение должно с одной стороны удовлетворять требованиям спецификации протокола, с другой стороны - обеспечивать выполнение требований определенных на первом этапе. Готового решения задач второго этапа не существует по двум причинам:
1) имеющиеся в распоряжении проектировщика аппаратные средства не позволяют использовать созданное другими программное обеспечение либо готовое программно-аппаратное решение не удовлетворяет требованиям, определенным на первом этапе и
2) производители устройств с реализованными коммуникационными протоколами не раскрывают своих разработок — алгоритмов, кодов программ и т.п., либо защищают их патентами.
В завершении второго этапа необходимо протестировать разработанный коммуникационный протокол для выяснения его фактических характеристик и скорректировать реализацию для соответствия требованиям, определенным на первом этапе. Для тестирования открытого коммуникационного протокола на соответствие стандартам используются средства, рекомендованные организацией, стандартизировавшей протокол, а при отсутствии таких рекомендаций — общепризнанные, широко используемые средства.
На третьем этапе необходимо выполнить разработку программных модулей, позволяющих системе управления ЭП выполнять функции, присущие промышленному контроллеру, если эти модули присутствуют в числе выбранных средств коммуникации. В случае разработки объектно-ориентированных программных модулей вначале нужно определить задачи управления технологическим процессом и критерии оптимальности управления, затем разработать алгоритм управления технологическим процессом и реализовать его. После этого необходимо протестировать разработанные программные модули на предмет выполнения ими задач управления и скорректировать их в случае необходимости. Вцелом действия третьего этапа можно назвать «Разработка и реализация встроенного в систему управления ЭП промышленного контроллера».
«Разработку и реализацию средств управления и автоматизации настройки ЭП» необходимо выполнить на четвертом этапе. Как и в предыдущих этапах, нужно протестировать и скорректировать разработанные средства для точного выполнения определенных для них требований.
На заключительном, пятом этапе необходимо разработать нормативно-техническую документацию, в том числе технические описания и инструкции по эксплуатации созданных средств коммуникации, технические условия и программы испытаний. Затем нужно провести испытания, в результате которых окончательно определить выполнение всеми разработанными средствами коммуникации требований, определенных на первом этапе. Необходимо составить протокол испытаний и в случае необходимости устранить выявленные недостатки и замечания. Пятый этап можно назвать «Разработкой технической документации и проведением испытаний».
