Введение к работе
Актуальность работы. Автоматический анализ визуальной информации является одним из важнейших направлений в развитии науки и техники Высокие достижения в области электропривода, оптики и микропроцессорной техники сделали возможным создание автоматических обзорно-поисковых систем (ОПС), решающих широкий круг информационных задач получение, сбор, обработка, преобразование, запоминание и представление одномерной, двухмерной и трехмерной информации
Перспективной разновидностью ОПС являются системы, содержащие узел оптико-механической развертки (ОМР) Данные системы обладают высокой чувствительностью в широком диапазоне воспринимаемых длин волн, высокой угловой разрешающей способностью в большом поле обзора, высокой скоростью сканирования, возможностью создания многоканальных устройств, построенных на одном электроприводе Оптико-механические ОПС широко используются в авиационной и космической технике, робототехнике, в системах восприятия и визуализации трехмерной информации, устройствах автоматического визуального контроля продукции, лазерной локации и др
Электропривод ОПС должен обладать высокой точностью, стабильностью и надежностью работы, малыми энергопотреблением и габаритами Кроме того, особую актуальность при построении ОПС приобретают вопросы повышения точности и быстродействия согласованной работы электроприводов, когда наряду с высокой точностью поддержания уровней частоты вращения двух или нескольких механически не связанных валов требуется также жесткая привязка их заданного взаимного углового положения, то есть синфазность их вращения Наиболее полно данным требованиям отвечает синхронно-синфазный электропривод (ССЭ), представляющий собой совокупность управляемого задающего генератора и одного или нескольких электроприводов с фазовой синхронизацией, построенных на основе принципа фазовой автоподстройки частоты вращения (ФАПЧВ) Синхронно-синфазные электроприводы обладают высокими точностными показателями в широком диапазоне регулирования угловой скорости (точность регулирования по углу достигается порядка единиц угловых секунд, по угловой скорости - порядка 0 001% в диапазоне изменения угловой скорости от сотни до нескольких тысяч оборотов в минуту)
В настоящее время наибольшее распространение получили ССЭ, в которых процессы синхронизации и фазирования последовательно стыкуются во времени Во время возникающих при перестройке частоты режимов несинфазной работы в этих системах происходит потеря информации о сканируемом объекте Данное обстоятельство не является существенным в системах стабилизации скорости, когда частота вращения электропривода на длительном интервале времени остается неизменной Однако, в ряде ОПС существует необходи-
мость частой перестройки частоты вращения электропривода, что приводит к значительным потерям информации В космической и авиатехнике, в частности, это обусловлено постоянным изменением расстояния между сканирующим объектом и исследуемой поверхностью и скорости их взаимного перемещения
В связи с этим является актуальной задача разработки следящего ССЭ, который обеспечивает переход с одной частоты вращения на другую без искажения изображения сканируемого ОПС объекта До настоящего времени недостаточно полно исследованы вопросы построения следящих синхронно-синфазных электроприводов, отсутствуют четкие рекомендации по выбору структуры и параметров их систем управления, недостаточно проработаны компьютерные имитационные модели, позволяющие проводить анализ происходящих в электроприводе процессов Разработка и исследование следящих ССЭ позволит улучшить точностные, динамические и эксплуатационные характеристики электропривода, а также уменьшить потери информации при его использовании в ОПС
Целью работы является разработка алгоритмов работы и исследование следящего синхронно-синфазного электропривода для обзорно-поисковых систем
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи
исследовать влияние структуры и параметров регулятора угловой скорости на точностные и динамические показатели следящего ССЭ и сформировать рекомендации по их выбору,
провести анализ влияния уровня токоограничения электродвигателя на динамику ССЭ,
провести сравнительный анализ существующих способов построения следящих синхронно-синфазных электроприводов и разработать способ регулирования ССЭ с улучшенными динамическими и точностными характеристиками
усовершенствовать способ фазирования с пошаговым доворотом вала электродвигателя с целью повышения его быстродгйствия, сформировать рекомендации по выбору параметров фазирующего регулятора,
разработать алгоритм функционирования частотно-задающего блока, обеспечивающего работу следящего ССЭ в широком диапазоне частот с заданной точностью,
разработать компьютерную имитационную модель следящего ССЭ,
подтвердить выдвинутые теоретические положения путем компьютерного моделирования и экспериментальных исследований
Основные методы научных исследований При теоретическом исследовании режимов втягивания контура ФАПЧВ в синхронизм со входным частотным сигналом и режимов фазирования использовался метод фазовой плоскости Синтез регулятора угловой скорости ССЭ проводился модальным методом Исследование процессов, происходящих в ССЭ, проводилось с примене-
ниєм основ теории автоматического управления, теории цепей, теории оптимального управления, теории электрических машин, методов математического моделирования Основные расчетные соотношения получены с применением преобразований Лапласа, дифференциального и интегрального исчисления Теоретические положения и разработанные технические решения проверялись путем моделирования в среде MATLAB и экспериментально
Научная новизна работы Решение поставленных задач определило научную новизну диссертационной работы, которая заключается в следующем
1 Разработан способ регулирования следящего ССЭ, позволяющего
исключить потери информации в ОПС при перестройке частоты вращения
- усовершенствован способ фазирования с пошаговым доворотом вала
электродвигателя, разработаны рекомендации по выбору параметров фазирую
щего регулятора, реализующего данный способ,
- разработан алгоритм функционирования частотно-задаюшего блока,
обеспечивающего работу следящего ССЭ в широком диапазоне частот с задан
ной точностью
Сформированы рекомендации по выбору структуры и параметров регулятора угловой скорости следящего ССЭ с учетом токоограничения электродвигателя
Разработан алгоритм работы программы, моделирующей многозначную статическую нелинейность, входящую в состав модели логического устройства сравнения электропривода, и на его основе реализован SIMULINK-блок для использования в среде MATLAB
4 Разработана компьютерная имитационная модель следящего ССЭ,
позволяющая исследовать различные способы фазирования и управления
электроприводом
Практическая ценность работы.
Использование разработанного способа регулирования следящего ССЭ позволяет улучшить информационные показатели ОПС, построенных на его основе
Использование разработанных рекомендаций по выбору структуры и параметров регулятора угловой скорости и фазирующего регулятора следящего ССЭ позволяет улучшить его точностные, динамические и эксплуатационные характеристики, упростить его проектирование
Разработанный SIMULlNK-блок, моделирующий работу многозначной статической нелинейности, входящей в состав модели логического устройства сравнения, может применяться при моделировании электроприводов с дискретным управлением и представляет интерес как для исследовательских целей, так и для учебного процесса
4 Разработанный алгоритм работы частотно-задающего блока может
применяться при построении электроприводов с дискретным управлением
Реализация результатов работы. Результаты теоретических исследований вошли в электронный учебник «Системы прецизионного электропривода», который используется в ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет» (ОмГТУ) при проведении занятий по дисциплине специализации «Системы прецизионного электропривода» со студентами специальности 210106 «Промышленная электроника»
Рекомендации по выбору структуры и параметров регулятора контура ФАПЧВ и алгоритм работы частотно-задающего блока ССЭ использованы при выполнении НИОКР в ФГУП «Омский научно-исследовательский институт приборостроения», г Омск
Публикации. Апробация работы. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 научных работ, в том числе статья в журнале «Известия вузов Электромеханика», статья в журнале «Известия Томского политехнического университета», 2 статьи в журнале «Омский научный вестник», 3 работы депонированы в ВИНИТИ, 3 разработки зарегистрированы в ОФАП
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях
- научно-практическая конференция «Энергетика на рубеже веков»
г Омск, 2003,
- V Международная научно-техническая конференция «Динамика систем,
механизмов и машин», г Омск, 2004,
- III Всероссийская научно-практическая конференция «Автоматизиро
ванный электропривод и промышленная электроника в металлургической и
горно-топливной отраслях», г Новокузнецк, 2006
Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, выполнена на 151 странице основного текста, содержит 78 рисунков и 3 таблицы, библиографический список из 121 наименования и приложения на 10 страницах Общий объем диссертации - 161 страница
