Введение к работе
Актуальность темы. Современные автоматизированные металлорежущие станки осуществляют изготовление деталей методом формообразования с помощью перемещения рабочего органа по заданному контуру, что предусматривает следящий режим работы системы управления. Требования к надежности функционирования и точности обработки на металлорежущих станках с ЧПУ постоянно повышаются. Энергетические характеристики, динамические свойства, точность технологического оборудования в значительной степени зависят от мощности и диапазона регулирования скорости электромеханического преобразователя (ЭМП), преобразующего электромагнитную энергию в механическую энергию вращательного движения.
Развитие средств силовой электроники и цифровой вычислительной
техники способствует замене в электроприводах металлорежущих станков
коллекторных двигателей постоянного тока на бесконтактные типы двигателей.
В электроприводах подачи нашли преимущественное применение
бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ), в которых механический щеточно-коллекторный узел заменен полупроводниковым коммутатором. Это позволило улучшить энергетические показатели и повысить надежность станочного оборудования. Однако БДПТ отличаются относительной сложностью системы управления и сравнительно высокой стоимостью.
Применение бесконтактных двигателей постоянного тока в последние годы вызвало повышенный интерес к проблемам компьютерного моделирования сложных процессов управления БДПТ, о чем можно судить, например, по выходу монографий Чемоданова Б.К., Подураева Ю.В., Германа-Галкина С.Г., Овчинникова И.Е., в которых рассматриваются эти вопросы. Вместе с тем, целый ряд вопросов, связанных с особенностями управления электромеханическим преобразователем в составе привода подачи металлорежущих станков, не исследован достаточно подробно и требует решения.
Как объект управления БДПТ представляет собой мехатронную систему, содержащую электромеханический преобразователь, оснащенный датчиками выходных величин (угла поворота, скорости вращения, момента), силовой исполнительный преобразователь с широтно-импульсной модуляцией сигнала и цифровую систему управления. Для разработки принципов управления и создания следящих систем автоматического управления (САУ) требуется подробное описание процессов в БДПТ. Для этого необходимы исследования влияния параметров электромеханического преобразователя на динамические характеристики системы управления. Наличие нелинейностей в структуре САУ создает значительные математические трудности при проведении анализа и синтеза системы.
Поэтому исследование и проектирование САУ с бесконтактными ЭМП предусматривают разработку новых подходов к решению этих вопросов. Создание совокупности математических и имитационных моделей отдельных узлов и системы управления БДПТ в целом соответствует этим требованиям. Имитационные модели позволяют максимально достоверно оценивать параметры технико-экономических характеристик существующих и создаваемых управляющих систем в современном станочном оборудовании, что свидетельствует об актуальности темы работы.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования станочного оборудования, заключающееся в повышении производительности и точности обработки за счет улучшения характеристик импульсной системы управления электромеханическим преобразователем с использованием компьютерного моделирования процессов на основе разработанных имитационных моделей.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
- анализ процессов в электромеханических преобразователях станочного оборудования для создания их математического описания, необходимого для создания имитационных моделей;
- обзор возможных методов управления ЭМП и анализ их особенностей
для разработки оптимальных САУ;
разработка методики сквозного моделирования процессов динамического управления БДПТ;
разработка совокупности математических моделей разного уровня разомкнутой и замкнутой систем с широтно-импульсным управлением каналами БДПТ;
разработка имитационной модели системы широтно-импульсного управления каналами БДПТ;
создание методики проведения вычислительного эксперимента и проведение экспериментальных исследований характеристик широтно-импульсного управления каналами БДПТ.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы
использованы методы теории автоматического управления,
электромеханических систем и автоматизированного электропривода, теории нелинейных электрических цепей, мехатроники, а также математический и численный анализ для обработки и интерполяции экспериментальных данных. Исследование процессов 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.
Научная новизна работы заключается в:
- установлении связей между технологическими требованиями к
автоматическим системам управления станочным оборудованием и основными
характеристиками импульсных систем управления электромеханическим
преобразователем металлообрабатывающего станка на основе разработанных
имитационных моделей;
- применении методов гармонического баланса и медленно меняющихся
амплитуд, позволивших повысить точность анализа при сквозном
моделировании нелинейных систем управления бесконтактным двигателем постоянного тока;
определении функциональных зависимостей между характеристиками моделей импульсной системы управления БДПТ и параметрами широтно-импульсной модуляции, а также соотношений между параметрами широтно-импульсной модуляции и параметрами регуляторов и построении областей изменения параметров управления;
выявлении зависимостей между динамическими показателями качества системы импульсного управления и обобщенными параметрами электромеханического преобразователя на основании созданной совокупности имитационных моделей.
Практическую значимость имеют следующие результаты работы:
созданная совокупность разноуровневых математических и
имитационных моделей импульсного управления бесконтактным двигателем
постоянного тока, обеспечивающая эффективное исследование процессов в
управляющих системах станочного оборудования;
разработанная методика определения параметров широтно-
импульсного управления промышленным бесконтактным двигателем
постоянного тока;
- разработанная методика сквозного моделирования импульсных систем
управления в частотной и временной областях;
разработанный на основе созданных моделей и алгоритмов лабораторный практикум «Исследование характеристик импульсной системы управления электромеханическим преобразователем на основе имитационной модели в среде MultiSim 10», который может быть рекомендован для использования в учебном процессе по направлениям: 151900 "Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств"; 220700 "Автоматизация технологических процессов и производств" в высших учебных заведениях.
Достоверность полученных результатов определяется корректным применением методов теории автоматического управления, положений теории
электротехники и электрических машин, теории автоматизированного электропривода, численного интегрирования и подтверждается совпадением результатов математического и имитационного моделирования с данными экспериментальных исследований стендовой системы широтно-импульсного управления электродвигателями.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались
на следующих научных конференциях: на ХІ-й научной конференции МГТУ
«Станкин» и «Учебно-Научного Центра математического моделирования МГТУ
«Станкин» - ИММ РАН» (Москва, апрель 2008 г.); на ХП-й научной
конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-Научного Центра математического
моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» (Москва, май 2009 г.); на
Международной научно-технической конференции «Мехатроника,
Автоматизация, Управление» (МАУ-2009) (Геленджик, сентябрь-октябрь 2009 г.); на ХШ-й научной конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-Научного Центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» (Москва, май 2010г.); на Ш-ей научно-образовательной конференции МГТУ «Станкин» и МОиН РФ «Машиностроение - традиции и инновации» (МТИ-2010) (Москва, ноябрь-декабрь 2010г.).
Внедрение результатов исследования осуществлено в учебный процесс ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин» по дисциплинам: «Теория автоматического управления»; «Электротехника и электроника»; «Автоматизированный электропривод» в виде лабораторных практикумов.
Публикации. Результаты диссертации отражены в 10 опубликованных печатных работах, в том числе в журналах «Вестник МГТУ «Станкин» и «Естественные и технические науки», входящих в перечень утвержденных ВАК РФ изданий.
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 197 страниц состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 99 наименований и 2 приложений. Основной текст изложен на 168 страницах, включает 117 рисунков и 6 таблиц.
