Результат интеллектуальной деятельности: САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Изобретение относится к электроприводам и может быть использовано присоздании их систем управления.

Известен самонастраивающийся электропривод (см. патент РФ №2345885, Бюл. №4, 2009 г.), содержащий последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные релейный элемент и четвертый сумматор, второй вход которого подключен к входу релейного элемента, второму входу второго сумматора и выходу первого датчика скорости, выход - ко второму входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, а также второй датчик скорости, датчик массы, второй задатчик сигнала, квадратор, шестой сумматор и с второго по пятый блоки умножения, первый датчик ускорения, а также первый косинусный и второй синусный функциональные преобразователи, вход каждого из которых соединен с выходом первого датчика положения, выход датчика массы подключен к второму входу первого блока умножения, первому входу шестого сумматора и второму входу пятого сумматора, соединенного выходом с первыми входами второго и третьего блоков умножения, второй вход каждого из которых подключен, соответственно, к выходам первого и второго функциональных преобразователей, а их выходы, соответственно - ко второму входу шестого сумматора и первому входу четвертого блока умножения, соединенного вторым входом через квадратор с выходом второго датчика скорости, а выходом - с третьим входом четвертого сумматора, четвертый вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом первого датчика ускорения, а вторым входом - с выходом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, а выход второго сумматора соединен с третьим входом третьего сумматора, последовательно соединенные второй датчик положения, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика положения, третий синусный функциональный преобразователь, шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора, и седьмой блок умножения, выход которого подключен к пятому входу четвертого сумматора, второй датчик ускорения, последовательно соединенные четвертый косинусный функциональный преобразователь, подключенный входом к выходу седьмого сумматора, восьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом пятого сумматора, и девятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего датчика ускорения, а его выход - с шестым входом четвертого сумматора, последовательно соединенные третий задатчик сигнала и восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, а выход - ко второму входу седьмого блока умножения.

Недостатком данного устройства является то, что оно, обеспечивая инвариантность параметров электропривода к взаимовлиянию между всеми степенями подвижности манипулятора в процессе его движения, не позволяет корректировать параметры входных сигналов с целью повышения быстродействия (производительности) всей системы в целом при сохранении заданной динамической точности управления.

Известен также самонастраивающийся электропривод (см. патент РФ №2399080, Бюл. №25, 2010 г.), содержащий последовательно соединенные первый сумматор, корректирующее устройство, усилитель, электродвигатель с редуктором, на выходном валу которого установлен датчик положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, последовательно соединенные задатчик амплитуды, квадратор, блок деления, второй вход которого подключен к выходу первого источника постоянного сигнала, второй сумматор, первый блок извлечения квадратного корня, третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго источника постоянного сигнала и второму входу второго сумматора, второй блок извлечения квадратного корня, интегратор, синусный функциональный преобразователь и блок умножения, второй вход которого подключен к выходу задатчика амплитуды, а выход - ко второму входу первого сумматора.

Указанное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению и принято за прототип. Его недостатком является то, что в диапазоне повышенных рабочих частот ввиду приближенности описания используемой амплитудно-частотной характеристики оно не обеспечивает максимальную скорость работы электропривода.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение максимально возможной скорости работы электропривода в диапазоне повышенных рабочих частот при изменении амплитуды задающего гармонического сигнала без снижения заданной динамической точности.

Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого технического решения, выражается в формировании дополнительного контура самонастройки, в котором формируется максимально возможное (при заданной динамической ошибке и амплитуде входного гармонического сигнала) значение частоты задающего сигнала, а следовательно, и максимально возможная скорость работы электропривода без превышения допустимого значения динамической ошибки управления.

Поставленная задача решается тем, что в самонастраивающийся электропривод, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, корректирующее устройство, усилитель, электродвигатель с редуктором, на выходном валу которого установлен датчик положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, последовательно соединенные квадратор, первый блок деления, второй вход которого подключен к выходу первого источника постоянного сигнала, и второй сумматор, последовательно соединенные интегратор, синусный функциональный преобразователь, первый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу задатчика амплитуды, а выход - ко второму входу первого сумматора, последовательно соединенные второй источник постоянного сигнала и третий сумматор, дополнительно вводятся последовательно соединенные второй блок умножения, первый вход которого соединен с выходом квадратора и первыми входами четвертого, пятого и шестого сумматоров, третий блок умножения, второй блок деления, блок извлечения квадратного корня, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу задатчика амплитуды и второму входу третьего сумматора, четвертый блок умножения и восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора и входу квадратора, а выход - ко входу интегратора, последовательно соединенные пятый блок умножения, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к выходам второго сумматора и блока извлечения квадратного корня, и третий блок деления, выход которого подключен ко второму входу четвертого блока умножения, а второй вход - к выходу первого источника постоянного сигнала, ко вторым входам четвертого, пятого и шестого сумматоров и первым входам четвертого, пятого и шестого блоков деления, причем второй вход четвертого блока деления подключен к выходу пятого сумматора и второму входу второго блока умножения, второй вход пятого блока деления - к выходу шестого сумматора и второму входу третьего блока умножения, второй вход шестого блока деления - к выходу четвертого сумматора и второму входу второго блока деления, а выход - ко второму входу второго сумматора, третий и четвертый входы которого подключены, соответственно, к выходам четвертого и пятого блоков деления.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна", явным образом не следует из известного уровня техники, т.е. обладает критерием «изобретательский уровень». Данное техническое решение промышленно применимо.

При этом отличительные признаки формулы изобретения обеспечивают максимально возможную скорость работы электропривода в диапазоне повышенных рабочих частот, сохраняя заданную динамическую точность при изменении амплитуды входного гармонического сигнала.

На фиг.1 дана структурная схема самонастраивающегося электропривода, а на фиг.2 - объекты, поясняющие особенности и принцип работы предложенного устройства. На этих фигурах введены следующие обозначения: α - угол поворота выходного вала редуктора; α_вх - задающий (входной) гармонический сигнал, поступающий на вход электропривода; A_p, ω_p - амплитуда и частота сигнала α_вх, соответственно; U^*, U - усиливаемый сигнал и сигнал управления электродвигателем 4, соответственно; ε=α_вх-α - ошибка электропривода; [ω_min, ω_max] - диапазон рабочих частот входного сигнала; ε₁ - заданное допустимое значение динамической ошибки работы рассматриваемого электропривода. Цифрой 33 на фиг.2 обозначена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) рассматриваемого электропривода , - значения АЧХ на частотах ω_min, и ω_max, соответственно); цифрой 34 - секущая, соединяющая точки A и B на этой АЧХ; а цифрой 35 - касательная к АЧХ в точке C с абсциссой . F (с абсциссой ), G, H - точки пересечения горизонтальной прямой, имеющей ординату A_p/ε₁, с АЧХ 33, секущей 34 и касательной 35, соответственно.

Самонастраивающийся электропривод содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, корректирующее устройство 2, усилитель 3, электродвигатель 4 с редуктором 5, на выходном валу которого установлен датчик 6 положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора 1, последовательно соединенные квадратор 7, первый блок 8 деления, второй вход которого подключен к выходу первого источника 9 постоянного сигнала, и второй сумматор 10, последовательно соединенные интегратор 11, синусный функциональный преобразователь 12, первый блок 13 умножения, второй вход которого подключен к выходу задатчика 14 амплитуды, а выход - ко второму входу первого сумматора 1, последовательно соединенные второй источник 15 постоянного сигнала и третий сумматор 16, последовательно соединение второй блок 17 умножения, первый вход которого соединен с выходом квадратора 7 и первыми входами четвертого 18, пятого 19 и шестого 20 сумматоров, третий блок 21 умножения, второй блок 22 деления, блок 23 извлечения квадратного корня, седьмой сумматор 24, второй вход которого подключен к выходу задатчика 14 амплитуды и второму входу третьего сумматора 16, четвертый блок 25 умножения и восьмой сумматор 26, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора 16 и входу квадратора 7, а выход - ко входу интегратора 11, последовательно соединенные пятый блок 27 умножения, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к выходам второго сумматора 10 и блока 23 извлечения квадратного корня, и третий блок 28 деления, выход которого подключен ко второму входу четвертого блока 25 умножения, а второй вход - к выходу первого источника 9 постоянного сигнала, ко вторым входам четвертого 18, пятого 19 и шестого 20 сумматоров и первым входам четвертого 29, пятого 30 и шестого 31 блоков деления, причем второй вход четвертого блока 29 деления, подключен к выходу пятого сумматора 19 и второму входу второго блока 17 умножения, второй вход пятого блока 30 деления - к выходу шестого сумматора 20 и второму входу третьего блока 21 умножения, второй вход шестого блока 31 деления - к выходу четвертого сумматора 18 и второму входу второго блока 22 деления, а выход - ко второму входу второго сумматора 10, третий и четвертый входы которого подключены, соответственно, к выходам четвертого 29 и пятого 30 блоков деления. Объект управления 32.

Самонастраивающийся электропривод работает следующим образом. Сигнал ошибки ε на выходе сумматора 1, первый отрицательный (со стороны датчика 6) и второй положительный входы которого имеют единичные коэффициенты усиления, после коррекции в блоке 2, усиливаясь, поступает на вход электродвигателя 4, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от поступающего сигнала U. Как известно, величина ошибки ε при установленном корректирующем устройстве 2 с постоянной структурой и постоянными параметрами будет увеличиваться при увеличении и амплитуды A_p, и частоты ω_p входного сигнала α_вх=A_psinω_pt и, наоборот, их уменьшение приведет к уменьшению значения ε. Таким образом, если A_p имеет такое значение, при котором ε становится меньше допустимой, то можно увеличить ω_p, а следовательно, и скорость (производительность) работы электропривода, не превышая заданную динамическую точность.

На выходе задатчика 14 формируется сигнал A_p, а на выходе источника 15 - сигнал ω_min-k_нA(ω_min). Первый (со стороны источника 15) и второй положительные входы сумматора 16, соответственно, имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный k_н/ε₁. В результате на его выходе формируется сигнал , а на выходе квадратора 7 - сигнал (где k_н=(ω_max-ω_min)/(A(ω_max)-A(ω_min))).

На выходе источника 9 установлен единичный сигнал. Первые положительные входы сумматоров 18, 19, 20, соответственно, имеют коэффициенты усиления , , , а их вторые входы - единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе блока 22 деления сформируется сигнал , а на выходе блока 23 - сигнал .

Первый (со стороны блока 23) отрицательный вход сумматора 24 имеет коэффициент усиления, равный K, а второй положительный - коэффициент усиления . В результате на его выходе формируется сигнал .

На выходах блоков 8, 29, 30, 31, соответственно, формируются сигналы , , , . Первый (со стороны блока 8), третий (со стороны блока 29) и четвертый (со стороны блока 30) отрицательные входы сумматора 10 имеют коэффициенты усиления, равные 1, и , соответственно, а второй (со стороны блока 31) положительный вход имеет коэффициент усиления - . В результате на выходе сумматора 10 формируется сигнал а на выходе блока 28 - сигнал

Первый (со стороны блока 25) и второй положительные входы сумматора 26 имеют коэффициенты усиления и 1, соответственно. В результате, на его выходе сформируется сигнал

определяющий частоту ω_p, обеспечивающую максимально возможную скорость гармонического движения электропривода с ошибкой, не превышающей ε₁.

На выходе интегратора 11, имеющего единичный коэффициент усиления, формируется сигнал ω_pt, а на выходе функционального преобразователя 12 - сигнал sinω_pt. В результате на выходе блока 13 формируется искомый гармонический сигнал α_вх с задаваемой амплитудой A_p и автоматически формируемой частотой ω_p, который и обеспечивает максимально возможную скорость работы электропривода (для заданных величин ε₁ и A_p).

Для пояснения этого факта отметим, что корректирующее устройство 2, обеспечивающее устойчивость работы рассматриваемого электропривода, имеет вид:

,

где T₁>T₂=const, T₁=1/ω_ср=const, ω_ср - частота среза амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) электропривода. В результате передаточная функция прямой цепи электропривода с учетом этого корректирующего устройства примет вид:

,

а его АЧХ - вид:

где R - активное сопротивление якорной цепи электродвигателя; K_м, K_ω - соответственно, коэффициенты крутящего момента и противоЭДС; K_у - коэффициент усиления усилителя мощности; J - суммарный момент инерции, приведенный к валу электродвигателя; i_p - передаточное отношение редуктора.

Известно (см. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1978. - 256 с.), что при гармоническом управлении электроприводом с рабочей амплитудой A_p, частотой ω_p и динамической ошибкой, не превышающей величины ε₁, должно выполняться неравенство

в результате с учетом выражений (2) и (3) можно записать равенство

Однако в диапазоне повышенных частот получить аналитическое выражение, описывающее зависимость ω_p=f(A_p, ε₁), весьма сложно (см. выражение (4)). Поэтому вначале целесообразно линейно аппроксимировать текущую АЧХ, а затем с помощью полученной линейной зависимости по известной ординате A_p/ε₁ уже находить частоту ω_p.

Из фиг.2 видно, что аппроксимация участка падающей АЧХ в диапазоне рабочих частот [ω_min, ω_max] отрезком прямой 34 (секущей), расположенной между точками с ординатами A(ω_min) и A(ω_max), приведет к тому, что при использовании этого отрезка для известной ординаты A_p/ε₁, будет найдена частота (см. абсциссу точки G на фиг.2), большая искомой частоты (см. абсциссу точки F). Но использование при формировании входного сигнала неизбежно приведет к тому, что динамическая точность системы ухудшится, превысив ε₁. Для устранения указанной негативной ситуации при поиске текущего значения частоты ω_p в предлагаемом устройстве используется касательная 35 к АЧХ в точке C, которая имеет абсциссу . Используя уравнение этой касательной , где производная A(ω) в точке , можно определить абсциссу ω_p точки H, имеющей ординату - A_p/ε₁ (см. фиг.2). Эта абсцисса в данном устройстве формируется на входе блока 26 (см. выражение 1) и является искомой частотой задающего гармонического сигнала.

Очевидно, что указанный выбор ω_p приводит к незначительному снижению быстродействия системы, поскольку (см. фиг.2), но при этом всегда будет выполняться главное неравенство ε≤ε₁ для обеспечения которого и создавалось предлагаемое устройство. При этом ω_p и всегда будут достаточно близки.