МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И АППАРАТОВ.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Анализ динамических характеристик элементов электромеханических систем регулирования

1.1.	Электродвигатели и их производственные механизмы
1.2.	Электромагниты
1.3.	Электрогидравлические силовые устройства
1.4.	Магнитные усилители
1.5.	Датчики механических величин
1.6	Логико-вычислительные устройства

2» Разработка основных технических требований на

УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК

1. Определение метода и частотного диапазона измерений

2. Определение требуемого диапазона изменения входных и выходных сигналов элементов электро­механических систем регулирования

3. Выбор номинальных значений сигналов измерительной части устройства

4. Определение состава измерительной системы и принципов определения частотных характеристик

5. Предварительное рассмотрение методов определения частотных характеристик

6. Технические требования на измерительный блок

3. Методики и схемотехнические решения

ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ХАРАКТЕРНОЙ ГРУППЫ ЭЛЕМЕНТОВ САР

1. Выбор характерной группы элементов САР для построения системы измерения

2. Разработка принципов схемотехнической реализации измерений

3. Методика определения передаточных функций выбранной группы элементов

4. Методика определения динамических коэффициентов передачи

5. Определение передаточных функций путем подачи на вход

2. РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ НА УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 34

Блок процессора 45

Функциональный генератор 46

Введение

В настоящее время существует значительное многообразие систем регулирования, включающих электромеханические элементы (электродвигатели, электромагниты, датчики электрических и неэлектрических величин, релейные регуляторы и т.д.). В соответствии с [33], обобщенная схема такой системы управления (в одномерном исполнении) имеет вид, представленный на рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная схема одномерной СУ.

Здесь Xy(t) - управляющий сигнал; X(t) - сигнал обратной связи; Y(t)- регулируемая переменная: R(t) - регулирующее воздействие; F(t) - возмущение.

Система управления (СУ) - замкнутый динамический комплекс, состоящий из управляемых объектов и трех подсистем: информационной, логико-вычислительной и исполнительной.

Объектом управления называют управляемую часть системы, т е, агрегат, машину или установку, требуемый режим функционирования которых должен поддерживаться управляющей частью системы в соответствии с выбранной или заданной целью управления.

Информационной подсистемой называют совокупность технических средств, предназначенных для получения, передачи и представления информации. К средствам, предназначенным для получения и преобразования первичной информации о внешних и внутренних факторах работы управляемых объектов, относятся следующие элементы СУ: датчики первичной информации, чувствительные и измерительные элементы, анализаторы, преобразователи, вычислительные устройства для первичной обработки информации и др., а также средства для передачи и представления информации в форме, удобной для управления, - передатчики, каналы связи, кодирующие и декодирующие устройства, преобразователи информации, приемники и т. д.

Логико-вычислительной подсистемой называют совокупность технических средств, предназначенных для обработки информации. К техническим средствам для переработки информации относятся разнообразные вычислительные средства, построенные на базе как аналоговой, так и цифровой техники.

Исполнительную подсистему образуют технические средства для формирования управляющих воздействий, осуществляющие непосредственное управление объектами в соответствии с целью управления. Техническими средствами исполнительной подсистемы являются разнообразные регуляторы, следящие системы, автоматические приводы и сервомеханизмы регуляторов. Следует также отметить, что в соответствии с классификацией [33], отражающей современный подход к структуризации системы управления,

усилительные устройства, непосредственно управляющие электромеханическими исполнительными элементами, входят, в основном, в комплекс исполнительной подсистемы.

Анализ устойчивости и динамических характеристик таких систем часто затрудняется тем, что получение выражений для передаточных функций ряда элементов расчетным путем является весьма сложным. Как правило, наибольшие трудности встречаются при теоретическом описании электромеханических устройств исполнительных подсистем и САР в целом. Это связано со следующими особенностями электромеханических элементов:

-такие элементы, как правило, являются полноразмерными четырехполюсниками, не обладающими “детектирующими” свойствами, то есть однонаправленностью передачи входного сигнала. Так, например, для исполнительных элементов типа двигателей и электромагнитов передаточная функция представляет собой матрицу, элементы которой определяются характером преобразования электромагнитной энергии [21];

-большинство таких элементов имеет более или менее явно выраженную нелинейность характеристик. Это объясняется, во-первых, тем, что сам характер электромеханических преобразований в таких элементах носит нелинейный характер (например, усилие, развиваемое магнитом, пропорционально квадрату тока) и, во вторых, нелинейностью характеристик магнитных материалов, применяемых для изготовления магнитопровода;

-теоретическое описание некоторых элементов приводит к сложным выражениям для их передаточных функций, причем определение параметров этих передаточных функций часто оказывается затруднительным. Это связано, в первую очередь, со сложными процессами, происходящими при преобразовании электромагнитной энергии. Так, например, усилие, развиваемое электромагнитом со сплошным токопроводящим магнитопроводом, зависит в значительной степени от конфигурации контуров вихревого тока, возникающих при изменении питающих токов или напряжений. Теоретическое описание такого рода процессов для магнитопровода произвольной формы оказывается крайне сложным [26];

Наладка таких систем также существенно облегчается, если имеется возможность оперативного определения динамических (частотных) характеристик элементов системы непосредственно на месте ее установки [14].

Практика проектирования, наладки и исследования сложных систем регулирования, описанная в литературе, подтверждает необходимость построения устройств для надежного экспериментального определения передаточных функций таких систем и их элементов [14,26,36].

В настоящее время существуют две основные группы промышленных приборов, пригодные для указанной цели.

К первой группе следует отнести частотные анализаторы (сигнал-процессоры), одной из функций которых является определение передаточных функций, Основным недостатком этих приборов является их чрезвычайно высокая стоимость (анализатор типа 2034 фирмы В&К - 35-40 тыс. долларов, аналогичный анализатор фирмы HP - 40-50 тыс. долларов). Кроме того, практически все анализаторы такого типа являются двухканальными, что затрудняет определение передаточных функций элементов, имеющих характеристики четырехполюсника.

Ко второй группе могут быть отнесены устройства, представляющие собой платы расширения для ПК. Эти устройства являются, как правило, многоканальными, Однако, большинство таких плат предназначено для использования в стационарных ПК и не включает в себя элементы генератора измерительных сигналов. Устройство такого типа, выпускаемое известными фирмами также имеют стоимость в пределах 1200...2500 $US и требуют для своей работы пакетов прикладных программ стоимостью 2500 ..4000 $US.

Такие цены обусловлены стремлением разработчиков этих систем сделать их максимально универсальными, то есть пригодными для вибрационных, акустических, механических, электрических и прочих измерений, что значительно усложняет их конструкцию и требования к математическому обеспечению [50,51]. Высокие цены, большие

габариты и излишняя универсальность таких систем в значительной степени затрудняет их применение при разработках, исследованиях и, особенно, при наладке систем в процессе производства и пусконаладочных работах непосредственно на объектах.

Актуальность настоящей работы определяется, с одной стороны, постоянно возрастающим объемом внедрения электромеханических систем регулирования во все области техники (общее машиностроение, газо- и нефтехимическая промышленность, средства связи, пищевая промышленность и др.), и с другой стороны, практическим отсутствием портативных и доступных измерительных устройств, требующихся для разработки, производства и наладки таких систем.

Целью работы является определение принципов построения и основных схемотехнических решений (на базе анализа параметров элементов электромеханических систем и экспериментальных исследований) универсального устройства, предназначенного для определения динамических характеристик электромеханических элементов систем управления.

Основные задачи, которые решались для достижения поставленной цели, можно сформулировать следующим образом:

- анализ статических и динамических характеристик электромеханических элементов систем автоматического регулирования и систематизация элементов по характеру передаточных функций, а также входных и выходных параметров;

-выбор оптимальных методов определения частотных характеристик электромеханических элементов и общих принципов построения устройств для их измерения;

-разработка методик определения частотных характеристик элементов, представляемых характеристиками как двух-, так и четырехполюсников; разработка алгоритмов определения передаточных функций элементов электромеханических систем;

-анализ схемотехнических решений по построению основных узлов измерительного устройства и разработка оптимального варианта схемотехнических решений;

-разработка программного обеспечения для измерительного устройства, включая собственно измерительный блок и управляющий ПК.

Научная новизна работы состоит в том, что проведенные при выполнении исследования позволили впервые получить следующие научные результаты:

-впервые обоснованы преимущества использования прямого измерения частотных характеристик со сканированием частоты применительно к цифровым системам определения передаточных функций электромеханических элементов систем регулирования, позволяющие более эффективно определять передаточные функции нелинейных элементов по сравнению со спектральным методом. На основании проведенного анализа впервые сделан вывод о целесообразности изменения принципов построения цифровых измерительных устройств для определения динамических характеристик элементов электромеханических систем;

-разработаны алгоритмы и программы для реализации предложенных методов экспериментального определения динамических характеристик элементов электромеханических систем.

Практическая ценность результатов, полученных в работе, заключается в следующем:

-сформулированы технические требования на универсальное измерительное устройство для определение динамических характеристик элементов электромеханических систем и функциональных групп элементов, использующее прямой метод измерения частотных характеристик;

-построен на основании разработанных технических требований макетный вариант измерительного устройства и математическое обеспечение для его функционирования;

-проведены, с использованием разработанного измерительного устройства, исследования по адекватности математических моделей электромагнитов со сплошным магнитопроводом для П-образной и кольцевой конфигураций магнитопроводов;

результаты исследований позволили уточнить параметры передаточных функций электромагнитов со сплошным магнитопроводом и предложить упрощенную феноменологическую модель для осевого электромагнита систем магнитного подвеса.

Результаты проведенных исследований внедрены в НПП ВНИИ Электромеханики.

Работа состоит из пяти разделов, заключения и четырех приложений.

Первый раздел посвящен анализу характеристик элементов электромеханических систем регулирования и классификации элементов по характерным параметрам.

Во втором разделе приводится обоснование выбора оптимального метода определения частотных характеристик элементов электромеханических систем и основных технических требований на измерительное устройство.

Третий раздел посвящен выбору типичной группы элементов электромеханических САР и разработке методик и алгоритмов определения частотных характеристик элементов для двух- и четырехполюсного представления их передаточных функций.

В четвертом разделе приведен анализ схемотехнических решений по элементам измерительного блока - процессорному блоку и блоку функционального генератора. Предложен алгоритм программ определения частотных характеристик объекта, включающего как программное обеспечение измерительного блока, так и программы для управляющего ПК.

В пятом разделе приведены экспериментальные исследования макетного образца разработанного измерительного блока и результаты экспериментально-расчетных

исследований электромагнитов со сплошным магнитопроводом для П-образной и кольцевой конфигураций магнитопроводов.

В ПРИЛОЖЕНИИ 1 приводятся технические требования на разработку

процессорного блока, а также принципиальные схемы и краткое описание этого блока.

В ПРИЛОЖЕНИИ 2 приводятся принципиальные схемы блока программно управляемого функционального генератора и расчет элементов схемы.

В ПРИЛОЖЕНИИ 3 приводятся исходные тексты программ определения частотных характеристик и их графического отображения для процессорного блока и управляющего ПК.

В ПРИЛОЖЕНИИ 4 приводится текст программы сравнительного расчета

зависимости погрешностей от параметров сигнала для гармонического и шумового сигналов.