Глава восьмая

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

8.1. Общие сведения

Машины, рабочий орган которых для нормального течения техно­логического процесса должен либо на отдельных этапах работы, либо в каждый момент времени занимать в пространстве строго фиксированные положения, называются позиционными. К числу таких машин относятся все подъемно-транспортные машины, одноковшовые экскаваторы, ряд металлорежущих и деревообрабатывающих станков, манипуляторы и роботы различного назначения и другие аналогич­ные им машины и установки.

Рабочие органы перечисленных машин и установок перемещаются в пространстве с помощью нескольких взаимодействующих механиз­мов, обеспечивающих перемещения по отдельным координатам об­служиваемого пространства. Эти позиционные механизмы имеют, как правило, индивидуальные электрические приводы, управление которыми и обеспечивает требуемые пространственные перемещения рабочего органа.

При ручном управлении контроль текущего положения рабочего органа осуществляется визуально оператором, который, воздействуя на задание скоростей электроприводов отдельных механизмов, обес­печивает перемещение рабочего органа машины по требуемым траекто­риям или установку в фиксированные позиции в соответствии с тех­нологическим процессом. При этом к электроприводу требование регулирования положения не предъявляется. Однако электропривод должен обеспечивать регулирование скорости и обладать благоприят­ными динамическими качествами, облегчающими условия регулиро­вания положения оператором.

Автоматическое регулирование положения требует дискретного или непрерывного контроля фактических значений регулируемой коор­динаты. Электроприводы, предназначенные для регулирования поло­жения рабочего органа машины, называются позиционными.

В зависимости от конкретных требований возможны четыре следующих варианта автоматического регулирования положения:

1)точное позиционирование электропривода в заданных точках пути по дискретным сигналам путевых датчиков (точный останов электро­привода);

2) непрерывное автоматическое регулирование положения по отклонению в целях осуществления дозированных перемещений;

3)непрерывное регулирование положения по отклонению по заданной программе (программно-управляемый позиционный электропривод);

4)непрерывное автоматическое регулирование положения по отклоне­нию при произвольно изменяющемся сигнале задания (позиционный следящий электропривод).

Целью данной главы является изучение физических особенностей позиционных электроприводов, условий, обеспечивающих требуемую точность позиционирования при дискретном или непрерывном регули­ровании положения, а также получение первых представлений об особенностях следящего электропривода, свойства которого более полно изучаются в курсе «Системы управления электроприводами». В резуль­тате изучения материалов данной главы студенты должны знать, какие факторы влияют на точность позиционирования, и уметь обеспечивать требуемые точность и динамические показатели качества регулирования при различных способах позиционирования.

8.2. Точный останов электропривода

Рассмотрим задачу точного позиционирования рабочего органа механизма в заданных точках пути по сигналам путевых датчиков, или, как ее называют иначе, задачу ав­томатического точного останова электропривода. Эта задача сводится к автоматическому отключению двигателя и нало­жению механического тормоза в такой точке пути, из ко­торой электропривод за время торможения, двигаясь по инер­ции, перемещается в заданную точку пути с требуемой точностью. Процесс останова, таким образом, начинается с поступления в схему управления электроприводом импульса путевого командоаппарата на отключение двигателя и нало­жение механического тормоза. Если принять, что отключение двигателя и наложение механического тормоза происходят одновременно и усилие тормоза возрастает до установленного значения скачком, то весь процесс точного останова можно разделить на два этапа.

Первый этап обусловлен наличием собственного времени срабатывания аппаратуры t_aв схеме управления электропри­водом. Вследствие возникающего запаздывания в течение времениt_а,двигатель не отключается от сети, и электро­привод продолжает движение со скоростью ω_нач, с которой он подошел к датчику точного останова, и проходит путь

По истечении времени срабатывания аппаратуры двигатель отключается от сети, и накладывается механический тормоз. Наступает второй этап процесса останова, во время которого запасенная во всех движущихся массах системы кинетическая энергия расходуется на совершение работы по преодолению сил статического сопротивления движению на проходимом при этом пути φ":

где Мт — момент механического тормоза.

Откуда

(8.1)

На первом этапе скорость ω=ω_нач=const, на втором она изменяется в зависимости от пути по закону

где ускорение электропривода на втором этапе.

Зависимость ω = f(φ)при установке датчика точного оста­нова (ДТО) в точке φ=0 и некоторой начальной скорости ω_начпоказана на рис. 8.1 (кривая1).Так как все параметры, определяющие по (8.1) путь, проходимый электроприводом в процессе точного останова, при работе электропривода не остаются постоянными, абсолютно точный останов невозможен. Так как после срабатывания ДТОдвижение системы является неуправляемым, наибольшая неточность останова зависит только от пределов изменения параметров, входящих в (8.1). Эти пределы можно характеризовать следующими выражениями, представляющими наибольшие и наименьшие значения соот­ветствующих переменных и параметров:

где средние значения параметров; Δω, Δt,ΔJ, ΔМс, ΔΜт и Δε_MAX- отклонения от средних значений параметров.

Пределы перемещения можно представить аналогично:

(8.3)

где _ср— средний путь при точном останове; Δ_MAX —макси­мальная ошибка позиционирования или максимальная неточ­ность останова.

Рис.8.1. Зависимости ω=f(φ)в про­цессе точного останова электропривода

Как показано на рис. 8.1, ДТО должен устанавливаться на рас­стоянии _З=_ср, там же кри­вые 2 и3дают представления о зависимостях ω=f(φ)при сочетаниях параметров, соот­ветствующих наибольшей ошибке позиционирования.

С помощью (8.2) можно определить по (8.1) наиболь­ший путь при точном останове

и егонаименьшее значение

причем в (8.4) и (8.5) обозначено Мдин.ср= Мс,ср + Мт.ср и ΔМдин.мах = ΔΜc.max + ΔΜτ.max.Эти выражения позволяют полу­чить среднее значение пути, проходимого электроприводом в процессе точного останова:

Максимальная неточность останова

Анализ (8.7) свидетельствует о том, что максимальная неточность останова тем больше, чем больше средний путь при останове и чем больше относительные отклонения всех факторов, от которых он зависит, от соответствующих средних значений. Так как относительные отклонения в (8.6) и (8.7) значительно меньше единицы, то можно пренебречь их произведениями и квадратами, при этом (8.7) можно с некоторым ущербом для точности представить в значительно более удоб­ном для пользования виде:

• Выражение (8.8) показывает, что наиболее существенно ошиб­ка позиционирования зависит от средней начальной скорости и от ее отклонений от среднего значения. Поэтому из (8.8) следует, что основным фактором, вызывающим неточность останова, являются изменения нагрузки электропривода, так как они непосредственно сказываются на значении динамического момента Мдин и при данной жесткости механической харак­теристики электропривода определяют основное отклонение начальной скорости от среднего значения, обусловленное изме­нениями нагрузки, Δω_MAX=ΔΜ_C.MAX/β.Изменения нагрузки в большинстве случаев связаны с одновременным изменением суммарного приведенного момента инерции электроприводаJ_Σ. При данных пределах изменения статической нагрузки и из­вестныхt_cpи Δt_MAXосновным средством уменьшения ошибки позиционирования является снижение средней скорости электро­привода при подходе в ДТО и увеличение жесткости меха­нической характеристики, соответствующей работе двигателя с этой пониженной скоростью. Для получения формулы, свя­зывающей требуемую среднюю пониженную скорость и жест­кость механической характеристики с допустимой неточностью останова, примем в (8.8) Δφ_MAX=Δ_{МАХ.ДОП},где Δ_{МАХ.ДОП} — допустимая ошибка позиционирования, определяемая техноло­гическими требованиями к электроприводу. При этом получа­ется квадратное уравнение

решение которого дает следующее выражение для допусти­мой средней остановочной скорости:

При заданной допустимой неточности останова Δ_{МАХ.ДОП}каждое значение жесткости механической характеристики и соот­ветствующее этой жесткости значение Δω_МАХ/ω_СРопределяют по выражению (8.9) требуемое значение средней остановочной ско­рости ω_СР.

Задаваясь значениями Δω_МАХ/ω_СР,можно получить пары зна­чений ω_СРи Δω_МАХ/ω_СР=ΔΜ_C.MAX/β·ω_CP,которые определяют стати­ческие механические характеристики электропривода, обеспечи­вающие заданную точность позиционирования. Эти характе­ристики представлены на рис. 8.2.

Таким образом, рассматриваемый способ управления поло­жением может обеспечить любую требуемую точность оста­нова рабочего органа механизма в заданные позиции при правильном выборе средней остановочной скорости ω_сри обес­печении высокой точности стабилизации этой скорости. Это означает, что требование автоматического точного останова электропривода определяет необходимый диапазон регулиро­вания скорости электроприводаD=ω_ном/ω_српри заданных пределах изменения нагрузки и других возмущающих фак­торов.

Важным достоинством рассматриваемого способа является простота реализации, однако при высоких требованиях к точ­ности останова и большом диапазоне регулирования, требуе­мом для получения этой точности, процесс точного позицио­нирования может при определенных условиях недопустимо затягиваться и снижать производительность позиционного ме­ханизма.

Указанные условия определяются динамическими свойст­вами электропривода в процессе замедления электропривода от рабочей скорости ω_СР.НОМдо пониженной остановочной ско­рости ω_СР.

На рис. 8.3 показаны зависимости ω=f(φ)при двух нагрузках электропривода Μс=Мс.тахи Μc=Mc.minсоответ­ствующие как процессу точного останова, так и предшест­вующему процессу замедления.

Кривые построены в предположении, что при любой на­грузке процессы замедления протекают при неизменном тор­мозном моменте двигателя Μ= Μmax=const. Тогда ускорение электропривода в этом процессе будет зависеть от нагрузки:

причем наименьшей нагрузке на валу Мс.тinсоответствует и наименьшее по абсолютному значению ускорение. При Mc=Mc.minначальная рабочая скорость при ограниченной жесткости механических характеристик электропривода макси­мальна: ω_P=ω_P.MAXпуть, проходимый электроприводом за

время снижения скорости от ω_Р.МАХдо ω_{НАЧ.МАХ}при минимальном ускорении ε_MIN,также имеет максимальное значение_{зам.мах}. Датчик импульса замедления (ДИЗ), дающий команду на замедление, устанавливается от ДТО на расстоянии 1,1_{зам.мах}поэтому, как показано на рис. 8.3, при Мс = Мс.minэлектропривод на пониженной скорости ω_{НАЧ.МАХ}проходит весьма небольшой отрезок пути и время дотягивания к ДТО невелико. При Μс=Мс.тах ω_P=ω_Р.MINсоответственно

_зам=_зам.мin << 1.1_{зам.мах}. Как следствие, большой отрезок пути Δ_зам=1,1_{зам.мах}-_зам.мinэлектропривод проходит на пониженной скорости ω_НАЧ.MINвремя дотягивания при ω_НАЧ.MIN < ω_Р.MIN оказывается значительным и соизмеримым с общим временем, требующимся для перемещения механизма из исходного рабо­чего положения в заданное.

Рассматривая рис. 8.3, можно заключить, что время дотя­гивания при любых нагрузках может быть сведено к мини­муму, если устранить статическую ошибку регулирования скорости и сформировать стабильную зависимость ω=f(t) в процессе замедления, инвариантную относительно нагрузки. Поэтому при большом диапазоне регулирования скорости, требуемом по условиям точного останова, возникает необходи­мость использования замкнутых систем регулирования ско­рости в системе УП—Д с достаточно высокими показателями качества и точности регулирования как в статических, так и в динамических режимах.

Однако даже при применении этой совершенной системы, с точки зрения регулирования положения, электропривод при

Рис.8.2. Механические харак­теристики, обеспечивающие тре­буемую точность позициониро­вания

Рис. 8.3. Зависимости со==У((р) в процессе замедления до по­ниженной скорости и точного останова электропривода

рассмотренном способе точного позиционирования ведет себя как разомкнутая система, в которой изменения всех факторов, влияющих на путь, проходимый при точном останове, непо­средственно сказываются на достигаемой точности, а небольшая нестабильность кривой изменения скорости при замедлении может существенно уменьшать быстродействие. Поэтому в наи­более сложных случаях электроприводы позиционных меха­низмов по системе УП—Д включаются в замкнутую систему автоматического регулирования положения по отклонению.