ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНОМ ПОСТРОЕНИИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Целью данного исследования является сравнения «простой» системы управления с одной обратной связью по скорости объекта наведения с наиболее распространенной системой управления по принципам подчиненного регулирования параметров.

Расчет мощности на валу двигателя привода наведения был произведен по максимальному моменту нагрузки и максимальной скорости вращения. Расчет производился при допущении, что электропривод представляет собой систему с абсолютно жесткими механическими связями [1, с. 27]. Исходные данные объекта управления приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Параметры объекта управления при угле крена в 15°

Согласно расчетам, мощность, необходимая для преодоления максимального статического и динамического момента и обеспечения максимальной скорости наведения равна: .

Исходя из условий, что номинальная мощность двигателя должна быть не меньше расчетной номинальной мощности и номинальная скорость вращения больше или равна максимальной расчетной, для привода наведения был выбран электродвигатель ДП80. Параметры электродвигателя ДП80 приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Параметры электродвигателя

В качестве датчика обратной связи по скорости использовался встроенный тахогенератор.

Основные характеристики тахогенератора приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3.

Параметры тахогенератора

Расчет параметров силовой цепи электропривода был произведен по методике, изложенной в [2, с. 143], а проверка двигателя по условиям пуска произведена согласно [3, с. 23].

Полученное значение максимальной скорости вращения объекта управления, соответствующей номинальной частоте вращения двигателя, превосходит угловую скорость переброса  = 0,698 рад/с, (40 º/с), следовательно редуктор обеспечивает заданную скорость переброса привода при номинальной частоте вращения двигателя, а также при снижении напряжения.

Необходимым условием для пуска электродвигателя привода является обеспечение электромагнитного момента большего, чем приведенный к валу суммарный момент. При этом происходит страгивание объекта управления с места.

В ходе расчетов было выявлено:

• работа привода объекта управления при наличии момента неуравновешенности обеспечивается в продолжительном режиме без перегрузки (перегрева) для исполнительного двигателя вне зависимости от наличия боекомплекта;
• в номинальном режиме редуктор обеспечивает возможность регулирования привода в заданном диапазоне скоростей 0,03…40 º/с;
• полученное значение максимальной скорости объекта управления, соответствующей частоте вращения двигателя при  снижении напряжения бортовой сети  рад/с=62,3°/с) превосходит угловые скорости переброса приводы  = 0.698 рад/с, (40 º/с), следовательно редуктор обеспечивает заданную скорость переброса для привода.

В системе автоматического регулирования электропривода модуля наведения происходит стабилизация трех координат: положение объекта в системе координат носителя, угловая скорость вращения объекта и ток якоря электродвигателя (либо без тока якоря ЭД).

В большинстве случаев системы управления положением строятся сегодня по принципам подчиненного регулирования параметров. Регулирование каждого параметра осуществляется собственными регуляторами, которые вместе с соответствующими обратными связями образуют замкнутые контуры. Эти контуры располагаются таким образом, чтобы входным (задающим) сигналом для контура тока являлся выходной сигнал внешнего по отношению к нему контура скорости. Таким образом, внутренний контур тока подчинен внешнему контуру скорости. Контур скорости же является внутренним контуром для контура положения. В данной статье мы проведем исследование различия показателей положения объекта наведения при одном контуре (скорости) и двух (скорости и тока).

Основное достоинство такой системы заключается в возможности оптимальной настройки регулирования каждого параметра, в силу чего она нашла широкое применение на практике. Другое достоинство: удобство ограничения предельных значений промежуточных параметров системы. Поскольку выходной сигнал регулятора внешнего контура является входным для внутреннего контура, ограничение выходного параметра внутреннего контура достигается за счет ограничения определенным значением выходного сигнала регулятора внешнего контура.

Вместе с тем из принципа построения системы подчиненного регулирования, очевидно, что быстродействие каждого внешнего контура будет ниже быстродействия соответствующего внутреннего контура.

Рабочая ЭВМ вырабатывает сигнал рассогласования по известным координатам цели, координатам объекта, информации с датчика углового положения объекта.

В режиме полуавтомат наведение осуществляется путём поворота корпуса цифрового пульта управления. При этом на вход блока управления поступает сигнал, задающий скорость вращения объекта. Чем на больший угол поворачивается пульт, тем с большей скоростью должна вращаться башня.

На рисунках 2.1 (а, б) представлены функциональные схемы системы наведения в полуавтоматическом режиме работы от пульта управления цифрового (ПУЦ).

а)

б)

Рисунки 2.1. (а, б) Функциональные схемы системы наведения в полуавтоматическом режиме с различным числом обратных связей

На функциональной схеме выделены следующие элементы и сигналы:

ЗС – задатчик скорости, РС – регулятор скорости, РТ  – регулятор тока, ПН – широтно – импульсный преобразователь напряжения, ЯЦ – якорная цепь электродвигателя, ЭМ – электромеханическая часть двигателя, ПУ – передаточное устройство, ТГ – тахогенератор, ДТ  – датчик тока,  АЦП – аналого-цифровой преобразователь, Ω_з – заданный сигнал скорости наведения, U_я – напряжение якоря двигателя, I_я – ток якоря двигателя, Ω_д – скорость якоря двигателя, Ω – скорость наведения, α – угол поворота вращающейся части установки, U_дт – напряжение, снимаемое с датчика тока двигателя,U_тг – напряжение, снимаемое с тахогенератора двигателя, E_д – противоЭДС  двигателя, I_с – ток статической нагрузки двигателя.

Вид структурных схем, соответствующих функциональным схемам системы наведения для одного направления наведения изображён на рисунке 2.2. Структурные схемы являются графической интерпретацией дифференциальных уравнений, описывающих характер изменения параметров электропривода (напряжения, скорости, тока, угла поворота) в зависимости от задающих и возмущающих воздействий и друг от друга.

а)

б)

Рисунок 2.2. (а, б) Структурные схема электропривода наведения с различным числом обратных связей

Электродвигатель представлен развёрнутой структурной схемой двигателя постоянного тока, состоящей из трёх динамических звеньев: якорной цепи (ЯЦ ЭД), электромеханической части 1 (ЭМ1 ЭД), электромеханической части 2 (ЭМ2 ЭД).

Регулятор скорости должен обеспечивать оптимальный закон регулирования скорости электропривода наведения. Для этого передаточная функция регулятора выбирается из условия настройки системы регулирования на симметричный оптимум. Настройка на симметричный оптимум обеспечивает астатизм системы регулирования по задающему и возмущающему воздействию (ошибка регулирования по скорости в установившемся режиме равна нулю).

Модели электропривода наведения представлены на рисунках 2.3 (а, б).

а)

б)

Рисунок 2.3. (а, б) Модели электропривода наведения

Блоки ограничения служат для задания пределов изменяемых параметров системы электропривода.

Для анализа системы регулирования задание входного сигнала соответствует линейно-возрастающему заданию до максимально возможного и поддержанию максимального задания в течение нескольких секунд (поворот корпуса ПУЦ с постоянной скоростью из начального положения до упора и его удержание в крайнем положении в течение нескольких секунд).

При построении математической модели принято допущение – система электропривода работает при воздействии момента нагрузки, численно равного номинальному моменту электродвигателя.

На рисунке 2.4 (а, б) представлены результаты моделирования с обратной связью по скорости.

На рисунке 2.5 представлены результаты моделирования с обратными связями по скорости и по току.

а)             б)

Рис. 2.4. Результаты моделирования, а - график положения объекта наведения, б - график ошибки по скорости

Рис. 2.5. График положения объекта наведения

Рис. 2.6. Графики ошибок по скорости и по току

Поскольку выходной сигнал регулятора внешнего контура является входным для внутреннего контура, ограничение выходного параметра внутреннего контура достигается за счет ограничения определенным значением выходного сигнала регулятора внешнего контура.

Вместе с тем из принципа построения системы подчиненного регулирования, очевидно, что быстродействие каждого внешнего контура будет ниже быстродействия соответствующего внутреннего контура.

Список литературы:

1. Башарин, А.В. Управление электроприводами / Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. – Учебное пособие для вузов. – Л.: Энергоиздат, Ленингр. Отд. 1982 – 396 с., ил.
2. Белов, М.П. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации / М.П. Белов, О.И. Зементов, А.Е. Козярук и др.; под ред. В.А. Новикова, Л.М. Чернигова. – М.: Издательский центр «Академия», 2006, – 368 с.
3. Эсмедляев, С.А. Расчет электропривода подъемника: Методические указания по курсовому проектированию [Текст] / Эсмедляев С.А.; Линингр. мех. ин-т, 1983. – 59 с.
4. Тихомиров, В.А. Теория и расчет системы электропривода с подчиненным регулированием параметров/ В. А. Тихомиров – Учебное пособие. – Горький: ГПИ им. А.А. Жданова, 1982. – 86 с.
5. Черных, И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. – М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. – 288 с.: ил.