Способ управления приводом машины

Способ управления приводом машины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к машиностроению и может найти применение при управлении приводами механизмов с изменяющимся в процессе движения моментом инерции. Целью изобретения является снижение динамической нагруженности на приводной вал машины при ее разгоне. Поставленная цель достигается тем, что напряжение, подаваемое на приводной двигатель постоянного тока при разгоне машины, изменяется по закону\аг" 1п •где а)эад, - скоро-

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

7С

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ (21) 4815076/07 (22) 16.04.90 (46) 23.02.92. Бюл. N 7 (71) Минское. специальное конструкторское бюро автоматических линий (72) И.П.Филонов, С.С.Головко и С.П.Быковец. (53) 621.316.718,5(088,8) (56) Зиновьев B.À. Курс теории механизмов и машин. — M.: Наука, 1972, с. 317, Теория механизмов и машин. Под ред.

К.В.Фролова. M.: Высшая школа, 1987, с.

159. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ

МАКИНЫ (57) Изобретение относится к машиностроению и может найти применение при управлении приводами механизмов с изменяющимся в процесседвижения моментом инерции. Целью изобретения является снижение динамической нагруженности на приводной вал машины при ее разгоне, Поставленная цель достигается тем, что напряжение. подаваемое на приводной двигатель постоянного тока при разгоне машины, изменяется по закону. Ж« 1713766 А1 (si)s В 23 К 37/04, Н 02 Р 5/06

4 ОЧ". где Мс" — приведенный момент сил технологического сопротивления; 4 — приведенный момент инерции; р — угол поворота вала двигателя; R — сопротивление якорной цепи двигателя; в — скорость вращения вала двигателя. При этом скорость вращения вала двигателя определяется выражением и = иЬад + в -, где й), д — скоро Л

Зп сть вращения, определяемая заданным законом в функции от угла поворота вала двигателя; 1й — значение приведенного момента инерции при некотором фиксированном значении у, а — угловая скорость звена приведения (главного приводного вала машины) при некотором значении у)обобщенной координаты, соответствующем значению 1 . Устройство, реализующее

Р способ, содержит вычислитель 1, регулятор

2, электродвигатель постоянного тока 3, датчик 4 угла поворота главного приводного вала, датчик 5 крутящего момента на главном приводном валу, источник постоянного напряжения 6 и пульт управления 7. 8 ил.

1713766

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к управлению приводом машины.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, при котором задается закон изменения угловой скорости главного приводного вала машины.

Однако этот способ не позволяет обеспечить разгон с наименьшими динамическими нагрузками в подвижных соединениях машины в связи с тем, что используемый в нем закон изменения скорости вала приводногодвигателя неучитывает динамических характеристик исполнительных и передаточных механизмов, положен, ных в основу машины, т.е, этот закон не учитывает изменения приведенного момента инерции машйны в случае использования в ней механизмов с переменным передаточным отношением.

Цель изобретения — уменьшение динамической нагруженности на приводной вал машины при ее разгоне.

Поставлен на я цель достигается тем, что напряжение. подаваемое на приводной двигатель постоянного тока изменяется по закону щ где М " — приведенный момент сил технологического сопротивления;

3п — приведенный момент инерции; ф — угол поворота главного приводного вала машины (выходного звена исполнительного механизма) или вала двигателя (обобщенная координата); . R — сопротивление якорной цепи двигателя; в — скорость вращения главного приводного вала или вала двигателя (обобщенная скорость); а скорость вращения вала двигателя определяется

О> = зад + N

1 где взад — скорость вращения, определенная заданным законом в функции от угла поворота вала двигателя р; а - угловая скорость звена приведения (главного приводного вала машины) при некотором значении р, соответствующее эначению3п

Ч

3 — значение приведенного момента инерции при некотором фиксированном значении р.

Для машин с одной степенью подвижности управляющая программа по силе(крутящему моменту) может быть представлена в виде

Мд = Мс. +1п N e +)g —, (1) и n .,

2 где Мд" — приведенный крутящий момент на валу приводного двигателя;

1 бш в = — — аналог углового обобщенноdp

ro ускорения;

1О и — " — производная от приведенd fp ного момента по р.

Уравнение(1) определяет закон изменения крутящего момента на валу приводного двигателя в случае, если задан закон изменения а в функции обобщенной координаты р. При этом закон изменения вдолжен учитывать взаимосвязь между массово-геометрическими характеристиками передаточных и исполнительных механизмов машин. Эта взаимосвязь может быть выявлена следующим образом. Предположим, что Мд"=Мс", это означает, что крутящий момент на валу двигателя изменяется по закону,.являюще-. муся зеркальным отражением закона М ", т.е, Мд" компенсирует только момент от сил сопротивления Mc". В этом случае измене- . ние в приводного двигателя или главного

З приводного вала машины определяется выражением

gn N N +)и — =О, (2) ог

Преобразование уравнения (2) дает возможность выразить зависимость между в и массово-геометрическими характеристиками следующим образом

M Зп . =- п (И

4О Разделим левую и правую части последнего уравнения на в, получим

)n © = )и со ,2, бN 03п О

45 " СГУ Р 2

Предположив, что в дальнейшем каждому значению ф будет соответствовать значение Jn и в, умножим левую и правую части последнего уравнения на d p, получим

) и 0 m = - — d ln, 0) ба 1 б)п

Ъ

55 ПРоинтегРируем левую и правую части уравнения, получим

fn

1713766 или

Ж =, (3) вг Зп где в и и — некоторые значения в и)п, соответствующие некоторому определенномууглу p..

Иэ уравнения (3) получаем в =в,, (4)

Зп

Уравнение. (4) имеет следующий физиче.ский смысл. Если умножить левую и правую

1 часть этого уравнения на — и возвести в

2 квадрат, получим -аР =-в, 1 1 2 In ..2 2 ln

?и + |л Щ или:

2 . 2

Последнее равенство есть выражение, определяющее. равенство кинетической энергии системы при различных р и.соответствующие этим углам ви3П, при равен стве Мд" и М,". Другими словами, кинетическая энергия : в каком-то

2 фиксированном значении р остается неизменйой для любых значений у текущих.:

При переменйой величине) =1 (р) уравнение (4) указывает на неравномерность вращения главного приводного вала, обусловленную "внутренней динамикой" машины, т,е. массово-геометрическими характеристиками ее исполнительных и передаточных механизмов при отсутствии сил (моментов) движущих и сопротивления, Уравйение (4) описывает закон изменения . обобщейной скорости машины, присущий ей и неизменный при отсутствии сил движущих, сопротйвления, трения и др.

В связи с этим управление переходны. ми процессами (разгон, торможение) требует .не только выбора (назначения) закона изменения абобщейной скорости от начального.до конечного значений, но и учета выше отмеченной закономерности, так как навичие "собственной" скорости машины, описанной выражением (4) в значительной степени влияет на динамиЧескую нагруженность вала приводного двигателя, Таким образом в, выходящая в уравнение (1), должна быть представлена в виде (с учетом уравнения 4) в =вд+.в (5) " Зп

Напряжение, подаваемое на приводной двигатель постоянного тока, определяется из условия равенства мощностей, которое имеет вид в или

5 г

U =М "° в д где U — напряжение, йодаваемое на электродвигатель:

1 — ток, потребляемый двигателем;

R — сопротивление якорной цепи двигателя.

Отсюда

- Я. ю.. (е

- Такйм образом, напряжение, подавае.мое на приводной двигатель постоянного тока, определяется выражением (6) при подстановке в него Мд" из (1) и Nиз(5).

Предлагаемое техническое-решение отличается от известноготем, что закон изменения напряжейия, подаваемого надвигатель постоян- . ного тока, учитывает динамические характеристики машины, в частности изменения приведенного момента инерции,:при

25 использовании в ней механизмов с пере-. менным передаточным отношением;

На фиг.1 приведена схема машины с электромеханическим приводом, включающим исполнительный механизм (кривошип-.

3О но-ползунный) с подвижными звеньями: 1— кривошип, 2 — шатун, 3 — ползун, 4- коробка скоростей, 5 — приводной двигатель.

Взаимосвязь силовых, скоростных и массово-геометрических характеристик машины может быть выражена уравнением

Мд =1и hJ. в +)n - N в +Jn п 1 .. t II ., I Г

2 (7)

В уравнении (7) принято М " О, 4О )n =const и определяет кинетическую энергию всех масс подвижных звеньев механизмов машины, имеющих постоянное передаточное отношение; )n — учитывает

6 изменение кинетической энергии подвиж45 ных звеньев механизмов машины и является функцией обобщенной координаты р. То есть

Jn +)и =)и.

1 II

Для рассматриваемого примера значе5р ние приведенного момента инерции, определяемое из равенства кинетических энергий, имеет вид

1713766 где

Я jg 11 е p.s((2 с Т(яор.ск.+ 1 )

, о,;, I я = ее{с(в) в(("вя(тЬвя11 тпв(яв1 (8)

)р эл, момент инерции ротора электродвигателя;

Т(((р.cx, — кинетическая энергия (-го эле- 10

1 мента коробки скоростей.

Индексы в приведенных уравнениях соответствуют обозначениям звеньев на фиг.1.

В последнем уравнении 15

I » д Ф2 t ctp2

Р2

Оу а гИ

Аналогично

1 1/З б ХЗ

Хз = — =, 20

Используя аналогичные преобразования, имеем

„Лй

Рр Зп

Выражение (11) учитывает, с одной стороны, рост скорости по закону, определенному зависимостью (1 О), а с другой стороны, необходимость изменения скорости в процессе разгона по закону, определенному

З5 уравнением (4).

Как видно из уравнения (7) и графиков (фиг,5) первая составляющая Мд" g 4 . со d) представляет. собой уравнение прямой в

0 случае если.в изменяют по закону, соответствующему формуле (10). В случае если скорость изменяют по закону, описанному уравнением (11), первая составяяео1вя уравнения (7) Мд будет переменной. Изме45 няются также вторая и третья составляющие Мд" (уравнение 7). При этом суммарное значение Мд" будет поставлять другую функцию, в сравнении с фиг,6.

Ч. 2

= ((Хз2 }2 + (Ув2 )2j °

Производная 3„no обобщенной координате имеет вид. — =2 3в2 P2 ф2 +2 Ю2 (я3п, . 1. 11 (Хвр Хр + Y,2. Уа j+2 п1зх и . и х Хэ Хз, (9)

Как видно, уравнения (8) и (9) есть функции обобщенной координаты и отображает внутреннюю динамику машины (фиг.1). графики функци )n )n=)n1+)„11 представлены на фиг.2.

На фиг.З изображена зависимость)(у от

Р

Пусть требуется разогнать машину. изменив ее обобщенную скорость от нуля до асср (средняя скорость установившегося движения) по линейному закону в = —..1 - - р, (10)

Фр где. фр — угол разгона (угол за который происходит изменение от нуля до м р).

График зависимости (10), представленный на фиг.4, позволяет построить зависимости отдельных составляющих формулы (7), которые дают возможность видеть раздельное влияние массово-геометрических и кинематических характеристик машины на динамическую нагруженность приводного вала.

На фиг.5 показаны зависимости отдельных составляющих, входящих в уравнение (7), на фиг.6 — зависимость Мд" от у(т.е. сумма составляющих, изображенных на фиг.6) за время разгона по закону, соответствующему выражению (10).

На фиг.5 видно, что наибольшее влияние на неравномерность движения оказывают функции)п (1р) и)(1 (р).

Рассматриваемый пример указывает на то, что закон изменения скорости в процессе разгона должен выбираться с учетом функций)л и)п . Таким образом, чтобы значение . крутящего момента на приводном валу машины не выходило эа пределы некоторых значений Мдмакс". и Мдмин".

При этом выбор закона изменения со в функции р должен учитывать массово-геометрические характеристики исполнительных и передаточных механизмов машины.

Этот учет сводйтся к тому, чтобы увеличение (уменьшение) значений Мд", обусловленное изменением 3п и )и, компенсировалось

1 уменьшением (увеличением) Мд" за счет из-, менения в иd.

В связи с этим данный закон изменения скорости определяется уравнениями управления (5) и (10) и может быть представлен в виде

Предлагаемый способ программного управления дает возможность определить значения крутящего момента на приводном валу машины по формуле 1 с учетам (11). Это дает возможность определить допустимые

Мд" и выбрать тем самым величину ф, в пределах которой значения Мд" остаются в требуемых диапазонах. Выбор связан с временем разгона, т.е. производительностью машины. Время разгона может быть определено

1713766

10 бЯ

В блоках 11 и 12 вычисляется соответст<р= 3 . (12) венно производные от угловой скорости о а(вычисленной в блоке 8) и от и иведенного ется из выражения (11)..

Предлагаемый, способ управления при5 по углу поворота главного приводного вала водом машины может быть реализован с машины р. помощью. системы управления, включающей вычислительное устройство.. ного приведенного движущего момента

На фиг.7 представлена структурная схеинерции Мдз" по формуле ма системы УпРавлениЯ, РеализУющаЯ Мд," — М,"+)„° о + — ° предлагаемый способ управления приво- бф 2 бф- дом машины..Система управления состоит где sce состввлЯющие пРавУю часть sToro извычислителя1,регулятора2,двигателя 3 УРавнениЯ есть значениЯ, вычисленные в постоянного тока, датчика 4 угла поворота главного приводного валад1,датчика 5кру- Вычисленная величина Мд " в блоке 14 тящего момента на главном приводном валу сравнивается с сигналом, поступающим с

Д2, источника 6 постоянного напряжения, датчика Д2-4 действительного момента на пульта 7 управления. приведенном валу машины Мдд", и находит Вычислитель 1 на основании сигналов с 0 сЯ - Р- -- A Мд датчиков Д 1 и Д 2 формирует сигнал U3, ™д ™дз Мдд ° пропорциональный величине напряжения, В блоке 15 вычисляется расчетное энаподавйемого от источника 6 постоянного на- "ение пРиведенного момента Мдя" пряжения через регулятор 2 на двигатель 3 +hp Мдэ "+ Ю4д". постоянного тока таким образом, что И затем в блокЕ 16 вычислЯетСЯ значеU3=K И, ние 0з управляющего сигнала по формуле где Оз — сигнал управления, вырабатываеЯ;, К. — коэффициент пропорциональности Система управления приводом машины (усиления); 30 работает следующим образом. . U> — напряжение, подаваемое на при- В начальном положении система управводной двигатель 3. ления обеспечена, т.е. напряжение U . и . Датчики Д1-4 и Д2-5.механически связа- Опо т. равно нулю. Двигатель 3 не вращаетны с главным приводным валом машины и ся, .вырабатывают сигналы, пропорциональные 35 С пульта 7 управления включается исуглу поворота и крутящему моменту соот- точник .постоянного напряжения 6, На ветственно. Пульт 1 управления предназна- вычислитель 1 приходит питающее напрячен для включения-отключения. привода жение Unm. машины. Сигнал с датчика Д1-4 поступает в выНа фиг.8 представлена структурная схе- 40- числитель 1. На основании этого сигнала s ма вычислителя 1. вычислителе 1 определяется значение Мдзп.

В блоке 8 вычисляется значение угловой В ТоМ случае, если (p4as 0 скорости в по-формуле (11), т,е.

V n д)=.f1(P) ЩР.Ру и . 45

Jn

Если рнач 0

В блоке 9 вычисляется значение пайве- . в = — >< +а денного момента сопротивления М как . ф кция угла поворота р приводного ва а т.е, в любом слу ае а, вычисленное в блоке

50 8 не авно н лю. машины. Эта зависимость является заданной для ка „ой,ехнологической операции, Значение вычисленного Мдз" сравнивается с Мдд", поступающее в виде сигнала с

В блоке 10 вычисляется значение при- датчика Д2-5..В начальный момент Мдд" О, веденного момента инерции поэтому Л Мд"-,Мдз". В связи с этим на выI-I "3"

iI ла машины. ра 2, который непосредственно управляет

1713766 тем, что, с целью уменьшения динамической нагруженности на приводной вал машины при ее разгоне. указанное напряжение изменяют по закону

5 напряжением 0>, подаваемым на приводной двигатель 3, Таким образом в начальный момент, на двигатель 3 подается напряжение

0знач = К . 0энач которое заставляет двигатель вращаться. Вращение двигателя приводит к измене нию сигналов с датчиков Д1-4 и Д2-5. Эти сигналы поступают в вычислитель 1, который вырабатывает новое значение 0э, соответствующее сигналам с датчиков.

Обратная связь по крутящему моменту позволяет стабилизировать действительи ный приведенный крутящий момент Мдд на уровне заданного Мда".

Использование предлагаемого способа управления приводом машины обеспечивает уменьшение динамической нагруженности на главный приводной вал машины по сравнению с известными способами. Кроме 2 этого, предлагаемый способ позволяет снизить энергоемкость и металлоемкость проектируемых машин.

Формула изобретения

Способ управления приводом машины, при котором задают продолжительность разгона до достижения средней скорости установившегося движения, исходя из допустимых динамических нагрузок на главный вал машины, путем подачи напряжения на приводной двигатель, отличающийся где аЬад — скорость вращения, определяемая заданным законом в функции от угла поворота вала двигателя;

1н — значение приведенного момента инерции при некотором фиксированном значении р; и г угловая скорость звена приведения (главного приводного вала машины) при не3О котором значении обобщенной координаты, соответствующем значению 13, где М " — приведенный момент сил техноло10 гического сопротивления; .)н — приведенный момент инерции; ф- угол поворота вала двигателя;

Я вЂ” сопротивление якорной цепи двигателя;

15 а- скорость вращения вала двигателя, при этом скорость вращения вала двигателя определяется выражением

1713766

2д

Мул р Л

1713766

Pgz 1

Фиг.8

Составитель С,Головко

Редактор В.Бугренкова Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор О,Кундрик

Заказ 653 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Чжгород, yn,Гагарина, 101