Системы программного управления, ограничение координат СУИМ

К системам программного управления относятся системы, за- дающие воздействия которых меняются по некоторым программ- но-временным законам. В частности, это системы управления ме- таллорежущими станками и промышленными роботами, исполни- тельные органы (струбцины резцов станка, схваты манипулятора и т.п.) которых имеют программные законы движения по одной или нескольким пространственным координатам. Программное управление такого рода СУИМ осуществляют, как правило, с по- мощью систем числового программного управления (СЧПУ) того или иного класса (NC, CNC, SNC, DNC и др.) [17, 23, 24].

К системам программного управления предъявляются те же требования, что и к системам стабилизации в статических и дина- мических режимах, а также ряд специфических требований, свя- занных с необходимостью ограничения координат объекта управ- ления на допустимых уровнях. В отличие от систем стабилизации СЧПУ при позиционном и позиционно-контурном управлении мо- гут функционировать в режимах больших отклонений координат, в том числе при больших отклонениях выходной координаты (по- ложения исполнительного органа). В этой связи основные требо- вания к программным системам управления можно сформулиро- вать следующим образом:

– максимум быстродействия при минимуме динамической ошибки отработки любых программно-задающих воздействий;

– ограничение координат СУИМ на допустимых уровнях во всех динамических режимах.

Эти требования тесно взаимосвязаны и обеспечиваются сле- дующими техническими (в общем случае – программно-аппарат- ными) средствами:

– применением дополнительных нелинейных обратных связей по ограничиваемым координатам СУИМ (типа отсечек);

– применением задатчиков интенсивности (первого или вто- рого рода);

– формированием таких программно-временных задающих воздействий, которые учитывают реальные динамические характе- ристики (возможности) объекта управления;

– ограничением величин задающих воздействий внутренних контуров регулирования в многоконтурных СУИМ.

В электромеханических СУИМ требуется ограничивать на допустимых уровнях, в частности, следующие координаты:

– скорость электродвигателя (w £ w_max);

– ток якоря двигателя постоянного тока (i _я £ i _{я max}, i _{я max} = l i _{я ном}, где l – перегрузочная способность двигателя) или ток статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (i _c £ i _{c max});

– скорость изменения тока якоря двигателя на допустимом уровне; для электрических машин обычного исполнения эта вели- чина составляет 20–50 номинальных значений тока за секунду;

– ускорение электропривода (исполнительного механизма, рабочего органа) на уровне, определяемом требованиями техноло- гического процесса, комфортности и др.

Рассмотрим ограничение координат СУИМ применением до- полнительных нелинейных обратных связей.

Двигатель постоянного тока   Датчик тока i я

На рис. 5.14 приведена функциональная схема системы регу- лирования скорости электропривода постоянного тока с дополни- тельной обратной связью типа «отсечка» по току.

 

U зс

U рс  U у

 

 

Нелинейное звено U дс	Датчик скорости

Рис. 5.14. Функциональная схема САР скорости с отсечкой по току якоря

 

Нелинейная обратная связь по току якоря вступает в дейст- вие, когда ток якоря превысит максимально допустимое значение.

При этом реализуется условие | U _дт| > | U _отс|, где U _отс – напряжение отсечки нелинейного звена. Напряжение отрицательной обратной связи U _нз приводит к снижению напряжения управления силового преобразователя и cтабилизирует ток якоря на максимально до- пустимом уровне. В режиме токоограничения среднее значение U дт»  U отс.

Заметим, что регулятор скорости, обеспечивающий опти-

мальное в смысле какого-либо критерия регулирование скорости, должен иметь переменную структуру, изменяющуюся при выходе тока на режим ограничения. С целью снижения выбросов тока якоря в такие моменты времени применяют так называемое упре- ждающее токоограничение, обеспечиваемое за счет дополнитель- ной обратной связи по току двигателя, подаваемой на вход тири- сторного преобразователя.

Рассмотрим ограничение координат СУИМ с помощью за- датчиков интенсивности.

Задатчики интенсивности (ЗИ) служат прежде всего для ограни- чения фазовых переменных СУИМ. В электромеханических СУИМ с помощью ЗИ ограничивают скорость, ускорение и рывок рабочего органа (первую, вторую и третью производные положения РО).

Задатчики интенсивности первого рода применяют для огра- ничения ускорения (замедления) электропривода и обеспечивают либо постоянство ускорения (замедления), либо постоянство вре- мени регулирования при скачкообразном изменении сигнала зада- ния скорости. Структурная схема ЗИ первого рода, обеспечиваю- щего постоянство ускорения электропривода в переходных режи- мах, приведена на рис. 5.15.

Напряжение задания скорости U _зс можно изменять ступенча- то. При этом выходной сигнал ЗИ будет меняться линейно в функ- ции времени:

U зи = U ¢зс = (1/ T зи) U рэ t,

где U _рэ – напряжение релейного элемента (РЭ), U _рэ =

= U рэ maxsign(U зс – U ¢зс).

 

1

РЭ                          Интегратор

Рис. 5.15. Структурная схема ЗИ, обеспечивающая постоянство ускорения электропривода

 

Реакция ЗИ на различные по величине ступенчатые воздейст- вия приведена на рис. 5.16.

 

U зи U зи 2

 

U зи 1

 

0                                            t рег1        <     t рег2

 

Рис. 5.16. Реакция ЗИ на скачкообразное изменение задающего воздействия

 

Задатчик интенсивности устанавливают на входе замкнутого контура регулирования скорости, который отрабатывает линейное задание скорости с некоторой динамической ошибкой, т.е. макси- мальное ускорение электропривода будет определяться только па- раметрами ЗИ (U _{рэ max}, T _зи) и коэффициентом передачи замкнутого контура скорости (1/ K _c):

emax = (d w/ dt)max = U рэ max/ T зи K c.

Структурная схема ЗИ, обеспечивающего постоянство време- ни регулирования при ступенчатых изменениях задающего воз- действия, приведена на рис. 5.17.

 

U зс

U зи = U ¢зс

 

Рис. 5.17. Структурная схема ЗИ, обеспечивающего постоянство времени регулирования скорости

 

Реакция такого ЗИ на ступенчатые изменения задающего воз- действия приведена на рис. 5.18. Как видим, время отработки про- извольного по величине скачка задания скорости постоянно и рав- но постоянной времени T _зи. Ускорение электропривода с таким ЗИ – величина переменная и зависит от приращения скорости за время T _зи.

U зи U зи 2

U зи 1

 

 

0                                                T зи

 

Рис. 5.18. Реакция ЗИ на скачкообразное изменение задающего воздействия

 

Задатчик интенсивности второго порядка в отличие от рас- смотренных ЗИ содержит интегратор второго порядка, что позво-

ляет ограничить на допустимом уровне не только первую, но и вторую производную регулируемой координаты. Если он уста- новлен на входе замкнутого контура регулирования скорости, то на допустимых уровнях будут ограничены ускорение и рывок РО ИМ. Наиболее простая реализация такого ЗИ – апериодический фильтр второго порядка:

W (P) =

1      .

(T ₁ P  + 1)(T ₂ P  + 1)

 

(5.1)

Время отработки произвольного по величине скачка задания скорости здесь постоянно, так как звено (5.1) является линейным. Максимальное ускорение и рывок рабочего органы будут опреде- ляться величинами постоянных времени T ₁ и T ₂.

В позиционно-контурных системах ЧПУ иногда реализуется возможность ограничения координат СУИМ за счет формирования такой программной траектории исполнительного механизма, кото- рая при хорошо прогнозируемых возмущающих воздействиях на рабочий орган позволяет ограничить уровни его скоростей и уско- рений [17, 24, 25].

Ограничение координат СУИМ посредством ограничения за- дающих воздействий нашло широкое применение в многоконтур- ных электромеханических СУИМ и прежде всего в системах подчи- ненного регулирования координат электроприводов постоянного и переменного тока. Ограничение задающих воздействий внутренних контуров регулирования осуществляется за счет ограничения вы- ходных сигналов регуляторов старших по отношению к ним конту- ров. Например, в САР скорости с подчиненным контуром регулиро- вания тока якоря выходной сигнал регулятора скорости использует- ся для ограничения тока якоря.