Стабилизация, слежение, позиционирование

Стабилизация. Системы стабилизации скорости (ССС) электроприводов применяются в тех случаях, когда с заданной точностью необходимо поддерживать скорость движения исполнительных органов машин. Режимы работы ССС могут быть разнообразными в зависимости от режимов работы промышленных установок в технологическом процессе. Наиболее характерным является режим длительной работы электроприводов в установках с непрерывным технологическим процессом. К таким установкам относятся: непрерывные прокатные станы, бумагоделательные машины, установки для производства полимерных материалов, кордных тканей и др. Как правило, такие промышленные установки являются многодвигательными и содержат до нескольких десятков электроприводов.
Режимы работы ССС могут быть кратковременными при программном управлении скоростью в широких пределах. Стабилизация скорости в этих случаях является частным режимом на небольших временных интервалах. Это характерно для электроприводов ряда металлообрабатывающих станков, реверсивных прокатных станов.
При длительно-непрерывных режимах работы ССС особых требований к режиму пуска электроприводов нет. Режим пуска является вспомогательным. Систему стабилизации скорости проектируют, исходя в основном из условий обеспечения заданной точности стабилизации скорости в установившемся режиме. При этом важно исключить долговременные дрейфы в информационно-измерительных частях ССС, которые вызываются, главным образом, тепловыми процессами. В системах с кратковременным режимом работы требование к точности стабилизации скорости на одних интервалах времени может находиться в противоречии с требованием максимального быстродействия при изменении скорости на других интервалах.
Наиболее важным показателем ССС является точность стабилизации, о которой можно судить, например, по отклонению скорости Асост в установившемся режиме после завершения переходного процесса при изменении статического момента или напряжения сети. Отношение отклонения Асост к заданной скорости со3 определяет показатель статической точности ССС Дсост/со3, который может быть также выражен в процентах. Показатель статической точности применяется в основном для оценки сравнительно «грубых» ССС. В современных системах управления электроприводами в качестве регуляторов используются модули контроллеров приводов, и не представляет особой сложности получать сколь угодно малые статические ошибки по скорости, если регулятор скорости выполнять с интегральной составляющей. В связи с этим более важным показателем, характеризующим точность ССС, является показатель динамической точности, связанный с оценкой мгновенных отклонений скорости на различных временных интервалах.
Мгновенные отклонения скорости зависят от ряда факторов: динамических изменений момента сопротивления и напряжения сети; параметрических возмущений в электродвигателях, полупроводниковых преобразователях и кинематических передачах; погрешности измерения текущих значений скорости; помех в каналах управления. Если один из названных факторов более значим по сравнению с другими, то точность может быть оценена с учетом только этого фактора. В противном случае необходимо оценивать точность с учетом всех основных факторов, приводящих к нестабильности системы управления.
Динамическая точность может оцениваться по отношению мгновенного максимального отклонения Асомг или среднего квадрати-ческого отклонения Асосрк к заданному значению скорости со3. Вторая оценка полнее характеризует точность системы, так как она основана на статистических данных отклонений. По динамической точности ССС могут быть разделены на следующие группы: малой точности (больше 1...5%); средней (0,1... 1%); точные (0,01... 0,1 %); высокоточные (менее 0,01 %).
В зависимости от требований к точности системы электропривода выполняют с различными информационными и управляющими устройствами. Применяются аналого-цифровые и цифровые устройства, в которых различным образом осуществляются ввод задания, измерение скорости и формирование алгоритмов управления. Имеется различие и в выполнении силовой части электроприводов — выборе полупроводникового преобразователя, электродвигателя, кинематической передачи. Например, для точных и высокоточных систем целесообразно выполнять электроприводы безредукторными с управлением от ШИМ-преобразова-телей. Для электроприводов малой и средней точности применимы редукторные электроприводы с управлением от иных преобразователей.
При изменении скорости в широком диапазоне могут существенно меняться динамические характеристики возмущающих воздействий и погрешности информационных устройств. В этих условиях ССС можно выполнять с перенастройкой структуры информационной и управляющей частей системы.
Слежение и позиционирование. Следящие и позиционные системы используются в электроприводах: промышленных манипуляторов и роботов, механизмов подач металлообрабатывающих станков, нажимных устройств прокатных станов, механизмов оборудования мониторинга и др. Характерным для таких приводов является наличие модулей измерения и регулирования положения. Общие принципы построения и расчета следящих и позиционных систем электроприводов изложены в работе [5]. В современных комплектных электроприводах реализация режимов слежения и позиционирования выполняется с помощью интеллектуальных модулей расширения контроллеров приводов.
Имеются и специализированные исполнения следящих и позиционных электроприводов, называемых сервоприводами.
Как известно, следящие режимы реализуются без ограничений выходных сигналов регуляторов положения и скорости, а позиционные — с ограничением этих сигналов. Программная реализация регуляторов предусматривает также анализ уровней сигналов задания и ошибок систем и их производных, границ допустимых значений переменных, коррекцию ограничений и другие дополнительные функции, обеспечивающие заданные или предельно-достижимые динамические свойства систем.
Позиционные режимы с прямоугольными временными диаграммами ускорений обеспечивают наибольшее быстродействие, но не оптимальны по электропотреблению [22]. Они являются возбудителями полигармонических колебаний механизмов и источниками дополнительных погрешностей движения исполнительных органов. В связи с этим используют алгоритмы формирования треугольных, трапецеидальных или гармонических временных диаграмм ускорений при обработке заданных перемещений. Ухудшение быстродействия систем принципиального значения не имеет.
При реализации систем с дискретными датчиками положения (например оптикоэлектронными) позиционирование выполняется с точностью до одной дискреты датчика. При этом в контроллере привода в соответствии с объемом задания и ограничениями на производные ускорения рассчитывается оптимальная траектория движения механизма. Погрешность позиционирования в таких системах может быть сколь угодно малой. При использовании в качестве датчиков положения лазерных интерферометров эта погрешность может измеряться микромиллиметрами.
Наряду с этим имеются простые позиционные системы с большими перемещениями (метры и десятки метров), в которых в качестве датчиков положения используются путевые датчики (ПД), по сигналам которых устанавливаются заданные значения скоростей — нулевое, минимальное («ползучая» скорость), максимальное (номинальная скорость). Такие системы используются в транспортном и подъемно-транспортном оборудовании. Анализ всех составляющих суммарной погрешности позиционирования в такой системе дан в работе. Остановимся на главных моментах этого анализа.
Установка ИО в требуемое фиксированное положение может обеспечиваться при нулевом значении напряжения на двигателе и включении механического тормоза. Команда на отключение двигателя поступает от ПД, установленного на некотором расстоянии от точки остановки. Так как положение ПД при работе остается неизменным, точность позиционирования полностью определяется условиями движения электропривода с момента поступления в схему сигнала на отключение двигателя до момента полной остановки.
Если принять, что отключение двигателя и включение механического тормоза происходят одновременно и усилие тормоза возрастает до установленного значения скачком, то процесс остановки можно разделить на два этапа.
Первый этап обусловлен наличием собственного времени срабатывания ПД и аппаратуры 4 в схеме управления электроприводом. В течение времени 4 ИО механизма продолжает движение со скоростью va, с которой он подошел к ПД, и проходит путь.
По истечении времени срабатывания аппаратуры /а двигатель отключается от сети и включается механический тормоз. Наступает второй этап процесса остановки, во время которого запасенная во всех поступательно и вращательно движущихся частях установки кинетическая энергия расходуется на совершение работы по преодолению сил статического сопротивления движению на проходимом при этом пути.
Параметр а представляет собой суммарное среднее значение времени срабатывания всех последовательно действующих в схеме управления аппаратов. Среднее время срабатывания для каждого аппарата указывается в справочной литературе, где оговаривается возможный разброс конкретных значений времени срабатывания. Для большинства аппаратов в среднем возможный разброс времени срабатывания составляет ±(15...20) % среднего времени срабатывания, поэтому относительное значение Д///а = 0,15 может быть с достаточной точностью принято в большинстве расчетов. Для уменьшения неточности остановки при проектировании схем автоматического управления подъемно-транспортными механизмами следует стремиться к уменьшению времени срабатывания аппаратуры 4. Для чего использовать быстродействующие аппараты и сокращать число последовательно действующих элементов схемы. При выполнении этого общего требования суммарное среднее время срабатывания аппаратуры в процессе проектирования задается.
Возможные значения статического усилия и приведенной массы установки полностью определяются конструктивными особенностями и режимом работы механизма. Для большинства подъемно-транспортных механизмов статические нагрузки изменяются в широких пределах, что является важнейшей причиной разброса значений пути торможения и соответствующей неточности остановки.
Тормозное усилие FT при проектировании для повышения точности остановки выбирают возможно большим. Увеличение тормозного усилия увеличивает среднее ускорение при торможении и при прочих равных условиях уменьшает его относительные отклонения, так как тормозное усилие является более стабильным, чем другие параметры. Если для механизма характерны значительные пределы изменения статической нагрузки, усилие тормоза в расчетах можно полагать постоянным, принимая AFT = 0. Для механизмов с относительно мало меняющейся статической нагрузкой необходимо учитывать возможность изменения усилия тормоза на ±(10... 20) % из-за ряда факторов, не поддающихся строгому учету (случайные изменения коэффициента трения, настройки тормоза и т. п.).
Возможности снижения неточности остановки за счет повышения усилия тормоза невелики вследствие необходимости ограничения максимального ускорения допустимым значением. Если принять, что при включении тормоза максимальное ускорение должно быть равно допустимому одоп, то можно определить максимально допустимое усилие тормоза, которое в дальнейших расчетах является заданным:
••Vaon = "*1^доп — An-max •
С учетом перечисленных факторов реальные значения относительных отклонений ускорения Аа/а находятся в пределах 0,1 ...0,5 и являются существенными возмущениями, вызывающими неточность остановки.
Влияние средней остановочной скорости и ее относительных отклонений на точность остановки зависят от пределов изменения нагрузки на валу двигателя и жесткости механической характеристики. Средняя остановочная скорость наиболее значительно влияет на максимальную неточность остановки. Из формулы следует, что от средней остановочной скорости зависят среднее значение пути на первом этапе процесса остановки и путь торможения. Путь торможения зависит от квадрата остановочной скорости, поэтому уменьшение средней остановочной скорости эффективно снижает и максимальную неточность остановки.
Относительное отклонение остановочной скорости от среднего значения Av/vnQ при данном значении vnQ также существенно влияет на точность остановки. Чем выше жесткость механической характеристики двигателя перед остановкой, чем более стабильна начальная скорость привода vn, тем точность остановки выше. Для замкнутых систем с ПИ-регулятором скорости Av/vnQ = 0.
При рассматриваемом способе остановки подбор необходимых значений vnQ и Av/vn0 обеспечивает получение заданной точности остановки. В соответствии с этим остановка электропривода выполняется с использованием двух путевых датчиков. После срабатывания первого датчика привод переходит с номинальной скорости на минимальную. После срабатывания второго осуществляется остановка привода. Задачей проектирования точной остановки является определение требуемой средней остановочной скорости и жесткости механической характеристики при «дотягивании» к датчику точной остановки.