Устройство для управления электромагнитным исполнительным органом

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при управлении различными исполнительными механизмами на базе электромагнит ного исполнительного органа (ЭИО) пропорционального действия, когда требуется отработка управляющих воз- . действий с. высокой точностью.Целью изобретения является повьппение качества управления электромагнитным исполнительным органом путем линеариэации его регулировочных характеристик.На Фиг. 1 приведена функциональная 5 схема устройства для управления ЗИО; на фиг. 2 - упрощенная конструктивная схема ЭИО.Устройство управления ЭИО .(Фиг. 1) содержит электромагнитный исполни тельный орган 1, включающий обмотку 2 управления, усилитель 3, выход ко- . торого через датчик 4 тока соединен с обмоткой 2 управления, датчик 5 положения,. связанный с подвижной частью ЭИО, дифференциатор 6, вход которого соединен с выходом датчика 5 положения, линейный регулирующий блок 7, первый вход которого соединен с выходом дифференциатора 6 ли неаризирующий регулятор 8, включающий первый 9 и второй 10 блоки умножения, первый 11 и второй 12 блоки суммирования, блок 13 нелинейности, блок 14 деления. Причем выход дифференциатора, 6 соединен также с первым входом первого блока 9 умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика 4 тока, а выход - с . первым входом блока 11 суммирования. 40 Выход датчика 4 тока соединен также с входом блока 13 нелинейности, первым входом блока 14 деления и вторым входом блока 11 суммирования, а выход датчика 5 положения связан также 45 с вторым входом линейного регулирующего блока 7 и первым входом второго блока 10 умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока 12 суммирования, а выход - с входом блока 14 деления. Третий вход линейного регулирующего устройства 7 соединен с выходом блока 13 нелинейности, на четвертый вход подается задающий сигнал 15. Выход линейного регулирующего блока 7 связан с первым входом второго блока 12 суммирования, на второй вход которого подается сигнал 16 производной нагрузочного момента электромагнитного исполнительного органа. Выход блока 14 деления связан с третьим входом первого блока 11 суммирования, выход которого соединен с входом усилителя 3.Рассмотрим работу системы управления при отработке задающего сигнала.В исходном состоянии подвижная часть ЭИО 1 занимает некоторое на- чальное положениеток в обмотке 2 управления, скорость и ускорение подвижной части равны О.При рассмотрении электромагнитного исполнительного органа как элемента системы автоматического управления в нем могут быть выделены две подсистемы: электромагнитная и механическая, Функциональное содержание которых составляют процессы преобразования электромагнитной энергии в механическую.Уравнение движения механической части ЗИО имеет видтаО/а + абае - М- М, - О,где Хц - момент инерции подвижной. части ЭИО;1 - угол поворота (перемещение)подвижной части ЭИО, равныйуглу между осями подвижнойи неподвижной полюсных систем ЭИО и отсчитываемый отих несогласованного положения (Фиг.2);- коэффициент вязкого трения;М - момент, развиваемый исполнительным органом;М - момент нагрузки.Момент, развиваемый ЭИО поворотного типа, ипи усилие ЭИО поступательного действия определяют в соответствии с уравнением Максвелла где М э - электромагнитная энергия,Взаимосвязь между основными параметрами, определяющими величину элек. тромагнитной энергии для линейной магнитной цепи, может быть установлена с помощью уравненийФ Р/2;Ф ВБ с П"гс 31Р- ВЗ/С, = П;О,= р,З,И (1) где Ф, В - магнитный поток и индукция;1 4570 С - магнитная проводимость за 3зора;Яс, Р - площадь и величина рабочего зазора;1, Ю - ток и число витков обмотки управления;ро - магнитная постоянная.Определяя геометрические параметры из упрощенной схемы ЭИО (фиг.2), выражения для электромагнитной энергии и момента, развиваемого исполнительным органом, составятИ ф В аПсЧ/4 р,; (2)Ищ В аПЮ 4 р,= р,а 01 И К 1. 10 Таким образом, момент, развиваемый ЗИО, пропорционален квадрату тока обмотки управления,что не учитывается в известной системе управле нияаУравнение, описывающее электромагнитную систему ЗИО, может быть представлено в следукхцем виде; 25(3) КЙ 1/Йс + К 1 Й/Йе + 1 К,от сюда ао Й 1/Й = (Ц - К тй/ЙЕ - 1 К,)/К . Учитывая также, что исходят иэуравнения (2) ЙМ/Йй = 2 К 1 Й 1/Йй,получим ЙМ/Й = 2 К 1(Ц - К,ИЧ/Й -- . ж,) /кУчитывая приведенные соотношения,ЭИО описывается нелинейной системойдифференциальных уравнений 50024подвижной части ЭИО. Например, еслинагрузкой является пружина с коэф-.фициентов жесткости С, то МЙМ/Й с - СЛ/Й е - СЦ);а - (К 1 - СЦ - м)/1. В известной системе управляющий сигнал ЭИО - напряжение обмотки управления формировался на основании линейности функциональных зависимостей, описывающихЗИО, что является неправомерным и приводит на практике к ухудшению качества управления ЭИО.Однако при использовании уравнения в виде о+ / / ) сф + К.,1 ЙЧ/Йс + К,1, (5) где К1 КЮ/2 КК 1оц - коэффициенты пропорциональности;Бо - величина управляющего сигнала в линеаризованной сис.теме,нелинейная система дифференциальных уравнений (4) преобразовывается в линейную Й 4/Й 1 = ы;сЬа/Йй Ы;Йс/Йй = Б о - 4 с 1,(6) По КьПз К (Ч 4 О) где К оК К, К - оптимальные по выбранному критерию качества коэффициенты обратных связей по соответствующим координатам, Но так как в начальный момент времени ы= О,= О, м= А, то 11 о = КаБ В блоке 12 Определение закона изменения управляющего сигнала Бв выбранной системе координат в этом случае, подобно как и в известной системе, может производиться одним из методов теории линейного оптимального управления.При поступлении на вход линейного регулировочного блока 7 сигнала 15 задания на его выходе формируется управлякиций сигнал, который является в общем случае линейной функцией выбранных фазовых координат: положения, скорости и ускорения подвийной части ЗИО 1, а также задающего сигнала 157002 6тока, протекающего через обмотку 2управления.Сформированные на выходах датчика5 положения, дифференциатора 6 и блока 10 нелинейности сигналы поступаютна входы линейного управляющего устройства 7. С помощью последнего согласно выражению (7) вырабатывается 10 управляющий сигнал. Причем ускорениеподвижной части ЭИОпри реализациилинейного управляющего алгоритма определяется косвенным путем по следующей функциональной зависимости:1 мТ Т н го 25 30 35 40 50 55 5 145 суммирования управляющий сигнал Бд суммируется с сигналом 16 производ- й ной нагрузочного момента, величина которого, например, для рассмотренного случая, когда нагрузкой является пружина, пропорциональна скорости пе" ремещения подвижной части.Суммарный сигнал, поступая в блок 10 умножения, перемножается с сигналом, пропорциональным ц , который снимается с датчика 5 положения.Результирующий сигнал с выхода блока 10 умножения поступает на один из,входов блока 14 деления. Здесь величина этого сигнала делится на величину сигнала, поступающего на второй вход блока 14 умножения с выхода датчика 4 тока. Так как величина тока в начальный момент времени равна О, то с выхода блока 14 деления будет сниматься сигнал максимально возможной, исходя из условий практической реализации, величины.В блоке 11 суммирования полученный с выхода блока 14 деления сигнал суммируется с сигналами, снимаемыми с выхода датчика 4 .тока и выхода блока 9 умножения.Так как в начальный момент времени ток в обмотке 2 управления и ускорения подвижной части равны О, то величина последних двух сигналов равна 0 и на вход усилителя 3 поступает сигнал, величина которого пропорциональна величине ограниченного выходного сигнала блока 14 деления.С выхода усилителя 3 усиленноЬ результирующее напряжение поступает на обмотку 2 управления. При этом через обмотку 2 управления ЭИО 1 начинает протекать ток, а на выходе датчика 4 тока формируется сигнал, пропорциональный этому току.Вследствие протекания тока через обмотку 2 управления возникает момент ЭИО 1, который приводит к перемещению подвижной части ЭИО 1. При этом на выходе датчика 5 положения формируется сигнал, пропорциональный положению подвижной части ЭИО 1, который, проходя через дифференциатор 6, преобразуется в сигнал, пропорциональный скорости перемещения подвижной части ЭИО 1.Сигнал, пропорциональный моменту ЭИО 1, формируется на выходе блока 13 нелинейности, реализующем квадра", тичную зависимость момента ЭИО от практическая реализация которой не представляет затруднений.Полученный с выхода линейного управляющего устройства 7 управляющий сигнал П, просуммированный в блоке 12 суммирования с сигналом производной момента нагрузки, умножается в блоке 10 умножения на величину, пропорциональную перемещению подвижной части ЭИО 1, а затем в блоке 14 деления делится на величину, пропорциональную току обмотки 2 управления,Величина сформированного на выходе блока 14 деления сигнала алгебраически суммируется в блоке 11 суммирования с величиной сигнала с выхода датчика 4 тока и величиной сигнала с выхода блока 9 умножения, которая равна произведению величин сигналов с выхода датчика 4 тока и дифференциатора 6, а затем через усилитель 3 подается на обмотку 2 управления ЭИО 1.Так как величины напряжения на обмотке 2 управления, полученные согласно описанному, определяются выражением (5), то это приводит к линеаризации регулировочных характеристик и, следовательно, к повышению по сравнению с прототипом качества управления электромагнитным исполнительным органом. Перемещение подвижной части ЭИО 1 осуществляется по оптимальной, согласно выбранному критерию качества, траектории.Реализация предлагаемой системыуправления ЭИО значительно упрощаетсяпри использовании микропроцессорных управляющих устройств. формула изобретенияУстройство для управления электромагнитным исполнительным органом, 7 1457002 8содержащее датчики тока обмотки уп- , вход которого подключен к выходу дифравления и положения подвижной части ференциатора, с первым входом первого исполнительного органа, дифференциа- блока суммирования, второй вход кото" тор, линейный регулирующий блок, уси- рого подключен к выходу первого блолитель, связанный с обмоткой управ- ка умножения, с первым входом блоления, причем вход дифференциатора , ка деления, второй вход которого связан с выходом датчика положе- подключен к выходу второго блока умния, первый, второй и третий входы ножения, и через блок нелинейности - линейного регулирующего блока соеди с четвертым входом линейного регулинены соответственно с выходами дат- рующего блока, выход блока деления чика положения подвижной части испол- подключен к третьему входу первого кительногооргана и дифференциатора блока суммирования, выход линейного и первым управляющим входом устрой- регулирующего блока соединен с перства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, 15 вым входом второго блока суммировачто, с целью повьппения качества уп- ния, второй вход которого подключен равления электромагнитным исполни- к второму управляющему входу устрой- тельным органом путем линеаризации ства, а выход - к первому входу вто" , его регулировочных характеристик, рого блока умножения, второй вход ковведен линеариэующий регулятор2 О торого соединен с выходом датчика по- включающий в себя блок нелинейности, ложения подвижной части исполнительдва блока умножения, блок деления, ного органа, выход первого блока сумдва блока суммирования, причем выход мирования соединен с входом усилидатчика тока соединен с первым вхо- теля.дом первого блока умножения, второй . 25