Разработка и исследование многокоординатных электроприводов на базе частотно-регулируемых электродвигателей и промышленных информационных сетей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Кукушкин, Михаил Сергеевич

• Кукушкин, Михаил Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кукушкин, Михаил Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ.

1.1. Классификация электромеханических систем и систем управления движением.'.

1.2. Структуры систем управления движением.

1.2.1. Структуры управления одной оси систем управления движением

1.2.2. Структуры многокоординатных систем управления движением.

1.3. Аппаратные средства систем управления движением.

1.3.1. Интеллектуальные модули управления движением в составе ПЛК

1.3.2. Контроллеры управления движением.

1.3.3. Совмещенные контроллеры-сервоусилители.

1.3.4. Общепромышленный ПЛК.

1.3.5. Сети передачи данных.

1.4. Программные средства систем управления движением . . .•.

1.5. Сравнение элементов силового канала.

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ МНОГОКООРДИНАТНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ.40*

2.1. Реализация математической модели электропривода по системе ПЧ-АД с учетом дискретности управления.-.

2.2*. Обоснование применения метода компенсации запаздывания.

2.3. Компенсация влияния квантования по времени с использованием таблиц коррекции.

2.3.1. Вариант системы управления с П-реіулятором положения и П-регулятором скорости.

2.3.2. Вариант системы управления с П- регулятором положения и ПИ-регулятором скорости.

2.4. Вариант системы управления с корректирующими воздействиями по производной задания на перемещение и скорости эталонной модели.

2.5. Реализация эталонной модели в ПЛК.

2.6. Система управления с П-регулятором положения.

2.6.1. Система с П-регулятором положения при отработке малых перемещений задания на перемещение скачком.•.

2.6.2. Система с П- регулятором положения при постоянной линейной заводке задания на перемещение.

2.7. Система при постоянной линейной заводке задания на перемещение.

2.7.1. Система с ПИ-регулятором положения при постоянной линейной заводке задания на перемещение.

2.7.2. Система с П-регулятором положения при постоянной линейной заводке задания на перемещение и предварительным управлением по скорости.

2.8. Влияние возмущающего воздействия на систему управления.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПРИ СОВМЕСТНОМ УПРАВЛЕНИИ ОТ ПРОГРАММИРУЕМОГО КОНТРОЛЛЕРА

3.1. Описание объектов исследования.

3.2. Реализация многокоординатной системы управления на базе ПЛК Тлуісіо и ПЧ АШуаг 71.

3.3. Экспериментальная оценка показателей контура регулирования положения на базе ПЖ ТшсІо и ПЧ*АШуаг 71.

3.4. Реализация многокоординатной системы управления на базе ПЛК М258 и сервопривода ЬХМ32.

3.5. Экспериментальная оценка показателей контуров регулирования скорости и-положения сервопривода*ЬХМ32.

3.5.1. Отработка скачка задания скорости.

3.5.2. Отработка скачка задания положения;регулятором сервопривода

3.5.3. Постоянная заводка.92'

3.5.4. Модификация программного обеспечения ПЛК для экспериментальных исследований.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование многокоординатных электроприводов на базе частотно-регулируемых электродвигателей и промышленных информационных сетей»

Применение современных систем многокоординатного электропривода достаточно часто позволяет упростить кинематические схемы разнообразных технологических установок путем согласованного управления частотно-регулируемыми электроприводами индивидуальных осей. Получение высоких точностных и динамических показателей в многокоординатных системах управления движением достигается как за счет применения специальных быстродействующих электроприводов по каждой координате, так и за счет их согласованного централизованного управления с помощью специального контроллера управления движением, имеющего достаточно мощный и высокопроизводительный процессор. В таких системах применяются специальные высокоскоростные интерфейсы для связи центрального контроллера с электроприводами. Если для конкретных применений технологические требования по точности и быстродействию относительно невелики, то применение упомянутых выше специализированных технических средств может быть нерациональным по экономическим соображениям. Примерами таких применений могут служить раскройные столы, плоттеры, упаковочные машины и многие другие. В этих случаях альтернативным вариантом построения многокоординатных систем движения может быть применение в качестве исполнительных устройств частотно-регулируемых электроприводов общепромышленного назначения (ПЧ-АД), координация их перемещений с помощью типового программируемого контроллера (ГОЖ) и применение для реализации информационных связей в системе интерфейсов, традиционно применяемых в распределенных АСУТП. Применение типового оборудования позволяет снизить стоимость системы, упрощает её эксплуатацию, расширяет возможности дальнейшей модернизации. Диссертация посвящена исследованию подобных систем и разработке способов улучшения их технических показателей. Изложенное позволяет считать тему диссертации весьма актуальной.

Цель диссертационной работы - разработка новых методик экспериментального исследования и проектирования систем управления движением, позволяющих эффективно использовать общепромышленные компоненты при реализации многокоординатных электроприводов. Предметом исследований являются многокоординатные электроприводы на базе асинхронных двигателей с преобразователем частоты и общепромышленные контроллеры в качестве генератора траектории и контроллера согласования осей.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи: анализ составляющих частей задержек управляющего воздействия, передающегося по цифровым промышленным сетям передачи данных; анализ влияния квантования по времени управляющего сигнала выхода регулятора положения на качество переходных процессов при управляющих и возмущающих воздействиях; разработка способов компенсации влияния квантованного по времени сигнала управления на качество переходного процесса; экспериментальная проверка разработанного способа управления при его реализации в многокоординатных системах управления движением на базе на общепромышленных компонентов; разработка алгоритма выбора и проверки аппаратной части и программного обеспечения системы управления многокоординатным электроприводом для обеспечения требуемых показателей движения.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе задач использованы: положения теории автоматического управления, теории автоматизированного электропривода, методы компьютерного имитационного моделирования (в среде Matlab/Simulink). Экспериментальные исследования проводились на промышленных образцах программируемых контроллеров и частотно-регулируемых электроприводов с применением фирменных (Shneider Electric) аппаратно-программных средств отладки.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена совпадением основных теоретических результатов, полученных в результате компьютерного моделирования, и экспериментальных данных, полученных при реализации исследуемых систем на базе общепромышленных компонентов.

Научные положения, выносимые на защиту:

• Предложена эффективная структура управления осями многокоординатного электропривода, компенсирующая негативное влияние квантования по времени управляющего сигнала в распределенных системах управления движением с помощью корректирующих сигналов, получаемых из генератора траектории и эталонной модели объекта управления.

• Выработаны рекомендации по способу расчета эталонной модели в ПЛК. Определены требования к быстродействию контроллера для реализации эталонной модели объекта управления.

• Предложен способ экспериментальной оценки реальных значений задержек при обмене информацией по цифровым сетям между ведущим и ведомым устройствами.

• Разработана методика итерационного проектирования многокоординатных электроприводов на базе общепромышленных компонентов, которая включает в себя этапы предварительного выбора основных компонентов, проведение экспериментальных исследований для определения недостающих параметров, моделирование системы с целью определения её статических и динамических показателей, конфигурирование и программирование ПЧ и ПЛК с учётом обмена информацией между ними.

Основные практические результаты диссертации состоят в реализации на базе различных типов ПЛК и частотно-регулируемых электроприводов многокоординатных систем управления движением, способных решать типовые задачи позиционного и контурного управления. Результаты могут быть рекомендованы предприятиям, связанным с разработкой и производством многокоординатного электропривода для различных сфер применения.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на XVII (Москва, 2011 г.) Международной научно-технической конференции студентов и, аспирантов, на заседании -кафедры Автоматизированного электропривода федерального1 государственного бюджетного/ образовательного учреждения высшего' профессионального образования, «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы (в том числе одна ■ в рецензируемом научном журнале, рекомендуемом Высшей Аттестационной Комиссией Министерства образования и науки Российской.Федерации).

Структура и объем работы. Диссертационная работа, состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы из* 58<наименований. Ее содержание изложено на 142 страницах машинописного текста, .включая 117 иллюстраций и 7 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Кукушкин, Михаил Сергеевич

Основные результаты диссертационной работы:

1. Исследовано на компьютерной модели влияние квантования по времени управляющего сигнала в распределенных системах управления движением на качество переходных процессов в контуре регулирования положения. Исследования выполнялись на компьютерной модели. Установлено, что даже при интервале квантования Td, соизмеримом с эквивалентной некомпенсируемой постоянной времени внутренних контуров регулирования, перерегулирование превышает 10%. При Td = 157^ перерегулирование возрастает до 80%, дальнейшее увеличение Td приводит к неустойчивости системы.

2. Проанализированы факторы, определяющие реальное значение задержек во времени для различных структур управления движением. При реализации регуляторов положения индивидуальных осей в ПЛК эквивалентное значение Td зависит от: числа управляемых осей, времени цикла обработки программы передающего устройства, принимающего устройства, заданной скорости передачи данных. Кроме того, Td может быть не постоянным и иметь широкий диапазон изменения из-за многих факторов, начиная от объема передаваемой в пакете информации, числа и приоритетов выполняемых в ПЛК задач и заканчивая специфическими настройками цикла работы контроллера.

3. В результате экспериментальной оценки реальных значений задержек-при обмене информацией по цифровым сетям между ведущим и ведомым устройствами установлено, что для ПЛК Twido, имеющего однозадачный цикл выполнения программы, при использовании специальной макробиблиотеки управления ПЧ ATV DRIVE Macro значение Td на порядок больше, чем при применении макробиблиотеки общего назначения СОММ Macros. При максимальной скорости 38,4 кБит/с для Modbus RTY минимально возможное время задержки при посылке слова Td= 3,6 мс, а при использовании макросов чтения CJRD1W и записи CWR1 W одного слова реальное значение Td при обмене между Twido и ATV 71 достигает 25 мс.

4. Предложен и экспериментально проверен способ коррекции сигнала управления, передаваемого по информационной сети в качестве задания контура регулирования скорости, компенсирующий негативное влияние квантования по времени и обеспечивающий требуемое качество переходного процесса по управляющему воздействию. Коррекция эффективно действует, если интервал квантования не превышает 30 % от времени переходного процесса.

5. Выработаны рекомендации по способу расчета эталонной модели в ПЛК. При П-регуляторе положения и настройке на технический оптимум порядок системы дифференциальных уравнений модели может быть понижен до второго порядка без существенного ухудшения качества переходного процесса в контуре положения с коррекцией. Определены требования к быстродействию контроллера для реализации эталонной модели объекта управления — шаг интегрирования г, = згц.

6. Корректирующее воздействие в рассматриваемой структуре управления не устраняет ошибок от возмущающих воздействий; основным из.которых является нагрузка. Установившуюся ошибку можно устранить различными способами, например, с помощью ПИ-регулятора скорости, однако динамическая ошибка останется. Вплоть до Та = 5ГЦ дискретность управляющего воздействия не оказывает существенного влияния на переходный процесс. Максимальное отклонение по положению возрастает всего на 4% по сравнению с моделью без квантования.

7. На базе анализа существующих компьютерных средств поддержки проектирования систем управления движением и полученных автором результатов^ теоретических и экспериментальных исследований предложена методика! итерационного проектирования многокоординатных электроприводов на базе общепромышленных компонентов. Она предполагает накопление экспериментальной, базы данных по динамическим показателям функционирования промышленных образцов ПЛК и ПЧ, моделирование системы с целью определения её статических и динамических показателей в реальных условиях управления-многокоординатным электроприводом, конфигурирование и программирование ПЧ и ПЛК с учётом обмена информацией между ними. г

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кукушкин, Михаил Сергеевич, 2011 год

1. Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 288'с.

2. Башарин A.B., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: учеб. Пособие: — JL: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. -392 с.

3. Бейнарович В.А. Самонастраивающиеся системы с эталонной моделью / Докл. Том. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники: 2010. - № 1 (21), часть 1.-С. 67-69.

4. Бычков В.П. Электропривод и автоматизация металлургического производства. М.: Высшая школа, 1977.

5. Бычков М.Г. Обзор современных электроприводов с вентильными двигателями и их применений // Электропривод с вентильными двигателями: докл. науч.-практ. семинара 31 января 2008'года. М:: Издательский-дом МЭИ, 2007.

6. Бычков М.Г. Распределенные системы управления и промышленные информационные сети. М.: Издательство МЭИ, 2003. - 72 с.

7. Бычков М.Г. Мехатронные технологии как область применения современного электропривода // Электропривод в мехатронных технологиях: докл. науч.-практ. семинара 3 февраля 2009 года. М.: Издательский дом-МЭИ* 2009:

8. Бычков М.Г., Кукушкин М.С. Исследование на компьютерной модели влияния квантования по времени в контуре регулирования положения. Труды МЭИ. Электропривод и системы управления. - М.: Издат. дом МЭИ, 2010, вып. 686.

9. Бычков М.Г. Промышленные компьютеры и программируемые логические контроллеры. -М.: Издательство МЭИ. 2002. 92 с.

10. Ганин A.C. Новые решения в области прецизионного сервопривода от Schneider Electric // Электропривод с вентильными двигателями: докл. науч:-практ. семинара 31 января 2008 года. М.: Издательский дом МЭИ, 2007.

11. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебный курс. -СП-б: Питер. 2000. 432 с.

12. Гультяев А. Имитационное моделирование в среде Windows. Санкт-Петербург: «Корона принт». 1999.-288 с.

13. Гук М. Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия. СПб.: Питер, 2000.

14. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / Б. А. Ивоботенко, В.П. Рубцов, J1.A. Садовский и др. -М.: Энергия, 1971.

15. Егоров О.Д., Подураев Ю.В!. Конструирование мехатронных модулей: Учебник. М.: ИЦ МГТУ «Станкин», 2004.

16. Жданов И.Н., Денисов K.M. Организация канала обратной связи по положению прецизионных следящих электроприводов // Тр. V Междунар. (XVI Всерос.) конф. По автоматизированному электроприводу (АЭП-2007). С-Пб, 2007. С. 272-274.

17. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / М:П. Белов, О.И. Зементов, А.Е. Козярук и др.; под ред. В.А. Новикова, JT.M. Чернигова. М.: Издательский центр «Академия», 2006.-368 с.

18. Ишимцев Р.Ю., Воевода A.A., Жмудь В.А. Обводной канал дляСАУ скалярных и многоканальных объектов: сравнение с упредителем Смита // Сборник науч. тр. НГТУ. 2008'. № 2(52). С. i 1 22.

19. Иванушкин В.А., Сарапулов Ф.Н., Шымчак П. Структурное моделирование электромеханических систем и их элементов. Щецин, 2000. - 310 с.

20. Интерфейсы открытых систем / учебный курс. — М.: Горячая линия -телеком, 2000. 256 с.

21. Ицкович Э.Л. Классификация микропроцессорных программно-технических комплексов // Промышленные АСУ и контроллеры. 1999. № 10.

22. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для,вузов. 2-е изд.,,перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1998.

23. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 2001.

24. Красовский А.Б. Визуальное моделирование динамики электропривода в среде Windows // Юбилейная науч. техн. конф., посвященная 170-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана: тез. докл. М., 2000. - С. 29.

25. Куропаткин П.В. Оптимальные и адаптивные системы: Учеб. пособие для вузов. -М.: Высш. Школа, 1980. 287 с.

26. Корнеева А.И. Гибко программируемые контроллеры или системы на базе персонального компьютера // Приборы и системы управления. 1998. № 8.

27. Мельников Д.А. Информационные процессы в компьютерных сетях. Модели, стандарты, протоколы, интерфейсы,- М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 1999.-256 с.

28. Мехатроника / Т. Исии, И. Симояма, X. Иноуэ и др. М.: Мир, 1988.

29. Оллсон Г., Пиани Дж. Цифровые системы автоматизации и управления. -СПб.: Невский Диалект, 2001.

30. Остриров В.Н., Сафонов Ю.М., Маслова Н.К. Механика электроприводовпромышленных роботов. М.: Моск. энерг. ин-т, 1988. - 68 с.

31. Попов В.И., Ахунов Т.А., Макаров J1.H. Современные асинхронные электрические машины: новая российская серия РА. -М.: Изд-во «Знак», 1999. -256 с.

32. Программируемые контроллеры. Справочное руководство по аппаратным средствам / TWD USE 10АЕ 05/2002. 205 с.

33. Программируемые контроллеры. Справочное руководство по программному обеспечению TWD USE 10АЕ Версия-2.1 05/2002. - 478 с.

34. Программируемые контроллеры. Архитектура и применение: пер. с франц. -М.: машиностроение, 1992. 320 с.

35. Подураев Ю.В. Основы мехатроники. М.: Изд-во МГТУ «Станкин», 2000.

36. Проектирование электротехнических устройств / В.А. Анисимов, А.О. Горнов, В.В. Москаленко и др. М.: Издательство МЭИ, 2001. - 128 с.

37. Расчет и конструирование элементов электропривода / B.C. Яковенко и др. -Mi: Энергоатомиздат, 1987. -320 с.

38. Самарский A.A. Введение в численные методы. 1982. 269 с.

39. Синицын В.А., Толмачев В.А.,Томасов B.C. Системы управления^ комплексом позиционирования и слежения // Изв. Вузов. Приборостроение. -1996. Т. 39." № 3. С. 22-27.

40. Соколов Н.Г. Основы^конструирования электроприводов. М.: Энергия, 1971.-256 с.

41. Справочник-по автоматизированному электроприводу / Под ред. В:А. Елисеева, A.B. Шинянского. MS: Энергоатомиздат, 1983. - 616 с.

42. Терехов В.М. Осипов 0:И. Системы управления электроприводов: Учебник для студ. высш. учебн. заведений. М.": Издательский центр «Академия», 2005.

43. Технический каталог продукции / Изд. 2-е, испр. и дополн. Владимир: ВЭМЗ.-2001.-74 с.

44. Фролов Ю.М. Адаптивная система с самонастройкой параметров // Электротехнические комплексы и системы управления. 2008. - № 4.

45. Чаки Ф. Современная теория управления. Нелинейные, оптимальные и адаптивные системы. М.:Мир, 1975.

46. Черных И.В. Simulink: Среда создания инженерных приложений / М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. 496 с.

47. Шёнфельд Р., Хабигер Э. Автоматизированные электроприводы: пер. снем. /Под ред. Ю.А. Бордова. JL: Энергоатомиздат, 1985. - 464 с.

48. Электротехнический справочник: В 4 т. Т.2. Электротехнические изделия и устройства / под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. М.: Издательство МЭИ, 1998. - 518 с.

49. Электроприводы. Термины и определения.- М.: Издательство стандартов. -1993

50. Altivar 71 Communication parameters / atv71parametersenv5. 2008-03. -390 с.

51. Altivar 71 Integrated Modbus User's manual / ENV1 2005-02. - 45 c.

52. BSH AC Servo Motor: Technical Documentation. 48 c.

53. CANmotion Library Function blocks: Software manual / V2.08, 04.2011. -31 c.

54. Gran R. J. Numerical Computing with Simulink / Creating Simulations. Volume I. 2007.

55. LXM32A AC servo drive: Product manual / VI.05, 12.2010. 426 c.

56. Lexium Library Function blocks: Software manual / V2.08, 04.2011. 102 c.

57. Бычков М.Г. Аппаратные средства систем управления движением. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 84 с.