Обзор применения электромеханических упругих систем в технических средствах

1. ТЕРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МНОГОМАССОВЫХ СИСТЕМ.

1.1 Обзор применения электромеханических упругих систем в технических средствах.
     
     На протяжении многочисленных лет существует огромный интерес специалистов к автоматизированным электроприводным системам с упругими связями. Реальные системы не обладают абсолютно жесткими связями между элементами, что подтверждает важность и актуальность разработки и исследования таких систем. Современный человек всегда стремился к автоматизации и электрификации рабочих процессов, что в свою очередь приводит к облегчению работы и достижению наилучших показателей. Приоритетным направлением является совершенствование оборудования и технологий, применяемых при производстве различной продукции, решение вопросов эффективного использования различных видов энергии.

     Для совершения исполнительными органами заданных технологических операций, подводится механическая энергия движения от устройства, которое, в соответствии со своим назначением, называется приводом.

     Крупнейшим потребителем электрической энергии в быту, транспорте, строительстве, коммунальном хозяйстве и в промышленности, безусловно, является электропривод, через него передается на объект управляющие воздействие. Из всего объема вырабатываемой электроэнергии в России более 60% преобразуется электроприводом в различную механическую энергию, которая необходима для выполнения требований и поставленных задач.

Рисунок 1.1 - Принципиальная схема электропривода
Элементы:
* Регулятор (Р) предназначен для слежения за изменением некоторых параметров объекта управления и реагирует на их изменение с помощью некоторых алгоритмов управления в соответствии с заданным качеством управления.
* Электрический преобразователь (ЭП) преобразует напряжение сети в регулируемое напряжение постоянного или переменного тока.
* Электромеханический преобразователь (ЭМП) используется для преобразования электрической энергии в механическую.
* Механический преобразователь (МП) изменяет скорость вращения двигателя.
* Упр - управляющее воздействие.
* ИО - исполнительный орган.

     Большинство людей в повседневной жизни редко употребляют слово «электропривод», хотя сталкиваются с ним почти ежедневно: использование многочисленных бытовых приборов (пылесос, миксер, кондиционер, вентилятор, кухонный комбайн, стиральная машина), комфортное движение в электропоезде, лифте, автомобиле и т.д. Наиболее ярко сущность автоматизированного электропривода проявляется в электросталеплавильных установках и металлорежущих станках с числовым программным управлением, робототехнических комплексах и автоматических линиях (рисунок 1.2).
     

Рисунок 1.2 – Автоматическая линия

Электроприводы классифицируются по типу управления и задаче управления:
* Автоматизированный ЭП (автоматическое регулирования параметров и величин).
* Программно-управляемый ЭП (функционирование в соответствии с заданной программой, через специализированные управляющие вычислительные машины).
* Следящий ЭП (автоматическое отрабатывание перемещения исполнительного органа с заданной точностью в соответствии с сигналом управления).
* Позиционный ЭП (автоматическое регулирование положения исполнительного органа).
* Адаптивный ЭП (автоматический выбор структуры или параметров устройства управления с целью установления оптимального режима работы).
     По характеру движения:
* ЭП с вращательным движением.
* ЭП с линейными двигателями.
* Дискретный ЭП с ЭМП, подвижные части которого в установившемся режиме находятся в состоянии дискретного движения.

     Механическая часть электропривода включает в себя движущиеся массы двигателя, передачи и рабочей части. Структурные схемы механической части должны учитывать упругие связи и распределение моментов инерции между двигателем и рабочей частью. Чаще всего ограниченная жесткость связи между двигателем и исполнительным органом механизма обусловлена конструктивными особенностями и требованиями уменьшения его массы и габаритов.

     К быстродействию электромеханических систем предъявляются высокие требования, но на практике реализовать максимальные возможности таких систем проблематично из-за влияния на динамику привода упругих механических звеньев, кинематических зазоров и различных по характеру механических нагрузок. Упругие механические звенья привода машин, накапливая энергию, возбуждают колебания с последующим отклонением процессов от ранее заданной технологии и ростом нагрузок на передачи и двигатель. 
     
     Из-за динамических нагрузок колебательного характера возможно значительное сокращение срока службы узлов и деталей механической передачи, ухудшается качество продукции.
     
     Усложнение конструкции промышленных объектов (например, уменьшение габаритов) и их технологических функций привело к возникновению многих задач, связанных с разработкой методов синтеза систем управления электромеханическими объектами с упругими связями.


1.2 Обзор применения многомассовых систем в технических средствах.
     
     Наиболее близко описать реальный объект для оценки степени влияния упругих механических колебаний можно при помощи многомассовой системы. Такие системы используется для того, чтобы моделировать динамическое поведение взаимосвязанных твердых и гибких тел, каждое из которых может подвергаться большим поступательным или вращательным перемещениям. 
     
     Таким образом, многомассовая система используется для решения задач кинематики и динамики в тех случаях, когда система совершает большие перемещения.

Рисунок 1.3 – Расчетные механические схемы:
а – двухмассовая; б – трехмассовая.

     Метод подчиненного управления, использующий стандартные настройки контуров регулирования, является наиболее распространенным принципом создания систем управления электроприводом. Но, как известно, влияние упругости часто делает невозможной реализацию присущего таким системам высокого быстродействия. В связи с этим возникла большая востребованность разработки общих способов настройки регуляторов автоматизированных систем электропривода с упругими связями, а также синтеза электротехнических средств коррекции, обеспечивающих плавное движение исполнительного органа при приемлемом быстродействии.
     
     Электромеханические системы с наличием упругих связей широко распространены в различном производственном оборудовании. Современные машины с технологическими операциями классифицируются по характеру движения исполнительного механизма. В основе классификации лежит способ исполнения и вид связей кинематических элементов исполнительных механизмов.
     
     Исполнительные механизмы делятся на несколько типов:
     1) Соединённые последовательно упругие звенья механизма, которые работают в условиях свободного движения всех элементов.
     
     Примером являются металлорежущие станки (рисунок 1.4), шлифовальные станки (рисунок 1.5), расточные, сверлильные, и другие станки. 
     
Рисунок 1.4 - Металлорежущий станок.
     В таких станках используется редуктор с изменяющимся передаточным числом и клиноременная передача, в которую входит кинематическая цепь электропривода. Цепь подвержена деформации, вследствие чего в системе появляются колебания, ухудшающие точность и качество обработки заготовок. Одной из частей сверлильных, фрезерных, расточных, станков является удлинительная штанга, которая подвержена деформации кручения и изгиба, что в свою очередь ухудшает точность работы станка. Основным упругим звеном в лифтовом оборудовании и кранах являются тросы или канаты.


Рисунок 1.5 - Шлифовальный станок по металлу

	2) Сложные механизмы с разветвленной цепью упругих элементов, которые не представить в форме последовательно соединенных звеньев.

     Примером таких систем являются электроприводы испытательных стендов электроэнергетических объектов, газотурбинные установки (рисунок 1.6) газотурбинных электростанций, электроприводы бумагоделательных машин (рисунок 1.7) и прокатных станов. 

Рисунок 1.6 - Газотурбинная установка.

     В приведенных ранее для примера системах основной целью является стабилизация угловой скорости вращения исполнительного органа в определенном диапазоне при изменении нагрузки на валу рабочего элемента. Исполнительный орган включает в себя редуктор, который состоит из диссипативных и упругих кинематических соединений, что в свою очередь ухудшает качество процесса управления скоростью вращения вала исполнительного органа.

Рисунок 1.7 - Бумагоделательная машина
     В случае с вентиляторами, насосам, электрошпиндеями (рисунок 1.8) исполнительный орган рабочего механизма соединен непосредственно с валом электропривода. Но, конечно, в большинстве случаев электродвигатель связан с исполнительным органом с помощью механических передач. Например, редуктор с переменным передаточным числом и цепная или ременная передачи. Если исполнительный орган совершает поступательное движение, то используют устройства такие как «шестерня – зубчатая рейка», «ходовой винт – гайка» или «звездочка – цепь» и т.п.
     

Рисунок 1.8 – Промышленный электрошпиндель.

     К системам с упругими связями также относят оптические телескопы и радиолокационные антенны. Оптические телескопы используются в современных системах и комплексах и являются основой обеспечения контроля космического и воздушного пространства. В первую очередь телескопы используются для обнаружения и контроля космических и летательных объектов: иностранных и отечественных аппаратов, искусственных спутников Земли. Заданную точность наведения осей телескопа обеспечивает следящий электропривод. 

     Можно отметить уникальные достоинства оптических телескопов: 
* способность обнаружения удалённых объектов с помощью солнечного или лазерного подсвета, теплового излучения в инфракрасном диапазоне длин волн; 
* высокоточное определение угловых координат; 
* получение оптических изображений космических объектов; 
* высокое качество наведения, которое должно обеспечиваться при ветровых и динамических нагрузках, нелинейных моментах трения.

     Радиотелескоп (рисунок 1.9) является главным радиоастрономическим инструментом. С его помощью исследуется космическое и воздушное пространство. Крупные радиотелескопы могут включать в себя до 7 регулируемых приводов: 2 привода (угломестный и азимутальный) обеспечивают перемещение зеркала антенны, до 5 приводов для ориентации контррефлектора. Радиотелескоп направляется на установленную координату при помощи угломестного и азимутского электроприводов.

     Азимутный привод обеспечивает поворот опорно-поворотного устройства на катках вокруг вертикальной оси, а угломестный поворачивает зеркальную часть относительно горизонтальной оси. Основными направлениями разработки системы наведения являются обеспечение плавности хода зеркала и создание установленного закона управления скоростью двигателей.

     Реальная конструкция радиотелескопа должна соответствовать эквивалентной многомассовой системе с учетом всех возможных звеньев с упругими массами, которые подвержены деформации из-за больших габаритов и огромной массы (современные телескопы достигают до нескольких тысяч тон массы, а диаметр отражающего зеркала может составлять 75м). Силовые следящие электроприводы используются в опорно-поворотных устройствах крупных радиотелескопов. Разработка алгоритмов управления радиотелескопом включает в себя синтез модального регулятора и наблюдателя переменных состояния.


Рисунок 1.9 – Радиотелескоп.

     
     1.3 Сложности проектирования электромеханических систем с упругими связями

     Ранее рассмотренные механизмы являются сложными многомассовыми системами, для анализа которых уравнение динамики требуется составлять для каждой массы, учитывая все связи. Основные характеристики движения многомассовых систем определяются наибольшими массами и наименьшими коэффициентами жесткости упругих связей, что позволяет рассматривать сложный многомассовый объект по упрощенной расчетной схеме, в которой буду отображены основные свойства. Наиболее широкое распространение получили три типа расчетной схемы: трехмассовая, двухмассовая и одномассовая (жесткая) система. Приводя систему к ранее причисленным, не учитывая частные технологические свойства, возможно исследовать общие свойства механической части электропривода. Для детального анализа используют трехмассовую упругую систему. Для оптимального, но менее детального исследования рекомендуется использовать двухмассовую упругую систему, которая подходит для рассмотрения большинства производственных объектов.

     Определить сложность электромеханической системы можно по нескольким критериям:
     1) Количество входных и выходных координат;
     2) Порядок системы дифференциальных уравнений; 
     3) Наличие взаимосвязей координат состояния;
     4) Присутствие нелинейных элементов.

     Также на сложность управления может повлиять:
     1) Неблагоприятное распределение нулей и полюсов управляемого объекта, ограничивающее управление;
     2) Ограничение мощности исполнительных устройств. 
     3) Трудности измерения координат состояния [26,27].

     Чем больше таких критериев, тем выше сложность системы и, соответственно, труднее управляемость объектом.
.......................