RU2007836C1

RU2007836C1 - Method of control over multimotored electric drive

Info

Publication number: RU2007836C1
Authority: RU
Inventors: С.В. Тарарыкин; В.В. Тютиков
Original assignee: Ивановский государственный энергетический университет им.В.И.Ленина
Priority date: 1992-03-26
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 1994-02-15

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: for increase of accuracy and speed of response main controlling action is formed in accord with complete vector of state of model of driving channel which takes into account action of disturbances and involving electric motor drive and nth part of total mass, where n is number of electric motors. Then comparison in pairs of all coordinates of driven channels with corresponding coordinates of model is conducted and by results of it additional controlling action on driven electric motor drives is formed with rate higher than that of main controlling action considering driven channels independent. EFFECT: increased accuracy and speed of response. 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам управления многодвигательными электроприводами с индивидуальными силовыми преобразователями и упругими механическими передачами от электродвигателей к общей массе, применяемыми в опорно-поворотных устройствах, а также в рабочих машинах прессовой группы бумагоделательного, химического, текстильного и другого оборудования. The invention relates to electrical engineering, in particular to methods for controlling multi-motor electric drives with individual power converters and elastic mechanical transmissions from electric motors to the total mass, used in slewing-rotary devices, as well as in working machines of the press group of paper, chemical, textile and other equipment.

Основными требованиями, предъявляемыми к указанным многодвигательным электроприводам являются: высокая точность и быстродействие в управлении движением общей массы, равномерное распределение нагрузок электродвигателей в условиях вариаций параметров системы. The main requirements for these multi-motor drives are: high accuracy and speed in controlling the movement of the total mass, uniform distribution of the loads of the motors in the conditions of variations in the parameters of the system.

Известен способ управления многодвигательным электроприводом, основанный на раздельном формировании управляющих воздействий на каждый электродвигатель в зависимости от значений его тока и скорости по принципу подчиненного регулирования, и формирования дополнительных управляющих воздействий на каждый ведомый электродвигатель, в зависимости от величины его тока. При этом обеспечивается более равномерная загрузка электродвигателей. A known method of controlling a multi-motor drive, based on the separate formation of control actions on each electric motor depending on the values of its current and speed on the principle of subordinate regulation, and the formation of additional control actions on each driven electric motor, depending on the magnitude of its current. This ensures a more uniform loading of electric motors.

Однако из-за наличия упругих механических передач и взаимных связей электроприводов не может быть достигнуто высокое качество управления движением общей массы; сохраняется высокая чувствительность системы к вариациям внутренних параметров. However, due to the presence of elastic mechanical transmissions and the interconnections of electric drives, high quality control of the movement of the total mass cannot be achieved; the system remains highly sensitive to variations in internal parameters.

Известен также способ управления сложными динамическими системами, основанный на использовании эталонной модели, сравнении одноименных координат состояния объекта и модели и реализации на основе результатов сравнения, алгоритма параметрической адаптации регуляторов. Способ позволяет обеспечить снижение чувствительности системы к возможным изменениям параметров; однако темп изменения параметров должен быть значительно ниже быстродействия основного контура управления. Кроме того, способ не может быть непосредственно применен для управления многодвигательным электроприводом, поскольку наличие однотипных параллельных каналов в виде отдельных электроприводов приводит к потере свойства полной управляемости системы по состоянию, что затрудняет синтез регуляторов и, как следствие, их адаптацию. There is also a method of controlling complex dynamic systems based on the use of a reference model, comparison of the coordinates of the state of the object and model of the same name and implementation, based on the results of comparison, an algorithm for parametric adaptation of controllers. The method allows to reduce the sensitivity of the system to possible changes in parameters; however, the rate of change of parameters should be significantly lower than the speed of the main control loop. In addition, the method cannot be directly applied to control a multi-motor electric drive, since the presence of the same type of parallel channels in the form of separate electric drives leads to the loss of the property of complete controllability of the system by state, which complicates the synthesis of controllers and, as a consequence, their adaptation.

Наиболее близким техническим решением является способ управления электроприводами путем формирования основного управляющего воздействия на электроприводы в зависимости от полного вектора состояния ведущего канала, включающего электропривод и n-ю часть общей массы, где n - количество электродвигателей, и формирования дополнительных управляющих воздействий на ведомые электроприводы в зависимости от результатов сравнения одноименных координат состояния соответствующего ведомого и ведущего электропривода, причем темп формирования дополнительных управляющих воздействия устанавливается выше темпа основного управляющего воздействия. The closest technical solution is the method of controlling electric drives by forming the main control action on the electric drives, depending on the complete state vector of the drive channel, including the electric drive and the nth part of the total mass, where n is the number of electric motors, and the formation of additional control actions on the driven electric drives, depending from the results of comparing the coordinates of the same name with the state of the corresponding slave and master electric drive, and the rate of formation of additionally control the impact rate is set above the main control.

Применение принципа разделения темпов движения при отработке основного и дополнительных управляющих воздействий и реализация управления по координатам состояния системы позволяет получить малоколебательные быстропротекающие процессы и равномерно распределить нагрузку на электродвигатели при условии соответствия параметров электроприводов тем значениям, которые приняты при настройке системы, или их незначительном отличии (на 10-20% ). Application of the principle of separation of driving speeds during the development of the main and additional control actions and the implementation of control according to the coordinates of the state of the system allows you to obtain low-vibration fast-flowing processes and evenly distribute the load on the electric motors, provided that the parameters of the electric drives correspond to the values that are accepted when setting up the system, or their slight difference (by 10-20%).

Однако при изменении параметров системы в большем диапазоне значений, в особенности в ведущем электроприводе, качественные показатели системы резко ухудшаются. However, when changing the parameters of the system in a larger range of values, especially in the leading electric drive, the quality indicators of the system deteriorate sharply.

Технический результат заключается в повышении точности и быстродействия в управлении движением общей массы, достижении одинаковой загрузки электродвигателей в условиях значительного изменения параметров электроприводов. The technical result consists in increasing the accuracy and speed in controlling the movement of the total mass, achieving the same load of electric motors in conditions of a significant change in the parameters of the electric drives.

Технический результат обеспечивается тем, что основное управляющее воздействие на электроприводы формируют, в зависимости от полного вектора состояния эталонной модели ведущего канала, включающего электропривод, n-ю часть момента инерции общей массы и учитывающую действие возмущений, а дополнительные управляющие воздействия формируют на основе полного вектора состояния, определяемого разностью значений одноименных координат модели и соответствующего ведомого канала, включающего электропривод и n-ю часть общей массы, считая каналы независимыми. The technical result is ensured by the fact that the main control action on the electric drives is formed, depending on the full state vector of the reference model of the driving channel, including the electric drive, the nth part of the moment of inertia of the total mass and taking into account the effect of disturbances, and additional control actions are formed on the basis of the full state vector determined by the difference in the values of the coordinates of the same model and the corresponding slave channel, including the electric drive and the nth part of the total mass, counting the channels n independent.

Формирование основного и дополнительных управляющих воздействий в зависимости от полного вектора состояния эталонной модели ведущего канала позволяет сохранять оптимальную (эталонную) форму управления электроприводами независимо от изменений их реальных параметров. The formation of the main and additional control actions, depending on the full state vector of the reference model of the master channel, allows maintaining the optimal (reference) form of control of electric drives regardless of changes in their real parameters.

Формирование с высоким темпом дополнительных управляющих воздействий на основе результатов попарного сравнения координат состояния эталонной модели и однотипных координат каждого ведомого канала, включая скорость общей массы, обеспечивает быстрое устранение с заданным качеством возможных отклонений движения каналов от движения, задаваемого эталонной моделью по всем координатам состояния. Этим достигается идентичность каналов, несмотря на возможные вариации их параметров, и равномерное распределение нагрузки на электродвигатели. The formation of additional control actions at a high rate based on the results of pairwise comparison of the coordinates of the state of the reference model and the same coordinates of each slave channel, including the speed of the total mass, provides quick elimination of the possible deviations of the movement of the channels from the motion specified by the reference model in all state coordinates with a given quality. This ensures the identity of the channels, despite possible variations in their parameters, and a uniform distribution of the load on the electric motors.

Более высокий темп вспомогательных управляющих воздействий по сравнению с темпом основного управляющего воздействия удается обеспечить в условиях тех же ограничений на координаты электроприводов, благодаря тому, что они формируются не на основе абсолютных значений, а на основе отклонений координат каналов от одноименных координат эталонной модели. A higher rate of auxiliary control actions compared to the rate of the main control action can be achieved under the same restrictions on the coordinates of the electric drives, due to the fact that they are formed not on the basis of absolute values, but on the basis of deviations of the channel coordinates from the coordinates of the same model.

Формирование управляющих воздействий на основе сравнения координат состояния объекта и эталонной модели является известным техническим решением в области систем автоматического управления. Однако в данном случае оно применено с учетом специфики многодвигательного электропривода, а именно, использована не традиционная модель всего объекта или системы, а эталонная модель только одного (ведущего) канала при искусственным отделении n-й части инерции общей массы. The formation of control actions based on a comparison of the coordinates of the state of the object and the reference model is a well-known technical solution in the field of automatic control systems. However, in this case, it was applied taking into account the specifics of a multi-motor electric drive, namely, it was used not the traditional model of the entire object or system, but the reference model of only one (leading) channel during the artificial separation of the nth part of the inertia of the total mass.

На фиг. 1 представлена функциональная схема многодвигательного электропривода, реализующая предложенный способ; на фиг. 2 (а, б, в, г) - диаграммы изменения основных координат состояния системы, в соответствии с прототипом, при изменении сопротивления цепи якоря ведущего (б) и ведомого (в) двигателей на 30% от принятых при синтезе регуляторов, а также в соответствии с предложенным решением без модели возмущающих воздействий (а) и с моделью (г) при десятикратном изменении сопротивления цепи якоря одного из двигателей. In FIG. 1 presents a functional diagram of a multi-motor drive that implements the proposed method; in FIG. 2 (a, b, c, d) - diagrams of changes in the basic coordinates of the state of the system, in accordance with the prototype, when the resistance of the armature chain of the driving (b) and driven (c) motors is 30% of those adopted in the synthesis of controllers, and also in accordance with the proposed solution without the model of disturbing influences (a) and with the model (d) with a tenfold change in the resistance of the armature circuit of one of the engines.

Многодвигательный электропривод имеет общую массу 1, связанную через упругие механические передачи 2, 3 с валами электродвигателей 4, 5. Силовые цепи электродвигателей 4, 5 с датчиками тока 6, 7 подключены к выходам силовых преобразователей 8, 9. Датчики скорости 10, 11 и 12 установлены на валах соответствующих электродвигателей 4, 5 и общей массы 1, а датчики момента 13, 14 - на соответствующих механических передачах 2, 3. A multi-motor electric drive has a total mass of 1, connected through elastic mechanical gears 2, 3 with the shafts of electric motors 4, 5. The power circuits of electric motors 4, 5 with current sensors 6, 7 are connected to the outputs of power converters 8, 9. Speed sensors 10, 11 and 12 mounted on the shafts of the respective electric motors 4, 5 and a total mass of 1, and torque sensors 13, 14 - on the corresponding mechanical gears 2, 3.

Задатчик скорости 15 подключен к входу основного модального регулятора 16, связанного другими своими выходами с выходами эталонной модели 17 ведущего канала системы. The speed controller 15 is connected to the input of the main modal controller 16, connected by its other outputs to the outputs of the reference model 17 of the master channel of the system.

Выход основного модального регулятора 16 подключен к первому входу модели канала системы 17 и к первым входам сумматоров 18, 19, связанных вторыми входами со вспомогательными модальными регуляторами 20, 21. Выходы сумматоров 18, 19 подключены к входам соответствующих силовых преобразователей 8, 9. The output of the main modal controller 16 is connected to the first input of the channel model of the system 17 and to the first inputs of the adders 18, 19 connected by the second inputs to the auxiliary modal controllers 20, 21. The outputs of the adders 18, 19 are connected to the inputs of the corresponding power converters 8, 9.

Каждый из входов вспомогательных регуляторов 20 или 21 связан с соответствующими выходами одного из четырех блоков сравнения 22, 23, 24, 25 или 26, 27, 29, 25. Неинвертирующий вход каждого блока сравнения связан с одним из выходов модели 17, а инвертирующий вход соединен с соответствующим выходом одноименного датчика 6, 10, 13 и 12 или 7, 11, 14 и 12. Ко второму входу модели ведущего канала подключен выход модели возмущений 29. Each of the inputs of the auxiliary controllers 20 or 21 is connected to the corresponding outputs of one of the four comparison blocks 22, 23, 24, 25 or 26, 27, 29, 25. The non-inverting input of each comparison block is connected to one of the outputs of model 17, and the inverting input is connected with the corresponding output of the sensor of the same name 6, 10, 13 and 12 or 7, 11, 14 and 12. The output of the disturbance model 29 is connected to the second input of the master channel model.

Модельные регуляторы 16, 20, 21 выполняются в виде обычных суммирующих усилителей (например, операционных усилителей в пропорциональном режиме). Они называются модальными, поскольку на их входы поступает информация о всех переменных состояния динамической системы, а коэффициенты усиления по этим входам подбираются таким образом, чтобы обеспечить определенное (заданное) распределение корней характеристического уравнения системы. Их синтез ведется традиционными методами теории модального управления. Model controllers 16, 20, 21 are made in the form of conventional summing amplifiers (for example, operational amplifiers in proportional mode). They are called modal, since information about all state variables of the dynamic system is received at their inputs, and the gain factors for these inputs are selected in such a way as to provide a certain (specified) distribution of the roots of the characteristic equation of the system. Their synthesis is carried out by traditional methods of modal control theory.

Эталонная модель 17 представляет собой динамическую модель ведущего канала системы, включающего электропривод (электродвигатель с силовым преобразователем и механической передачей) и n-ю часть общей массы. В большинстве практических случаев ведущий канал может быть представлен в виде двухмассовой электромеханической системы, как это показано на структурной схеме фиг. 1, где K_тп - коэффициент передачи силового преобразователя; R_я, Т_я, I_д - сопротивление якорной цепи, электромагнитная постоянная времени и момент инерции электродвигателя; С_е, С_м - его конструктивные коэффициенты; С₁₂ - коэффициент жесткости механической передачи; I_см - приведенный момент инерции общей массы.The reference model 17 is a dynamic model of the leading channel of the system, including an electric drive (electric motor with power converter and mechanical transmission) and the nth part of the total mass. In most practical cases, the lead channel can be represented as a two-mass electromechanical system, as shown in the block diagram of FIG. 1, where K _TP - transmission coefficient of the power converter; R _i , T _i , I _d - resistance of the anchor chain, electromagnetic time constant and moment of inertia of the electric motor; C _e , C _m - its design coefficients; C ₁₂ is the stiffness coefficient of the mechanical transmission; I _cm - reduced moment of inertia of the total mass.

Эталонная модель 17 может быть выполнена на моделирующих элементах любого типа (электрических, механических, пневматических и др. ), имеющих динамические характеристики, аналогичные характеристикам реальных звеньев электропривода и высокую стабильность собственных параметров. Наиболее целесообразно ее использование на базе цифровых электронных устройств, в частности, аппаратно-программных средств микропроцессорной техники, функционирующих в реальном времени. The reference model 17 can be performed on modeling elements of any type (electrical, mechanical, pneumatic, etc.) having dynamic characteristics similar to the characteristics of real drive links and high stability of their own parameters. It is most appropriate to use it on the basis of digital electronic devices, in particular, hardware-software means of microprocessor technology that operate in real time.

Модель 29 возмущений строится аналогично модели 17. Ее структура должна быть такой, чтобы обеспечить возможно более точное воспроизведение возмущающих воздействий реального канала многодвигательного электропривода в различных режимах работы. В простейшем случае модель 29 может строиться как стабилизированный источник регулируемого по величине сигнала момента нагрузки электропривода (фиг. 1). При этом величина сигнала изменяется в зависимости от режима работы системы (вариациях усилия прижима валов рабочих машин прессовой группы, изменений ветровой нагрузки или состояния смазки опорно-поворотных устройств и т. п. ). The perturbation model 29 is constructed similarly to model 17. Its structure should be such as to ensure the most accurate reproduction of the perturbing effects of the real channel of the multi-motor drive in various operating modes. In the simplest case, model 29 can be built as a stabilized source of a variable in magnitude signal of the load moment of the electric drive (Fig. 1). In this case, the magnitude of the signal varies depending on the mode of operation of the system (variations in the clamping force of the shafts of the working machines of the press group, changes in the wind load or the lubrication state of the slewing rings, etc.).

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Формирование основного управляющего воздействия в зависимости от координат состояния эталонной модели 17, а не реального ведущего канала позволяет задать эталонную траекторию движения всем локальным электроприводам, не зависящую от изменений параметров реальных звеньев, поскольку последние не входят в состав модели, и отсутствует их влияние на модель ведущего канала через общую массу. The formation of the main control action depending on the coordinates of the state of the reference model 17 rather than the real driving channel allows you to set the reference motion path for all local electric drives, independent of changes in the parameters of real links, since the latter are not part of the model, and there is no effect on the leading model channel through the total mass.

Возможные отклонения реальных координат каналов от соответствующих эталонных значений модели 17, включая скорость общей массы, относительно быстро компенсируются за счет вспомогательных управляющих воздействий, формируемых локальными модальными регуляторами 20, 21, которые приближают динамические характеристики реальных электроприводов к характеристикам эталонной модели. Компенсация всех несоответствий ведомых каналов координатам эталонной модели осуществляется с заданным качеством при высоком быстродействии и заканчивается прежде, чем происходит сколь-либо существенное движение общей массы. Possible deviations of the real channel coordinates from the corresponding reference values of model 17, including the velocity of the total mass, are relatively quickly compensated by auxiliary control actions generated by the local modal controllers 20, 21, which bring the dynamic characteristics of real electric drives closer to the characteristics of the reference model. Compensation of all discrepancies of the slave channels to the coordinates of the reference model is carried out with the specified quality at high speed and ends before there is any significant movement of the total mass.

Звенья реальных электроприводов с варьируемыми параметрами оказываются охваченными совокупностью "сильных" обратных связей по всем координатам состояния канала и, кроме того, лишенными возможности влияния на формирователь основного управляющего воздействия через общую массу, чем достигается значительное снижение отрицательного влияния параметрических возмущений. The links of real electric drives with variable parameters turn out to be covered by a set of “strong” feedbacks along all the coordinates of the channel state and, in addition, deprived of the possibility of influencing the driver by the main control action through the total mass, thereby achieving a significant reduction in the negative influence of parametric disturbances.

В результате, даже при значительных изменениях параметров реальных электроприводов, сохраняются гораздо более стабильные динамические характеристики многодвигательной системы (фиг. 2-а) и обеспечивается более равномерная загрузка (равенство токов силовой цепи) приводных электродвигателей по сравнению с соответствующими показателями системы, в которой функции ведущего выполняет один из реальных каналов многодвигательного электропривода в соответствии с прототипом (фиг. 2-Б, В). As a result, even with significant changes in the parameters of real electric drives, much more stable dynamic characteristics of the multi-engine system (Fig. 2-a) are preserved and a more uniform loading (equality of currents of the power circuit) of the drive motors is provided compared to the corresponding indicators of the system in which the functions of the master performs one of the real channels of a multi-motor drive in accordance with the prototype (Fig. 2-B, C).

Наличие модели возмущений позволяет сформировать траекторию изменений координат всех ведомых каналов, в более полной мере соответствующую реальным условиям их работы, и тем самым дополнительно стабилизировать результирующие характеристики многодвигательного электропривода (фиг. 2-а, г). The presence of a perturbation model makes it possible to form a trajectory of coordinate changes for all driven channels that more fully corresponds to the real conditions of their operation, and thereby further stabilize the resulting characteristics of a multi-motor electric drive (Fig. 2-a, d).

Использование предлагаемого способа позволяет повысить разрешающую способность (расширить полосу пропускания) следящих опорно-поворотных устройств, снизить массогабаритные показатели силовой части электропривода и механических передач, повысить надежность и срок службы электрооборудования, механических передач и элементов технологических машин. (56) Шестаков В. М. Системы электропривода бумагоделательного производства, М. , Лесная промышленность, 1898-240 с. Using the proposed method allows to increase the resolution (extend the passband) of tracking slewing rings, reduce the overall dimensions of the power part of the electric drive and mechanical gears, increase the reliability and service life of electrical equipment, mechanical gears and elements of technological machines. (56) Shestakov V.M. Electric drive systems for papermaking, M., Forestry, 1898-240 p.

Борцов Б. А. , Поляков Н. Д. , Путов В. В. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением. - Л. , Энергоатомиздат, 1984, - 16 с. Bortsov B. A., Polyakov N. D., Putov V. V. Electromechanical systems with adaptive and modal control. - L., Energoatomizdat, 1984, - 16 p.

Воронов А. А. Введение в динамику сложных управляемых систем, М: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1985, 352 с. Voronov A. A. Introduction to the Dynamics of Complex Controlled Systems, Moscow: Nauka, Main Edition of Physics and Mathematics, 1985, 352 pp.

Claims

METHOD FOR MANAGING A MULTI-MOTOR ELECTRIC DRIVE with elastic mechanical transmissions from electric motors and the total mass by forming the main control action on the electric drives depending on the total state vector of the drive channel, including the electric drive and the nth part of the total mass, where n is the number of electric motors, and the formation of additional control actions to slave electric drives, depending on the results of comparing the coordinates of the same state with the corresponding slave and master drive of electric drives, moreover, the rate of formation of additional control actions is set higher than the rate of the main control action, characterized in that the reference channel is used as the leading channel, taking into account the effect of disturbances, and additional control actions are formed on the basis of the full state vector determined by the difference in the values of the coordinates of the same model and the corresponding the slave channel, including the electric drive and the nth part of the total mass, considering the slave channels independent.