WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные материалы
 

«Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 4 УДК 621.312   МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИВОДА ВЕРТИКАЛЬНОГО КАНАЛА НАВЕДЕНИЯ И ...»

Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 4

УДК 621.312

 

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИВОДА

ВЕРТИКАЛЬНОГО КАНАЛА НАВЕДЕНИЯ

И СТАБИЛИЗАЦИИ С ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ

ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ВЫХОДНОГО ВАЛА НА БАЗЕ

ТРЕХФАЗНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

О.В. Горячев, А.К. Ломакин, В.К. Гаврилкин Предложена методика проектирования привода вертикального канала наведения и стабилизации с поступательным перемещением выходного вала на базе трехфазного вентильного исполнительного двигателя с использованием нелинейной математической модели, полученной на основе анализа картины магнитостатического поля и рассчитанной с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Данная модель исполнительного двигателя учитывает реальные конструктивные параметры, насыщение материала магнитопровода и позволяет существенно повысить точность расчетов в форсированных режимах работы и при отработке значительных рассогласований. Ввиду сложности модели, связанной с учетом особенностей данного типа исполнительных двигателей (ИД), применение классических алгоритмов управления становится проблематичным, в связи с чем, требуется используются адаптивные, в частности нейросетевые, алгоритмы управления.

Ключевые слова: исполнительный двигатель, метод конечных элементов, электропривод, вентильный двигатель, магнитопровод, нейросеть.



Одним из перспективных направлений развития технических комплексов является замена электрогидравлических систем наведения и стабилизации инерционной нагрузки электромеханическими системами, выполненными с применением трехфазных вентильных ИД. Это обусловлено рядом преимуществ: сроком службы, высоким коэффициентом полезного действия (КПД), высокими динамическими характеристиками и т.д.

Проектирование электрических приводов систем наведения и стабилизации с трехфазными вентильными ИД сопряжено с необходимостью учета особенностей указанного типа ИД, как объекта управления: нелинейных характеристик ИД, изменения во времени действующих нагрузок на выходной вал привода, изменения геометрических параметров привода в процессе эксплуатации.

В связи с этим решение задачи проектирования предполагает необходимость разработки математических моделей, адекватных функционированию исследуемой системы как в номинальных, так и в нелинейных и нестационарных режимах работы, позволяющих проанализировать работу ИД.

Рассмотрим силовую систему наведения и стабилизации вертикального канала наведения, кинематическая схема которой показана на рис. 1.

Мехатронные системы. Теория и проектирование Рис. 1. Кинематическая схема силовой системы Перспективные системы управления ИД электроприводов предполагают достижение максимальных удельных энергетических показателей посредством форсирования по амплитуде питающего напряжения, как кратковременного, так и на протяжении всего периода работы привода.

Форсирование вызывает насыщение магнитной системы и тепловые переходные процессы, появляющиеся из-за нагрева обмоток и статора, что в свою очередь напрямую влияет на срок службы электропривода и является критерием выбора режимов форсирования ИД.

Традиционным подходом в математическом описании форсированных режимов работы ИД является описание параметров модели как линейных и нелинейных функций от величин, определяющих степень форсирования двигателя. Такой подход не позволяет учесть влияние всех факторов на параметры модели. В качестве решения данной проблемы может послужить использование модели, основанной на расчете магнитного поля.





Расчет магнитного поля может быть осуществлен разными способами. Например, на основе схемы замещения магнитной цепи. Однако наиболее целесообразным, особенно в контексте данной задачи, является расчет магнитного поля исследуемой электрической машины с использованием МКЭ. Благодаря высокой точности и количеству характеристик, определяемых из расчета поля, МКЭ стал основным инструментом при выполнении поверочных расчетов электрических машин.

Рассмотрим методику формирования нелинейной модели, основанной на расчете магнитостатического поля МКЭ.

При решении задачи магнитостатики МКЭ примем следующие допущения:

1) геометрия расчетных областей, свойства сред и параметры, характеризующие источники поля не изменяются в продольном направлении магнитной системы машины;

Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 4

–  –  –

В свою очередь для решения системы (4) зависимости необходимо получить зависимости:

a = f(i a, ib, i c, ), b = f(i a, ib, i c, ), c = f(i a, ib, i c, ), (5) M rez = f(i a, ib, i c, ).

Зависимости (5) являются нелинейными, что определяется принципом работы и особенностями исследуемого двигателя. Они могут быть получены путем численного расчета магнитного поля с помощью МКЭ. Рассмотрим методику формирования полевой модели.

Первым этапом методики является построение геометрической модели исследуемого двигателя. Геометрическая модель должна содержать полное описание геометрии задачи, метки различных её частей и расчетную сетку конечных элементов.

Для формирования геометрической модели необходимо геометрию двигателя (рис. 2, а) дополнить блоками, ассоциирующими элементы модели с определенными материалами двигателя. Для формирования схемы заполнения обмотками пазов статора необходимо использовать схему электрических соединений обмоток статора и схемой электрических подключений.

–  –  –

Определившись со структурой геометрической модели двигателя необходимо задать физические свойства блоков и граничные условия расМехатронные системы. Теория и проектирование четов. Так для магнитопровода – это кривая намагничивания, для постоянных магнитов – коэрцитивная сила и магнитная проницаемость, для обмоток фаз – плотность тока.

Определив все необходимые параметры и граничные условия для анализа методом конечных элементов, можно сформировать геометрическую модель двигателя. После этого можно приступать к построению конечно-элементной сетки (рис. 2, б).

Совокупность геометрической модели, физических свойств элементов и описания задачи образует полевую модель исследуемой электромагнитной системы. Сформированная полевая модель после решения позволяет получить такие величины как магнитный потенциал, магнитную индукцию, напряженность магнитного поля, силы, моменты, энергию магнитного поля, потокосцепления, собственные и взаимные индуктивности.

Далее рассмотрим решение полевой модели, анализ и обработка результатов решения и их применением для формирования нелинейной математической модели исследуемого двигателя.

–  –  –

После формирования полевой модели можно приступать непосредственно к расчету требуемых характеристик. Для автоматизации расчетов целесообразно использовать пакет Maxwell программы ANSYS или программу ElCut. Примеры получаемых после расчета полевой модели картин поля приведены на рис. 3.

–  –  –

На рис. 5 представлены следующие элементы: подсистема DC_Engine – нелинейная математическая модель исполнительного двигателя; подсистема Load – подсистема, отвечающая за преобразование удлинения, линейных скорости и ускорения штока ШВП в угол поворота штока и угловые скорость и ускорение; подсистема Nagruzka – подсистема, отвечающая за моделирование динамической нагрузки, действующей на исполнительный двигатель со стороны направляющей и поворотного штока ШВП.

Мехатронные системы. Теория и проектирование

–  –  –

По результатам моделирования можно сделать вывод о необходимости введения в состав системы корректирующего устройства. Вследствие того, что параметры системы изменяются с течением времени, использование традиционных алгоритмов управления, например, ПИДуправления, не даст требуемых результатов, т.к. параметры полученного регулятора будут нуждаться в дополнительной оптимизации, а при изменении параметров системы они будут требовать полного пересчета.

В данном случае более целесообразным решением будет применение адаптивных алгоритмов управления на основе нейронных сетей.

Синтез нейросетевого регулятора будем проводить по методу обратного распространения ошибки. Это итеративный градиентный алгоритм, который используется с целью минимизации ошибки работы многослойного перцептрона. Основная идея данного метода состоит в распространении сигналов ошибки от выходов сети к ее входам. На каждой итерации алгоритма обратного распространения ошибки весовые коэффициенты нейронной сети модифицируются так, чтобы улучшить решение задачи.

В результате получим Simulink-схему системы, представленную на рис. 7.

Рис. 7. Simulink-схема системы с нейросетевым регулятором Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 4 Подсистема нейросетевого регулятора имеет вид, представленный на рис. 8.

В результате синтеза нейросетевого регулятора был получен следующий переходный процесс (рис. 9).

Рис. 8. Simulink-схема подсистемы нейросетевого регулятора

–  –  –

Как видно из графика переходного процесса в системе увеличилось быстродействие и полностью отсутствует перерегулирование.

Из проведенной работы можно сделать следующие выводы:

1) рассмотренная методика формирования нелинейной математической модели трехфазного вентильного двигателя позволяет добиться высокой точности анализа и, следовательно, заданных характеристик электропривода на этапе синтеза.

2) использование интегрированных пакетов для конечноэлементного анализа повышает универсализм и степень интеграции разраМехатронные системы. Теория и проектирование ботанной методики формирования рассматриваемой модели и позволяют распространить её на широкий спектр исполнительных двигателей.

3) аппроксимирующие способности нейросетей с динамическими алгоритмами обучения позволяют синтезировать регуляторы, позволяющие получить качественный переходный процесс, для систем с нелинейными динамическими объектами, параметры которых изменяются в процессе работы системы.

Список литературы

1. Минчук С.В., Горячев О.В. Нелинейная математическая модель бесконтактного двигателя постоянного тока, основанная на анализе картины магнитостатического поля // Известия ТулГУ. Технические науки.

Вып.3: в 5 ч. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 183-186.

2. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: учеб. для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2001. 327 с.

3. Гандшу В.М. Представление шихтованных сердечников в задачах расчета магнитных полей // Elcut. URL: http://elcut.ru/articles/

4. Терехов В.А., Ефимов Д.В., Тюкин И.Ю., Антонов В.Н. Нейросетевые системы управления. СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета, 1999. 265 с.

Горячев Олег Владимирович, д-р техн. наук, проф., заведующий каф. САУ, olegvgor@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет, Ломакин Алексей Константинович, ассист. каф. САУ, hostel209@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет, Гаврилкин Виктор Константинович, аспирант каф. САУ, gugo2040@yandex.ru Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE METHOD OF DESIGN OF VERTICAL CHANNEL GUIDANCE

AND STABILIZATION DRIVE WITH A RECIPROCATING MOVEMENT OF THE OUTPUT

SHAFT BASED ON THREE-PHASE BRUSHLESS MOTORS

–  –  –

The method of design of vertical channel guidance and stabilization drive with a reciprocating movement of the output shaft based on three-phase brushless motors that uses non-linear mathematical model obtained with magnetostatic field analysis based on finite element technique offers in this article. This mathematical model of actuating motor takes into account real constructive parameters, saturation of magnetic circuit and allows to increase the accuracy of calculations of drive characteristics when it operates in forced mode. The use of classical control algorithms becomes problematic because of the complexity of the matheИзвестия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 4 matical model, taking into account the characteristics of this type of motor. Therefore it is necessary to use adaptive control systems, such as neural network algoritms.

Key words: actuating motor, finite element technique, electric drive, brushless motor, magnetic circuit, neural network, Goryachev Oleg Vladimirovich, Doctor of Engineering Sciences, professor, Head of the Department of Automatic Control Systems, olegvgor@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University, Lomakin Alexey Konstantinovich, assistant at the Department of Automatic Control Systems, hostel209@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Universit, Gavrilkin Victor Konstantinovich, postgraduate at the Department of Automatic

Похожие работы:

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ”САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ” МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ЛОГИКА И ОСНОВЫ ТЕОРИИ АЛГОРИТМОВ ПРОГРАММА КУРСА Самара

«www.кипор.com ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ www.КИПОР.COM KIPOR KIPOR POWER CO., LTD.Генераторы бензиновые: -однофазный KGE2500X www.кипор.com СОДЕРЖАНИЕ.1. Техника безопасности..3 2. Устройство.. 4 3. Проверка перед работой...4 4....»

«Лабораторная работа 6 Определение методами просвечивающей электронной микроскопии параметров структуры материала с наноразмерными частицами второй фазы. Анализ механизмов<...»

«НПО "СИБИРСКИЙ АРСЕНАЛ" Сертификат соответствия СИСТЕМА С-RU.ПБ01.В.02416 ОХРАННО-ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ РАДИОКАНАЛЬНАЯ ГАЛАКТИКА ПРИБОР ПРИЕМНО-КОНТРОЛЬНЫЙ ОХРАННО-ПОЖАРНЫЙ ГАЛАКТИКА центральный блок РУКОВОДСТВ...»

«ISSN 0536 – 1036. ИВУЗ. "Лесной журнал". 2014. № 5 УДК 621.311 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТОЧНОЙ ЛИНИИ ПРОИЗВОДСТВА ПИЛОПРОДУКЦИИ © С.П. Агеев, д-р техн. наук, доц. Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, 17, г. Архангельск, 163002; e...»

«Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Горно-Алтайский государственный университет" МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ для обучающихся по освоению дисциплины: Физическая география и ландшафты материков и океанов уровень основной образовательной программы: бакалавриат рекомендуется для н...»

«Утверждены Постановлением Госстроя СССР от 18 февраля 1985 г. N 18 СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА АЭРОДРОМЫ СНиП 2.05.08-85 Срок введения в действие 1 января 1986 года Разработаны Государственным проектно-изыска...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Московский технический университет связи и информатики Кафедра систем радиосвязи Лабораторная работа № 5 Изуче...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.