Введение к работе
Актуальності» темы. Электромеханические системы (ЭМС), рабочий орган которых совершает различные виды колебательных и вращательных движений, нашли широкое применение в горнодобывающей промышленности, машиностроении и других областях народного, хозяйства. Значительную часть таких технических систем составляют виброустановки, приводимые в движение электрическими двигателями с несбалансированными роторами - дебалансными вибровозбудителями (ДВ).
Одна из основных задач при создании указанных ЭМС виброустановок заключается в повышении быстродействия и точности при одновременном уменьшении их массогабаритных параметров с учетом необходимости ограничений перегрузки по току и моменту, позволяющих избежать преждевременного износа и разрушения ЭМС. Однако, решение этой задачи затрудняется влиянием ряда факторов, среди которых следует выделить: нелинейность динамической модели, нестационар-ность и нелинейность параметров (трение в подшипниках и тому подобное), необходимость использовшшя высокомоментных двигателей, обеспечивающих на этапе запуска установок подъем тяжелого (до 200 кг.) дебаланса в верхнее положение.
В настоящие время вибрационные установки либо вообще не оснащаются системой управления исполнительным механизмом, либо имеют системы управления, которые реализуют лишь выдачу сигнала на запуск вибровозбудителя и поддержание его скорости на заданном уровне.
Одним из путей преодоления указанных трудностей является разработка замкнутых систем управления электропривода, основанных на более совершенных алгоритмах управления.
Подобные задачи решались в работах И.И. Блехмана, В.Л. Вейца, В.В. Гортинского, А.С. Кельзона, Л.М. Малинина, А.А. Первозванского, Б.Г. Хвалова, а так же в работах зарубежных авторов Р. Кинси, Д. Мин-гори, Р. Ранда и ряда других.
Однако во многих перечисленных публикациях основной задачей, решаемой на этапе разгона ЭМС, являлась задача прохождения через резонансные частоты и вывода исполнительного двигателя на задагшыи уровень угловой скорости и не рассматривалась важная задача снижения массогабаритных параметров ЭМС, которая может быть решена за счет
использования исполнительного двигателя меньшей мощности. Кроме того, синтез алгоритмов управления производился либо по линеаризованной динамической модели, что негативно отражалось на точности системы, либо полученные алгоритмы были достаточно громоздки и, следовательно, трудно реализуемы.
Уменьшение требуемой мощности исполнительного двигателя может быть достигнуто с помощью разработки специальных алгоритмов, которые могут быть использованы на самой первоначальной стадии разгона исполнительного двигателя, а именно до того, как ДВ достигнет верхнего вертикального положения и выйдет в режим вращения. Так, как отмечалось в работах И.И. Блехмана, исполнительная система вибрационного инерционного грохота, предназначенного для просеивания сыпучих материалов, должна удовлетворять по крайней мере двум условиям: 1) на этапе запуска она должна обеспечить подъем центра тяжести инерционного дебаланса вибровозбудителя в крайнее верхнее положение; 2) мощность исполнительного электродвигателя должна быть достаточной для компенсации потерь на трение в подшипниках ротора и полезной мощности, необходимой для технологического процесса. Однако во многих грохотах (особенно тяжелого типа) в настоящие время двигатель выбирается исходя из первого условия как более жесткого, что приводит к завышенным требованиям к мощности исполнительного двигателя с точки зрения функционирования в установившемся рабочем режиме.
Требования снижения мощности исполнительного двигателя делают необходимым использование подхода, основанного на реализации более эффективных законов управления движением ДВ на начальной стадии запуска, то есть до выхода дебаланса в режим вращения. Синтез более эффективных, теоретически обоснованных и практически реализуемых законов управления необходимо проводить на основе нелинейных моделей динамики.
Таким образом, задача создания или совершенствования ЭМС вибрационных установок с учетом нестационарности параметров, нелинейности динамики и при необходимости снижения мощности исполнительного двигателя является актуальной и имеет большое практическое значение.
Диссертационная работа выполнялась в рамках комплексной программы "Интеграция" по заказу Государственного Комитета Российской Федерации по высшей школе и Российской академии наук.
Целью работы является разработка и исследование практически реализуемой системы управления колебательным и вращательным движением механических объектов на этапе пуска, обеспечивающей снижение мощности и массогабаритных параметров исполнительных устройств.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
О разработка математических моделей электромеханических колебательных систем в форме, позволяющей упростить последующий синтез законов управления колебаниями; П синтез базовых алгоритмов управления раскачиванием колебательных систем, позволяющих снизить мощность исполнительного устройства на этапе пуска; П синтез законов управления для нелинейных объектов в условиях неполноты измерения вектора состояния и теоретическое обоснование их работоспособности для устройств типа математических маятников; Р применение предложенных алгоритмов к управлению инерционным вибрацжнтым грохотом на этапе пуска.
Методы исследования. При проведении теоретических исследований использовались методы матричной алгебры, теоретической механики и современной теории управления (методы пространства состояний, скоростного градиента, функций Ляпунова). Экспериментальное исследование проводилось путем моделирования на ЭВМ с применением методов вычислительной математики в среде программирования MATLAB, а также путем натурных испытаний на одновальном вибрационном стенде.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
П предложен новый подход к синтезу системы управления механизмов с дебалансными роторами, основанный на стратегии раскачивания дебаланса на этапе запуска, что позволяет существенно снизить номинальную мощность исполтаггельпого привода; П синтезированы новые алгоритмы управления колебательными системами на этапе пуска: направленный, линейный и релейно-линейный, доказано достижение цели управления для системы с перечисленными алгоритмами;
синтезирован наблюдатель состояния, восстанавливающий полный
вектор состояния для объекта, представленного нелинейной моде
лью;
на основе второго метода А.М. Ляпунова синтезирована система
управления колебаниями объекта типа маятника, включающая ре
лейный или линейно-релейный алгоритм управления и линейный
фильтр для восстановления неизмеряемой угловой скорости .
Практическая ценность и внедрение результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты были использованы при построении системы управления вибрационных научно-исследовательских стендов с одновальными и двухвальными дебаланс-ными вибровозбудителями, моделирующих динамику виброустановок для грохочения сыпучих материалов.
Предложенные в диссертационной работе релейный, линейный и релейно-линейный алгоритмы управления испытаны на стенде с одно-вальным вибровозбудителем, система управлешш которым реализована на ЭВМ IBM-386DX40/8/210 с использованием стандартной платы аналого-цифрового сопряжения АД-512, имеющей программную поддержку в среде MATLAB. Испытание подтвердили работоспособность всех алгоритмов. Расчет, учтъшшощий массоинерционные параметры грохота гит 71М и характеристики просеиваемых материалов показал, что применеіше алгоритмов управления, предложенных в работе, позволяет сократить мощность исполнительного двигателя на 20% и, таким образом, сократить энергопотребление виброустановки.
Результаты диссертационной работы использованы в разработках Этапа 1 проекта 2.1-589 ФЦП "Интеграция", проводимых в Санкт-Петербургском УНЦ "Проблемы машиностроения, механики и процессов управления" в 1997-1998 годах. Результаты использования включены.в сводный отчет по проекту за 1997 год, переданный для использования в учебном процессе и научных исследованиях в следующие вузы-участники: СПбГУ, СП6ТЭТУ, БГТУ, ПИМАШ, а также учтены при подготовке технического задания по проекту на 1998 год.
Апробация работы. Основные теоретические положения, результаты и выводы диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на 4-ой Балтийской Международной Студенческой Олимпиаде по Автоматическому Управлению (Санкт-Петербург 1995)., 3-ей Средиземноморской Конференции по Управле-
нию, проводимой в рамках ШЕЕ (Лимасол, 1995), 3-ой Международной Конференции по Управлению Движением и Вибрациями (Тиба, 1995), Международной Конференции по Информации и Управлению (Санкт-Петербург, 1997).
Публикации по теме диссертационной работы. Основное содержание работы отражено в пяти печатных работах.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка литературы, включающего 77 найменованій, и приложений. Основная часть работы изложена на 126 листах. Работа содержит 61 рисунок и 7 таблиц.