Содержание к диссертации
Введение
1. Задачи автоматического управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси при ее виброуплотнении в форме 16
1.1. Влияние параметров колебаний бетонной смеси на эффективность виброуплотнения 16
1.2. Методы и средства управления направлением и частотой виброколебаний бетонной смеси 23
1.3. Постановка задачи автоматизации при управлении направлением и частотой колебаний бетонной смеси в процессе виброуплотнения 29
Выводы по первой главе 32
2. Математическое описание направленных колебаний бетонной смеси на виброплощадке, оснащенной двухвальным дебалансным вибровозбудителем направленного действия, как объекта управления 33
2.1. Определение объекта управления 33
2.2. Математическое описание объекта управления 38
2.2.1. Расчетная схема и уравнения движения колеблющейся системы «вибростол - бетонная смесь» в плоскости ХОУ 38
2.2.2. Структура и вычислительная модель механико-технологической части объекта 51
2.3. Математическое описание и вычислительная модель приводной электромеханической части объекта 57
2.4. Обобщенная модель объекта управления 64
2.5. Оценка адекватности модели 75
2.6. Упрощенная модель объекта 82
Выводы по второй главе 87
3. Синтез цифровой системы автоматического управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси 90
3.1. Структурный синтез системы управления 90
3.2. Синтез и параметрическая оптимизация регуляторов одноканальной системы управления углом поворота 99
3.2.1. Синтез и параметрическая оптимизация регулятора скорости 100
3.2.2. Синтез и параметрическая оптимизация регулятора угла поворота... 108
3.3. Синтез задатчика частоты колебаний 114
3.4. Синтез и параметрическая оптимизация регулятора угла направления вынуждающей силы вибровозбудителя 118
3.5. Цифровой наблюдатель угла направления колебаний бетонной смеси 123
3.6. Синтез и параметрическая оптимизация регулятора направления колебаний уплотняемой бетонной смеси 125
3.7. Области достижимых показателей качества системы управления 133
Выводы по третьей главе 144
4. Экспериментальные исследования объекта и системы управления 146
4.1. Исследование управляемости объекта автоматизации 146
4.2. Исследование системы автоматического управления направлением и частотой колебаний вынуждающей силы 153
4.3. Динамика процесса виброуплотнения 164
4.4. Исследование системы автоматического управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси с цифровым наблюдателем 180
4.5. Натурные экспериментальные исследования параметров виброколебаний на лабораторной виброплощадке 184
4.6. Вариант технической реализации цифровой системы программного управления направлением и частотой колебаний уплотняемой бетонной смеси 189
Выводы по четвертой главе 195
Заключение 201
Библиографический список 203
- Постановка задачи автоматизации при управлении направлением и частотой колебаний бетонной смеси в процессе виброуплотнения
- Математическое описание и вычислительная модель приводной электромеханической части объекта
- Синтез и параметрическая оптимизация регулятора скорости
- Исследование системы автоматического управления направлением и частотой колебаний вынуждающей силы
Введение к работе
Актуальность темы. Отрасль производства строительных материалов предъявляет высокие требования к качеству бетонных и железобетонных изделий в условиях сокращения производственных затрат, времени технологического цикла. Решение этой задачи достижимо лишь при повышении эксплутационных характеристик технологического оборудования путем применения в нем современных средств автоматизации. Качество бетонных изделий, и прежде всего - прочность, в значительной мере определяется характеристиками режима виброуплотнения бетонной смеси.
Широкая номенклатура бетонных и железобетонных изделий производится с использованием виброплощадок различающихся по конструкции стола, опор и типа вибровозбудителя. В них используются круговые, вертикальные или горизонтальные колебания, которые создаются, обычно, дебалансными возбудителями. Анализ работ Десова А.Е., Агамирзян Л.С., Баженова Ю.М., Кунноса Г.Я., Сивко В.И., Гершберга О.А., Гусева Б.В., Зазимко В.Г., Совалова И.Г., Савинова О.А., Лавриновича Е.В., Борщевского А.А., Деминова А.Д., Крюкова Б.И., Морозова А.А. и др. авторов по исследованию динамики технологического процесса виброуплотнения в резонансных и зарезонансных режимах, с однонаправленными или многокомпонентными колебаниями показывает необходимость программного управления параметрами колебаний бетонной смеси во время этой технологической операции.
Применяемые в настоящее время способы и средства автоматизации виброплощадок не могут в полной мере обеспечить технологически необходимые режимы уплотнения, в частности в них невозможно изменять в процессе уплотнения направление колебаний. Это объясняется тем, что известные конструкции виброплощадок и вибровозбудителей (в том числе и дебалансных) не приспособлены для управления направлением виброколебаний.
В работе Галицкова К.С. решена задача согласованного управления частотой и амплитудой вертикально направленных колебаний бетонной смеси при уплотнении на виброплощадке с двухвальным дебалансным вибровозбудителем. Однако вопрос о согласованном управлении углом направления и частотой колебаний уплотняемой бетонной смеси остается открытым. Технологическая необходимость управления этими параметрами показана в работах Гусева Б.В., Зазимко В.Г. Решение этой задачи требует, прежде всего, создания конструкции виброплощадки, обеспечивающей из-
менение угла направления колебаний в процессе уплотнения. В ней для генерации направленной вынуждающей силы считаем целесообразным использовать двухваль-ный дебалансный вибровозбудитель, встречное синхронное вращение валов которого в требуемом диапазоне частот, осуществляется автоматически.
Вопросам создания многомерных быстродействующих высокоточных позици-онно-следящих систем управления линейными и угловыми координатами прецизионных станков и роботов посвящено большое число исследований в том числе работы Галицкова С.Я., Лысова С.Н., Макарова А.Г., Макарова И.М., Медведева B.C., Старикова А.В., Чемоданова Б.К. и др. авторов, но в них не рассматривается решение задачи управления относительным угловым положением дебалансов при их синхронном встречном вращении в двухвальном вибровозбудителе.
Математическому описанию и исследованию динамики колеблющихся вибрационных систем посвящено значительное количество работ, в том числе работы Би-дермана В.Л., Быховского И.И., Пановко Я.Г., Губанова И.И., Рагульскиса Л.К., Ра-гульскиса К.М. и др., но аналитическое конструирование установок для управления направлением виброколебаний сдерживается отсутствием адекватных математических моделей виброплощадок с уплотняемой бетонной смесью, колеблющихся под действием направленной вынуждающей силы, генерируемой двухвальным возбудителем, как объекта управления.
Другой сдерживающий фактор создания систем программного управления направлением и частотой виброколебаний бетонной смеси заключается в том, что двух-вальный дебалансный вибровозбудитель работоспособен только при функционировании двумерной синхронно-следящей системы, являющейся основой синтезируемой системы. Поэтому в настоящее время отсутствуют экспериментальные исследования в области синтеза научно обоснованных алгоритмов управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси на виброплощадках с дебалансными возбудителями. В связи с этим возникает необходимость создания вычислительных моделей и разработки методик постановки на них экспериментов по аналитическому конструированию виброплощадки, выявлению динамических особенностей объекта управления, параметрической оптимизации регуляторов системы, определению достижимых технологических возможностей процесса виброуплотнения бетонной смеси.
Таким образом, актуальными являются исследования по автоматизации про-
7 цесса виброуплотнения путем создания системы программного согласованного управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси (САУ НЧК БС), позволяющей повысить технологическую эффективность виброуплотнения и тем самым улучшить качество бетонных изделий.
Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы Самарской государственной архитектурно-строительной академии по теме «Автоматизированные системы в строительстве» (№ 01970005686 Госрегистрации) и региональной научно-технической программе «Развитие научно-технического и инновационного потенциала Самарской области 2001-2005г.г.».
Цель работы: Автоматизация направленных колебаний виброплощадки для уплотнения бетонной смеси в форме.
Для достижения поставленной цели в работе проведен комплекс теоретических и экспериментальных работ:
Выполнено математическое описание объекта управления: виброплощадки с уплотняемой бетонной смесью, колеблющейся под действием направленной вынуждающей силы двухвального дебалансного вибровозбудителя с приводными асинхронными двигателями; разработана его вычислительная модель.
Разработана упрощенная модель объекта управления, на основе которой создан параметрический наблюдатель направления колебаний бетонной смеси.
Выполнен структурный синтез и осуществлена параметрическая оптимизация регуляторов цифровой системы управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси.
Создана вычислительная модель цифровой системы управления с цифровым параметрическим наблюдателем направления колебаний бетонной смеси.
Разработаны методики постановки и проведения вычислительных экспериментов по исследованию объекта и системы управления. Определены области достижимых показателей качества системы управления.
Создана экспериментальная установка для исследования влияния частоты колебаний виброуплотнения на прочность бетонных изделий.
Разработан вариант технической реализации виброплощадки с программным согласованным управлением направлением и частотой виброколебаний уплотняемой бетонной смеси.
Методы исследования: В работе использованы методы теории автоматического управления, теории электропривода, теоретической механики, теории колебаний, идентификации технологических объектов, теории виброуплотнения, методы моделирования динамических систем на ПЭВМ. Основные теоретические результаты подтверждены с помощью вычислительных и натурных экспериментов.
Научная новизна:
Математическая модель объекта управления, представляющего собой виброплощадку для уплотнения бетонной смеси в форме, оснащенную двухвальным деба-лансным вибровозбудителем направленного действия с приводными асинхронными двигателями.
Результаты натурных и вычислительных экспериментов: по исследованию динамических характеристик объекта по отношению к управляющим и возмущающим воздействиям; по аналитическому конструированию виброплощадки с двухвальным дебалансным возбудителем направленного действия; по определению области достижимых показателей качества САУ НЧК БС.
Методика синтеза цифровой системы программного управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси в форме на виброплощадке с двухвальным дебалансным возбудителем и цифровым параметрическим наблюдателем угла направления колебаний бетонной смеси.
Практическая ценность результатов работы:
Комплекс вычислительных моделей по исследованию динамики объекта и САУ НЧК БС с цифровым параметрическим наблюдателем угла направления колебаний бетонной смеси. Экспериментальная установка для исследования влияния частоты виброколебаний бетонной смеси на качество изделий.
Методика постановки и проведения натурных и вычислительных экспериментов по исследованию параметров колебаний виброплощадки и уплотняемой бетонной смеси при согласованном управлении направлением и частотой вынуждающей силы;
Инженерные методики аналитического конструирования виброплощадки для направленных колебаний и проектирования САУ НЧК БС с наблюдателем угла направления колебаний бетонной смеси;
Результаты работы позволяют повысить эффективность уплотнения бетонной смеси, а также производительность и надежность виброплощадок
9 Реализация результатов работы. Основные результаты работы внедрены:
в производство в виде вычислительной модели виброплощадки с автоматическим программным управлением направлением и частотой колебаний уплотняемой бетонной смеси (АО «Коттедж» г. Самара)
в учебный процесс при подготовке инженеров в виде методики изучения теоретических и практических вопросов динамики процесса виброуплотнения бетонной смеси на виброплощадке с двухвальным дебалансным возбудителем (Самарская государственная архитектурно-строительная академия).
Апробация работы: Основные положения диссертации докладывались на: 19-й межвузовской студенческой научно-технической конференции «Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» (Самара, 2000), 58-й, 59-й и 60-й областных научно-технических конференциях «Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» (Самара, 2001-2003 г.г.), международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» (Владимир 2003), Всероссийской, межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара 2003).
Публикации: По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, подано 2 заявки на изобретение.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Математическая модель виброплощадки с бетонной смесью в форме, колеблющейся под действием направленной вынуждающей силы, генерируемой двухвальным дебалансным вибровозбудитем с приводными асинхронными двигателями.
Методика структурного синтеза и параметрической оптимизации цифровой многомерной системы автоматического управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси с цифровым наблюдателем угла направления колебаний бетонной смеси.
Результаты экспериментальных исследований объекта и системы управления, проведенных на вычислительных моделях и лабораторной установке.
Техническая реализация цифровой системы автоматического управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси с цифровым наблюдателем угла направления колебаний.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и
10 заключения, изложенных на 119 страницах машинописного текста, используемых источников 85 наименований на 7 страницах, и содержит 95 рисунков, 7 таблиц и 2 приложения. Общий объем работы 253 страницы сквозной нумерации.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется ее цель, перечисляются решаемые задачи и методы исследования. Указывается научная новизна и защищаемые научные результаты. Определяется практическая ценность полученных результатов.
В первой главе показано влияние основных параметров виброколебаний (направление, амплитуда и частота) на технологический процесс виброуплотнения. Установлено, что изменение направления колебаний в процессе цикла виброуплотнения существенно влияет на характер перераспределения фракций составляющих бетонной смеси по ее объему и, как следствие, на качество виброуплотнения. Проведен обзор современного состояния вопроса автоматизации виброплощадок. Выполнен анализ известных конструкций виброплощадок и вибровозбудителей, а также систем управления параметрами виброколебаний бетонной смеси. Показано, что они не решают задачи автоматического согласованного управления направлением и частотой колебаний уплотняемой бетонной смеси. Предложено решение задачи автоматизации технологического процесса уплотнения бетонной смеси на виброплощадке осуществить путем изменения конструкции виброопор и оснащения ее двухвальным дебалансным вибровозбудителем, для работы которого необходимо создать цифровую систему управления направлением и частотой виброколебаний бетонной смеси. В качестве критерия эффективности виброуплотнения при изменении направления колебаний предложено использовать стабилизацию среднеквадратичного значение удельной мощности виброколебаний. Сформулированы задачи исследований.
Вторая глава посвящена вопросам разработки математического описания объекта управления, под которым понимается процесс колебаний виброплощадки с бетонной смесью в форме, направленный характер которых создается двухвальным дебалансным вибровозбудителем с приводными асинхронными двигателями. Показана целесообразность условного выделения в многомерном объекте управления двух взаимосвязанных частей: приводная электромеханическая, включающая в себя приводные
асинхронные двигатели и собственно двухвальный вибровозбудитель, и механико-технологическая, включающая в себя виброплощадку с бетонной смесью в форме, оснащенную двухвальным вибровозбудителем. Установлено взаимодействие частей объекта управления через двухвальный вибровозбудитель. В качестве входных
управляемых координат объекта принят вектор угловых частот Qcn напряжений, питающих приводные асинхронные двигатели. Выходными координатами приняты векторы вынуждающей силы FBBB вибровозбудителя, колебаний стола Gc и бетонной
смеси G6 относительно основания, колебаний бетонной смеси G61 относительно стола, каждый из векторов колебаний характеризуется амплитудой и направлением.
В рамках известных допущений разработана расчетная схема колебаний механико-технологической части объекта управления в плоскости ХОУ, перпендикулярной оси вращения вибровозбудителя. В ней виброплощадка с бетонной смесью представлена в виде системы, состоящей из четырех корпусных звеньев, движение которых относительно основания обеспечивается идеальными роликовыми направляющими. Два звена (третье и четвертое) характеризуются массой бетона тб и массой стола с вибровозбудителем и формой шд. Первое и второе звено приняты безинерционными, они используются в качестве промежуточных направляющих, по которым подвижные элементы перемещаются по координатным осям X и У. Модель является четырехмас-совой системой, в которой массы виброплощадки, бетонной смеси и двух дебалансов вибровозбудителя, взаимодействуют друг с другом и с основанием посредством уп-руго-диссипативных связей. Они совершают колебания под действием направленной вынуждающей силы, генерируемой двухвальным вибровозбудителем, относительное угловое положение дебалансов которого А Р = |р, | - |р 21.
Разработано математическое описание объекта управления в форме системы дифференциальных уравнений Лагранжа, дополненных дифференциальными уравнениями асинхронного двигателя. На основании этого описания синтезирована однолинейная структурная схема объекта. Ввиду ее громоздкости осуществлен переход к матричной форме представления объекта. При этом динамика бетонной смеси может быть описана тремя системами матричных уравнений: первая описывает прямой канал обобщенного объекта управления; вторая внутреннюю обратную связь по скорости и перекрестные обратные связи по моменту нагрузки; третья прямое и обратное
12 упруго-диссипативное взаимодействие колеблющихся масс виброплощадки и бетонной смеси.
В программной среде Matlab разработана вычислительная модель многомерного объекта управления. Путем постановки вычислительных экспериментов определены амплитудно-частотные характеристики промышленного и лабораторного вариантов виброплощадок, сравнение которых с результатами, полученными на натурных установках и с помощью расчетов, выполненных по рекомендациям НИИЖБ, показало, что значения резонансных частот, амплитуд колебаний в резонансной и зарезо-нансной областях отличаются не более чем на 7-10%. Это позволяет утверждать об адекватности разработанного математического описания.
Экспериментально установлено, что влияние перекрестных обратных связей механико-технологической части объекта на электроприводы можно структурно заменить в виде эквивалентных нелинейных обратных связей, формирующих гармонически изменяющийся момент нагрузки с амплитудой зависящей от частоты колебаний бетонной смеси и частотой равной удвоенной частоте ее колебаний, со скорости каждого исполнительного двигателя на электромагнитный момент этой машины. Такое упрощение структуры позволяет «развязать» многомерный объект управления и свести его исследование к автономным сепаратным каналам.
Выполнены исследования динамики бетонной смеси по направлению колебаний, которые показали, что переходные процессы по направлению носят ярко выраженный колебательный характер в диапазоне частот 10-25 Гц и монотонный в диапазоне частот 25-50 Гц. На основании этих исследований разработана упрощенная модель, положенная в основу цифрового наблюдателя направления колебаний бетонной смеси в виде динамического звена второго порядка, параметры которого зависят от частоты колебаний БС. Произведена оценка ее адекватности, показавшая возможность использования разработанной упрощенной модели в САУ НЧК БС с целью исключения колебательности угла у6.
В третьей главе выполнен структурный синтез системы управления направлением и частотой колебаний уплотняемой бетонной смеси. Структура системы включает в себя две подсистемы: двумерную систему управления частотой и направлением вынуждающей силы двухвального дебалансного вибровозбудителя (САУ НЧК ВС) и систему управления углом направления и частотой колебаний бетонной смеси. Ка-
13 ждый из 2-х каналов САУ НЧК ВС синтезирован в виде двухконтурной системы с одной измеряемой координатой, замкнутой по углу ft поворота і - го вала вибровозбудителя (і є 1,2). Для повышения точности автоматической синхронизации вращения дебалансов синтезирован третий канал, замкнутый по величине рассогласования Др. САУ НЧК БС структурно включает в себя САУ НЧК ВС, цифровой наблюдатель угла Уб направления колебаний бетонной смеси и регулятор Ry.
Выполнена параметрическая оптимизация регуляторов сепаратных каналов САУ НЧК ВС по критерию максимального быстродействия в условиях обеспечения монотонности переходного процесса при ограниченной мощности силовых преобразователей привода двухвального вибровозбудителя. Показано, что в рамках решаемой задачи управления ДДВ в сепаратных каналах достаточно использовать два контура с ин-тегро-дифференцирующими регуляторами. Аналитически показано и экспериментально подтверждено, что в первом контуре для обеспечения устойчивости интегро-дифференцирующий регулятор имеет опережение, а во втором (для компенсации наибольших постоянных времени первого контура) отставание по фазе. Сравнительный анализ динамических характеристик разработанной и известной систем управления двухвальным вибровозбудителем показал, что для синхронизации частоты вращения валов ДДВ и управления относительным угловым положением дебалансов достаточно использовать в системе один астатический регулятор канале, замкнутом по величине Др. Установлено, что при этом обеспечивается полоса пропускания по углу ДР равная 25 Гц при монотонности динамических характеристик.
Выполнен параметрический синтез САУ НЧК БС с наблюдателем угла направления бетонной смеси по критерию монотонности переходного процесса при изменении Уб от 0 до 180 . Показана необходимость синтеза интегрального, частотно-зависимого регулятора. Установлено, что применение данного типа регулятора в области частот 10-25 Гц способствует увеличению быстродействия системы в среднем на 25% по сравнению с использованием И - регулятора с постоянными параметрами. Построена область определения параметров нелинейного регулятора в функции параметров бетонной смеси Ty=F(To,^o). Она позволяет найти оптимальные настройки регулятора Ry по условию обеспечения монотонности переходного процесса в контуре угла направления колебаний БС.
Найдена зависимость максимальной скорости изменения направления колебаний
14 бетонной смеси в зависимости от величины частоты колебаний. Показано, что согласованное управление направлением и частотой колебаний по критерию постоянства удельной мощности колебаний позволяет повысить эффективность уплотнения за счет минимизации времени этой технологической операции по сравнению с независимым раздельным управлением. Определен диапазон изменения упруго диссипатив-ных свойств бетонной смеси (Сбср/Сб= 1,...,14, Дбср/Д^І,.-.,7), при которых система с наблюдателем обеспечивает требуемые показатели качества управления без перенастройки параметров ее регулятора и наблюдателя в рабочем диапазоне частот 10-50 Гц.
На основе найденных предельно достижимых свойств системы управления направлением и частотой колебаний разработаны алгоритмы программных задатчиков частоты юПр(0 и Угла направления колебаний бетонной смеси с нелинейной зависимостью формирования ускорения E(t). Показано, что использование синтезированного программного закона позволяет использовать предельные возможности системы управления не только на этапе движения с постоянным ускорением, но и на этапе изменения величины ускорения. В результате время перевода технологической установки из одного режима уплотнения на другой можно сократить на 20%.
В четвертой главе разработаны методики постановки и проведения натурных и вычислительных экспериментов; приведены результаты вычислительного моделирования объекта и системы управления, оптимизации системы управления, технической реализации САУ НЧК БС.
Выполнено на вычислительной модели промышленного образца одноблочной виброплощадки исследование зависимостей ac=f(aB), a6=f(aB), a6i=f(aB) с помощью фигур Лиссажу. Установлено, что для установившегося режима они вырождаются в линию. Из анализа полученных характеристик сделан вывод об управляемости объекта: углы a6, ас, абі направления колебаний бетонной смеси и стола относительно горизонтальной оси основания и бетонной смеси, относительно горизонтальной оси вибростола, соответственно, линейно зависят от угла ав направления вынуждающей силы.
Разработана вычислительная модель САУ НЧК БС с цифровым параметрическим наблюдателем угла направления колебаний бетонной смеси. Путем вычислительных экспериментов подтверждены результаты параметрической оптимизации ее
15 регуляторов и наблюдателя, синтезированных в третьей главе. Показана эффективность применения наблюдателя, заключающаяся в сокращении времени перехода от горизонтальных к вертикальным колебаниям на 20% при сохранении монотонности переходного процесса.
Решена задача аналитического конструирования виброплощадки. Показано, что в рамках решаемой технологической задачи уплотнения в проектируемой виброплощадке горизонтальную упругую опору можно исключить, что значительно упрощает конструкцию виброплощадки.
Выполнена оптимизация программных траекторий согласованного управления направлением ynp(t) и частотой колебаний бетонной смеси при стабилизации мощности виброуплотнения. Разработан алгоритм программной коррекции траектории частоты юпр(0 колебаний по условию постоянства удельной мощности виброуплотнения.
Экспериментально определены значения частоты замыкания программного цик-
ла fmjn=500 Гц и разрядности датчиков обратной связи 2 импульсов на один оборот вала, при которых в САУ НЧК БС обеспечивается устойчивая отработка программных траекторий частоты G)„p(t) и направления ynp(t) колебаний уплотняемой бетонной смеси.
На базе лабораторной виброплощадки создана установка для исследования параметров виброколебаний и оценки влияния частоты колебаний на прочность бетонных изделий. Полученная экспериментальная зависимость прочности бетонных образцов, от частоты колебаний показала, что увеличение частоты способствует возрастанию прочности на изгиб и сжатие. Выполнены технико-экономические расчеты, показывающие, что применение системы автоматического управления параметрами виброколебаний позволяет увеличить прибыль поста виброформования на 30%.
Разработана инженерная методика проектирования САУ НЧК БС, на основании которой предложен вариант ее технической реализации на базе программируемого контроллера SIMATIC S7-400. Разработаны алгоритмы программной реализации цифровых регуляторов и задатчиков согласованного управления направлением и частотой колебаний системы управления, а также параметрического наблюдателя.
1 ЗАДАЧИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЕМ
И ЧАСТОТОЙ КОЛЕБАНИЙ БЕТОННОЙ СМЕСИ
ПРИ ЕЕ ВИБРОУПЛОТНЕНИИ В ФОРМЕ
Постановка задачи автоматизации при управлении направлением и частотой колебаний бетонной смеси в процессе виброуплотнения
Анализируя результаты, полученные в п. 1.1-1.2 настоящей работы, задачу автоматизации представим состоящей из следующих этапов:
1. Разработка конструкции виброплощадки, обеспечивающей возможность программного изменения направления и частоты виброколебаний в процессе уплотнения;
2. Разработка системы автоматического управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси (САУ НЧК БС), которая должна обеспечивать следующие технологические требования [1,6,35,39,67,69,70] к процессу виброуплотнения:
2.1. Время виброуплотнения (по данным работ [35,67] для жестких смесей принимается 3-4Ж, где Ж - жесткость бетонной смеси, сек.), Ту = 60...120 с;
2.2. Минимальное число переходов с одного значения направления колебаний на другое - 5, при стабилизации мощности виброуплотнения в технологически необходимых пределах [67];
2.3. Монотонность изменения угла направления колебаний уплотняемой БС.
При решении первого этапа задачи автоматизации наиболее предпочтительным вариантом, на наш взгляд, является использование виброплощадки блочной конструкции. Применительно к данной работе, в частном случае, используем одно-блочный вариант, доработав его виброопоры и оснастив разрабатываемую установку двухвальным дебалансным возбудителем направленного действия с двумя приводными асинхронными двигателями, конструкция которого разработана на кафедре МАЭС СамГАСА с участием автора настоящей работы (приор, справка №2002125790/03 (027347) приоритет от 03.10.02).
При решении второго этапа задачи автоматизации необходимо осуществить автоматическое управление углом уб направления колебаний БС во всем рабочем диапазоне частот уплотнения, путем управления углом ав направления вынуждающей силы двухвального вибровозбудителя. Учитывая, что при реализации режима направленной вынуждающей силы в ДДВ ее величина остается постоянной [9,10], для стабилизации мощности виброуплотнения согласно выражению (1.3) необходимо согласованно управлять направлением и частотой колебаний БС. Для обеспечения монотонности изменения угла уб направления колебаний БС, считаем целесообразным замкнуть САУ НЧК БС по этой координате. При технической реализации САУ НЧК БС будем ориентироваться на простоту конструкции и надежность эксплуатации, для этого синтезируем ее в цифровом виде.
Сформулируем основные задачи исследований:
- создание математической модели процесса колебаний уплотняемой бетонной смеси на виброплощадке в форме под действием направленной вынуждающей силы двухвального вибровозбудителя с приводными асинхронными двигателями, как объекта управления;
- структурный синтез системы программного управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси с наблюдателем направления колебаний;
- параметрическая оптимизация задатчиков, регуляторов и наблюдателя направления САУ НЧК БС;
- аналитические и экспериментальные исследования объекта и системыуправления с помощью разработанных вычислительных моделей и экспериментальной установки;
- синтез алгоритмов управления САУ НЧК БС;
- разработка варианта технической реализации САУ НЧК БС. Дальнейшую разработку и исследование установки и системы управления направлением и частотой колебаний уплотняемой бетонной смеси, будем вести в соответствии с выше рассмотренными задачами автоматизации.
Выводы по первой главе
1. Анализ результатов исследований по влиянию основных параметров виброколебаний, направление, амплитуда и частота, на процесс виброуплотнения показал, что изменение направления колебаний в процессе цикла виброуплотнения существенно влияет на характер перераспределения фракций составляющих бетонной смеси по ее объему и оказывает значительное влияние на качество виброуплотнения.
2. Анализ известных публикаций по методам и средствам автоматизации процесса виброуплотнения показал, что в настоящее время отсутствуют автоматические устройства, позволяющие программно изменять направление колебаний бетонной смеси в процессе технологического цикла уплотнения. Для решения поставленной задачи предложено использовать одноблочную виброплощадку. Показана необходимость ее доработки путем изменения конструкции виброопор и оснащения ее двухвальным дебалансным вибровозбудителем.
3. На основании анализа работ по оценке эффективности виброуплотнения в качестве критерия эффективности при изменении направления колебаний предложено использовать стабилизацию среднеквадратичного значения удельной мощности виброколебаний.
4. Сформулированы задачи по разработке и технической реализации виброплощадки с двухвальным дебалансным возбудителем и создания системы управления им, обеспечивающей автоматическое управление направлением колебаний бетонной смеси.
Математическое описание и вычислительная модель приводной электромеханической части объекта
Приводная электромеханическая часть объекта включает в себя два асинхронных двигателя с короткозамкнутым ротором и частотным регулированием скорости вращения. Управляющие воздействия - частоты fcn и fcn2 (рисунок 2.10) питающих напряжений подающихся от двух автономных силовых преобразователей частоты. В качестве выходных координат принимаем вектор электромагнитных моментов приводных двигателей М [Мдв1 Мдв2]\ (2.29) элементы которого МдВ1 и Мдв2 являются входными воздействиями механико - технологической части объекта управления, и вектор углов поворота первого и второго дебалансных валов двухвального вибровозбудителя:
Через вектор моментов нагрузки
М [Мн1 Мн2]\ (2.31) замыкается обратная связь между первой и второй частями объекта управления.
При разработке математического описания приводной электромеханической части объекта управления воспользуемся математическим описанием и вычислительной моделью асинхронного двигателя, предложенных в работах [27,31].
В рамках известных допущений [27,31,40,41] динамика асинхронного двигателя в системе координат, вращающейся со скоростью coj, описывается системой уравнений:
где UpU ipij - мгновенные значения фазного напряжения статора и ротора, а также токов статора и ротора; г,,г2 - активные сопротивления обмоток статора и ротора; L,, L 2 - полные эквивалентные индуктивности фаз статора и ротора; L0 - индуктивность главного потока; vjJ vjJj - векторы потокосцеплении статора и ротора;
М, Мс - динамический момент двигателя и момент статической нагрузки, соответственно; J - эквивалентный момент инерции, приведенный к валу ротора; р„ — число пар полюсов; со , со и содв - скорости вращения поля статора, угловая скорость приведенной машины и скорость ротора двигателя.
Далее система уравнений (2.32) была приведена к виду удобному для построения структурной схемы, для чего осуществлен переход к операторной форме
На основании системы уравнений (2.33) в работе [31] построена структурная схема (рисунок. 2.11) нелинейной модели асинхронного двигателя, на основании которой в программной среде Matlab создана нелинейная вычислительная модель асинхронного двигателя (рисунок 2.12). В качестве управляющего воздействия принята угловая частота питающего напряжения - сосп. Выходной координатой является скорость двигателя - сода, допускаем, что ее значение совпадает по величине со скоростью вала вибровозбудителя со = Р . В качестве основного возмущения асинхронного двигателя принят момент статической нагрузки - Мс.
Блоки С1-С7 моделируют первое уравнение системы (2.33), блоки С8-С12 — второе уравнение. Сумматор С13 выделяет разность (сО-со). Блоками С14-С20 моделируется третье уравнение системы, а блоками С21-С25, СЗЗ - четвертое уравнение. Блоки С26-С29 моделируют момент двигателя Мдв (пятое уравнение), а блоки С30-С31 - основное уравнение электропривода (шестое уравнение). С помощью пропорционального блока С32 формируется приведенная к двухполюсной машине скорость со двигателя. нелинейной вычислительной модели на рисунке 2.12 сумматор М4 соответствует сумматору С4 структурной схемы на рисунке 2.11. Блоки умножения М4, М8, М15, Ml8, М22, М25, М27 и М31 аналогичны операторам умножения С4, С8, СЗЗ, С16, С21, С26, СИ и С18 структурной схемы, соответственно. Блок структуры С31 моделируется блоками М34 и М35 вычислительной модели.
Для ввода параметров асинхронного двигателя в вычислительную модель используется таблица 2.2, устанавливающая соотношение между параметрами асинхронной машины, блоками структурной и вычислительной модели.
Синтез и параметрическая оптимизация регулятора скорости
Рассматривая статический режим работы контура скорости, определим значение коэффициента передачи регулятора скорости [27]:
где s - скольжение асинхронного двигателя (для машины 4А180М2УЗ используемой в рассматриваемом примере двухвального вибровозбудителя s=0.02, [31]); Др -требуемый диапазон регулирования скорости, для получения качественных следящих приводов диапазон регулирования должен быть не менее Др 10000 [71,84]; Єдоп - допустимое значение относительной ошибки контура скорости примем, Едоп=0.001; Кс, Ксп, Кдд, - коэффициенты передачи регулятора скорости, силового преобразователя и асинхронного двигателя, Ксп=6.28 рад/В, Кад=1. Подставив численные значения, определим требуемую величину Кс на нижнем пределе диапазона регулирования: 0.02.10000 = с 0.001-6.28-1
Принимая во внимание, что большое значение коэффициента усиления в области средних и высоких частот неизбежно приведет к снижению запаса устойчивости контура [80], для обеспечения требуемого запаса устойчивости, согласно рекомендациям работ [46,71,80], введем в использование переменный коэффициент передачи регулятора скорости, зависящий от частоты. Его значение линейно изменяется от Ктах до Кт;п при изменении скорости двигателя от 0 до юп, согласно выражению:
Используя рекомендации работы [27], для обеспечения удовлетворительного переходного процесса в области низких частот для рассматриваемого класса систем предварительно примем Ктах=50000 и Кт;п=1000. Значение частоты перехода от пе 101 ременного коэффициента усиления к постоянному со,, выбирается экспериментальным путем при исследовании временных характеристик контура скорости при действии момента нагрузки.
Предварительные исследования приводной электромеханической части объекта управления и рекомендации работ [51,80], позволяют говорить о целесообразности применения в контуре скорости интегро-дифференцирующего регулятора с передаточной функцией вида:
км=кф :1\ (3.5) перейдем к одной постоянной времени Тс= Tci; тогда Тс2= к-Тс, где относительныйТ коэффициент к = ——. В результате передаточная функция регулятора скорости примет вид:
где - Т0, Ті и Т2 - постоянные времени асинхронной машины; - коэффициент, зависящий от скоростного режима работы двигателя. Эту упрощенную модель асинхронного двигателя [31] будем использовать лишь для предварительной настройки регуляторов системы управления. Исследование же системы и оптимизацию параметров регуляторов будем выполнять с помощью его нелинейной модели представленной в главе 2 настоящей диссертации. С учетом Ввиду того, что нелинейность «ограничение по уровню» не оказывает влияния на устойчивость, анализ устойчивости W,c(p) будем вести в линейном плане. Воспользуемся критерием Гурвица, согласно которому система четвертого порядка устойчива, если выполняются неравенства:
Исследование системы автоматического управления направлением и частотой колебаний вынуждающей силы
Разработанная в третьей главе структура сепаратного канала САУ НЧК ВС включает в себя несколько нелинейностей, обусловленных процессами, протекающими в асинхронной машине и в силовом преобразователе частоты. Поэтому ее анали-. тическое исследование, проведенное в главе 3 настоящей работы, носит лишь качественный характер. С целью определения количественных данных по оптимальной настройке регуляторов разработанной системы управления углом направления вынуждающей силы необходимо провести серию вычислительных экспериментов, которые выполним в следующей последовательности: исследование и оптимизация контура скорости; контура угла поворота; контура угла направления вынуждающей силы.
На первом этапе исследований используется разработанная нелинейная вычислительная модель контура скорости показанная на рисунке 3.8. По результатам аналитических исследований п.3.2.1 настоящей диссертации с использованием линеаризованной модели асинхронного двигателя приняты следующие значения параметров интегро-дифференцирующего регулятора скорости, занесенные в вычислительную модель: Постоянная времени, Тс=0.0001 сек.; коэффициент соотношения постоянных времени, к=15. Для нелинейного коэффициента усиления, исходя из соображений минимизации статической ошибки, согласно выражению 3.3 и исследованиям работы [27] принимаем следующие параметры: максимальный коэффициент усиления, Ктах=50000; минимальный коэффициент усиления Кт;п=1000; угловая скорость перехода от падающего к постоянном коэффициенту усиления, соп=0.314 с 1. Модель пропорциональной части регулятора скорости показана на рисунке 4.5, здесь согласно уравнению (3.4) блоки 1 и 2 вычисляет второе слагаемое выражения (3.4), блок 3 выполняет операцию сложения первого и второго слагаемых, в блоке 4 происходит перемножение входного сигнала на сформированное значение коэффициента усиления регулятора скорости Кс. Значение ограничения области угловых скоростей при которых изменяется коэффициент усиления задается в блоке 5 от 0 до соп, блок 6 служит для выделения абсолютного значения угловой скорости. Падающая характеристика регулятора показана на рисунке 4.6.
Эксперименты по исследованию и оптимизации контура скорости проводились в следующей последовательности:
1. Сравнительная оценка эффективности применения в контуре скорости пропорционального интегро-дифференцирующего регулятора и ПД-регулятора;
2. Оптимизация падающей характеристики пропорциональной части регулятора скорости при действии момента нагрузки;
3. Исследование частотных характеристик замкнутого контура скорости, для оптимизации параметров регулятора скорости и создания его упрощенной, линеаризованной модели необходимой для аналитического синтеза регулятора контура угла поворота.
На первом этапе исследовались две нелинейных модели контура скорости, одна с применением пропорционального интегро-дифференцирующего регулятора настроенного согласно аналитическим выражениям п.3.2.1 настоящей диссертации, вторая с применением ПД регулятора настроенная по методике, предложенной в работе [27]. Методика исследований заключается в следующем: на вход контуров подается скачкообразное воздействие «в большом», после завершения переходного процесса к нему добавляется скачкообразное или гармоническое воздействие «в малом». На выходе обеих моделей производится сравнительная оценка выходных сигналов известного и предлагаемого вариантов контуров скорости, соответственно. Исследования проводились при следующих параметрах задающих управляющих воздействий: fH= 50±5 Гц; 40±4 Гц; 20±2 Гц; 10±1 Гц; 5±0.5 Гц; 1±0.1 Гц; 0.1±0.01Гц; 0.1±0.01Гц; 0.005±0.0005 Гц. Также для частот fH= 50 Гц; 30 Гц; 10 Гц; 5 Гц; 0.1 Гц; 0.005 Гц проводилось исследование переходных процессов по возмущению, в двух вариантах: первый - скачкообразное возмущающее воздействие, второй - гармоническое воздействие значение частоты и амплитуды которого берется по результатам исследования п.2.6 настоящей диссертации (как наиболее тяжелый вариант принято М„=110 Н м, юм=100 Гц), причем учитывая его незначительность на частотах менее 10 Гц, исследования были проведены для частот fH= 50 Гц; 30 Гц; 10 Гц. Анализ проведенных исследований (рисунки 3.7) показал идентичное поведение контуров по отношению к управляющим и возмущающим воздействиям при использовании в контуре скорости регуляторов обоих типов. Также можно сделать вывод о том, что оптимально настроенный контур скорости на отработку скачкообразного возмущающего воздействия отрабатывает и гармоническое, поэтому дальнейшие исследования и настройку системы будем производить при скачкообразном возмущающем воздействии. В результате этого эксперимента установлено, что предварительно выбранные значения падающей характеристики пропорциональной части регулятора скорости обеспечивают диапазон регулирования Др=10000, при этом значение статической ошибки [71], при действии момента нагрузки не превышает 5% во всем диапазоне регулирования при сохранении быстродействия и монотонности переходного процесса по управлению. В результате был выполнен второй этап исследований.
