Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ особенностей функционирования и управления электроприводами кузнечно-штамповочных прессов 8
1.1 Анализ современного состояния кузнечно-штамповочного оборудования 8
1.2 Обзор методов расчета и выбора двигателя, а также применяемых систем управления в кузнечно-штамповочной промышленности 15
1.3 Основные возможности программы MatLab 7, используемые для формирования модели электропривода пресса 26
1.4 Устройство, принцип действия и основные технические требования однокривошипного пресса КЕ2536 32
1.5 Цели работы и задачи исследования 37
2 Моделирование и анализ компонентов электропривода однокривошипного пресса 38
2.1 Основные принципы моделирования момента инерции кривошипно-шатунного механизма 38
2.2 Моделирование статического момента прессования пресса 43
2.3 Формирование модели клиноременной передачи и фрикционной муфты пресса 46
2.4 Анализ методов, применяемых при формировании структурной схемы системы векторного управления 52
Выводы 58
3 Формирование системы регулирования электроприводом пресса на основе векторного управления 60
3.1 Структура задачи моделирования асинхронного электропривода однокривошипного пресса 60
3.2 Алгоритм функционирования модели механической части электропривода пресса 64
3.3 Алгоритм построения системы векторного управления 74
3.4 Оптимизация параметров системы векторного управления электропривода однокривошипного пресса 82
Выводы 87
4 Реализация модели асинхронного электропривода однокривошипного пресса и ее исследование при различных режимах работы 88
4.1 Структура программного комплекса моделирования и анализа электропривода пресса на основе инструментальной системы MatLab 88
4.2 Исследование модели электропривода пресса в режиме пуска и подключения исполнительного органа 91
4.3 Результаты исследований модели электропривода пресса в режиме прессования 102
4.4 Определение предельных перегрузок электропривода пресса и исследование модели при других мощностях двигателя 109
Выводы 117
Заключение 119
Список используемых источников 121
- Анализ современного состояния кузнечно-штамповочного оборудования
- Основные принципы моделирования момента инерции кривошипно-шатунного механизма
- Структура задачи моделирования асинхронного электропривода однокривошипного пресса
- Структура программного комплекса моделирования и анализа электропривода пресса на основе инструментальной системы MatLab
Введение к работе
Актуальность темы. Анализ методик расчета необходимой мощности электродвигателей однокривошипных прессов, предназначенных для горячей штамповки поковок в многоручьевых штампах с ручной или автоматизированной системой перекладки заготовок по операциям штамповки, показывает, что расчет ведется для нерегулируемых двигателей, исходя из необходимой работы, которую ползун (как исполнительный элемент) должен совершить за один рабочий цикл. Однако на сегодняшний день практически все прессы имеют регулируемый привод, который позволяет эффективно использовать двигатель в различных режимах работы пресса. В связи с этим, используемые методы расчета могут привести к тому, что двигатель будет выбран с завышенной мощностью. При этом масса маховика также становится завышенной, так как ее определение учитывает принятую мощность двигателя. Это приводит к тому, что маховик не полностью расходует запасенную кинетическую энергию вращения при прессовании.
Методологию расчета современных кузнечно-штамповочных машин с системой векторного управления и их анализ необходимо реализовывать с использованием современных систем моделирования. Они должны иметь программные компоненты, реализующие оптимизационные модели и алгоритмы, обеспечивающие векторное управление двигателем электропривода пресса при различных режимах работы.
Исходя из вышеизложенного, актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью разработки специальных средств моделирования асинхронного электропривода одно-кривошипного пресса с системой векторного управления, программного обеспечения решения задачи эффективного использования асинхронного двигателя в электроприводе пресса и исследований различных режимов работы пресса.
Диссертационная работа выполнена в рамках ГБ НИР 2004.01 "Моделирование процессов принятия оптимальных проектных решений при автоматизированной разработке технических устройств и систем" и соответствует одному из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета "Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы".
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка математических моделей, алгоритмов и программных средств моделирования асинхронного электропривода одно-кривошипного пресса с системой векторного управления, позволяющих решить задачу рационального выбора его двигателя.
Для достижения поставленной цели в работе определены следующие задачи исследования:
- провести обзор методов и средств моделирования режимов функционирования кривошипно-шатунных прессов;
- выполнить разработку математических моделей, позволяющих проводить исследования поведения пресса при различных режимах работы;
- осуществить разработку алгоритмов, позволяющих решить задачу эффективного использования электропривода пресса с системой векторного управления;
- разработать структуру комплекса программных средств, реализующих модели и алгоритмы выбора оптимального по мощности двигателя электропривода пресса с системой векторного управления;
- провести исследования модели электропривода пресса при основных режимах работы с учетом различных моментов нагрузки и мощностей двигателя.
Методы исследования. Полученные в работе результаты базируются на использовании основных положений теоретических основ электротехники, теории электропривода, методов математического моделирования, оптимизации, теории автоматического управления.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
- модель механической части электропривода пресса, отличающаяся возможностью учета жесткости клиноременной передачи, переменного момента инерции кривошипно-шатунного механизма, момента нагрузки;
- алгоритм функционирования модели асинхронного электропривода однокривошипного пресса, отличающийся возможностью реализации вычислительного эксперимента при моделировании основных режимов работы, позволяющего обеспечить выбор оптимального по мощности электродвигателя;
- структурная модель электропривода пресса с системой векторного управления, отличающаяся наличием компонентов механической части электропривода пресса и позволяющая проводить исследования при различных по мощности двигателях, определять оптимальные коэффициенты настройки системы управления;
- структура специализированного комплекса программных средств, отличающаяся интеграцией расчетных модулей с системой MatLab, и позволяющая моделировать различные режимы работы электропривода пресса с использованием предложенных моделей и алгоритмов;
- результаты исследования модели электропривода однокривошипного пресса, позволяющие оценить влияние переменного момента инерции кривошипа, различных по форме, амплитуде и времени действия моментов прессования, и которые позволяют сделать вывод о возможности использования двигателя с меньшей мощностью.
Практическая значимость заключается в разработке программных средств моделирования отдельных функциональных компонентов асинхронного электропривода однокривошипного пресса, что позволяет в рамках процедур анализа проводить структурное моделирование сложной электромеханической системы, а также исследовать динамические характеристики электродвигателя. Использование программного комплекса позволяет произвести выбор оптимального по мощности электродвигателя при конструировании или модернизации кузнечно-прессовых машин и качественно настроить систему векторного управления.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационных исследований внедрены на ОАО "Рудгормаш" при модернизации однокривошипного пресса и в учебном процессе ВГТУ для студентов специальности 140604 "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: на Международных конференциях "Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий" (Москва, 2005, 2006); на студенческой научно-технической конференции "Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники" (Воронеж, 2003); на IX Международной открытой научной конференции "Современные проблемы информатизации в технике и технологиях" (Воронеж, 2004); на Всероссийских конференциях "Интеллектуальные информационные системы" (Воронеж, 2004, 2005, 2006); на региональных научно-технических конференциях "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве" (Воронеж, 2002, 2003, 2004,2005, 2006).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 1 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [16]- определение жесткости ременной передачи, [14, 25] - модель механической части однокривошипного пресса, [13, 15, 17, 20, 23, 24, 26] - модели асинхронного электропривода пресса, [18, 19] - учет статического момента прессования в модели пресса, [21] - алгоритм проектирования электроприводов прессов с варьируемыми нагрузками.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 104 наименований: изложена на 120 страницах и содержит 62 рисунка, 5 таблиц, 5 приложений.
Анализ современного состояния кузнечно-штамповочного оборудования
Развитие машинной технологии ковки и штамповки, как и вообще технический прогресс в развитии производительных сил, обусловливалось материальными запросами общества.
XV—XVI вв. характеризовались бурным развитием мореплавания и, как следствие, кораблестроения. Поскольку возрастающий тоннаж кораблей потребовал тяжелых якорей и другой корабельной оснастки, проковывать железные крицы вручную стало невозможно, появились первые рычажные молоты. В качестве привода этих молотов использовалась энергия напора воды, поэтому их называли водяными молотами. Появление электродвигателя особенно способствовало прогрессу в развитии кривошипных прессов, к настоящему времени самой многочисленной группы кузнечно-штамповочного оборудования машиностроительных, электротехнических и многих других заводов. С развитием науки и техники, развивалось и прессостроение и как следствие новые технологии, в числе которых развивался и электропривод [6, 46,68].
В результате перестройки и реформ в России отрасль кузнечно-прессового машиностроения сказалась практически полностью разрушенной. Из 30 заводов-производителей кузнечно-прессового оборудования (КПО) бывшего Минстанкопрома СССР в России осталось 20, из которых пять-шесть заводов ценой больших усилий сохраняют полную работоспособность, но при этом они работаю в основном па экспорт.
Россия, которая еще десять лет назад входила в пятерку крупнейших стран-производителей металлообрабатывающего оборудования, в 1996г вышла на 23 место из числа 35 стран-производителей КПО оборудования. Произошло резкое сокращение численности специалистов, работающих в отрасли кузнечно-прессового машиностроения, с безвозвратной потерей высококвалифицированных кадров. Доля расходов на науку и образование в ВВП в России снизилась и составляет - 0,5 % в то время как в развитых странах этот показатель приближается к 3 % [48,50].
Однако Россия и сегодня располагает богатейшим научно-техническим, интеллектуальным культурным и духовным потенциалом в области кузнечной пауки, техники, производства и подготовки высококвалифицированных кадров.
Известно, что 50-95 % деталей, применяемых в космической, авиационной и военной технике, объектах энергетики и транспорта, в автомобилях, тракторах и сельскохозяйственной технике, приборах радио- и телевизионной, лазерной, оптической и другой техники, приборах бытового назначения, инструментах и др., являются объектами обработки материалов давлением, кузнечно-штамповочного производства всех отраслей промышленности [81, 97].
В общем парке горячештамповочного оборудования кривошипные го-рячештамповочные прессы (КГШП) силой менее 40 МН (называемые "легкими") значительно превышают по численности прессы силой 40 МН и более, которые принято именовать "тяжелыми". Базируясь на сведениях о производстве КГШП за последние 15 лет Воронежским ОАО Тяжмехпресс, являющимся одним из основных их поставщиков на мировом рынке, долю легких КГШП следует оценивать не ниже, чем в 80 % от общего количества КГШП, находящихся в эксплуатации. Столь широкое использование легких КГШП в кузнечной индустрии обусловлено главным образом тем, что на протяжении длительного времени в промышленно развитых странах около 70 % от общего объема штампованных поковок потребляется автомобильной промышленностью, в которой явно преобладает производство легковых автомобилей. В парке КГШП наиболее современных кузниц отечественных автозаводов полностью обеспечивают их поковками собственные потребности, легкие КГШП составляют 97-100 % при производстве легковых автомобилей (ВАЗ, Ижмаш) и более 60 % - при производстве грузовых (КамАЗ). Иными словами, на долю легких КГШП приходится более половины всей номенклатуры поковок, необходимой для грузовых автомобилей, и почти вся номенклатура поковок, необходимая для легковых автомобилей [59,102].
Современное автомобилестроение характеризуется рядом особенностей, которые оказывают существенное влияние на кузнечное производство. Это, прежде всего, устойчивая тенденция к увеличению числа одновременно производимых моделей автомобилей при соответствующем уменьшении серийности изготовления каждой из них, а также установившаяся практика поэтапной поставки поковок малыми партиями just-inime. Применительно к производителям поковок это означает дальнейшее увеличение номенклатуры поковок при одновременном и довольно значительном сокращении величины поставляемых партий. Этому же способствует и прогрессирующее внедрение поковок из легких (главным образом алюминиевых) сплавов в конструкциях массовых моделей автомобилей [67,72].
Конкретизируя концепцию технологической универсальности применительно к легким КГШП, прежде всего следует отметить, что эти машины, используемые в недавнем прошлом для горячей штамповки стальных поковок, в настоящее время применяются как для штамповки поковок из сталей (углеродистых, микро- и высоколегированных), так и для изготовления поковок из легких, преимущественно алюминиевых сплавов. Учитывая стремительное развитие автомобильной техники и длительность срока службы КГШП, целесообразно уже в настоящее время предусматривать возможность их применения для штамповки поковок из титановых и других высокопрочных сплавов. Это предопределяет необходимость оптимизации числа ходов ползуна с тем, чтобы его скорость в процессе деформирования не была бы, например, слишком низкой при штамповке поковок из стали и слишком высокой при штамповке поковок из алюминиевых сплавов [103].
Современные технологии горячей штамповки многих автомобильных поковок характеризуются многовариантностью процессов. Например, типичные для автомобилестроения поковки поворотных кулаков, имеющие сложную геометрическую форму (стержень и массивное утолщение в виде вилки с неравномерными отростками), могут штамповаться как поодиночке, так и спарено, как при рядном, так и при валетном расположении в гравюре штампа, как в обычном открытом штампе, так и с использованием штампа для выдавливания стержня. Выбор того или иного варианта процесса обусловливается главным образом производственными условиями изготовителя поковок, которые в процессе развития предприятия могут изменяться. Поэтому очевидно, что универсальный КГШП должен обеспечивать возможность реализации любого из вариантов за счет оптимизации параметров, характеризующих штамповое пространство пресса.
Практика промышленной эксплуатации специализированных горя-чештамповочных установок, ориентированных на изготовление узкой номенклатуры поковок, близких по форме и технологии штамповки, выявила целесообразность использования концепции технологической универсальности и для тех КГШП, на базе которых создаются такие установки, так как при этом снижаются затраты на изготовление за счет использования методов серийного производства (более высокого уровня технологической оснащенности), сокращения сроков поставки и исключения затрат на модернизацию главного штамповочного агрегата КГШП в случае перестройки установки на изготовление поковок иной номенклатуры. Это предопределяет необходимость изначальной приспособленности конструкции КГШП к возможному встраиванию различных видов средств автоматизации технологического процесса.
Основные принципы моделирования момента инерции кривошипно-шатунного механизма
Основным объектом системы Matlab является прямоугольный числовой массив, допускающий комплектные элементы и ввод матриц без явного указания их размеров. Система позволяет решать многие вычислительные задачи за значительно более короткое время, чем то, которое потребовалось бы для написания соответствующих программ на языках программирования BASIC, PASCAL или С.
Написанная на языке С система Matlab - это в полной мере интегрированная система, которая включает графику, программируемые макроопределения, реализацию стандарта ІЕЕЕ-арифметики, быстродействующий интерпретатор.
Система Matlab используется более чем в 70 ведущих институтах мира, в том числе, Стэнфордском, Калифорнийском, Кембриджском (Англия), Эйндховенском техническом университете (Нидерланды), университете Киото (Япония); Массачусетском, Калифорнийском, Хельсинкском технологических институтах; научно-исследовательских центрах - НАСА, а также в таких крупных промышленных компаниях, как Aerospace Corporation, Boeing Aerospace, General Dynamics Corporation, IBM Corporation, Lockheed, Siemens AG и др.
Операционная среда системы Matlab - это множество интерфейсов, которые поддерживают связь этой системы с внешним миром. Это диалог с пользователем через командную строку или графический интерфейс, просмотр рабочей области и путей доступа, редактор и отладчик М-файлов, работа с файлами и оболочкой DOS, экспорт и импорт данных, интерактивный доступ к справочной информации, динамическое взаимодействие с внешними системами Microsoft Word, Excel и др.
Базовые программные средства системы Matlab весьма обширные. Рассмотрим только основные, которые будут интересны для составления модели однокривошипного пресса. Simulink. Это интерактивная среда для моделирования и анализа широкого класса динамических систем. Разработка моделей средствами SIMULINK (в дальнейшем S-моделей) основана на использовании техноло 29 гии Drag-and-Drop (перетащи и оставь). В качестве "кирпичиков" для построения S-модели используются модули (или блоки), хранящиеся в библиотеке simulink. Обширная библиотека блоков позволяет быстро моделировать различные системы без написания специальных программ. Simulink хорош тем, что, с одной стороны, обеспечивает пользователю доступ ко всем основным возможностям пакета MatLab, а с другой - является достаточно самостоятельной его компонентой, в том смысле, что при работе с ним не обязательно иметь навыки в использовании других инструментов, входящих в состав пакета. Блоки, включаемые в создаваемую модель, могут быть связаны друг с другом, как по информации, так и по управлению. Тип связи зависит от типа блока и логики работы модели. Данные, которыми обмениваются блоки, могут быть скалярными величинами, векторами или матрицами произвольной размерности. Наряду с другими параметрами моделирования пользователь может задавать способ изменения модельного времени (с постоянным или переменным шагом), а также условия окончания моделирования. В ходе моделирования имеется возможность наблюдать за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные «смотровые окна», входящие в состав библиотеки Simulink. Интересующие пользователя характеристики системы могут быть представлены как в числовой, так и в графической форме. Еще одно важное достоинство Simulink заключается в том, что он является открытой системой: состав библиотеки может быть пополнен пользователем за счет разработки собственных блоков. Общий вид окна с перечнем разделов Simulink показан на рис. 1.3. В состав Simulink входят следующие основные разделы, которые понадобятся для моделирования пресса: - Continuous (Непрерывные элементы). Элементы предназначены в основном для извлечения производных от различных входных сигналов; - Discrete (Дискретные элементы). В этот раздел входят блоки, с помощью которых в модели может быть описано поведение дискретных систем. Различают два основных типа таких систем: системы с дискретным временем и системы с дискретными состояниями; - Math Operations (Математические операции). В данный раздел в основном входят элементы, которые производят математические операции с сигналами; - Signal Routing (Направление сигналов). Сюда входят в основном объединяющие и разъединяющие сигналы блоки и управляемый ключ; - Sinks (Получатели). Блоки, собранные в этом разделе, достаточно существенно различаются по функциональному предназначению. Условно их можно разделить на три вида: а) блоки, используемые при моделировании в качестве «смотровых окон; б) блоки, обеспечивающие сохранение промежуточных и/или выход ных результатов моделирования; в) блок управления моделированием - Stop Simulation, который позво ляет прервать моделирование при выполнении тех или иных условий. Блок Scope позволяет в процессе моделирования наблюдать динамику изменения интересующих исследователя характеристик системы. Создаваемое с его помощью «смотровое окно» напоминает экран измерительного прибора (осциллографа). Блок удобен тем, что на его вход может быль подано одновременно несколько сигналов в едином потоке, при этом блок автоматически выделяет разными цветами разные процессы; - Sources (Источники). Блоки, входящие в этот раздел, предназначены для формирования сигналов, обеспечивающих управление работой S-модели в целом или отдельных ее частей. Все блоки-источники имеют по одному выходу и не имеют входов. SimPowerSystems. Данный пакет представляет собой библиотеку элементов энергосистемы, ориентированную главным образом на создание моделей, максимально приближенных к реальным объектам. Здесь есть и готовые модели всех типов электродвигателей, и модели трансформаторов, и реальные линии электропередач, источники реальных электросетей, модели транзисторов, тиристоров, IGBT-модулей и т.д. Таким образом, здесь собраны практически все необходимые элементы, которые позволяют смоделировать реальную энергосистему. Главной проблемой при создании таких моделей может быть только незнание работы блоков и/или поведения реальной системы. Следует заметить, что при создании модели возможно совместное использование элементов библиотек SimPowerSystems и Simulinc. Это делает задачу моделирования еще более простой и удобной.
Структура задачи моделирования асинхронного электропривода однокривошипного пресса
Оптимизация в Simulink автоматически преобразовывает ограничения в проблему ограничений оптимизации и затем решает ее, используя методы оптимизации, взятые из Optimization Toolbox или Genetic Algorithm и Direct Search Toolbox. Ограниченная проблема оптимизации, сформулированная Simulink Response Optimization многократно проводит моделирование устройства Simulink, сравнивает результаты моделирований с целями ограничения и методами градиента, устанавливает настроенные параметры, чтобы лучше выполнить цели.
Два дополнительных блока CRMS и DRMS вычисляют непрерывные и дискретные совокупные среднеквадратичные значения сигналов. Simulink Response Optimization можно использовать при: - проектировании и оптимизации систем управления, настраивая коэффициенты усиления; - проектировании физических устройств, устанавливая параметры в устройстве; - непрерывном отслеживании сигнала или желаемого сигнала; - оптимизации ответов для устройств, которые включают физические пределы и ограничения значений режима/переменной; - уменьшении электропотребления в устройстве, минимизируя среднеквадратичный сигнал; - включении неопределенности параметров, чтобы принять во внимание неполные знания некоторых физических параметров модели. Перед любым процессом оптимизации вначале должны быть определены все параметры, которые требуют оптимизации. Для корректировки области ограничения используется мышь или есть альтернативный вариант, можно установить ограничения, выбрав Goals - Desired Response. Корректировка области ограничений для оптимизации исследуемого пресса представлена на рис. П2.1. Здесь устанавливаются границы скорости двигателя, чтобы перерегулирование не превышало 4,3 %. Время разгона пока особо не учитывается, так как значение этого времени заранее неизвестно. Далее следует определить оптимизируемые параметры. Для этого открывается Optimization Tuned Parameters Add [1, 60, 99]. В появившемся окне представлен список параметров, которые возможно подвергнуть оптимизации. Выбирая нужные параметры кнопкой "Add" (добавление) определяется перечень оптимизируемых параметров. Затем работа идет с диалоговым окном "Tuned parameters" (выбор параметров), где содержится список всех параметров модели, которые находятся в настоящее время в рабочем пространстве. В этом окне каждому параметру можно задать границы, в которых может меняться данный параметр. Если заранее эти ограничения известны, то это сокращает время счета, если же нет, то оптимизация может длиться гораздо дольше. Установить можно как нижнюю границу изменения параметра, так и верхнюю. После ввода ограничений и определения настроенных параметров, можно начинать оптимизацию. Для этого достаточно просто нажать на кнопку "Пуск" или Optimization Start, и процесс оптимизации запущен. Оптимизация отклика в Simulink автоматически преобразовывает ограничение, связывая данные и информацию о параметрах в проблему оптимизации с ограничениями. Результаты каждого повторения появляются в окне "Optimization Progress" (см. рис. П2.2). Число повторений, необходимых для сходящейся оптимизации будет зависеть от начального предположения для настроенных параметров, определенного расположения ограничений и назначений оптимизации. Новое значение настроенных параметров появляется в окне "Optimization Progress" и также изменяется в MATLAB рабочем пространстве. Из-за различной числовой точности, результаты оптимизации могут немного отличаться в зависимости от различных платформ персонального компьютера. В дополнение к ограничению сигнала границами ограничений, можно ограничить сигнал непосредственно. Чтобы сделать это, выберается Goals Desired Response Reference signake. Это тоже дает некоторые плюсы при оптимизации. Чтобы гарантировать, что новая функция удовлетворит заданной точности, перед последующей оптимизацией нужно изменить относительную ошибку функции на 0.01 в окне Optimization Options. Блок "Signal Constraint" позволяет оптимизировать с неопределенностями. Если есть номинальная установка и некоторая неопределенность для определенного параметра, то блок позволяет работать и с такими величинами. В окне установки параметров просто записывается эта неопределенность и программа сама просчитывает все варианты. Оптимизация отклика Simulink позволяет оптимизировать с неопределенностью, определяя неопределенность в значениях параметра. Simulink Response Optimization составляет график сомнительных ответов как разбитые линии. Это позволяет сделать предварительные выводы о ходе процесса оптимизации, определиться с теми или иными границами. Чтобы заставить оптимизацию сходиться, нужно попробовать различные начальные предположения, немного ослабить ограничения или изменить сомнительные значения параметров. В этом примере сомнительный ответ сильно нарушает ограничения, так что результат может быть приемлем для требований проекта. Проект оптимизации можно сохранить и использовать при последующем моделировании. При этом проект оптимизации отклика включает в себя ограничения (от всех Signal Constraint в модели), настроенных параметрах, сомнительных параметрах и назначениях оптимизации и моделирования. Чтобы сохранить этот проект, выбирается File Save в Signal Constraint. Используя группу Optimization Options, можно определить окончание оптимизации. В этом окне задаются условия оптимизации: максимальный и минимальный шаг, метод счета, число итераций, величина ошибки и т.д. Окно параметров оптимизации приведено на рис 3.25 [1]. Изменяя параметры можно вынудить оптимизацию продолжать искать решение или продолжать искать более точное решение. Некоторые параметры имеют следующие настройки: - Parameter tolerance (допуск параметра): при использовании алгоритма симплексного поиска, оптимизация закончится, когда изменение последовательности параметра меньше этого числа; - Constraint tolerance (допуск ограничения): это число представляет максимальную относительную величину ограничения все еще позволяющие успешную сходимость; - Function tolerance (допуск функции): оптимизация закончится, когда последовательные значения функции - меньше этого значения. Изменение заданного по умолчанию значения допуска функции полезно, когда отслеживается сигнал или используется симплексный алгоритм поиска;
Структура программного комплекса моделирования и анализа электропривода пресса на основе инструментальной системы MatLab
Чтобы оценить возможности ЭП пресса по преодолению тех или иных нагрузок и выявить условия работы, когда применение векторного управления оправдывало бы себя, модель пресса, представленная на рис. 4.18, подвергалась ряду исследований.
Вначале проводились исследования по выявлению максимально допустимой амплитуды статического момента, который может преодолеть ЭП пресса.
За статический момент выбран ступенчатый, как наиболее близкий к реальному. Время действия момента соответствует 20 градусам поворота кривошипа (или -0,1 с). Амплитуда момента подбиралась. Модель нерегулируемого привода пресса питалась пониженным напряжением, равным 342 В, чтобы были учтены возможные внешние условия по линии питания двигателя пресса. По результатам исследований модели регулируемого ЭП было выявлено, что при значении амплитуды ступенчатого момента прессования, равного 16500 Нм, электродвигатель начинает уже не успевать развить рабочую скорость до начала следующего прессования. Для нерегулируемого привода при напряжении сети 342 В было установлено, что при значении статического момента 10400 Нм двигатель теряет технологический цикл работы. Проведенные исследования показывают, что нерегулируемый ЭП, питаемый номинальным напряжением, способен преодолеть почти вдвое большую нагрузку, по сравнению с экспериментально снятой зависимостью, а привод, с системой векторного управления - преодолевает втрое большую нагрузку. В реальных условиях такого невозможно по следующим причинам: - детали пресса (прежде всего ползун, шатун, кривошип) разрушатся не выдержав нагрузки. Чтобы этого не произошло, пришлось бы увеличивать размеры узлов пресса, а это приведет к общему увеличению массы пресса и, следовательно, нагрузка на ЭП автоматически возрастет и он уже не будет работать» как получилось в нашем случае; - даже если детали пресса выдержат нагрузки прикладываемых усилий, применяемые муфта, тормоз, ременная передача не будут выполнять своих функций. Ремни могут проскальзывать ввиду большой нагрузки, муфта может проскальзывать при прессовании, а значит, вместо заложенных 36 ходов будет выходить меньше, тормоз может не вовремя затормозить разогнанные детали при аварийном режиме и пресс может выйти из строя. Учитывая выше изложенное можно сделать вывод, что использовать пресс, повысив на нем усилие ползуна, нельзя. Если нельзя увеличить величину момента на ползуне, то логичным было бы рассмотреть случай, когда время прессования было бы больше, чем имеющиеся, но при этом сохранялись бы заложенные 36 ходов в минуту. Исследования проводились с целью определения максимально возможного увеличения действия момента прессования, при котором электродвигатель пресса успевает разогнаться до рабочей скорости. В результате исследований было получено, что для главного ЭП пресса с системой векторного управления при увеличении времени прессования с 0,09 с (это время заложено в паспортных данных и соответствует одному прессованию) до времени, равного 0,175 с (или 38 поворота кривошипа) двигатель еще успевает разогнаться до рабочей скорости. При дальнейшем увеличении идет запоздание в разгоне электродвигателя, что недопустимо. При исследованиях модели пресса с нерегулируемым приводом и при питании с пониженным напряжением допустимое время прессования гораздо ниже и составляет 0,11 с, что соответствует 24 поворота кривошипа. По сравнению с ЭП с векторным управлением эффективность использования пресса падает в этом случае на 52 %. Даже исследования модели пресса, проведенные для нерегулируемого привода, но при питании от номинального напряжения сети (380 В), показывают, что допустимое время прессования в этом случае возрастает до 0,14 с (или 30,5 поворота кривошипа). Однако эффек 112 тивность использования пресса в этом случае ниже на 36 %, по сравнению с управляемым приводом. В итоге получили, что нерегулируемый электропривод при питании от сети с пониженным напряжением при незначительном увеличении времени действия статического момента будет работать с нарушением технологического цикла, что недопустимо. ЭП с векторным управлением позволяет повысить этот предел в 1,6 раз без нарушения тех. процесса. Где такой результат можно использовать? Увеличение времени прессования прессом дает возможность к получению более широкого диапазона продукции, чем была. Например, если пресс был ориентирован на производство автомобильных дверей, то незначительное увеличение времени прессования может дать возможность тем же прессом изготавливать автомобильные крыши, которые отличаются от дверей большей кривизной, размерами и т.д. То есть один и тот же пресс уже может изготавливать больше продукции, следовательно, это позволяет повысить автоматизацию производства, избежать простоя производства, уменьшить энергопотребление и.т.д.
Из выше сказанного следует, что применение системы векторного управления для регулирования двигателем позволяет получить результаты, которые далеко выходят за границы, определенные для исследуемого пресса. Это говорит о том, что применяемый регулируемый двигатель оказывается недогруженным, а значит, его нецелесообразно применять. В связи с этим, логичным является замена двигателя на меньшую мощность.
В модельном ряду двигателей серии 4А, на мощность, меньше 45 кВт подходят двигатели 4A250S8Y3 мощностью 37 кВт и 4А225М8УЗ мощностью 30 кВт. Паспортные данные двигателей приведены в [4,28,84,85].
Для оценки работы новых двигателей были заново просчитаны все коэффициенты системы векторного управления и занесены в структурную схему (см. рис. П3.1).
