Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ типового сновального оборудования и требований к электроприводу механизмов формирования сновальных валов 10
1.1. Анализ технологического процесса партионного снования 10
1.2. Анализ механизмов сновальной машины и их взаимодействия в процессе намотки 12
1.3. Влияние линейной скорости на процесс формирования сновальных валов 21
1.4. Влияние натяжения нитей на процесс формирования сновальных валов 23
1.5. Анализ устройств и способов измерения параметров формируемых сновальных валов 27
1.6. Формирование требований к проектируемой системе электропривода механизмов сновальной машины 31
1.7. Выводы 32
Глава 2. Исследование системы электропривода механизмов формирования сновальных валов 34
2.1. Анализ электроприводов постоянного и переменного тока механизма сновального вала 34
2.2. Влияние измерителя линейной скорости на характеристики электропривода механизма сновального вала 41
2.3. Влияние вариаций параметров намотки на динамические характеристики электропривода механизма сновального вала 48
2.4. Влияние уплотняющего вала на нагрузку электропривода механизма сновального вала 58
2.5. Исследование процессов деформации основы и нити в зонах перематывания в условиях действия на процесс намотки параметрических возмущений 63
2.6. Анализ математических моделей процесса формирования сновальных валов 75
2.7. Анализ устройств управления процессом намотки и электроприводом механизма уплотняющего вала 80
2.8. Выводы 90
Глава 3. Исследование энергетики асинхронного электропривода механизма сновального вала 92
3.1. Анализ способов оптимального управления асинхронными электроприводами 92
3.2. Разработка оптимального по критерию минимума потерь мощности алгоритма управления асинхронным электроприводом механизма сновального вала 101
3.3. Построение математической модели и исследование динамических характеристик асинхронного электропривода механизма сновального вала с энергосберегающим алгоритмом управления ПО
3.4. Выводы 118
Глава 4. Разработка системы управления процессом формирования сновальных валов 120
4.1. Разработка функциональной схемы координированного управления электроприводами механизмов сновального и уплотняющего валов 120
4.2. Построение алгоритма управления процессом формирования сновальных валов 126
4.3. Разработка программного обеспечения системы управления процессом намотки и электроприводами механизмов сновальной машины 130
4.4. Построение математической модели системы координированного управления асинхронными электроприводами механизмов сновальной машины 136
4.5. Выводы 148
Заключение 149
Литература
- Анализ механизмов сновальной машины и их взаимодействия в процессе намотки
- Исследование процессов деформации основы и нити в зонах перематывания в условиях действия на процесс намотки параметрических возмущений
- Разработка оптимального по критерию минимума потерь мощности алгоритма управления асинхронным электроприводом механизма сновального вала
- Разработка программного обеспечения системы управления процессом намотки и электроприводами механизмов сновальной машины
Введение к работе
Актуальность темы. Партионный способ снования, как наиболее производительный, играет важную роль в подготовке основных нитей к ткачеству, во многом определяя эффективность последующих технологических операций. При этом важнейшей задачей процесса снования является формирование сновальных валов с заданными параметрами намотки, к которым относятся длина наматываемой основы, текущий и конечный радиусы намотки, а также ее плотность, позволяющими исключить угары пряжи в процессе шлихтования.
В основе технологии формирования сновальных валов традиционно используется операция перемотки нитей основы с бобин шпулярника с помощью регулируемого электропривода постоянного тока, обеспечивающего стабилизацию линейной скорости снования. Отсутствие возможности регулирования натяжения каждой нити в процессе работы в условиях действия на них сил трения, зависящих от скорости, затрудняет использовать натяжение нитей для управления плотностью намотки. Традиционно эту роль выполняет уплотняющий вал, усредняющий для всех нитей радиус намотки и обеспечивающий уменьшение ее бугристости.
Существенным недостатком используемых систем формирования сновальных валов является малая надежность и низкие эксплуатационные характеристики электропривода постоянного тока, а также невозможность формирования качественной намотки в условиях действия на нее нерегулируемого давления уплотняющего вала.
Значительная часть указанных недостатков может быть устранена совершенствованием электропривода механизмов формирования сновальных валов. Так альтернативой электроприводу постоянного тока механизма сновального вала может быть частотно-регулируемый асинхронный электропривод, позволяющий решить не только задачу энергетической оптимизации параметров электропривода, но и существенно улучшить его статические и динамические характеристики. При этом управление плотностью намотки возможно на базе регулируемого асинхронного электропривода механизма уплотняющего вала, координированного своим движением с электроприводом механизма сновального вала.
Решение указанных задач обусловливает необходимость разработки математической модели процесса наматывания сновальных валов, алгоритмов и устройств управления электроприводами механизмов сновального и уплотняющего валов, оценки действия на систему электропривода сновальной машины возмущающих факторов.
Таким образом задача совершенствования электропривода механизмов сновальной машины, представляющая значительный научный и практический интерес, является актуальной.
Цель диссертации заключается в разработке и исследовании асинхронного электропривода механизмов формирования сновальных валов.
Задачи, решаемые в диссертации:
1. Анализ механизмов сновального и уплотняющего валов, их взаимодействия в
процессе намотки и требований к системе электропривода.
2. Исследование взаимного влияния деформаций нити и основы в процессе
намотки.
3. Разработка математической модели процесса формирования сновального вала.
-
Разработка энергосберегающего алгоритма управления асинхронным электроприводом механизма сновального вала.
-
Анализ влияния уплотняющего вала на процесс намотки основы и электропривод механизма сновального вала.
-
Разработка алгоритма и устройств координированного управления электроприводами механизмов сновального и уплотняющего валов.
Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертации использован аппарат передаточных функций и структурных схем, основные положения теории электромеханического преобразования энергии, методы координатных преобразований, дифференциального и интегрального исчислений, математическое моделирование электромеханических систем. Экспериментальные исследования системы асинхронного электропривода выполнены на партионной сновальной машине типа СП-140, установленной на предприятии ООО “Каминский текстиль”.
Научная новизна работы представлена:
-
Математической моделью системы электропривода механизма сновального вала с учетом упругопластической деформации основы в зоне перемотки.
-
Математической моделью взаимодействия процессов деформации основы и нити в зоне перемотки.
-
Моделями чувствительности электропривода механизма сновального вала к вариациям параметров основы и намотки.
-
Алгоритмом координированного управления электроприводами механизмов сновального и уплотняющего валов.
-
Математической моделью энергосберегающего алгоритма управления асинхронным электроприводом механизма сновального вала.
Практическую значимость имеют: 1. Разработанные устройства и алгоритм координированного управления асинхронными электроприводами механизмов сновального и уплотняющего валов.
2. Разработанная математическая модель координированного управления асинхронными электроприводами механизмов сновальной машины, реализующая энергосберегающий алгоритм векторного управления.
Результаты диссертации могут быть использованы при проектировании и внедрении систем асинхронных электроприводов механизмов сновального и уплотняющего валов, позволяющих наматывать сновальные паковки с одинаковыми технологическими характеристиками намотки. Разработанные методики расчета и математические модели используются в учебном процессе кафедры ЭП и АПУ студентами направления 140400 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» при выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ.
Положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель взаимного влияния процессов деформации основы и нити в зонах перематывания в системе асинхронного электропривода механизма сновального вала.
-
Математическая модель асинхронного электропривода механизма сновального вала с энергосберегающим алгоритмом управления.
-
Математическая модель координированных в процессе намотки асинхронных электроприводов механизмов сновального и уплотняющего валов.
-
Результаты исследований, полученные на основе построенных математических моделей.
Соответствие диссертации паспорту специальности
Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы:
в части формулы специальности – «… исследования по общим закономерностям преобразования, … и использования электрической энергии, а также принципы и средства управления объектами, определяющие функциональные свойства действующих или создаваемых электротехнических комплексов и систем промышленного, … назначения. В рамках научной специальности объектами изучения являются … электропривода, … могут рассматриваться как самостоятельные технологические комплексы и должны обеспечивать эффективное и безопасное функционирование …»;
в части области исследования – п. 1: «… изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем»; п. 3: «Разработка … электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления»; п. 4: «Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях».
Достоверность полученных результатов работы определяется корректностью и обоснованностью принятых решений, адекватностью разработанных математических моделей исследуемых процессов, использованием современных информационно-технических средств для решения основных задач диссертации.
Личное участие автора
Автором разработана математическая модель системы асинхронного электропривода механизма сновального вала с учетом упругопластической деформации основы в зоне перемотки, а также модель взаимного влияния процессов деформации основы и нити. Получены частотные модели чувствительности электропривода механизма сновального вала к вариациям параметров основы и намотки. На базе разработанной математической модели системы асинхронного электропривода механизма сновального вала с векторным управлением координат разработан энергосберегающий алгоритм координированного управления асинхронными электроприводами механизмов сновального и уплотняющего валов, а также программное обеспечение для контроллера DVP-SA2 и панели оператора DOP-B на базе программ Delta WPLSoft и Delta DOPSoft.
Реализация результатов работы. Система автоматизированного электропривода механизма формирования сновальных валов, построенная на базе асинхронного электродвигателя серии 5А с короткозамкнутым ротором и преобразователя частоты серии ЭПВ, разработанного НТЦ “Вектор” ИГЭУ и выпускаемого ООО “ЭЛПРИ” Чебоксарского электроаппаратного завода, внедрена на текстильном предприятии ООО “Каминский текстиль” (Каминский поселок, Родниковский р-н, Ивановская обл.) и установлена на партионной сновальной машине СП-140.
Апробация работы. Основные положения работы и её результаты докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции “Бенардо-совские чтения” (XVI, 2011, ИГЭУ, Иваново); на XV, XVIII ежегодных международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (2009, 2012, МЭИ, Москва); на межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов – “ПОИСК 2011” (2011, ИГТА, Иваново); на международной научно-технической конференции “Проблемы автоматизации и управления в технических системах” (2011, ПГУ, Пенза); на седьмой международной (восемнадцатой всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012 (2012, ИГЭУ, Иваново); на всероссийском конкурсе для победителей отборочного тура среди научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по различным междисциплинарным направлениям (2011, ЮРГТУ (НПИ), Новочеркасск), на VIII международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “Энергия-2013” (2013, ИГЭУ, Иваново).
Публикации. По теме диссертации опубликовано шестнадцать печатных работ, из которых четыре научные статьи в журналах, рекомендованных ВАК, три статьи в других изданиях, семь тезисов докладов на научно-технических конференциях, получено два патента Российской Федерации на изобретения.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 162 страницы основного текста, включающего 51 рисунок, 2 таблицы, перечень литературы из 115 наименований и 10 приложений на 41 страницах, включающих 18 рисунков и 14 таблиц.
Анализ механизмов сновальной машины и их взаимодействия в процессе намотки
Механизм съема наработанного сновального вала и подачи к пинолям пустого вала приводится в действие от реверсивного электродвигателя М3 с помощью червячной пары Z2=24 и однозаходного червяка Z4=83, который поворачивает зубчатый сектор, закрепленный на валу 15, на котором установлены два кронштейна 1 и 16, несущие сновальный вал 3. Подъем сновального вала производится до тех пор, пока центр его муфты не совпадет с центрами пинолей 2 и 14. Электродвигатель М3 включается одной из двух кнопок в зависимости от необходимости поднять или опустить сновальный вал.
Для обеспечения быстрого останова сновального вала и стабилизации его тормозного пути [9,10] сновальная машина оснащается гидравлической дисковой тормозной системой, позволяющей не только эффективно осуществить торможение сновального вала независимо от его радиуса и момента инерции, но и повысить надежность работы механических узлов сновальной машины. Функциональная схема дисковой тормозной системы сновального вала приведена на рис. 1.5.
Здесь сновальный вал 1 соединен муфтами 2 с валом 3 тормозного устройства, на котором жестко укреплен тормозной диск 4, а суппорт 5 для установки тормозных колодок 6 и тормозных цилиндров 7 закреплен на станине сновальной машины. Колодки 6 поджимаются к тормозному диску 4 цилиндрами 7 при изменении давления тормозной жидкости 8, с помощью которого в гидравлической системе в момент торможения через главный цилиндр гидропривода можно управлять моментом торможения и выбегом сновального вала при останове сновальной машины.
Механизм уплотняющего вала предназначен для регулирования плотности намотки сновального вала и обеспечения его правильной цилиндрической формы по всей ширине фланцев за счет управляемого изменения давления в зоне контакта сновального и уплотняющего валов [11,16]. Многие авторы, к числу которых в первую очередь следует отнести В.Л. Маховера [11,12], И.И. Вайнера [13,14], Ю.К. и А.Ю. Кутьиных [5,15], уделяют значительное внимание влиянию на плотность намотки механизма уплотняющего вала. Первые устройства управления процессом формирования сновальных валов имели малую точность, обусловленную отсутствием датчика действительного радиуса сновального вала, и отличались лишь конструктивной привязкой уплотняющего вала к электродвигателю [17,18]. Впоследствии эти устройства были усовершенствованы за счет включения в их конструкцию дополнительного датчика действительного радиуса намотки [19]. Принцип работы такого устройства заключался в том, что отвод уплотняющего вала от намотки выполнялся в функции рассогласования теоретического радиуса намотки, вычисляемого по заданной математической модели, и действительного радиуса намотки, рассчитываемого через заданное количество оборотов сновального вала. К недостаткам этих устройств относили низкое быстродействие и наличие в системе автоматизированного электропривода шагового электродвигателя, кинематически связанного с рейкой, движение которой передавалось через червячно-цилиндрический редуктор. Здесь для вычисления необходимого угла поворота вала шагового электродвигателя на его вход подавалась последовательность импульсов, которая формировалась на основе параллельного кода, выдаваемого системой управления.
Процесс совершенствования электропривода механизма уплотняющего вала касался в основном его конструктивных особенностей, при этом концепция и алгоритмы управления оставались неизменными. В одном из таких устройств рейку, связывающую уплотняющий вал с редуктором, заменили цепной передачей, а шаговый электродвигатель комплектным асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором и энкодером, жестко закрепленным на его валу [20]. Время включения асинхронного электродвигателя, осуществляющего отвод уплотняющего вала от намотки, рассчитывалось в вычислительном блоке через каждые восемь оборотов сновального вала на основе рассогласования между теоретическим и действительным радиусами намотки с учетом заданной линейной скорости отвода уплотняющего вала. В другом устройстве управления процессом формирования сновальных валов для механизма уплотняющего вала использовалась фрикционная муфта, управляемая с помощью программируемого контроллера через усилитель мощности, что в отличие от предыдущего устройства позволило повысить точность регулирования отвода уплотняющего вала [21]. Устройство работало таким образом, что при регулировании давления в зоне контакта сновального и уплотняющего валов на муфту через масштабирующий усилитель и усилитель мощности с выхода цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) подавалось требуемое напряжение, величина которого зависела от двоичного кода, формируемого в контроллере. При максимальном напряжении муфта блокировала механизм уплотняющего вала, а при некотором минимальном напряжении, соответствующем двоичному коду 000001, обеспечивала минимальное давление в зоне контакта сновального и уплотняющего валов. Здесь отвод уплотняющего вала также осуществлялся в функции текущего радиуса сновального вала, причем в каждом цикле расчета через восемь оборотов сновального вала в зависимости от величины рассогласования между теоретическим и действительным радиусами намотки к двоичному коду на входе ПАП либо прибавлялась единица, либо вычиталась.
Совершенствование устройств управления процессом намотки и электроприводом механизма уплотняющего вала позволило повысить точность параметров намотки формируемых сновальных валов. Однако эти устройства, построенные в функции рассогласования теоретического и фактического радиусов намотки, имели и ряд характерных недостатков, связанных в первую очередь с отсутствием какой-либо оценки объемной плотности намотки формируемых сновальных валов, что приводило к появлению угаров при их разматывании на шлихтовальной машине. Другой недостаток рассмотренных устройств управления заключался в отсутствии контроля нагрузки в зоне контакта сновального и уплотняющего валов на электропривод механизма сновального вала, что способно вызывать перегрев электродвигателя в процессе намотки. При этом важно, чтобы в процессе формирования сновальных валов управление электроприводом механизма уплотняющего вала осуществлялось как в функции радиуса намотки, так и в функции ее плотности под контролем нагрузки, возникающей в зоне контактирующих поверхностей намотки и уплотняющего вала.
Исследование процессов деформации основы и нити в зонах перематывания в условиях действия на процесс намотки параметрических возмущений
Возможность замены передаточной функции (2.21) редуцированной передаточной функцией третьего порядка (2.22) покажем, рассчитав и построив амплитудно-частотные характеристики электропривода механизма сновального вала в среде MATHCAD (рис. 2.12). Распечатка MATHCAD-листинга, где рассчитываются коэффициенты полиномов числителя и знаменателя передаточных функций (2.21), (2.22), приведена в Приложении 2.3.
На основе полученных амплитудно-частотных характеристик определены частоты пропускания, соответствующие редуцированной и исходной передаточным функциям, оо = 9,62 рад / с, ооп =9,65 рад/с, резонансные Амплитудно-частотные характеристики W3 (s), w\3 {s) замкнутой системы асинхронного электропривода сновального вала Анализ амплитудно-частотных характеристик исходной W3 (s) и редуцированной W3[3](s) передаточных функций показывает их достаточно близкое совпадение в области полосы пропускания. Поэтому для исследования чувствительности электропривода к вариациям параметров намотки допустимо использовать редуцированную передаточную функцию третьего порядка.
На основе выражения (2.19) получим функцию чувствительности электропривода к вариации момента инерции сновального вала:
Амплитудно-частотные характеристики функций чувствительности электропривода к вариациям рассматриваемых параметров в начале (рис. 2.13) и в конце намотки сновального вала (рис. 2.14) построены на основе данных, приведенных в Приложении 2.1.
Частотные характеристики функций чувствительности, приведенных на рис. 2.13, 2.14, наглядно показывают влияние вариаций параметров намотки на статические и динамические характеристики системы электропривода механизма сновального вала. Так наибольшее влияние на статические характеристики электропривода оказывают вариации коэффициента обратной связи по линейной скорости, который зависит от упруговязкого скольжения основы относительно поверхности мерильного вала и коэффициента передачи тахогенератора. Вариации других параметров намотки на статические характеристики электропривода существенного влияния не оказывают. IS{jo))l
Амплитудно-частотные характеристики функций чувствительности электропривода в конце процесса намотки На динамические характеристики влияют вариации практически всех параметров в начале намотки, за исключением момента инерции сновального вала. При этом функции чувствительности достигают наибольших значений на резонансной частоте, лежащей в пределах полосы пропускания (ю 10 рад/с). Также необходимо отметить, что в процессе формирования сновальных валов желательно обеспечивать постоянство коэффициента обратной связи по линейной скорости, так как в пределах полосы пропускания его вариации наиболее заметно влияют на рабочие параметры и характеристики электропривода.
В процессе формирования сновальных валов в зоне взаимодействия уплотняющего вала и намотки возникают нормальные и касательные напряжения (рис. 2.15). При этом намотка, расположенная под зоной контакта находится в объемном напряженном состоянии, так как сжатие в направлениях по касательной и нормали к площади контакта вызывает расширение объема намотки в направлениях, параллельных и перпендикулярных этой площади. Распределение этих напряжений вдоль дуги контакта по определенному закону определяется деформационными свойствами контактирующих поверхностей сновального и уплотняющего валов [109].
Распределение нормальных и касательных напряжений в зоне контакта сновального и уплотняющего валов Здесь n(y), t(y) - распределения нормальной и касательной составляющих напряжения по дуге контактирующих поверхностей намотки и уплотняющего вала; N - усилие реакции намотки на силовое давление уплотняющего вала; а - угол между нормалью и границами дуги контакта. В состоянии покоя на элементарную площадку контакта уплотняющего вала и намотки действует нормальная сила, определяемая давлением, создаваемым уплотняющим валом: При однородном и изотропном материале контактирующих поверхностей сновального и уплотняющего валов и больших их размерах по сравнению с величиной площадки контакта в соответствии с законом Герца напряжения распределяются по эллиптическому закону, при этом максимальная величина нормального напряжения составляет [ПО]: 2Р Птах= — (2-35) 7iLypya В общем случае распределение нормальных напряжений в зависимости от угла у в пределах дуги контактирующих поверхностей уплотняющего вала и намотки не подчиняется эллиптическому закону, поэтому на практике используются параболический, гармонический или показательный законы распределения напряжений [111,112], причем для полной нагрузки они выражаются однотипными формулами, отличающимися лишь численными коэффициентами. При вращении сновального вала и отсутствии сопротивления на оси уплотняющего вала нормальные и касательные напряжения в зоне контакта распределяются по гармоническому закону (рис. 2.16).
На рис. 2.16: b - полуширина дуги контакта уплотняющего вала и намотки; а - глубина проникновения уплотняющего вала в намотку; ТІ5 Т2 касательные усилия в крайних точках дуги контакта уплотняющего вала и намотки.
Разработка оптимального по критерию минимума потерь мощности алгоритма управления асинхронным электроприводом механизма сновального вала
Системы управления асинхронными электроприводами, построенные на основе законов частотного управления скалярными электромагнитными переменными, получили наибольшее распространение на практике. В них оптимальные законы регулирования строятся на базе одного из статических законов частотного регулирования [68,69,70,102], на основе которого при известной механической характеристике нагрузки электропривода и статической модели асинхронного электродвигателя выполняется расчет зависимости напряжения от частоты. В зависимости от выбранного критерия технической оптимальности электропривода различают следующие законы частотного управления:
Если за критерий выбора статического закона принять жесткость механической характеристики или предельную перегрузочную способность электродвигателя, что актуально в рамках широких вариаций момента нагрузки от действия уплотняющего вала на электропривод механизма сновального вала, тогда наилучшими оказываются законы стабилизации потокосцепления ротора или потокосцепления цепи намагничивания. Реализация этих законов частотного управления электроприводом основана на формировании оптимальных электромагнитных переменных за счет регулирования моментообразующей составляющей вектора тока статора в контуре угловой скорости или момента электродвигателя при стабилизации заданных величин (потокосцепление цепи намагничивания или потокосцепление ротора) в контуре управления магнитным состоянием электродвигателя. Главный недостаток рассмотренных законов частотного управления заключается в их энергетической неэффективности при работе электропривода в области малых нагрузок.
Наиболее перспективными среди законов частотного регулирования являются закон минимизации тока статора, обеспечивающий не только максимальную перегрузочную способность электродвигателя, но и наименьшую мощность потерь в активных сопротивлениях статорной обмотки и преобразователе частоты, а также закон минимизации суммарных потерь. Широкие возможности по реализации этих законов обеспечивает принцип взаимной ориентации переменных, который позволяет осуществлять раздельное регулирование электромагнитного момента и одной из переменных, характеризующих степень возбуждения асинхронного электродвигателя (потокосцепление ротора или потокосцепление цепи намагничивания).
Необходимо отметить, что законы частотного регулирования основаны на управлении асинхронным электроприводом по средним значениям переменных, поэтому реализация законов минимизации тока статора или потерь мощности, требующая изменения магнитного состояния электродвигателя, обусловливает неприемлемо низкие динамические показатели электропривода, препятствуя широкому применению на практике. Тогда наиболее перспективным оказывается принцип векторного управления асинхронным электроприводом [68,99,103-106] по мгновенным значениям электромагнитных переменных, позволяющий рассматривать асинхронный электродвигатель как двухканальный объект в ортогональной синхронной системе координат d,q, ориентированной по вектору потокосцепления ротора. Такая ориентация векторов переменных позволяет реализовать предельно допустимое быстродействие электропривода и независимое регулирование активной и реактивной составляющих вектора тока статора. Здесь рассмотрим вопросы оптимизации установившихся режимов работы асинхронного электропривода с векторной системой управления по критериям минимума тока статора и минимума суммарных потерь.
При синтезе оптимальных алгоритмов в соответствии с принципом векторного управления в первой зоне регулирования критерии оптимальности сводятся к формальным зависимостям координат электродвигателя от момента:
Величина электромагнитного момента зависит от значения активной составляющей тока и магнитного состояния электродвигателя, поэтому синтез экстремальных алгоритмов управления необходимо проводить с учетом насыщения цепи намагничивания. При этом способ аналитической аппроксимации кривой намагничивания оказывает существенное влияние на вид зависимостей (3.1). Для учета эффекта насыщения может использоваться либо метод статических индуктивностей, либо метод динамических индуктивностей, причем последний наиболее сложный. Для синтеза систем управления электроприводом обычно используется более простой метод статических индуктивностей, дающий, тем не менее, достаточно высокую точность в описании электромагнитных процессов в асинхронном электродвигателе. В этом методе нелинейность цепи намагничивания учитывается статической зависимостью между потоко сцеплением и током намагничивания, задаваемой таблично или с помощью аналитической аппроксимации:
Если под Lm понимать главную индуктивность ненасыщенной машины, а индуктивность насыщенной машины обозначить через Lm(lm), тогда связь между этими индуктивностями можно определить с помощью выражения: - mV-m/= m где X - нелинейный коэффициент, значение которого может быть определено по известной характеристике Lm(lm) = - - с учетом того, что в ненасыщенной части характеристики выполняется равенство Lm(lm) = Lm.
При работе асинхронного электропривода критерий минимума тока статора при фиксированном значении электромагнитного момента соответствует максимуму момента при фиксированном токе. С учетом этого можно записать необходимые условия экстремума при оптимизации тока статора и потерь мощности [99]: tY), (3.3) Э(Ау) Получим функциональные зависимости потокосцепления ротора и активной составляющей тока статора асинхронного электродвигателя от электромагнитного момента для каждого из критериев оптимальности при кусочно-линейной аппроксимации кривой намагничивания и представлении ее в виде степенного ряда.
При кусочно-линейной аппроксимации [107,108] вне области насыщения выражение для установившегося значения электромагнитного момента, развиваемого электродвигателем, примет вид [99]
Разработка программного обеспечения системы управления процессом намотки и электроприводами механизмов сновальной машины
Рассмотрим функции основных узлов системы управления процессом намотки и их совместную работу. Процесс намотки здесь контролируется сенсорной панелью оператора, выполняющей функции ввода/вывода постоянных и изменяющихся параметров намотки, расчета всех характеристик математической модели намотки (2.64) на основе данных, поступающих с контроллера. Для реализации математической модели в память панели оператора записываются входные константы намотки: радиус ствола сновального вала р0, рассадка его фланцев Н, максимальный радиус намотки рн, средняя плотность намотки у величина минимального дискретного отвода уплотняющего вала г, количество нитей основы т, линейная ПЛОТНОСТЬ пряжи Т и другие. На основе этих параметров вычисляются максимальная длина основы L3, величина %, характеризующая тангенс угла наклона линейной зависимости параметра спирали, коэффициент Ь, плотности начального и конечного слоев намотки ун, ук, начальное и среднее значения параметра спирали ан, аф. При этом в соответствии с заданной математической моделью в процессе намотки рассчитываются теоретические значения радиуса намотки рс, ее плотности ус, длины основы Lc и параметра спирали а.
Обмен диагностической и управляющей информацией между панелью оператора и контроллером осуществляется по последовательной линии связи RS-485. Помимо вычисления математической модели намотки панель оператора совместно с контроллером управляют процессами пуска и останова электропривода механизма сновального вала, контролируют текущие параметры формируемых сновальных валов на основе сигналов kl, к2 с энкодеров ДФ1, ДФ2, а также регулируют величину отвода и время включения электропривода механизма уплотняющего вала. В памяти контроллера реализованы два счетчика СИ1, СИ2. Счетчик СИ2 выполняет счет импульсов к2 с датчика оборотов ДФ2 (К2 - константа количества импульсов за один оборот датчика ДФ2), на основе которых в панели оператора вычисляются текущие значения числа оборотов сновального вала пьп2 с помощью вычислителей БОЇ, В02 и текущие параметры намотки по модели (2.64). Счетчик СИ1, считающий импульсы kl с энкодера ДФ1 (К1 - константа количества импульсов за один оборот датчика ДФ1), жестко связанного с накладным роликом, используется для расчета фактического радиуса сновального вала Рф и длины наматываемой основы Ьф с помощью вычислителей ВР и ВД, соответственно. Блок БС1 осуществляет сравнение фактической величины длины основы Ьф с ее заданным значением L3 и выдает на свой выход логический сигнал yL .
Если выполняется условие Ьф Ь3, тогда на выходе блока БС1 формируется сигнал yL = 1 на останов электропривода механизма сновального вала, а его инверсный сигнал yL=0 на выходе первого элемента НЕ автоматически обнуляет вычислитель В02.
На основе показаний датчиков тока CD1, CD2 в преобразователе частоты вычисляется величина действующего значения тока статора Iu, поступающая на вход ДРГ с границами переключения, соответствующими минимальной Imin и максимальной Imax уставкам тока статора приводного асинхронного электродвигателя механизма сновального вала. Здесь при возрастании радиуса сновального вала и неподвижном уплотняющем вале возрастает ток нагрузки Iu и при выполнении условия Iu Imax на выходе ДРГ формируется дискретный сигнал х:=1, поступающий на вход БФВВ, где с учетом вычисленного рассогласования радиусов намотки Ар формируется импульсный сигнал At = 1 с периодом t, определяющим время включения ПР и длительность отвода электропривода механизма уплотняющего вала. При этом инверсный сигнал At = 0 на выходе второго элемента НЕ выполняет функцию обнуления В02. Если в пяти циклах расчета подряд выполняется условие Iu Imax, тогда отвод электропривода уплотняющего вала будет происходить непрерывно в функции тока Iu до минимальной токовой уставки Imin. При уменьшении тока нагрузки до минимального значения на выходе ДРГ сформируется сигнал х: = 0, ПР разомкнётся, отключив асинхронный электродвигатель М2. Необходимо отметить, что при формировании дискретного сигнала х: = 1 на выходе ДРГ, его инверсный сигнал х: = О на выходе третьего элемента НЕ также автоматически обнуляет В02. В блоке БС2 осуществляется сравнение и вычисление рассогласования фактического Рф и теоретического рс радиусов намотки с учетом того, что радиус Рф в любой момент времени оказывается меньше радиуса рс. В блоке БСЗ сравнивается текущее число оборотов сновального вала п2 на выходе вычислителя В02 с заданным числом оборотов п2з. При этом, если n2 = п2з и Iu Imax, тогда в соответствии с рассогласованием радиусов намотки Ар на выходе БФВВ формируется импульсный сигнал At = 1 с периодом t, определяющим длительность отвода электропривода механизма уплотняющего вала. По истечении периода t ПР выключается и отвод уплотняющего вала прекращается, а дискретный сигнал At = 1 разрешает работу В02 и дальнейшее выполнение программы.
