Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов, моделей и алгоритмов управления исполнительными элементами конвейерных линий в структуре АСУТП 11
1.1. Конвейерные линии в структуре АСУТП дискретного производства 11
1.2. Анализ исполнительных элементов конвейерных линий 17
1.3. Модели и методы управления электроприводом на базе асинхронного вентильного каскада 24
1.4. Инструментальные средства исследования систем электропривода 29
1.5. Цель работы и задачи исследования 35
Глава 2. Модель и анализ много двигательного электропривода конвейерных линий с асинхронным вентильным каскадом 37
2.1. Математическая модель электропривода с асинхронным вентильным каскадом 37
2.2. Алгоритмизация анализа и синтеза системы управления много двигательным электроприводом конвейерных линий 42
2.3. Импульсное управление асинхронным двигателем асинхронного вентильного каскада 53
2.4. Синхронизация работы асинхронных двигателей многодвигательного электропривода 67
Выводы 77
Глава 3. Синтез системы автоматического управления многодвигательным асинхронным электроприводом конвейера на базе АВК 79
3.1. Синтез системы автоматического управления электропривода по схеме асинхронного вентильного каскада 79
3.2. Многоканальная система стабилизации многодвигательного электропривода 89
3.3. Исследование систем автоматического управления с позиции управляемости и наблюдаемости 97
3.4. Демпфирование механических колебаний, возникающих вследствие упругости ленты 105
3.5. Определение рационального соотношения между управляемостью и наблюдаемостью системы автоматического управления 113
Выводы 118
Глава 4. Результаты исследования моделей и алгоритмов управления многодвигательными электроприводами конвейеров 120
4.1. Асинхронный электропривод двухбарабанной приводной станции ленточного конвейера 120
4.2. Цифровая система управления двухдвигательным электроприводом набазеАВК 137
4.3. Оценка влияния запаздывания на устойчивость двухдвигательного электропривода на базе асинхронно-вентильного каскада 149
Заключение 154
Библиографический список использованной литературы
- Инструментальные средства исследования систем электропривода
- Алгоритмизация анализа и синтеза системы управления много двигательным электроприводом конвейерных линий
- Исследование систем автоматического управления с позиции управляемости и наблюдаемости
- Цифровая система управления двухдвигательным электроприводом набазеАВК
Инструментальные средства исследования систем электропривода
Основным назначением привода ленточного конвейера является обеспечение передачи необходимого тягового усилия и нормального движения конвейерной ленты при всех режимах работы конвейера. Обычно различают три режима: пуск, установившееся движение и торможение конвейера [37].
При пуске привод конвейера должен иметь характеристику с постепенным увеличением пускового момента до начала трогания конвейерной ленты и ограниченной величиной момента в процессе разгона ленты до номинальной скорости. Если характеристика привода не отвечает этим требованиям, то может возникнуть опасное снижение прочности ленты, а также пробуксовка ленты на приводных барабанах [37].
В установившемся режиме работы конвейера привод обеспечивает длительную его работу с расчетной производительностью и номинальной скоростью движения ленты.
Во всех режимах работы конвейера с несколькими приводными барабанами привод должен обеспечивать синхронизацию работы приводных барабанов, т.е. установленное расчетом распределение тягового усилия Плахта л лтт Г1 П1 1 В конвейерах с регулируемой скоростью движения ленты привод обеспечивает плавный переход от одной скорости к другой соответственно изменению поступающего на конвейер грузопотока.
Помимо перечисленных основных требований к приводам ленточных конвейеров предъявляется ряд дополнительных, связанных с обслуживанием и поддержанием конвейера в работоспособном состоянии.
Приводы мощных ленточных конвейеров с высокой скоростью движения ленты должны обеспечивать дополнительную скорость ленты (не превышающую 1 м/с) для проведения ее осмотра в ремонтные смены. При этом конвейер переводится в режим местного управления. В грузолюдских конвейерах привод также обеспечивает дополнительную скорость движения ленты, безопасную для перевозки людей. Правилами безопасности эта скорость ограничивается величиной 1 м/с.
Привод должен обеспечивать реверсирование конвейера в режиме местного управления, что часто требуется при замене конвейерной ленты и других вспомогательных операциях. Для монтажа, наладки и текущего профилактического ремонта привод обеспечивает переход на местное управление всеми механизмами, которыми оборудован конвейер.
Кроме перечисленных, привод должен отвечать требованиям правил безопасности той отрасли производства, для которой предназначается конвейер.
В ленточных конвейерах длиной примерно до 300 м с суммарной мощностью привода до 100 кВт, как правило, применяют электропривод с короткозамкнутым АД [37, 43]. В простейшем варианте привод состоит из пускателя, двигателя, соединительной муфты и редуктора, от которого вращающий момент передаются приводному барабану. Основным достоинством данного привода этого типа являются его конструктивная простота, достаточная надежность и относительно низкая стоимость.
Однако с точки зрения обеспечения требований, предъявляемых к недостаткам такого типа привода следует отнести резкое увеличение пускового момента и, следовательно, возможность появления высоких натяжений в конвейерной ленте и пробуксовки на приводных барабанах [43]. При установке одного АД с короткозамкнутым ротором на два барабана, соединенных зубчатой или цепной передачей, привод не обеспечивает заданного распределения тягового усилия между приводными барабанами. Даже при установке отдельных АД на каждый приводной барабан требуемое распределение тягового усилия между барабанами достигается только введением в привод дополнительных звеньев (специальных муфт и т.д.).
Для мощных ленточных конвейеров наибольшее распространение получил привод с АД с фазным ротором. Этот привод обеспечивает хороший пуск с заданным ускорением и длительностью разгона конвейерной ленты. В этом приводе легко осуществлять заданное распределение тягового усилия между приводными барабанами. Обеспечение плавного пуска в таких электроприводах осуществляется введением сопротивления в роторную цепь АД.
Рассмотренные выше электроприводы ленточных конвейеров управляются при помощи схем, собранных на контакторах, пускателях, имеющих в своем составе катушки, искрящие контакты и другие недостаточно надежные элементы. С развитием и совершенствованием тиристорные преобразователи получили большое распространение в цепях управления приводом. Выпускаемые тиристорные станции управления, предназначенные для включения, отключения, торможения и защиты АД, могут использоваться для приводов ленточных конвейеров. Достоинством таких станций управления является отсутствие в коммутационных цепях подвижных быстроизнашивающихся элементов.
При установившемся режиме работы конвейера распределение нагрузки между двигателями в многодвигательных приводных станциях в значительной мере зависит от различия естественных механических
Наиболее простым и распространенным способом обеспечения заданного распределения нагрузки между двигателями является подгонка характеристик электродвигателей включением в цепь ротора сопротивлений, смягчающих характеристики. При этом возникает уравнительный ток и момент, выравнивающий распределение нагрузок. Однако этот способ нельзя считать экономичным, т.к. он связан с потерями электрической энергии в этих добавленных сопротивлениях.
Кроме того, такой привод АД с фазным ротором не удовлетворяет также требованию обеспечения длительного движения ленты с пониженной скоростью, необходимой для проведения ревизии ленты, ремонтных работ и т.д. Движение конвейерной ленты с пониженной скоростью, достигаемое путем введения в цепь ротора ступеней реостата, связано с большими потерями энергии, и, кроме того, неустойчиво, т.к. происходит при весьма смягченной характеристике. По этой причине в мощных приводах этого типа, как правило, предусматривают помимо основного привода еще и микропривод, двигатель которого имеет мощность, позволяющую приводить в движение порожнюю конвейерную ленту с пониженной скоростью.
Исследованиями неоднократно доказывалась эффективность применения приводов ленточных конвейеров с регулируемой скоростью. При этом большинство авторов склоняются к мнению, что скорость движения ленты должна изменяться в зависимости от поступающего на конвейер грузопотока для обеспечения постоянного по величине заполнения ленты. В этом случае общий пробег ленты значительно сокращается, а срок ее службы возрастает.
Алгоритмизация анализа и синтеза системы управления много двигательным электроприводом конвейерных линий
Предложенный алгоритм анализа и синтеза системы управления многодвигательным асинхронным электроприводом конвейера на базе АВК позволяет осуществить синтез системы управления, удовлетворяющей требованиям синхронизации работы исполнительных элементов, стабилизации по возмущающим воздействиям и демпфированию механических колебаний упругой ленты конвейера.
Формировать управление отдельным АД многодвигательного электропривода целесообразно по сепаратному каналу управления многоканальной системы, учитывая требования к исполнительным элементам конвейера. При этом управляющие функции отдельными исполнительными элементами будут отличаться вследствие требования их синхронной работы.
Управление по сепаратным каналам системы управления позволяет наиболее полно учитывать возмущения и демпфировать колебания ленты конвейера в каждом конкретном канале.
Способ регулирования АД АВК, базирующийся на импульсном управлении, позволяет осуществлять регулирование скорости вращения за счет изменения частоты коммутации электронного ключа, закорачивающего инвертор, и в то же время устанавливать углы управления полностью управляемыми силовыми элементами инвертора при их искусственной коммутации для поддержания требуемого коэффициента сдвига. Это, в свою очередь, позволяет достигать высокого коэффициента мощности. Кроме того, возможность использования одного инвертора для нескольких исполнительных элементов снижает затраты на привод. 5. Система синхронизации исполнительных элементов (АД) многодвигательного электропривода конвейера, реализующая принцип дистанционного электрического вала с одним ведущим исполнительным элементов и (п-1) ведомыми, позволяет использовать многоканальную систему управления таким приводом с сепаратными каналами управления исполнительными элементами. Такая система синхронизации выявляет сходство данного много двигательного ЭП со следящим приводом
В данной главе осуществлен анализ и синтез замкнутой системы автоматического управления асинхронным электроприводом на базе АВК для конвейерных линий. Рассмотрены вопросы многоканальной стабилизации многодвигательного асинхронного привода и демпфирования механических колебаний, возникающих вследствие упругости ленты конвейера. Показано оптимальное соотношение между управляемостью и наблюдаемостью исследуемого многодвигательного электропривода. Сделаны выводы.
В настоящее время получили распространение приемы синтеза САУ, основанные на принципах подчиненного управления [32, 34] и на использовании унифицированных настроек контуров регулирования, входящих в систему управления. Использование подобных приемов позволяет не только выполнять синтез системы управления, но и создавать обоснованную возможность пренебрежения взаимосвязью ряда координат и параметров как электропривода постоянного тока, так и электромеханического преобразователя (ЭМП) асинхронного типа [8].
Из соотношений (2.21), (2.22) и (2.26) видно, что изменение значения момента двигателя может достигаться изменением противо-ЭДС, вводимой в цепь выпрямленного тока ротора. Учитывая, что управление АД осуществляется по цепи выпрямленного тока, расчет системы подчиненного регулирования возможно производить теми же методами, которые используются для систем электропривода постоянного тока.
При построении САУ воспользуемся методами определения параметров регуляторов системы подчиненного регулирования, включающей в себя внутренний контур тока с отрицательной обратной связью по току и внешний контур скорости с отрицательной обратной связью по скорости.
Для более простого определения параметров регуляторов автоматизированной системы управления будем считать, что двигатель имеет суммарное эквивалентное сопротивление, приведенное к цепи выпрямленного тока, выражающееся по формуле [15]:
Исследование систем автоматического управления с позиции управляемости и наблюдаемости
Большое количество информации, используемой для выработки закона управления системой, способствует, с одной стороны, улучшению качества функционирования электропривода, но, в свою очередь, приводит к возрастанию их стоимостных показателей, с другой. Применение высокоточных датчиков и систем обработки информации значительно усложняет систему, поэтому задача отыскания рационального сочетания управляемости и наблюдаемости является актуальной [6].
Также заметим, что решение данной проблемы вызвано существующей двойственностью между управляемостью и наблюдаемостью, а также их взаимовлиянием друг на друга.
Проблемы управления электроприводом при неполной информации и возможных неточных данных производимых измерений с ДС и ДТ представляют существенный интерес при их исследовании для решения практических задач управления системами. Следует отметить, что ошибки измерения, оказывающие значительное влияние на точность отработки заданных алгоритмов, могут быть обусловлены как запаздываниями информации, так и наличием случайных возмущений, действующих на измерительные устройства системы.
Различные подходы к оптимизации управляемости и наблюдаемости при неполной информации о функционировании системы рассматривались в работах [23, 35, 36, 42, 69, 84, 85], где использовались вероятностные и минимаксные по постановке задачи, а также приведено их аналитическое решение.
В электроприводе с АВК решение задачи рационального и оптимального сочетания управления и процесса наблюдения при минимизации требуемых критериев качества сводится к одновременному управлению системой и процессу наблюдения за ней. На основе обобщенной структурной схемы, показанной в работе [6], рассмотрим схему оптимального сочетания управления электроприводом с АВК и процесса наблюдения за ним в следующем виде (см. рис. 3.11).
Для АВК как исполнительного элемента системы структурная схема реализации рационального сочетания управления и процесса наблюдения, учитывающая конструктивные и принципиальные особенности асинхронных вентильных каскадов, приведена на рис. 3.12.
Управление электроприводом с АВК выберем в виде некоторого функционала u(t,y), зависящего от времени t и результатов наблюдаемых (контролируемых) величин у, которые опишем следующими соотношениями: матрица состава измерений, o"o(t)- точность съема информации, o(t) стандартные независимые винеровские процессы [36], и зависит от времени t поступления управляющей функции на объект управления, а также результатов измерений, производимых в системе в дискретные моменты времени s при yt = y{s), где 0 S t.
Под наблюдением в электроприводе на базе АВК будем понимать выбор способа съема информации, ее обработки, режимов работы используемых датчиков, распределение во времени интервалов наблюдения, а также определения интервалов их длительности [23].
Как один из вариантов управления наблюдениями в электроприводе на базе АВК может осуществляться по цепи выпрямленного тока благодаря выбору матриц состава измерений Q(t) и их точности o0(t), которые обеспечивают оценку координат системы и, в свою очередь, удовлетворяют ограничению
Информация о состоянии параметров, контролируемых в точках наблюдаемости, подается в контур управления системы для формирования управляющей функции u(t,y). Таким образом, в данной ситуации практически управление наблюдением ищется в классе функций, зависящих от времени t, что полностью согласуется с посвященными данному вопросу работами [6, 69, 84]. где H(t) - матрица, задающая состав производимых измерений, а также матрица a0(t), определяющая их точность, могут изменятся в пределах накладываемых на процесс ограничений, показанных ранее. В этом случае V(t) описывает некоторое множество неотрицательно-определенных детерминированных матриц при выполнении для любого элемента V(t)eW равенства
Оптимизация алгоритмов управления АВК сводится к обеспечению требуемого закона изменения вводимой противо-ЭДС инвертора в цепь выпрямленного тока ротора и поддержания высокого коэффициента мощности. Как известно, улучшение качества управления АВК может быть достигнуто повышением точности оценивания его координат. Улучшение точности функционирования в реальных приводах на базе АВК возможно за счет более частых наблюдений, что приводит в то же время к увеличению соответствующих затрат и на практике требует искать некоторое компромиссное решение данной проблемы.
В этой связи представляется целесообразным рационально и оптимально выбирать частоту изменения управляющих воздействий и частоту съема информации с датчиков. То есть, в критерии качества функционирования электропривода на базе АВК необходимо учитывать также эти особенности.
Цифровая система управления двухдвигательным электроприводом набазеАВК
Ошибка исчезновения фазы появляется при обрыве одной из трех фаз. Детектор исчезновения фазы основан на принципе констатации тока в нулевом проводе. Ошибка включения силового элемента появляется только при условии, что нужный силовой элемент не проводит ток. Короткое замыкание силового элемента означает, что он проводит ток при отсутствии управляющего сигнала. Короткое замыкание в цепи постоянного тока измеряется на шунте, включенном между выпрямителем и инвертором. Ошибка управляющего импульса может возникнуть при ошибках в программе управления в таймерах, соединительных устройствах или проводах.
Появление таких ошибок, как короткое замыкание в цепи постоянного тока и исчезновение фазы, - достаточное условие для отключения привода в целом от сети. При коротком замыкании силового элемента или его ошибке включения необходимо индицировать на панели, но привод отключать не надо.
Приведенные неисправности характерны только для инверторов исполнительных механизмов. Весь привод требует рассмотрения и разработки гораздо большего аппаратного и математического обеспечения.
Наличие запаздывающего аргумента может нарушать режим нормального функционирования системы и поэтому требует дополнительного рассмотрения.
Учитывая, что в ряде работ, например [22, 67, 71], аргументировано доказано снижение устойчивости и ухудшение качества рабочих процессов в системах при действии запаздываний различного происхождения, в настоящем исследовании представляется необходимым решить данный вопрос.
Рассмотрим влияние действующего запаздывающего аргумента в прямых каналах, канале обратной связи и синхронизации на качество и устойчивость для рассматриваемого двухдвигательного электропривода на базе АВК. Согласно [47], в настоящее время на практике достаточно успешно для исследования данного вопроса зарекомендовал себя метод последовательного интегрирования [19].
Запишем для первого привода (ведущего): anyx(t)+ bnyx{t-тх)+ спУі(і -т})= ux(t). (4.41) Используя в приводе практически идентичные АД равной мощности, для второго привода (ведомого) имеем уравнение: a2lyl{t)+a22y2{t)+b2lyl(tl)+b22y2(t2)+c2lyl(tl)+c22y2(t2)=u2(t).(4A2) Предположим, что запаздывания, действующие в первом и втором АВК идентичны, то есть ті = %2 = т. Примем также начальные условия нулевыми и для первого временного интервала [0, т] в этом случае на основе (4.41) и (4.42) получим систему уравнений следующего вида
До момента времени t = т протекание процессов в системе нарушается, связи в структурной схеме разрываются, а ее передаточная функция W(p) будет равна нулю. Решения уравнений (4.43) и (4.44) необходимо отыскать в следующем виде [44, 47]: Ух (0 = и (0; У г (0 = WM (0- (4-45)
Рассмотрев решение исходной системы уравнений на определенном временном интервале, найдем yi(t) и y2(t). При этом также определим начальные условия. Выбирая несколько временных интервалов и производя вычисления, получим характеристики происходящих рабочих процессов в рассматриваемом двухдвигательном электроприводе. Таким образом, видно, что многократно выполненная задача интегрирования системы уравнений представляет собой набор вычислений для различных временных интервалов исходных уравнений без запаздывания. Точность данного метода, безусловно, напрямую зависит от количества выбранных интервалов, на которых рассматривается система, их шага и, следовательно, количества производимых вычислений. В реальных системах на базе АВК запаздывающий функционал может находится как в прямом канале, так и канале обратных связей или связей, используемых для синхронизации с ведущим элементом. Рассмотрим влияние, оказываемое на систему для этих трех случаев.
Для оценки устойчивости рассматриваемого двухдвигательного электропривода запишем его характеристическое уравнение D(p) = 0.
При запаздывании в цепи обратной связи характеристическое уравнение системы передаточная функция, равная произведению передаточных функций регулятора прямого канала и объекта регулирования; W2(p) = Wo2(p)WP2(p) - аналогично, произведение передаточных функций регулятора второго канала и ооъекта регулирования; произведение передаточных функций регуляторов; Кг(р) - передаточная функция канала синхронизации.
В другом случае, то есть при действии запаздывания в канале синхронизации, характеристическое уравнение системы имеет другой вид:
Таким образом, вполне очевидно, что в случае запаздывания в цепи обратной связи и в случае запаздывания в канале синхронизации характеристические уравнения системы получились разными, что полностью согласуется с показанным в работе [47]. При наличии запаздывающего аргумента в прямом канале характеристическое уравнение системы следующее:
С использованием частотного критерия Михайлова [64] по относительному расположению годографов для характеристических уравнений D co), D2(j )) и D3(JG)) можно определить тот, который обеспечивает для системы больший запас устойчивости, и, следовательно, оценить влияние расположения запаздывающего элемента на устойчивость электропривода. Также можно данную проблему решить аналитически, вычислив разность годографов, определив тем самым их пространственное расположение относительно друг друга [77].
Похожие диссертации на Управление конвейерными линиями на базе асинхронного электропривода в рамках АСУТП
