Введение к работе
Актуальность темы. Электроприводы трубопроводной арматуры (ЭП ТПА) являются одним из наиболее массовых типов электроприводов. Их назначение — перемещение запорного органа трубопроводной арматуры, разновидностями которой являются задвижки, затворы, краны, клапаны и т.п.
Информационно-измерительная и управляющая система ЭП ТПА осуществляет измерение переменных состояния привода, внешних воздействий, реализацию закона управления и диагностирование состояний привода.
Как правило, измерению подлежат: момент силы на выходном валу привода и его угловое положение, дополнительно могут контролироваться скорость и ускорение вращения вала, напряжения питания двигателя привода, потребляемые токи, активная мощность.
Наиболее трудно реализуемой является процедура измерения момента силы на выходном валу привода. В то же время именно измерение момента силы является наиболее информативным и значимым при формировании законов управления приводом и формировании диагностических заключений относительно его состояний и состояний арматуры. Для измерения момента нагружения в ЭП ТПА широко используются встроенные измерители крутящего момента, действие которых основано на контроле смещения в редукторе привода подпружиненного червяка по шлицам его оси под действием тангенциальной силы взаимодействия червяка с червячным колесом. Сигнал от измерителя крутящего момента используется для защитных отключений привода, а также при реализации типовых для ЭП ТПА процессов управления, таких как закрытие и открытие арматуры с контролем крутящего момента в конечных положениях (при этом реализуется терминальное управление (А.Я. Андриенко, В.П. Иванов, П.Д. Крутько, Б.Н. Петров, Ю.П. Портнов-Соколов), целью которого в данном случае является достижение заданного значения момента силы уплотнения арматуры в заданном интервале положений выходного вала привода).
Несмотря на обилие работ, посвященных математическому описанию динамики электроприводов, в том числе электроприводов с нежесткой и самотормозящейся механической передачей (Н.А. Лакота, А.В. Башарин, Ю.В. Постников, Ю.А. Борцов, Г.Г. Соколовский), динамика ЭП ТПА с измерительно-информационными и управляющими системами указанного выше типа не описана с достаточной подробностью, позволяющей оценивать влияние конструктивных параметров механизма привода на точность измерений крутящего момента и эффективность процессов управления.
В известных работах, посвященных ЭП ТПА (Д.Ф. Гуревич, О.Н. Заринский, С.И. Косых, В.В. Ширяев, О.Н. Шпаков), недостаточно освещенными оставались вопросы повышения эффективности управляющей системы ЭП ТПА при реализации терминального управления, обеспечивающего заданное значение момента силы уплотнения арматуры, а также вопросы повышения эффективности информационно-измерительной системы ЭП ТПА в части синтеза диагностических признаков для формирования заключения о состоянии привода и сопряженной с ним арматуры.
Перечисленные обстоятельства обусловили актуальность решаемых в диссертации задач повышения эффективности проектирования информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА.
Объектом исследования являются информационно-измерительная и управляющая система ЭП ТПА с червячным механизмом измерения крутящего момента.
Предметом исследования являются закономерности функционирования и технические характеристики информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА с червячным механизмом измерения крутящего момента.
Цель работы состоит в создании методов синтеза информационно-измерительной и управляющей системы, встроенной в структуру ЭП ТПА с червячным механизмом измерения крутящего момента, на основе разработки математической модели, отражающей динамические процессы в информационно-измерительной и управляющей системе и обеспечивающей учет конструктивных особенностей и режимов нагружения ЭП ТПА.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
1. Создать математическую модель ЭП ТПА с червячным механизмом измерения крутящего момента, отражающую динамические процессы, протекающие в информационно-измерительной и управляющей системе ЭП ТПА с учетом конструктивных особенностей привода и режимов его нагружения.
2. Получить аналитические зависимости погрешности измерений момента нагружения, реализуемых информационно-измерительной системой ЭП ТПА, от режима функционирования и конструктивных параметров электропривода.
3. Разработать метод синтеза закона терминального управления ЭП ТПА, позволяющего повысить точность достижения заданного значения момента силы уплотнения арматуры и определить рациональную структуру информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА.
4. Предложить метод синтеза диагностических признаков для формирования заключений о состоянии ЭП ТПА и сопряженной с ним арматуры на основе моделирования влияния дефектов конструкции привода и арматуры на динамические процессы, протекающие в информационно-измерительной и управляющей системе ЭП ТПА.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теоретической механики, электротехники, теории измерений, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и теории автоматического управления. Теоретические положения проверялись с применением методов вычислительного и физического эксперимента.
Научная новизна результатов работы состоит в следующем.
1. Предложена математическая модель ЭП ТПА с червячным механизмом измерения крутящего момента, отражающая влияние конструктивных, эксплуатационных параметров привода и режимов его нагружения на динамические процессы, протекающие в его информационно-измерительной и управляющей системе.
2. Получены аналитические зависимости погрешности измерений момента нагружения, реализуемых информационно-измерительной системой ЭП ТПА, от режима функционирования и конструктивных параметров электропривода.
3. Разработан метод синтеза закона терминального управления ЭП ТПА, позволяющий повысить точности достижения заданного значения момента силы уплотнения арматуры и определить рациональную структуру информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА.
4. Предложен метод синтеза диагностических признаков для формирования заключений о состоянии ЭП ТПА и сопряженной с ним трубопроводной арматуры, позволяющий определить набор переменных, требуемую точность и дискретность их измерений средствами информационно-измерительной системы.
Достоверность полученных результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований, а также эффективностью их применения при решении реальных задач проектирования ЭП ТПА.
Практическая ценность. Разработанные методы и модель могут эффективно использоваться в практике проектирования информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА с целью совершенствования их конструкции в направлении расширения функциональных возможностей, повышения надежности и качества функционирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель функционирования ЭП ТПА с червячным механизмом измерения крутящего момента, отражающая влияние конструктивных и эксплуатационных параметров привода, а также режимов его нагружения на динамические процессы, протекающие в его информационно-измерительной и управляющей системе.
2. Аналитические зависимости погрешности измерений момента нагружения, реализуемых информационно-измерительной системой ЭП ТПА, от режима функционирования и конструктивных параметров электропривода.
3. Метод синтеза закона терминального управления ЭП ТПА, позволяющего повысить точность достижения заданного значения момента силы уплотнения арматуры и определить рациональную структуру информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА.
4. Метод синтеза диагностических признаков для формирования заключений о состоянии ЭП ТПА и сопряженной с ним трубопроводной арматуры, позволяющий определить набор переменных, требуемую точность и дискретность их измерений средствами информационно-измерительной системы.
Реализация и внедрение результатов. Полученные в диссертации научные результаты внедрены в практику проектирования ЭП ТПА в ЗАО «Инженерно-технический центр «Привод». Ряд теоретических положений диссертации используется в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» на кафедре «Робототехника и автоматизация производства» в курсе лекций по дисциплине «Моделирование систем».
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всероссийской конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2010 г.), на Всероссийской конференция «Пневмогидропривод-2010» (Ковров, 2010), на Всероссийской научной конференции «Молодые исследователи – регионам» (Вологда, 2011 г.), на Международной научно-технической конференции «Эффективность и экологичность насосного оборудования и инновационное оборудование и технологии в арматуростроении» (Москва, 2011 г.), на II Всероссийской научно-технической конференции «Мехатронные системы» (Тула, 2011 г.), на Международной научно-технической конференции «Управляемый электропривод» (Тула, 2011 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 16 публикациях, в том числе 6 статей в журналах и сборниках из перечня ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Текст изложен на 117 страницах, включая 40 рисунков, 5 таблиц, библиографический список из 114 наименований и приложения.
