---

Автобиография | Индивидуальное задание  | Ссылки | Электронная библиотека  | Результаты поиска в Internet

Красік Павло Ігорович

Тема: "Розробка системи автоматизації лінійок маніпулятора, з використанням спостерігачей стану".

Науковий керівник: Доктор технічних наук, професор, завідуючий кафедрою "Електропривід й автоматизація промислових установок" Коцегуб П.Х.

Автореферат магістерської роботи

Актуальність теми

Металургія є ведучою галуззю народного господарства країни. Темпи розвитку всього народного господарства визначаються рівнем виробництва металу.

Продуктивність металургійних агрегатів і якість продукції дуже сильно залежать від досконалості електричного приводу. Тому систематичному поліпшенню силової частини приводу, засобам і методам керування й автоматизації варто приділяти належну увагу.

Велике значення в розвитку металургійного електропривода мають статичні перетворювачі. У даний час застосування статичних (тиристорних) перетворювачів для приводу більшості механізмів реверсивних і безупинних станів, а також для приводу клетей безупинних станів гарячої і холодної прокатки не викликає сумнівів.

Дуже широке використання в електроприводах металургійного виробництва вже знайшли системи керування з послідовною корекцією, побудовані за принципом підлеглого регулювання. Завдяки ряду переваг область застосування цих систем усе більш розширюється .

У сучасних електроприводах металургійного виробництва приділяється велика увага надійності і безперебійній роботі електроустаткування. Це особливо відноситься до таких агрегатів, як доменні і сталеплавильні печі, великі прокатні стани, простої яких через електроустаткування приводять до великих виробничих утрат, до зниження продуктивності і якості продукції.

Для сучасного металургійного електропривода характерно широке впровадження автоматизації технологічних процесів з використанням спостерегачей стану. Це відноситься до усіх без винятку могутніх і високопродуктивних механізмах доменного, сталеплавильного і прокатного виробництва. Ускладнення технологічних процесів, збільшення швидкостей їхнього протікання і необхідність точного виконання цих процесів виключають можливість ручного керування. У цих випадках оператор не в змозі керувати процесом і контролювати велике число взаємозалежних параметрів без застосування ЕОМ. Тому сучасні системи керування основних могутніх високопродуктивних механізмів металургійного виробництва забезпечуються ЕОМ [1].

Застосування засобів електронно-обчислювальної техніки для керування технологічними процесами є одним із сучасних шляхів підвищення продуктивності праці і поліпшення якості продукції.

Удосконалювання системи керування обтискних станів необхідно проводити на основі використання керуючої обчислювальної техніки, що може вирішувати наступні основні задачі:

1.Оперативний облік виробництва прокату і спостереження за металом, що прокатується.

2.Програмне керування натискним пристроєм і маніпуляторними лінійками.

3.Автоматичне керування швидкісними режимами головного приводу, рольгангів, станинних роликів і роботою кантователей у залежності від положення металу на рольгангах, числа пропусків і довжини розкату.

4.Оптимізація швидкісних режимів головного приводу з метою скорочення втрат енергії в ньому при заданій продуктивності, досягнення найбільшої продуктивності при припустимому навантаженні двигуна по середньоквадратичному струму, або при заданому нагріванні ізоляції двигунів і генераторів стану.

5.Оптимізація розкрою розкатів з метою максимального виходу продукції.

Кожна з перерахованих задач може бути вирішена шляхом створення відповідного комплексу технічних засобів, що складає одну з частин автоматизованої системи керування механізмів обтискного стану.

Застосування в складі автоматизованої системи керування обтискних станів нових технічних засобів – міні- і мікро- ЕОМ, а також використання нових методів керування дозволяє інтенсифікувати виробництво заготівель за рахунок збереження протягом усієї зміни заданого оптимального технологічного режиму прокатки. Це сприяє одержанню продукції більш точних розмірів і кращої якості, зниження браку в порівнянні з ручним керуванням. Крім того, зменшується ізнос дорогого механічного й електричного устаткування при одночасному зменшенні споживання енергії .

Ціль роботи

Розробка автоматизоаної системи керування електропривода лінійок маніпулятора з використанням спостерігача стану.

Методи і засоби

Розробки виконувалися на основі теорії автоматизированых систем регулювання та теорії електроприводу, для дослідження розробленої системи використовувався метод математичного моделювання на персональному комп'ютері з застосуванням програмного пакета Matlab.

Основні досліди та результати

Використовуючи данні отримані під час досліду з початку моделюємо систему регулювання ЕРС без використання спостерігача стану заходами ЕОМ. Моделювання системи робимо за допомогою програми MATLAB. Структурна схема системи керування ЕРС, та задавча інтенсивності в MATLAB зображена на рисунку 1:

Рисунок 1 – Структуна схема в програмі MATLAB а) системи регулювання ЕРС б) задавача інтенсивності ЗІ

Розглянемо графіки перехідних процесів рисунок 2 у замкнутій системі регулювання ЕРС двигуна рисунок 1. Вони отримані методом математичного моделювання в середовищі MATLAB. Тут представлені перехідні процеси для струму і ЕРС двигуна у відносних одиницях.

Рисунок 2 – Графіки перехідних процесів (Е*(t), I*(t)) у замкнутій системі регулювання ЕРС, також на рисунку 2 позначені Е*з(t) – сигнал завдання на ЕРС, М*с(t) – момент статичного навантаження

Як базові значення приймаються: номінальний струм Iн номінальна ЕРС двигуна Ен. Крім того, на рисунку 2 показаний: сигнал завдання на ЕРС і момент статичного навантаження у відносних одиницях. Проаналізуємо перехідні процеси. Розгін і гальмування електропривода протікає від ЗІ, параметри якого в залежності від часу завантажування розраховані раніше. При розгоні і гальмуванні динамічний струм двигуна складає меньш полуторократного номінального струму. Це зв'язано з впливом противо-ЕРС двигуна, тому що при цьому контур регулювання струму стає статичним і має місце деяка помилка. При застосуванні ЗІ по кривій струму можна оцінювати динамічні властивості контуру ЕРС.

Перерегулювання:

%,

Час першого узгодження:

мс.

При набросі навантаження має місце статичне падіння ЕРС, що складає близько 15 %. У загалі перехідні процеси в замкнутої САР ЕРС двигуна свідчать про досить високу якість спроектованої системи і підтверджують правильність розрахунків параметрів регуляторів і ЗІ.

Далі був синтезований спостерегач стану

Раніше, для оцінки ЕРС двигуна, ми використовували датчик ЕРС який має інерційнність. Інерційнність датчика обумовлена наявністью проізводної в ревнянні для визначення ЕРС двигуна:

, (1)

(2)

Ця інерційнність негативно впливає на перехідні процеси в системі, робить систему в цілому повільною. Пропонується, для визначення ЕРС двигуна, побудувати спостерегач стану повного порядку. Сигналом керування “ для спостерегача стану буде задана напруга тиристорного перетворювача, коррекцію удобно проводити по струму двигуна. Таким чином в якості системи для створення спостерегача стану беремо об’єкт регулювання. Вхідним сигналом візьмемо сигнал з регулятора струму Uy, а заміряємим струм якоря Ія, структурна схема об’єкту регулювання зображена на рисунку 3:

Рисунок 3 – Структурна схема об’єкта регулювання

Для синтезу спостерегача необхідно представити систему у просторі стану у вигляді системи матричних рівнянь (3) які описують динамику системи[2]:

(3)

де, - вектор змінних стану системи, - вектор зовнішних вхідних дій, - вектор зоміряємих змінних, - матриця коефіціентів, - матриця керування, - матриця вихідного сигналу

Спочатку по структурній схемі запишемо диференційні рівняння які описують систему. Для зручної записі деталізуємо структурну схему системи:

Рисунок 4 – Деталізована структурна схема системи

Деферінційні рівняння мають вигляд:

(4)

Тоді вектор змінних стану системи буде:

(5)

Вектор зовнішних вхідних дій:U=Uy (6)

Вектор заміряємих змінних:Y=Ія (7)

Підставляючи (5.5), .(5.6), (5.7) та коефіціенти матриць , , із рівнянь (4) у (3) записуємо рівняння стану системи:

(5.8)

(5.9)

Для будування спостерегача стану необхідно, щоб система була спостерігаємою, тобто має бути можливість відбудувати вектор незаміряємих координат по вектору координат заміряємих. Фізично вимога спостерігаємості сводиться до того, щоб між незаміряємою та заміряємою змінними був взаімозв’язок, тобто зміна перших приводила до зміни других. Дізнатися чи спостерегаєма система можно за допомогоую матриці спостереження яку можно знайти за формулою (10):

(10)

де, - зворотні матриці матриць А, С.

Знайдемо складові частини матриці спостереження:

(11)

(12)

(13)

Підставимо (13) у (14):

(14)

Запишемо матрицю спостереження системи підставивши у розрахункову формулу (10) значення складових частин отриманних у (11), (12), (14):

(15)

detQc не дорівнює 0, RangQc=3, відповідно система спостерігаєма.

Характтеристичний поліном замкненого спостерегача стану Gc знайдемо за відомою форммулою:

(16)

де, - матриця коефіціентів зворотніх зв’язків спостерегача, які треба знайти.

тоді : (17)

- диогональна матриця (18)

Знайдемо характеристичний поліном замкненого спостерегача стану Gc підставивши у розрахункову формулу (16) значення матриць із (8), (17) та (18):

(19)

Випишемо значення коефіціентів (а0, а1, а2 ) при степенях р характтеристичногого поліному замкненого спостерегача стану Gc (19):

(20)

В якості бажанного Gб вибираємо поліном Батерворта третього порядка:

Приймамємо значеня середньогеометричної частоты :

В літературі рекомендують приймати таке значеня, тому що при більших значенях спостеригач стає сильно восприімчивим до завад, а при меньших ? швидкодія спостерегача стає недостатньою по відношенню до швидкодії контура струму [2].

Записуючи рівняння баланса коефіціентів при однакових степенях р характтеристичного поліна замкненого спостерегача стану Gc, та бажанного Gб, отримаємо систему рівнянь відносно l:

(21)

Вирішуючи систему (21) відносно l, отримуємо коефіціенти зворотніх зв’язків по координатам системи. Коэфіціенти корегуючих зв’язків спостерегача дорівнюють:

l1= -5121,6

l2 = 0589,1

l3 = -1921,5

Структурну схема спостерегача стану зображена на рисунку 5:

Рисунок 5 - Структурна схема спостерегача стану

На цьому синтез спостерегача стану бедемо вважати завершеним.

Моделювання САР ЕРС з спомстерегачем стану

Використовуючи данні отримані у попередньому пункті моделюємо систему регулювання ЕРС з спостерегачам стану заходами ЕОМ. Моделювання системи робимо за допомогою програми MATLAB. Структурна схема системи регулювання ЕРС з спостерегачем стану в MATLAB зображена на рисунку 6:

Рисунок 6 – Структурна схема системи регулювання ЕРС з спостерегачем стану в MATLAB

Далі користуючись можливостями MATLAB моделюємо перехідні процеси системі регулювання ЕРС з спостерегачем стану

Рисунок анимирован, для просмотра нажмите на кнопку.

Рисунок 7 – Графіки перехідних процесів (Е*(t), I*(t)) у замкнутій системі регулювання ЕРС з спостерегачем стану, також на рисунку 2 позначені Е*з(t) – сигнал завдання на ЕРС, М*с(t) – момент статичного навантаження

Перехідні процеси в системі регулювання замкненої по оцінкам вектора змінних стану представлені на рисунку 7. Порівнюючи графіки перехідних процесів в системі з спостерегачем стану з графіками в системі с інерціонним датчиком ЕРС (рисунок 2) робим висновок, що використання спостерегача стану дозволяє покращіти якість перехідних процесів. Це заключається в зростанні швидкодії (приблизно в 2 рази), знижені як встановленої динамічної так і статичної помилок ЕРС. Використання спостерегача стану забеспечює практично таку ж саму настройку, як би ЕРС двигуна можливо було би замірити прямо на двигуні, без використання інерціонного датчика ЕРС.

Висновки

В роботі були розглянуті основні принципи при побудові системи керування швидкістю лінійок маніпулятора, а також розглянута можливість застосування спостерігача стану повного порядку для відтворення ЕРС двигуна постійного струму, що дало порівняно більш якісні перехідні процеси.

Література

1. Методичні вказівки до дипломного проектування. / Склав: Коцегуб П.Х.(кафедра ЕАПУ), Сумін О.В.(кафедра Економiки і маркетінгу) – Донецьк: ДонНТУ. 2000. - 44 с.

2. Башарин А.В., Новикав В.А., Соколовский. Управление електроприводами: Учебное пособие для вузов. – Л. : Энергоиздат. Ленинградское отделение, 1982. – 392 с., ил.

3. Сиротин А.А. Автаматическое управление електроприводами. – М.: Энергия, 1969. – 560с.

4. Медведев А.Г. Экономическое обоснование предпринимательского проекта. – МЭ и МО, 1992: №6 с.86-95 и №7 с.117-130.

5. Пузиня К.Ф. Планирование в научно-технических организациях машиностроения. – Л. : Машиностроение, 1980. – 312 с.

6. Кутузов В.А., Евланов Л.Г. Экспертные оценки в управлении – М.: Экономика, 1978. – 133 с.

7. Техника безопасности на ОАО “ДМЗ” / Под ред. Г.А. Косторниченко. – Д.: Донеччина, 2003. – 202с.

8. Методические указания к выполнению экономической части дипломных проектов (для студентов специальности "Электропривод и автоматизация промышленных установок") / Сумин В.А., Донецк: ДонНТУ, 1994 - 11 с.