АВТОРЕФЕРАТ

ТЕМА: Исследование систем управления малоинформативными объектами на примере технологического процесса изготовлении порошковой проволоки.

ЦЕЛЬ: Доказать методами математического моделирование возможность использование электромеханической мощности при управлении технологическими процессами обработки металла давлением (ОДМ), родственными процессу профилегибки, при производстве порошковой проволоки.

Общие сведения и постановка задачи

Анализ функциональных схем при различном включении якорей приводов

Математическое описание модели

Виртуальные модели САУ приводным двигателем (перал. и посл. схемы.)

Ожидаемые результаты

Список литературы

Общие сведения и постановка задачи.

Технологическая линия редуцирования порошковой проволоки (ПП) производится на прямоточном волочильном стане, основные элементы которого: волоки и приводные барабаны, осуществляющие протяжку редуцируемой проволоки через волоки.

Производство ПП предъявляет основные технологические требования: скорость проволоки должна быть постоянной и задаваться от 0 до номинальной величины непрерывным образом; по причине отсутствия вытяжки в профилегибочном устройстве линейные скорости проволоки в клетях одинаковые; обеспечение минимальной силы натяжения проволоки между приводными клетями (не равное нулю); приводное волочильное устройство должно само выдавать проволоку на моталку, а последняя с минимальной силой натяжения наматывать проволоку на катушку. Волочильный стан является прямоточным, следовательно, петли и перегибы проволоки отсутствую, что влечет за собой некоторые трудности.

Технические условия, при которых необходимо обеспечить адекватность управления по вышеназванным требованиям, следующие:

• - механическая часть не содержит датчиков давления в волоке по причине регулирования оператором межосевого расстояния в процессе настройки линии. Следовательно, информация о силе сопротивления протяжки ПП отсутствует;
• - отсутствует датчик натяжения ПП между волочильными барабанами из-за малого межклетевого объема и нежелательности изгиба проволоки;
• - датчик натяжения проволоки на моталке также отсутствует по причине аксиальной асимметрии проволоки (наличие замка);
• - единственный датчик, который связан с рабочим телом - это датчик линейной скорости проволоки;
• - многодвигательный привод состоит из электроприводов постоянного тока с датчиками угловой скорости вала и электромагнитного момента (датчика тока).

Адекватность управления непрерывным процессом возможна только при наличии достаточной информации о состоянии рабочего тела и активного силового воздействия на него. Исходя из вышеуказанных технических условий информация о состоянии процесса крайне минимальна по объективным причинам.[2]

Управление электроприводом возможно реализовать несколькими способами. Задача и состоит в том, чтобы выбрать оптимальный способ управления при минимальной исходной информации, и чтобы он был наиболее адекватен объекту управления.

Наиболее распространенные способы управления многодвигательным приводом следующие: способ управления по скоростям с ручной коррекцией скоростей, требующий жесткой дисциплины по обеспечению точности при проточке рабочих волок и одинаковых угловых скоростей барабанов; способ управления по скоростям и моментам, требующий верхнего уровня управления с автоматической коррекцией угловых скоростей, в котором угловые скорости корректируются так, чтобы обеспечить заданную разность электромагнитных моментов двигателей (указанные разности моментов устанавливаются вручную); способ управления по скорости и моментам, в котором базовый привод регулирует скорость, а другие привода управляются заданием постоянных моментов (уставки по моментам автоматически не корректируются, а подбираются вручную).

Все вышеприведенные способы требуют технологической дисциплины по учету исключения выработок волок с дальнейшей ручной коррекцией уставок по моментам в верхнем уровне управления, что обуславливает трудность управления, и данные способы не обеспечивают требуемую надежность, прогнозируемость производства, а также качество ПП.

Единственным параметром управления индивидуальными приводами может быть только энергия формоизменения рабочего тела, независимо от того, необходима ли его вытяжка или только гибка. Эта энергия не зависит от того, на сколько изменен внутренний диаметр волоки при протяжке через него рабочего теля, а есть функция его физического состояния, т.е. температуры, предела текучести, вязкости, коэффициента упругости и т.д.[2]

Сущность способа состоит в том, что синхронизацию угловых скоростей двигателей барабанов осуществляют путем регулирования по мощности каждого привода рабочих барабанов, в том числе и наматывающего устройства. Для поддержания на заданном уровне линейной скорости рабочего тела суммарную электрическую мощность профилегибочного устройства регулируют по заданной линейной скорости.

Вверх

Анализ функциональных схем при различном включении якорей приводов.

Для сравнения способов управления электроприводами станов (на примере изготовления сварочной порошковой проволоки и порошковой проволоки для металлургических расплавов) проанализируем существующие САУ приводом прямоточного волочильного стана и профилегибочного стана, регулируемым по электромеханической мощности цепи якоря. [1]

Различия между технологиями производства сварочной и металлургической порошковой проволоки в том, что сварочную проволоку производят на неприводном стане и редуцируют на приводном волочильном стане, а проволока для металлургических расплавов осуществляется на приводном профилегибочном стане. Конструкция прямоточного волочильного стана с противонатяжением такова, что проволока, пройдя через первую волоку, поступает на первый барабан напрямую, с него также напрямую, не образуя петли, идет на вторую волоку, с нее на второй барабан и т.д. Каждый барабан имеет индивидуальный привод с электродвигателем постоянного тока независимого возбуждения.[1] Принцип работы волочильного стана основан на выполнении равенства:

где - скорость протягиваемого металла, - площадь его поперечного сечения.

В процессе прокатки это равенство нарушается вследствие износа волок. Для восстановления равенства (1) необходимо автоматически регулировать скорости промежуточных барабанов в течении всего цикла волочения. Существует два способа восстановления равенства, которые осуществляются путем последовательного и параллельного соединения якорей всех электродвигателей (функциональные схемы представлены на рис.1,2).

При последовательной схеме включения (рис. 1) в результате возрастания момента сопротивления на валу двигателя (воздействие внешних факторов), скорость его падает. При этом падает ЭДС двигателя, и начинает расти ток якоря, общий для всех двигателей. В результате у всех двигателей возрастут электромагнитные моменты (скорость уменьшится) и будет восстановлено равенство (1). Аналогично происходит увеличение скорости двигателей при уменьшении локальной нагрузки на одном из них.

Рисунок 1 – Функциональная схема СУА с последовательным соединением якорей (1 – тянущие барабаны, 2-редукторы, 3-волоки, 4-блок регулирования тока обмоток возбуждения, 5-общий источник напряжения, 6-задающие уставки ЭДС)

Рисунок 2 – Функциональная схема СУА с параллельным соединением якорей (1 – тянущие барабаны, 2-волоки, 3-редукторы, 4-датчики, 5-задатчик рабочей скорости, 6-регулируемый источник напряжения, 7-блок выделения макс. сигнала, 8-ограничитель, 9-задатчик миним. тока возбуждения, 10-задатчик загрузки, 11-корректоры, 12-регуляторы токов ОВ, 13-задатчик заправочной скорости)

Рассмотрим функциональную схему параллельного соединения якорей приводных двигателей, участвующих в технологическом процессе (рис.2). Регулирование скорости волочения сварочной проволоки осуществляется за счет изменения величины общего напряжения питания на всех якорях двигателей. В этой схеме задающие воздействия для систем регулирования токов обмоток возбуждения (ОВ) прямо пропорционально связаны с токами якорей двигателей, кроме того, присутствует малое начальное подмагничивание.

Вверх

Математическое описание модели.

Сущность способа состоит в том, что синхронизацию угловых скоростей двигателей клетей осуществляют путем регулирования по мощности каждого привода рабочих клетей в том числе и моталки. Для поддержания на заданном уровне линейной скорости рабочего тела суммарную электрическую мощность профилегибочного устройства регулируют по заданной линейной скорости.[2]

В этом случае математическая модель привода описывается следующей системой дифференциальных уравнений относительно элементов мощностей:

Здесь:

• - электрическая мощность, подаваемая в якорь электродвигателя;
• - тепловая мощность, рассеиваемая в якоре двигателя;
• - мощность, запасаемая (отдаваемая) индуктивностью якоря;
• - мощность, связанная с кинетической энергией электромеханической системы (электродвигатель - механическое устройство);
• - электромагнитная мощность двигателя (полезная мощность);
• - механическая мощность сил сопротивления, препятствующих движению системы.

В качестве информационного параметра выбрана полезная электромагнитная мощность (та же система (2) с интересующей левой частью уравнений):

Рассмотрим поведение рабочего тела в очаге деформации между двумя волочильными барабанами. Возьмем к примеру 2 барабана, схематически изображенных на рисунке 3.

Рисунок 3. Взаимодействие рабочего тела с деформирующим инструментом.

Момент упругой связи в межбарабанном промежутке (МБП) определяется как интеграл разности скоростей приводов по времени с учетом коэффициента упругой связи между приводами.

Объединив математическую модель привода барабанов и модель рабочего тела, мы получаем зависимости для скорости вращения и тока якоря по каналам управления и возмущения. Применив к полученой системе преобразование Лапласа, получаем передаточные функции по каналам управления и возмущения. Теперь, используя прикладной пакет Matlab Simulink, можно получить переходные процессы, а также увидеть деформацию рабочего теля в МБП.

Вверх

Виртуальные модели САУ приводным двигателем (перал. и посл. схемы.)

Построим структурную схему двухсвязной электромеханической системы (ЭМС) с последовательным соединением якорей приведенных двигателей (рис.4)

Рисунок 4 – Структурная схема математической модели двухсвязной ЭМС с последовательным соединением якорей двигателей.

Сравнительный анализ переходных процессов в системах осуществляется при одинаковых номинальных параметрах двигателей, собственных моментах нагрузок и параметрах ПИ-регуляторов.

Рисунок 5 – Переходные процессы двухсвязной ЭМС с последовательным соединением якорей двигателей (2 карт., беск. цикл).

Рисунок 6 – Переходные процессы двухсвязной ЭМС, регулируемой по мощностям (2 карт., беск. цикл).

Из графиков видно, что система, регулируемая по электромеханическим мощностям, имеет лучшие показатели качества: меньшее количество колебаний и время установления. Это обусловлено тем, что электромеханические постоянные времени ЭМС по мощностям значительно меньше, чем те же постоянные времени последовательной ЭМС.[3]

Далее рассмотрим схему параллельного соединения якорей приводных электродвигателей. Модель представлена на рисунке 7. В качестве уставки подаем напряжение, соответствующее некой номинальной мощности. Возбуждением является ступенчатая функция изменения момента нагрузки на валу, в установившемся состоянии имеющая некоторую номинальную величину.

Рисунок 7 — Структурная схема математической модели двухсвязной ЭМС. с параллельным соединением якорей двигателей

Моделирование структурной схемы (рис.7) осуществлялось с помощью пакета при­кладных программ Matlab - Simulink 5.2, переходные процессы представлены на рис 8. С целью сравнительного анализа здесь приведены переходные процессы (рис.9) скоростей вращения двигателей и момента упругой связи между приводами , полученные в результате моделирования двухсвязной ЕМС по мощностям.

Сравнительный анализ переходных процессов в системах осуществляется при одинаковых номинальных параметрах двигателей, собственных моментах нагрузок и параметрах ПИ-регуляторов.

Рисунок 8 — Переходные процессы двухсвязной ЭМС с параллельным соединением якорей двигателей (2 карт., беск. цикл).

Рисунок 9 — Переходные процессы двухсвязной ЭМС, регулируемой по мощностям (2 карт., беск. цикл).

Полученные в результате моделирования переходные процессы момента упругой связи и скоростей вращения двигателей подтверждают теоретическое доказательст­во того, что способы управления волочильными станами производства сварочной ПП при­ближены к управлению по мощностям.

Вверх

Ожидаемые результаты.

В результате выполнения магистерской работы предполагается получить более подробный анализ параметров процесса при использовании разных схем включения приводов барабанов. Будет проведен сравнительный анализ характеристик с характеристиками, полученными при исследовании производства ПП для металлургических расплавов на профилегибочном стане. В результате будет сделан общий вывод о том, что данные процессы в действительности являются родственными, и методика управления (использующая в виде основного параметра электромеханическую мощность) применима при производстве сварочной порошковой проволоки.

Также предполагается произвести расчет экономической эффективности проекта после внедрения новой системы управления. Техническая реализация данной СУ, основанная на использовании последних технологий в области автоматики, была произведена вне рамок данной магистерской работы, но принята, как соответствующая всем пунктам поставленной задачи[5].

Вверх

Список литературы.

1. Деклараційний патент на винахід № 36424А, Н 02 Р 7/68. Спосіб управління электропри­водами неперервної технологічної лінії обробки металу тиском: Деклараційний патент на винахід № 36424А, Н 02 Р 7/68 /Титиевский В.М., Литвинов В.И., Горовой А.Б., Жукова Н.В., Рыпало Д.А., Подгорный И.В.; ВАТ «Завод «Універсальне обладнання». — № 99126860; Заявл. 16.12.99; Опубл. 16.04.01, Бюл. №3. — 5 с.
2. Борисов А.А., Жукова Н.В. Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 12: - Донецьк: ДонДТУ, ТОВ "Лебідь", 1999.-327с.
3. Н.В. Жукова, В.В. Червинский Матеріали ХІІІ міжнародної конференції з автоматичного управління (Автоматика-2006), м.Вінниця, 25-28 вересня 2006 року. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2007.-600с.
4. Жукова Н.В., Литвинов В.И., Червинский В.В. Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: "Обчислювальна техніка та автоматика". Випуск 106/Редкол.: Башков Є.О. (голова) та ін. - Донецьк: ДонНТУ, 2006.-220с.
5. А.Ю. Нихотин, Н.В. Жукова, В.В. Червинский Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы: Материалы восьмого научно-практического семинара. г. Донецк, 17-20 апреля 2007г. В 3-х томах. Том 3-Донецк, ДонНТУ, 2007 - 374с.