АВТОРЕФЕРАТ

ТЕМА: Дослідження систем управління малоінформативними об'єктами на прикладі технологічного процесу виготовленні порошкового дроту.

ЦIЛЬ: Довести методами математичного моделювання можливість використання електромеханічної потужності при керуванні технологічними процесами обробки металу тиском (ОМТ), родинними процесу профілезгинанню, при виробництві порошкового дроту.

Загальні відомості й постановка завдання

Аналіз функціональних схем при різному включенні якорів приводів

Математичний опис моделі

Віртуальні моделі САУ приводним двигуном (перал. і посл. схеми.)

Очікувані результати

Список літератури

Загальні відомості й постановка завдання.

Технологічна лінія редукування порошкового дроту (ПД) виробляється на прямоточному волочильному стані, основні елементи якого: волоки й приводні барабани, що здійснюють протягання дроту, що редукується через волоки.

Виробництво ПД пред'являє основні технологічні вимоги: швидкість дроту повинна бути постійною й задаватися від 0 до номінальної величини безперервним образом; через відсутність витяжки в профілегибочному пристрої лінійні швидкості дроту в клітях однакові; забезпечення мінімальної сили натягу дроту між приводними клітями (не рівне нулю); приводний волочильний пристрій повинен самостійно видавати дріт на моталку, а остання з мінімальною силою натягу намотувати дріт на котушку. Волочильний стан є прямоточним, отже, петлі й перегини дроту відсутні, що спричиняє деякі труднощі.

Технічні умови, при яких необхідно забезпечити адекватність керування по вищезгаданих вимогах, що випливають:

• - механічна частина не містить датчиків тиску на волоку через регулювання оператором міжосьової відстані в процесі настроювання лінії. Отже, інформація про силу опору протягання ПД відсутня;
• - відсутній датчик натягу ПД між волочильними барабанами через малу меж клітьову відстань й небажаність вигину дроту;
• - датчик натягу дроту на моталці також відсутній через аксіальну асиметрію дроту (наявність замка);
• - єдиний датчик, що пов'язаний з робочим тілом - це датчик лінійної швидкості дроту;
• - багатодвигунний привід складається з електроприводів постійного струму з датчиками кутової швидкості вала й електромагнітного моменту (датчика струму).

Адекватність керування безперервним процесом можлива тільки при наявності достатньої інформації про стан робочого тіла й активного силового впливу на нього. Виходячи з вищевказаних технічних умов інформація про стан процесу вкрай мінімальна по об'єктивних причинах.[2]

Управління електроприводом можливо реалізувати декількома способами. Завдання й полягає в тому, щоб вибрати оптимальний спосіб управління при мінімальній вихідній інформації, і щоб він був найбільш адекватний об'єкту управління.

Найпоширеніші способи управління багатодвигунним приводом наступні: спосіб управління по швидкостях з ручною корекцією швидкостей, що вимагає твердої дисципліни по забезпеченню точності при проточці робітниками волок й однакові кутові швидкості барабанів; спосіб управління по швидкостям і моментам, що вимагає верхнього рівня управління з автоматичною корекцією кутових швидкостей, у якому кутові швидкості коректуються так, щоб забезпечити задану різницю електромагнітних моментів двигунів (зазначені різниці моментів установлюються вручну); спосіб керування по швидкості й моментам, в якому базовий привід регулює швидкість, а інші приводи управляються завданням постійних моментів (уставки по моментах автоматично не коректуються, а підбираються вручну).

Всі вищенаведені способи вимагають технологічної дисципліни по обліку виключення вироблень волок з подальшою ручною корекцією уставок по моментах у верхньому рівні управління, що спричиняє труднощі управління, і дані способи не забезпечують необхідну надійність, прогностичність виробництва, а також якість ПД.

Єдиним параметром керування індивідуальними приводами може бути тільки енергія формозміни робочого тіла, незалежно від того, чи необхідна його витяжка або тільки деформація. Ця енергія не залежить від того, на скільки змінений внутрішній діаметр волоки при протяганні через нього робочого тіла, а є функція його фізичного стану, тобто температури, границі текучості, в'язкості, коефіцієнта пружності й т.д.[2]

Сутність способу полягає в тому, що синхронізацію кутових швидкостей двигунів барабанів здійснюють шляхом регулювання по потужності кожного приводу робочих барабанів, у тому числі й пристрою, що намотує. Для підтримки на заданому рівні лінійної швидкості робочого тіла сумарну електричну потужність профілезгинального пристрою регулюють по заданій лінійній швидкості.

Нагору

Аналіз функціональних схем при різному включенні якорів приводів.

Для порівняння способів управління електроприводами станів (на прикладі виготовлення зварювального порошкового дроту й порошкового дроту для металургійних розплавів) проаналізуємо існуючі САУ приводом прямоточного волочильного стану й профілезгинального стану, регульовані по електромеханічній потужності ланцюга якоря. [1]

Розходження між технологіями виробництва зварювального й металургійного порошкового дроту в тім, що зварювальний дріт роблять на неприводному стані й редукують на приводному волочильному стані, а дріт для металургійних розплавів здійснюється на приводному профілезгинальному стані. Конструкція прямоточного волочильного стану із протинатягненням така, що дріт, пройшовши через першу волоку, надходить на перший барабан прямо, з його також прямо, не створюючи петлі, іде на другу волоку, з її на другий барабан і т.д. Кожен барабан має індивідуальний привід з електродвигуном постійного струму незалежного порушення.[3] Принцип роботи волочильного стану заснований на виконанні рівності:

де - швидкість металу, що простягається, - площа його поперечного переріза.

У процесі волочіння ця рівність порушується внаслідок зношування волок. Для відновлення рівності (1) необхідно автоматично регулювати швидкості проміжних барабанів у плині всього циклу волочіння. Існує два способи відновлення рівності, які здійснюються шляхом послідовного й паралельного з'єднання якорів всіх електродвигунів (функціональні схеми представлені на рисунку 1,2).

При послідовній схемі включення (рис. 1) у результаті зростання моменту опору на валу двигуна (вплив зовнішніх факторів), швидкість його падає. При цьому падає ЕРС двигуна, і починає рости струм якоря, загальний для всіх двигунів. У результаті у всіх двигунів зростуть електромагнітні моменти (швидкість зменшиться) і буде відновлена рівність (1). Аналогічно відбувається збільшення швидкості двигунів при зменшенні локального навантаження на одному з них.

Рисунок 1 - Функціональна схема СУА з послідовним з'єднанням якорів (1 - тягнучі барабани, 2-редуктори, 3-волоки, 4-блок регулювання струму обмоток збудження, 5-загальне джерело напруги, що 6-задають уставки ЕРС)

Рисунок 2 - Функціональна схема СУА з паралельним з'єднанням якорів (1 - тягнучі барабани, 2-волоки, 3-редуктори, 4-датчики, 5-задатчик робочої швидкості, 6-регульований джерело напруги, 7-блок виділення макс. сигналу, 8-обмежник, 9-задатчик мінім. струму порушення, 10-задатчик завантаження, 11-коректори, 12-регулятори струмів ОВ, 13-задатчик заправної швидкості)

Розглянемо функціональну схему паралельного з'єднання якорів приводних двигунів, що беруть участь у технологічному процесі (рис.2). Регулювання швидкості волочіння зварювального дроту здійснюється за рахунок зміни величини загальної напруги живлення на всіх якорях двигунів. У цій схемі впливи, що задають, для систем регулювання струмів обмоток збудження (ОВ) прямо пропорційно пов'язані зі струмами якорів двигунів, крім того, є присутнім мале початкове підмагнічування.

Нагору

Математичний опис моделі.

Сутність способу полягає в тому, що синхронізацію кутових швидкостей двигунів клітей здійснюють шляхом регулювання по потужності кожного приводу робочих клітей у тому числі й моталки. Для підтримки на заданому рівні лінійної швидкості робочого тіла сумарну електричну потужність профілезгинального пристрою регулюють по заданій лінійній швидкості.[2]

У цьому випадку математична модель приводу описується наступною системою диференціальних рівнянь щодо елементів потужностей:

Тут:

• - електрична потужність, що подається в якір електродвигуна;
• - теплова потужність, що розсіює в якорі двигуна;
• - потужність, що запасає ( що віддає) індуктивністю якоря;
• - потужність, пов'язана з кінетичною енергією електромеханічної системи (електродвигун - механічний пристрій);
• - електромагнітна потужність двигуна (корисна потужність);
• - механічна потужність сил опору, що перешкоджають руху системи.

інформаційний параметр обраний корисна електромагнітна потужність та ж система (2) з лівою частиною, що цікавить, рівнянь):

Розглянемо поводження робочого тіла у вогнищі деформації між двома волочильними барабанами. Візьмемо наприклад 2 барабани, схематично зображених на рисунку 3.

Рисунок 3. Взаємодія робочого тіла з деформуючим інструментом.

Момент пружного зв'язку в міжбарабанному проміжку (МБП) визначається як інтеграл різниці швидкостей приводів за часом з урахуванням коефіцієнта пружного зв'язку між приводами.

Об'єднавши математичну модель приводу барабанів і модель робочого тіла, ми одержуємо залежності для швидкості обертання й струму якоря по каналах керування й збурювання. Застосувавши до отриманої системи перетворення Лапласа, одержуємо передатні функції по каналах керування й збурювання. Тепер, використовуючи прикладний пакет Matlab Sіmulіnk, можна одержати перехідні процеси, а також побачити деформацію робочого тіла в МБП.

Нагору

Віртуальні моделі САУ приводним двигуном (перал. і посл. схеми.)

Побудуємо структурну схему двохзв‘язной електромеханічної системи (ЕМС) з послідовним з'єднанням якорів двигунів (рис.4)

Рисунок 4 - Структурна схема математичної моделі двохзв‘язної ЕМС із послідовним з'єднанням якорів двигунів.

Порівняльний аналіз перехідних процесів у системах здійснюється при однакових номінальних параметрах двигунів, власних моментах навантажень і параметрах ПІ-регуляторів.

Рисунок 5 - Перехідні процеси двохзв‘язной ЕМС із послідовним з'єднанням якорів двигунів (2 карт., беск. цикл).

Рисунок 6 - Перехідні процеси двохзв‘язної ЕМС, регульованої по потужностях (2 карт., беск. цикл).

Із графіків видно, що система, регульована по електромеханічних потужностях, має кращі показники якості: менша кількість коливань і час установлення. Це обумовлено тим, що електромеханічні постійні часу ЕМС по потужностях значно менше, ніж ті ж постійні часу послідовної ЕМС.[3]

Далі розглянемо схему паралельного з'єднання якорів приводних електродвигунів. Модель представлена на рисунку 7. У якості уставки подаємо напругу, що відповідає якоїсь номінальної потужності. Порушенням є східчаста функція зміни моменту навантаження на валу, у сталому стані, що має деяку номінальну величину.

Рисунок 7 - Структурна схема математичної моделі двохзв‘язної ЕМС с паралельним з'єднанням якорів двигунів.

Моделювання структурної схеми (рис.7) здійснювалося за допомогою пакета прикладних програм Matlab - Sіmulіnk 5.2, перехідні процеси представлені на рисунку 8. З метою порівняльного аналізу нижче наведені перехідні процеси (рис.9) швидкостей обертання двигунів і моменту пружного зв'язку між приводами, отримані в результаті моделювання двохзв‘язної ЕМС по потужностях.

Порівняльний аналіз перехідних процесів у системах здійснюється при однакових номінальних параметрах двигунів, власних моментах навантажень і параметрах ПI-регуляторів.

Рисунок 8 - Перехідні процеси двохзв‘язной ЕМС із паралельним з'єднанням якорів двигунів (2 карт., беск. цикл).

Рисунок 9 - Перехідні процеси двохзв‘язной ЕМС, регульованої по потужностях (2 карт., беск. цикл).

Отримані в результаті моделювання перехідні процеси моменту пружного зв'язку й швидкостей обертання двигунів підтверджують теоретичний доказ того, що способи керування волочильними станами виробництва зварювального ПД наближені до керування по потужностях.

Нагору

Очікувані результати.

У результаті виконання магістерської роботи передбачається одержати більш докладний аналіз параметрів процесу при використанні різних схем включення приводів барабанів. Буде проведений порівняльний аналіз характеристик з характеристиками, отриманими при дослідженні виробництва ПД для металургійних розплавів на профілезгинальному стані. У результаті буде зроблений загальний висновок про те, що дані процеси в дійсності є родинними, і методика управління ( що використає у вигляді основного параметра електромеханічну потужність) застосовна при виробництві зварювального порошкового дроту.

Також передбачається зробити розрахунок економічної ефективності проекту після впровадження нової системи управління. Технічна реалізація даної СУ, заснована на використанні останніх технологій в області автоматики, була зроблена поза рамками даної магістерської роботи, але прийнята, як відповідна всім пунктам поставленого завдання[5].

Нагору

Список літератури.

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.