автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Анализ и оптимизация ресурсосберегающих режимов управляемых электротехнических комплексов текстильного оборудования

Г-ч •

На правах рукописи

УДК 681.53: 677.052 - 83 (043.3)

// у ПОЛЯКОВ Кирилл Анатольевич

АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕ СУР СО СБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ УПРАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ТЕКСТИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность: 05.09.03. - "Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование"

АВТОРЕФЕРАТ

•диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

к

Москва - 1998

Работа выполнена в Московской государственной текстильной академии им. А.Н. Косыгина.

Научный руководитель , доктор технических наук,

профессор

Петелин Д. П.

Официальные оппоненты доктор технических наук, .

профессор Кольниченко Г.И.

кандидат технических наук, доцент

Соловьев В.А.

Ведущая организация - акционерное торгово-

промышленное предприятие

'Болшевский текстиль".

Защита состоится О " ^¿иал^я 1998 г. в 2_ часов на заседании диссертационного совета К 053.25.08 в Московской государственной текстильной академии им. А. Н. Косыгина по адресу: 117918, Москва, М.Калужская, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской государственной текстильной академии им. А.Н.Косыгина;

Автореферат разослан М*ЗД^Д^ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент — I [ Жмакин Л.И.

N

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. До настоящего времени недостаточно полно исследованы процессы и узлы формирования, транспортирования и наматывания волокнистых материалов на рогульчатых ровничных машинах (РМ), на кольцевых прядильных и крутильных машинах, на прядильных машинах (ПМ) для производства текстильных нитей и нитей из химических волокон. Не выявлено в достаточной мере влияние физико-механических свойств перерабатываемых волокон на процесс формирования и показатели качества получаемых продуктов переработки. Недостаточно изучены динамические свойства основных звеньев электромеханических систем (ЭМС) перечисленных машин, не разработаны научно обоснованные критерии и методы оптимизации скоростных режимов рабочих органов узлов и механизмов. Не сформулированы в полном объеме требования к электроприводу (ЭП) рабочих органов указанных машин, не выявлена их оптимальная структура, не разработаны устройства, с помощью которых можно осуществлять оптимизацию управления скоростными режимами узлов и зон формирования и наматывания волокнистых материалов, не рассмотрены в достаточной степени ресурсосберегающие режимы.

Исследование перечисленных вопросов вызывает необходимость решения задачи анализа и оптимизации ресурсосберегающих режимов работы управляемого энергоемкого текстильного оборудования.

Тематика работы соответствует планам научно-исследовательских работ кафедры автоматики и промышленной электроники МГТА им.А.Н. Косыгина. Работа проводилась в соответствии с Постановлением Совета Министров РФ "Об улучшении использования сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов в период до 2005 г.".

Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка методики решения общей задачи оптимизации управляемых электротехнических комплексов текстильного оборудования с учетом рациональных скоростных режимов, экономичности и быстродействия.

В исследуемой задаче статической оптимизации скоростных режимов управления ЭМС различают две существенно отличные постановки. Первая из них относится к задаче стабилизации скоростных режимов, в которой исследуется поведение технологического объекта в установившемся режиме. Вторая относится к процессам управления, в которых рабочий механизм переводится из одного режима в другой, при условии достижения максимума (минимума) заданного критерия качества.

Решение задачи динамической оптимизации ставит своей целью определение оптимальных законов управления скоростными режимами рабочих органов машин прядильного производства при изменении во времени технологических параметров, определяющих основные показатели качества вырабатываемой продукции. Такая задача

/

возникает при выборе рациональных законов управления скоростными режимами крутильно-мотального механизма (КММ) РМ при изменении радиуса наматывания паковок во время наработки слоя, а также при пуске и торможении машины.

Поставленная задача статической оптимизации сведена к анализу режима и выбору его оптимальных параметров, задача динамической оптимизации ставила своей целью нахождение закона управления в функции времени, изменения технологических и энергетических параметров или координат управляемой системы.

Поставленная цель включает в себя решение следующих задач:

1. Постановку и решение задач статической оптимизации скоростных режимов работы текстильных машин при использовании энергетических критериев оптимизации и при наличии жестких ограничений на использование энергетических ресурсов.

2. Разработку математических моделей, описывающих режимы работы технологического оборудования с учетом его энергетических и технологических характеристик.

3. Установление численных и функциональных зависимостей между технологическими и энергетическими показателями.

4. Функциональное построение и анализ динамики однодвигате-льного ЭП РМ с механическим дифференциалом и коноидным вариатором скорости при управлении специальными режимами от микропроцессорного регулятора напряжения.

5. Анализ и синтез разработанного децентрализованного электротехнического комплекса РМ с цифро-аналоговой системой управления скоростными режимами.

6. Моделирование и исследование процессов намотки волокнистых материалов при различных алгоритмах управления приемным валом КММ.

7. Разработку технических решений по использованию микропроцессорных средств для управления скоростными режимами транспортирования, формирования и наматывания волокнистых материалов.

На защиту выносятся:

1. Методы выбора и расчета рациональных скоростных режимов

знергоемкого текстильного оборудования и оптимальных алгоритмов его управления.

2. Математические модели управляемых электротехнических комплексов, реализующих связанное регулирование энергетических и технологических параметров.

3. Структурная и функциональная схемы автоматизированного электротехнического комплекса РМ с цифро-аналоговой системой управления скоростными режимами.

4. Алгоритмы управления скоростными режимами РМ.

5. Технические решения на базе многофункционального микропроцессорного регулятора напряжения и комплектных тиристорных ЭП постоянного и переменного тока, реализующих оптимальные режимы управления.

6. Результаты моделирования и экспериментов.

Методика проведения исследований. Работа содержит теоретические и экспериментальные исследования, проведенные современными математическими и инструментальными методами. Теоретические исследования основывались на современных методах теории автоматического управления, теории автоматизированного ЭП. При построении математических моделей процессов применялись методы экспериментальной идентификации технологических параметров с использованием аппроксимирующих уравнений.

Моделирование и обработка данных исследований, расчеты при анализе и синтезе систем управления проводились с использованием ПЭВМ по разработанным автором программам и физической модели системы.

Научная новизна работы состоит в разработке новой двухдвига-тельной структуры ЭМС "управления с КММ, реализующей связанное регулирование технологических параметров наматывания на базе микропроцессорной техники и комплектных ЭП постоянного и переменного тока. Предложена методика оптимизации основных технологических параметров энергоемкого оборудования.

Новизна предложенных принципов построения управляемых электротехнических комплексов с КММ подтверждена свидетельством на полезную модель.

Достоверность результатов работы подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных исследований методом физического и математического моделирования, а также результатами производственных испытаний систем управления процессом наматывания волокнистых материалов в условиях производства фирмы "Купавна". Научные решения диссертации обоснованы и ар-

гументированы в рамках принятых допущений с математической точки зрения и практической эксплуатации электротехнических комплексов.

Практическая ценность работы. Предложенные методы анализа и расчета оптимальных энергетических и технологических режимов, реализуемых энергосберегающими комплектными ЭП постоянного и переменного тока и многофункциональным микропроцессорным регулятором напряжения обеспечивают эффективность технологического оборудования.

Реализация оптимальных режимов работы оборудования позволит осуществить повышение производительности, улучшение качественных показателей продуктов прядения, рациональное использование, нормирование и экономию энергоресурсов в процессе ее потребления энергоемким технологическим оборудованием.

Результаты работы использованы в учебном процессе и при подготовке учебных и методических пособий для студентов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийских научно-технических конференциях (1997 - МГТА, 1997 - МЭИ, 1997 - Иваново), Международной научно-технической конференции (1998 - Иваново), на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава МГТА им. А.Н.Косыгина.

Результаты работы отмечены дипломом Государственного комитета РФ по высшему образованию по итогам открытого конкурса 1995 года на лучшую научную студенческую работу, дипломом и медалью Всероссийского конкурса молодых ученых в 1996 году.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, получено свидетельство' на полезную модель.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 85 наименований, 3 таблиц, 32 иллюстраций, 4 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение. Изложена проблема статической и динамической оптимизации скоростных режимов управляемых электротехнических комплексов (УЭТК) с КММ, обеспечивающих заданный процесс формирования и наматывания волокнистого продукта и химических нитей на паковки, повышение производительности и улучшение качественных показателей вырабатываемой продукции, рациональное использование, нормирование и экономию энергоресурсов. Отмечена актуальность,

рованного контура регулирования частоты вращения ПВ в виде Wc(z) = Wp(z)'Wy(z) = (b3z3 - b2z2-t- blZ+b0)/(z4 - a3z3 + a2z2 - alZ+a0), (1) где Wp(z), Wy(z.) - ПФ разомкнутого контура ЦАЭП и замкнутого контура, определяющего влияние упругости механической передачи в динамическом режиме; a¡ и b¡ - коэффициенты знаменателя и числителя.

Для системы автоматического управления процессом наматывания ровницы на паковки условиями оптимальности являются минимум времени переходного процесса и нулевая установившаяся ошибка выхода системы при переходе к намотке очередного слоя ровницы, т.е. при изменении частоты вращения ПВ. В качестве возмущающих воздействий приняты скачок скорости при срабатывании ХМ замка и ступен-' чатая функция при колебаниях питающего напряжения (U).

Анализируется структурная схема импульсной САР частоты вращения ПВ с цифровой коррекцией и упругой связью 1ог° рода (рис. 2). Система скорректирована посредством цифрового регулятора D(z) для получения максимального быстродействия и нулевой установившейся ошибки в дискретные моменты времени при возмущающих воздействиях.

Уравнение (1) при введении цифрового корректирующего устройства D(z) в разомкнутую систему и при воздействии на ее вход"линейно-нарастающей функции и единичного ступенчатого воздействия примет следующий вид:

W<c1p(z)=Wc(z)D1(z); ' (2)

WKc2p(z) = Wc(z)D2(z). (3)

Исследование динамических свойств.осуществлялось методом билинейного преобразования по логарифмическим частотным характеристикам разомкнутой САР ПВ с использованием разработанной программы для ПЭВМ. Для каждой из характеристик определены запасы устойчивости по амплитуде и фазе.

При вычислении нескольких первых значений выходной последовательности использован метод разложения в степенной ряд с помощью последовательного деления и обратного z-преобразования.

Z-преобразование выхода скорректированной системы при воздействии на ее вход линейно-нарастающей и ступенчатой 'функции определено в виде

C^z) = R(z)WK0ip(z)/[1 + WKcip(z)]; (4)

C2(z) = z-1/(1 - r1) = Z"1 + z-2 + Z"3 + z-4 +... (5)

Коэффициенты данного ряда представляют собой значения выхода

ропривода (ЦАЭП).

Осуществлено экспериментально-теоретическое моделирование процессов в разработанной динамической модели двухдвигательного ЦАЭП, схема которого представлена на рис.1.

Исследуемая цифро-аналоговая система представлена системой двух разнородных уравнений. Первая группа - это система обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих переходные процессы непрерывной части двухдвигательного ЭП, работающего в следящем режиме. Вторая группа представляет собой систему разностных уравнений, описывающих работу дискретных элементов и алгоритмов управления, реализуемых в- цифровых вычислительных устройствах. Единое представление указанных частей модели получено с помощью г-преобразования и связанного с ним билинейного преобразования.

Расчет переходных процессов пуска и торможения вспомогательного двигателя постоянного тока (ДПТ), работающего в следящем режиме с АД, осуществлялся путем совместного решения дифференциальных уравнений движения главного (ГВ) и приемного (ПВ) валов, уравнений описывающих динамику гибкой передачи (ГП) между АД и ГВ, электромагнитные процессы в АД и динамику регулируемого ЭП. постоянного тока.

Полученная система уравнений является нелинейной и решена путем численного интегрирования методом Рунге-Кутта при различных диаметрах наматывания и колебаниях питающего напряжения. Установлено влияние деформации ГП и электромагнитных процессов в АД на рассогласование V, и Уз, приводящее к натяжению или провисанию ровницы в установившихся и переходных режимах.

В Схеме ЦАЭП РМ микроЭВМ используется как программное задающее устройство и часть контура управления ПВ, при этом микроЭВМ получает импульсы обратной связи, которые являются управляющими для реализации скоростных режимов наматывания ровницы на паковки. ;

Составлена структурная схема контура цифрового управления ПВ. Получена передаточная функция дискретной системы и проведен анализ ее динамических свойств.

Дано математическое описание процессов в системе автоматического регулирования (САР) ПВ РМ с учетом упругости механической части привода.

Получена передаточная функция (ПФ) прямого канала нескорректи-

раммное выполнение технологического процесса.

Для повышения статической и динамической точности управления РМ предложена функциональная схема системы автоматического управления перемещением ремня по коноидам. Проведен анализ переходных процессов в моменты переключения храпового механизма (ХМ) замка методом гармонической линеаризации. Рассчитан годограф, позволяющий приближенно оценивать устойчивость периодических решений и устойчивость положения равновесия системы.

Глава 3. Исследование статических и динамических режимов однодвигательного электропривода ровничной машины.

Предложено математическое описание электромеханических процессов привода РМ, позволяющее осуществлять анализ статических и динамических характеристик рабочих органов при различных стадиях наматывания ровницы и колебаниях напряжения питающей сети.

При исследовании динамических режимов установлена взаимосвязь между электромеханическими и технологическими факторами и их влияние на скоростные режимы КММ.

Проведено поэтапное исследование статических и динамических режимов электромеханической системы с учетом деформаций гибких звеньев коноидной передачи (КП); электромеханической инерции приводного асинхронного электродвигателя (АД); электромагнитных процессов в АД; упругости механических передач, связанных с главным валом; крутки и относительного удлинения волокнистого материала в свободной зоне. Выявлено влияние каждого из указанных факторов на процесс формирования и наматывания ровницы на паковки. Наиболее существенное влияние оказывают электромагнитные переходные процессы в АД при пуске.

Установлено, что деформация гибких связей КП, электромагнитные процессы в АД, упругие свойства ровницы в переходных режимах сглаживают; а в отдельных случаях стабилизируют колебания линейных скоростей выпуска ровницы (V-)) из вытяжных приборов (ВП), намотки ее (Уг) на КТ, рассогласования указанных скоростей и вытяжки ровницы (Е) в свободной зоне.

Глава 4. Разработка и исследование децентрализованного электротехнического комплекса ровничной машины.

С целью совершенствования процесса наматывания ровницы на паковки и модернизации централизованного ЭП рогульчатой РМ предложена функциональная схема тиристорного цифро-аналогового элект-

новизна и практическая ценность диссертационной работы.

Глава 1. Постановка и решение задач статической оптимизации скоростных режимов электротехнических комплексов текстильного оборудования.

Проведена постановка задач оптимизации скоростных режимов работы энергоемкого технологического оборудования при использовании энергетических и технологических критериев и наличии ограничений на использование материальных и энергетических'ресурсов.

Разработана система положений и методов математического описания режимов работы энергоемкого оборудования для предприятий с разветвленной структурой технологического процесса, учитывающая затраты материальных и энергетических ресурсов.

Предложен алгоритм статической оптимизации скоростных режимов кольцепрядильной машины."

Глава 2. Постановка задачи динамической оптимизации скоростных режимов электротехнического комплекса рогульчатой ровничной машины для гребенного прядения шерсти.

Решение задач динамической оптимизации ставило целью определение оптимальных законов управления скоростными режимами УЭТК с КММ при изменении технологических параметров, определяющих основные показатели качества вырабатываемой продукции.

Проведено математическое описание и выявлены особенности процесса формирования и транспортирования волокнистых материалов в свободной зоне деформации, определены параметры оценки качества намотки при программном управлении КММ РМ. Систематизировано и уточнено описание взаимосвязи известных условий наматывания ровницы на паковки со скоростными режимами рабочих органов. Для определения требований к ЭП РМ и решения задач динамической оптимизации скоростных режимов проведен анализ и оценка физико-механических свойств ровницы. Экспериментально определены зависимости частоты вращения катушек' (КТ) от диаметра наматывания для различных ассортиментов с целью разработки алгоритма и программы оптимального управления ЭП.

Предложены функциональная и структурная схемы усовершенствованного способа управления процессом наматывания ровницы на КТ, проведено математическое описание и моделирование двухканальной-системы управления скоростными режимами, обеспечивающей прог-

1 en

гО-ü—í

ДПТ I"—

УМ

rt_„

Микро

ЭВМ

1. 1 и»

ВР, КР, ДФ, 11, УМ, ДЧ1, ДЧ2 - веретена, каретка, дифференциал, передаточные отношения, усилитель мощности, датчики частоты вращения АД и ДПТ.

Рис.1. Схема двухдвигательного цифро-аналогового электропривода рогульчатой ровничной машины

,Е*(Р) R(P)

D(z) уЩ "*(P)

I--¡ /1

и(р)

Wy-(P)

WA(p)

Wy (р)

с (р;

W*n(p) —

Cu(p)

V/о(р), Wyu(p), We(p), W«n(p) - передаточные функции фиксатора нулевого порядка с цифро-аналоговым преобразователем, усилителя мощности, ДПТ, датчика положения ХМ замка.

Рис.2. Структурная схема импульсной САР с цифровой коррекцией и упругой связью 1°г° рода

• -12-

системы в дискретные моменты времени. Выходная последовательность устанавливается соответственно за два и за один периоды прерывания. Обратное z-преобразование дает

c*,(t) = 2S(t-T) + 3S(t-2T) + 46(t-3T) + 5S(t-4T) + 5.8S(t-5T) + 6.68(t-6T) + -t 7,45(t-7T) + 8.2S(t-8T) + 9.66(t-9T) + 125(t-10T) +...; (6)

c*2(t) = S(t - T) + 5(t - 2T) + 6(t - 3T) + S(t - 4T) + ... . (7)

Анализ выходных последовательностей системы показал, что скорректированная система является оптимальной при выбранных входных. воздействиях.

Полный переходный процесс в любой момент времени определялся с помощью метода модифицированного z-преобразования.

Для получения модифицированного z-преобразования • выхода системы

С3, 4(z, m) = R(z) D3, 4(z) Wp(z,m)/[1 + D3, 4(z) Wp(z)], (8)

где R(z) - z-преобразование входа,

составлена программа для ПЭВМ. Коэффициент при z_1 разложения c3,4(z.m) в степенной ряд определяет значение реакции системы в момент t = mT. Следовательно, при изменении значения параметра m от О до 1 коэффициенты степенного ряда полностью определяют реакцию системы.

Расчеты показали, что при входном.линейно-нарастающем воздействии на выходе системы имеются незначительные пульсации, свойственные импульсным САР, обладающим минимальным временем переходного процесса. При ступенчатом входном воздействии имеется /

допустимое перерегулирование до 15%.

При исследовании ЦАЭП получены дискретные ПФ неизменяемой части и контура положения храпового механизма (КПХМ) и их дискретные частотные характеристики в области псевдочастоты.

Показано, что в случае пренебрежения упруговязкими свойствами КММ, целесообразно использование в КПХМ компенсационного регулятора последовательного типа. Проведен синтез компенсационного регулятора по характеристике контура регулирования в периоды перехода к наматыванию очередного слоя ровницы, задаваемой в виде стандартной биноминальной формы, обеспечивающей заданное распределение полюсов характеристического уравнения.

Исследование устойчивости КПХМ осуществлялось способом представления частотных характеристик в виде амплитудно-фазовой диаг-

раммы.

Переходный процесс в КПХМ в моменты позиционирования определен с помощью обратного г-преобразования с использованием разложения в ряд по степеням г*1 изображения выходной величины См(г) -угла поворота 1М,, измерительного преобразователя.

Глава 5. Реализация разработанных положений и научно-технических рекомендаций анализа и оптимизации ресурсосберегающих режимов управляемых электротехнических комплексов технологического оборудования.

Согласно предложенной методики выбора рациональных энергосберегающих режимов работы технологического оборудования осуществлено решение задачи статической оптимизации скоростных режимов кольцепрядильной машины П-114Ш. По разработанной программе проведены расчеты по критерию - минимальное потребление электроэнергии для обеспечения выпуска продукции заданного количества и качества, установившие, что зависимость удельного расхода электроэнергии от скоростных режимов носит нелинейный характер, близкий к параболическому виду с явно выраженным экстремумом, соответствующим минимальному удельному расходу электроэнергии.

Для решения задач динамической оптимизации изготовлен и испытан макет электропривода РМ. Осуществлено экспериментальное моделирование двухдвигательного ЭП РМ с использованием многофункционального микропроцессорного регулятора напряжения (МРН). Экспериментально определена, возможность коррекции пусковых и тормозных режимов АД, работающего в режиме слежения с ДПТ, с целью согласования линейных скоростей выпуска и намотки рсвницы на катушки. Установлено, что исследуемый МРН обеспечивает расчетное снижение потерь в АД при допустимом уровне высших гармоник и при величинах недогрузки двигателя, характерных для прядильных и ровничных машин. Проведено исследование влияния гармонических составляющих МРН на ЭП с целью учета дополнительных потерь от высших гармоник.

Приложения. . Приводятся расчетные уравнения, тексты программ; рисунки, графики и таблицы экспериментальных данных; акт испытаний, свидетельства и дипломы, подтверждающие практическую и теоретическую значимость полученных результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненных исследований и разработок свидетельствуют о достижении поставленной цели диссертационной работы.

1. Проведены постановка и решение задач статической оптимиза-

ции скоростных режимов работы текстильного оборудования при использовании энергетических и технологических критериев и наличии жестких ограничений на использование материальных и энергетических ресурсов. Разработана система научных положений и методов математического описания энергосберегающих режимов работы технологического оборудования.

2. Для определения требований к электроприводу ровничной машины и решения задач динамической оптимизации проведены анализ скоростных режимов наматывания и оценка физико-механических свойств ровницы, позволившие получить предельные значения вытяжки ровницы в свободной зоне при различных заправочных параметрах.

Предложены функциональная и структурная схемы усовершенствованного способа управления процессом намотки крученой ровницы на катушки. Дано математическое описание и проведено моделирование двухканальной системы управления скоростными режимами, обеспечивающими программное выполнение технологического процесса.

Осуществлены анализ переходных процессов и расчет устойчивости предложенной системы автоматического управления перемещением ремня по коноидам в моменты переключения храпового механизма замка.

3. Проведено исследование статических и динамических режимов традиционной электромеханической системы ровничной машины с учетом деформаций гибких звеньев коноидной передачи, электромеханической инерции и электромагнитных процессов в асинхронном двигателе, упругости механической передачи, связанной с главным валом, крутки и относительного удлинения волокнистого материала в свободной зоне. Установлено, что деформация гибких связей коноидной передачи, электромагнитные процессы в асинхронном двигателе, упругие свойства шерстяной ровницы в переходных режимах сглаживают, а в отдельных случаях стабилизируют колебания частот вращения органов крутильно-мотального механизма.

На рснове анализа теоретических и экспериментальных данных по исследованию однодвигательного электропривода с механическим вариатором скорости показана необходимость создания цифро-аналоговой системы управления процессом наматывания ровницы на паковки, обеспечивающей повышение производительности и качественных показателей волокнистого продукта.

4. Разработана функциональная схема двухдвигательнсго тирис-торного цифро-аналогового электропривода, обеспечивающего повышение статической и динамической точности регулирования скоростных режимов.

Разработана динамическая модель цифро-аналоговой системы управляемого двухдвигательного электропривода ровничной машины и осуществлено экспериментально-теоретическое моделирование процессов в системе. Дано математическое описание процессов в системе автоматического регулирования приемным валом ровничной машины с учетом упругости механической части привода при максимальном быстродействии, нулевой установившейся ошибке и типовых воздействиях.

5. Осуществлено экспериментальное моделирование управляемого двухдвигательного электротехнического комплекса ровничной машины с использованием многофункционального микропроцессорного регулятора напряжения. Проведено исследование влияния гармонических составляющих регулятора на главный электропривод с целью учета дополнительных потерь от высших гармоник. Установлено, что исследуемый регулятор обеспечивает расчетное снижение потерь в асинхронном двигателе при допустимом уровне высших гармоник и при величинах недогрузки двигателя, характерных для прядильных и ровничных машин.

Экспериментально определена возможность коррекции специальных режимов асинхронного электродвигателя, работающего в режиме слежения со вспомогательным электроприводом постоянного тока, для согласования линейных скоростей выпуска ровницы из вытяжных приборов и намотки ее на катушки. Получены результаты по экспериментальному исследованию предлагаемых энергосберегающих алгоритмов управления ровничной машиной, которые позволяют сделать заключение об адекватности описанных методов и возможности их практического применения.

Основное содержание работы отражено в публикациях:

1. .Поляков А.Е., Поляков К.А. Выбор рациональных энергосберегающих режимов работы технологического оборудования. //Изв.вузов.Тех-нология текстильной промышленности. - 1995. -N 3. - С. 113-116.

2. Поляков А. Е., Поляков К.А. Выбор метода решения задач оптимизации скоростных-режимов технологического оборудования. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности,- 1995. - N 5. - С. 3-6.

3. Поляков А.Е Васильев В.К., Поляков К.А. Анализ динамики привода ровничной машины.// Изв.вузов.Технология текстильной промышленности. - 1997,- N 1. - С. 95-99.

4. Поляков К.А., Поляков А.Е., Саюшкина О.Д. Технические решения, направленные на модернизацию электропривода текстильного оборудования. /'/ Текстильная промышленность.-1997. - N 3. - С. 28-30.

5. Поляков К.А., Поляков А.Е. Факторы, влияющие на скоростные режимы ровничной машины для гребенного прядения шерсти.

-16// Текстильная промышленность. - 1997. - N 5. - С. 18-20.

■ 6. Поляков А.Е., Поляков К.А. Система положений, направленных на эффективное использование энергоресурсов на предприятиях текстильной промышленности. - М.: Вестник МГТА, 1997,- С 112-116.

7. Поляков К.А. Анализ динамических режимов управляемых электротехнических комплексов с крутильно мотальными механизмами. // Всероссийская научно-техническая конференция "Электротехнические комплексы автономных объектов - ЭКАО-97": Тез. докл. - М.: Московский энергетический институт, 1997. - С. 89 - 90.

8. Поляков К.А. Децентрализованный электропривод ровничной машины. // Всероссийская научно-техническая конференция "СЬвремен-ные технологии текстильной промышленности" (Текстиль-97): Тез. докл. - М.: МГТА, 1997. - С. 64 - 65.

9. Поляков К. А. Анализ динамической модели двухдвигательного электропривода ровничной машины. / Сборник научных трудов, выполненных по итогам конкурса грантов молодых ученых. - М.: МГТА, 1998. - С. 25-30.

10. Поляков К.А. Разработка способа управления крутильно-мота-льным механизмом типового текстильного объекта. /Межвузовский сборник научных Ypyдoв молодых исследователей "Актуальные проблемы развития текстильной промышленности".-М.:МГТА, 1998.- С.122-127.

11. Поляков К.А., Петелин Д.П. Влияние динамических режимов на процесс формирования крученой ровницы.// Изв.вузов.Технология текстильной промышленности. - 1998. - N 1. - С.81-84.

12. Поляков К. А. Устройство" для управления электроприводом. Свидетельство' на полезную модель N 5896. Заявка N 96122326/20 (028947) от 20.11.96. Опубл. 16.01.98. Бюл. N 1.

13. Поляков К.А. Двухдвигательный цифро-аналоговый электропривод рогульчатой ровничной машины.//Международная научно-техническая конференция "Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности" (ПРОГРЕСС-98): Тез. докл. - Иваново: ИГТА, 1998. - С.399-400.

ЛР N 020753 от 23.04.98

—(.---

Подписано в печать 15.10.98 Сдано в производство 19.10.98 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ.

Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 0,75 Заказ 306 Тираж 80 \

Электронный набор, МГТА, 117918, Малая Калужская, 1.

/ Л * ^ г— /

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕКСТИЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

им. А. Н. КОСЫГИНА

На правах рукописи ] УДК 681.53: 677.052 - 83 (043.3)

ПОЛЯКОВ Кирилл Анатольевич

АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ УПРАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ТЕКСТИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность: 05.09.03. - "Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор ПЕТЕЛИН Д. П.

МОСКВА - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение....................................................................................................

Глава 1. ПОСТАНОВКА И РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ СТАТИЧЕСКОЙ

ОПТИМИЗАЦИИ СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ТЕКСТИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ....................10

1.1. Постановка задач оптимизации скоростных режимов работы управляемого текстильного оборудования.......................................... 10

1.2. Определение оптимальных ресурсосберегающих режимов работы управляемого технологического оборудования в условиях приготовительно-прядильного производства................................................... 13

Глава 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ

СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА РОГУЛЬЧАТОЙ РОВНИЧНОЙ МАШИНЫ

ДЛЯ ГРЕБЕННОГО ПРЯДЕНИЯ ШЕРСТИ............................. 19

2.1. Особенности процесса транспортирования и наматывания волокнистых материалов на технологическом оборудовании..................... 19

2.2. Условия наматывания ровницы на паковки и взаимосвязь их со скоростными режимами рабочих органов....................................... 27

2.3. Анализ и оценка физико-механических свойств волокнистого материла в процессе формирования ровницы и намотки ее на катушки..... 29

2.4. Экспериментальное определение основного закона управления кру-тильно-мотальным механизмом.......................................................

2.5. Исследование двухканальной автоматической системы регулирования частоты вращения крутильно-мотального механизма............. 33

2.6. Исследование управляющего устройства электромеханического комп-

лекса ровничной машины........................................................

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ОДНОДВИГАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА РОВНИЧНОЙ МАШИНЫ...................................................

3.1. Исследование динамических характеристик электропривода с диф ференциалом и механическим вариатором скорости при учете деформаций гибких связей в кинематических передачах................49

3.2. Влияние электромагнитных процессов в асинхронном электроприводе при анализе динамических режимов работы...................... 53

3.3. Расчет переходных процессов электромеханической системы с учетом упругости механических звеньев главного вала.................... 60

3.4. Анализ динамики крутильно-мотального механизма с учетом деформации волокнистого материала в свободной зоне............... 62

Глава 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛВДОВАНИЕ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА РОВНИЧНОЙ МАШИНЫ..®7

4.1. Разработка структуры и выбор функциональных элементов двух-двигательного электропривода ровничной машины с микропроцессорным управлением.........................................................................

4.2. Анализ динамической модели двухдвигательного электропривода ровничной машины.......................................................................... 73

4-2-1. Исследование непрерывной части электропривода.................... 73

4-2-2. Влияние упругости механической части приемного вала на динамические характеристики цифро-аналогового электропривода ровничной машины............................................................................... 84

4-2-3. Исследование системы вспомогательного электропривода ров-

ничной машины с максимальным быстродействием и нулевой установившейся ошибкой.................................................................. 88

4.3. Математическое описание и синтез контура регулирования частоты вращения приемного вала цифро-аналогового электропривода.......98

Глава 5. РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ АНАЛИЗА И ОПТИМИЗАЦИИ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМОВ УПРАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ........................................................................108

5.1. Решение задачи статической оптимизации скоростных режимов энергоемкого текстильного объекта......................................................ЮЗ

5.2. Реализация энергосберегающих режимов на прядильной машине П-114Ш с использованием комплектного электропривода серии КПЭ.Т13

5.3. Макетная реализация электропривода ровничной машины с микро-

117

процессорным управлением.............................................................

5.3.1. Характеристики специальных режимов энергоемкого текстильного оборудования.................................................................................. ^ ^

5.3.2. Экспериментальное моделирование управляемого электротехнического комплекса ровничной машины на базе многофункционального микропроцессорного регулятора напряжения МРН ООО...............^3

5.3.3. Оценка гармонического состава токов при использовании многофункционального микропроцессорного регулятора напряжения МРН ООО для управления асинхронным приводом......................

Заключение...................................................................................... ^0

1ДО

Библиографический список использованной литературы............ °

Приложения...................................................................................... 150

ВВЕДЕНИЕ

Обшая характеристика работы. До настоящего времени недостаточно полно исследованы процессы и узлы формирования, транспортирования И наматывания волокнистых материалов на рогульчатых ровничных машинах (РМ), на кольцевых прядильных и крутильных машинах, на прядильных машинах (ПМ) для производства текстильных нитей и нитей из химических волокон. Не выявлено в достаточной мере влияние физико-механических свойств перерабатываемых волокон на процесс формирования и показатели качества получаемых продуктов переработки. Недостаточно изучены динамические свойства основных звеньев электромеханических систем (ЭМС) перечисленных машин, не разработаны научно обоснованные критерии и методы оптимизации скоростных режимов рабочих органов узлов и механизмов. Не сформулированы в полном объеме требования к электроприводу (ЭП) рабочих органов указанных машин, не выявлена их оптимальная структура, не разработаны устройства, с помощью которых можно осуществлять оптимизацию управления скоростными режимами узлов и зон формирования и наматывания волокнистых материалов, не рассмотрены в достаточной степени ресурсосберегающие режимы.

Исследование перечисленных вопросов вызывает необходимость решения задачи анализа и оптимизации ресурсосберегающих режимов работы управляемого энергоемкого текстильного оборудования.

Цель и залачи работы. Целью диссертации является разработка методики решения общей задачи оптимизации управляемых электротехнических комплексов текстильного оборудования с учетом рациональных скоростных режимов, экономичности и быстродействия.

В исследуемой задаче статической оптимизации скоростных режимов управления ЭМС различают две существенно отличные постановки. Первая из них относится к задаче стабилизации скоростных режимов, в

которой исследуется поведение технологического объекта в установившемся режиме. Вторая относится к процессам управления, в которых рабочий механизм переводится из одного режима в другой, при условии достижения максимума (минимума) заданного критерия качества.

Решение задачи динамической оптимизации ставит своей целью определение оптимальных законов управления скоростными режимами рабочих органов машин прядильного производства при изменении во времени технологических параметров, определяющих основные показатели качества вырабатываемой продукции. Такая задача возникает при выборе рациональных законов управления скоростными режимами крутиль-но-мотального механизма (КММ) РМ при изменении радиуса намотки паковок во время наработки слоя, а также при пуске и торможении машины.

Поставленная задача статической оптимизации сведена к анализу режима и выбору его оптимальных параметров, задача динамической оптимизации ставила своей целью нахождение закона управления в функции времени, изменения технологических и энергетических параметров или координат управляемой системы.

Поставленная цель включает в себя решение следующих задач:

1. Постановку и решение задач статической оптимизации скоростных режимов работы текстильных машин при использовании энергетических критериев оптимизации и при наличии жестких ограничений на использование энергетических ресурсов.

2. Разработку математических моделей, описывающих режимы работы технологического оборудования с учетом его энергетических и технологических характеристик.

3. Установление численных и функциональных зависимостей между технологическими и энергетическими показателями.

4. Функциональное построение и анализ динамики однодвигательно-

го ЭП РМ с механическим дифференциалом и коноидным вариатором скорости при управлении специальными режимами от микропроцессорного регулятора напряжения.

5. Анализ и синтез разработанного децентрализованного электротехнического комплекса РМ с цифро-аналоговой системой управления скоростными режимами.

6. Моделирование и исследование процессов намотки волокнистых материалов при различных алгоритмах управления приемным валом КММ.

7. Разработку технических решений по использованию микропроцессорных средств для управления скоростными режимами транспортирования, формирования и намотки волокнистых материалов.

На защиту выносятся:

1. Методы выбора и расчета рациональных скоростных режимов энергоемкого текстильного оборудования и оптимальных алгоритмов его управления.

2. Математические модели управляемых электротехнических комплексов, реализующих связанное регулирование энергетических и технологических параметров.

3. Структурная и функциональная схемы автоматизированного электротехнического комплекса РМ с цифро-аналоговой системой управления скоростными режимами.

4. Алгоритмы управления скоростными режимами РМ.

5. Технические решения на базе многофункционального микропроцессорного регулятора и комплектных тиристорных ЭП постоянного и переменного тока, реализующих оптимальные режимы управления.

6. Результаты моделирования и экспериментов.

Методика проведения исследований. Работа содержит теоретические и экспериментальные исследования, проведенные современными матема-

тическими и инструментальными методами. Теоретические исследования основывались на современных методах теории автоматического управления, теории автоматизированного ЭП. При построении математических моделей процессов применялись методы экспериментальной Идентификации технологических параметров с использованием аппроксимирующих уравнений.

Моделирование и обработка данных исследований, расчеты при анализе и синтезе систем управления проводились с использованием ПЭВМ по разработанным автором программам.

Научная новизна работы состоит в разработке новой двухдвигате-льной структуры ЭМС управления с КММ, реализующей связанное регулирование технологических параметров наматывания на базе микропроцессорной техники и комплектных ЭП постоянного и переменного тока. Предложена методика оптимизации основных технологических параметров энергоемкого технологического оборудования.

Новизна предложенных принципов построения управляемых электротехнических комплексов с КММ подтверждена свидетельством на полезную модель.

Достоверность результатов работы подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных исследований методом физического и математического моделирования, а также результатами производственных испытаний систем управления процессом намотки волокнистых материалов в условиях производства фирмы "Купавна". Научные решения диссертации обоснованы и аргументированы в рамках принятых допущений с математической точки зрения и практической эксплуатации электротехнических комплексов.

Практическая ценность работы. Предложенные методы анализа и расчета оптимальных энергетических и технологических режимов, реализуемых энергосберегающими комплектными электроприводами посто-

янного и переменного тока и многофункциональным микропроцессорным регулятором напряжения обеспечивают эффективность технологического оборудования.

Реализация оптимальных режимов работы оборудования позволит осуществить повышение производительности, улучшение качественных показателей продуктов прядения, рациональное использование, нормирование и экономию энергоресурсов в процессе ее потребления энергоемким технологическим оборудованием.

Результаты работы использованы в учебном процессе и при подготовке учебных и методических пособий для студентов.

Апообаиия работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийских научно-технических конференциях (1997 -МГТА, 1997 - МЭИ, 1997 - Иваново), Международной научно-технической конференции (1998 - Иваново), на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава МГТА им. А.Н.Косыгина.

Результаты работы отмечены дипломом Государственного комитета РФ по высшему образованию по итогам открытого конкурса 1995 года на лучшую научную студенческую работу, дипломом и медалью Всероссийского конкурса молодых ученых в 1996 году.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано печатных работ, получено свидетельство на полезную модель.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 85 наименований, 3 таблиц, 32 иллюстраций, 4 приложений.

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА И РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ СТАТИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ТЕКСТИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

1.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УПРАВЛЯЕМОГО ТЕКСТИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Рассмотрим математические модели, описывающие состояние работы технологического оборудования с учетом его энергетических характеристик и определим варианты постановки задач оптимизации скоростных режимов работы текстильных машин при использовании энергетических критериев оптимизации с учетом жестких ограничений на использование энергетических ресурсов.

Для математической постановки задач оптимизации скоростных режимов работы текстильных машин допустим, что на каждом технологическом переходе используется технологическое оборудование, работающее при заданных заправочных данных, которое можно заменить одной эквивалентной по производительности и затратам ресурсов машиной, тогда i-й номер машины будет соответствовать i-му технологическому переходу; из всех заправочных данных i-й эквивалентной машины скорость выпуска на ней выходной продукции Vjmk считаем варьируемым параметром; режим работы i-й эквивалентной машины при выработке m-го вида конечной продукции не изменяется в течение всего Tjm времени работы, т.е. Vjmi< = vim и Timk = T,m; на предприятии вырабатывается только один вид конечной продукции, что позволяет в дальнейшем изложении опустить индекс m у всех используемых величин; объем выпускаемой конечной продукции М задан, а ресурс времени Т; для каждой i-й машины ограничен величиной Ti3; диапазон изменения скорости Vj выпуска продукции на i-й эквивалентной машине изменяет-

ся от некоторого минимума до некоторого максимума ^тах, т. е. \/;т;п < V, < У|тах; число работающих машин в технологической цепочке на каждом переходе является неизменным и заданным.

С принятыми допущениями можно математически поставить несколько вариантов задач оптимизации в зависимости от критерия оптимизации.

Определить оптимальные скоростные ^опт режимы текстильных машин в технологической цепочке текстильного производства и оптимальное время Т,опт их работы, обеспечивающее требуемый объем Мэ выпуска заданного вида конечной продукции:

при минимальном расходе электроэнергии (ЭЭ) А

n

А = гтш Е А,; (1-1)

¡=1

А, = Р,Т(;

при наличии ограничений в виде балансовых уравнений связи для используемых материальных и трудовых ресурсов

= М; =МИВ г,

N

T3i = Б ТЗ,-,

¡=1

мы= М3 (1.2)

и изменяемой части себестоимости С единицы продукции [1]

$ = С(И)ВГ1 - сю(1 - В) + СггзТЗД"1 + СЭР(П|"1. (1.3)

Поставленная задача описывается уравнениями характеристик текстильных машин [2]

П1 = ПМ); Р, = Р,(У|); Т^ = ТЗ,М; * = К^), а также неравенствами

у!гшп ^ V) < У;тах; К(т|п < К( < К(тах; ]

В|тш <B¡ < В^ах; О < М0 < Мотах! Ь (1-4)

о < Т| < Т1тах * Ти,- О < T3i < Т3(тах; 0 < ТЗ < ТЗтах ; I Пi > О; ^ >0; А, > 0; Mi > 0; }

C¡ > 0; C¡0 > 0; CiT3 > 0; Сэ > 0; (1.5)

0 < CN < CNmax, (1.6)

где flj - производительность i-й машины, т/ч; P¡ - мощность, потребляемая i-й машиной, кВт; B¡ - коэффициент выхода полуфабриката на i-й машине; M¡_-j - объем полуфабриката н�