автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация виброплощадки для программного управления направлением и частотой колебаний уплотняемой бетонной смеси

На правах рукописи

БАСКАКОВ Алексей Викторович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ВИБРОПЛОШАДКИ ДЛЯ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЕМ И ЧАСТОТОЙ КОЛЕБАНИЙ УПЛОТНЯЕМОЙ БЕТОННОЙ СМЕСИ

Специальность 05.13.06 -Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидага технических наук

Самара - 2004

Диссертация выполнена на кафедре «Механизация, автоматизация и энергоснабжение строительства» Самарской государственной архитектурно-строительной академии.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ -

Доктор технических наук, профессор Галицков Станислав Яковлевич

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Доктор технических наук, профессор Лысов Владимир Ефимович

Кандидат технических наук, доцент Казаков Анатолий Алексеевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ -

АО НИИКерамзит (г.Самара)

Защита состоится 19 февраля 2004 года в. Ж часов на заседании диссертационного совета Д 212217.03 Самарского государственного технического университета в ауд. 28 (ул. Галактионовская, 141).

Ваши отзывы просим направлять в 2-х экземплярах по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, главный корпус Самарского государственного технического университета на имя ученого секретаря диссертационного совета. •

С содержанием диссертации можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: ул. Первомайская, 18.

Автореферат разослан м января 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.Г. Жиров

2004-4 3 25862_ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Отрасль производства строительных материалов предъявляет высокие требования х качеству бетонных и железобетонных изделий в условиях сокращения производственных затрат, времени технологического цикла. Решение этой задачи достижимо лишь при повышении экс-плутационных характеристик технологического оборудования путем применения в нем современных средств автоматизации. Качество бетонных изделий, и прежде всего - прочность, в значительной мере определяется характеристиками режима виброуплотнения бетонной смеси.

Широкая номенклатура бетонных и железобетонных изделий производится с использованием виброплощадок различающихся по конструкции стола, опор и типа вибровозбудителя. В них используются круговые, вертикальные или горизонтальные колебания, которые создаются, обычно, дебаланс-ными возбудителями. Анализ работ Десова А.Е., Агамирзян Л.С., Баженова Ю.М., Кунноса ГЛ., Сивко В.И., Гершберга О.А., Гусева Б.В., Зазимко В.Г., Совалова И.Г., Савинова О.А., Лаириновича Е.В., Борщевского А.А., Демино-ва А.Д., Крюкова Б.И., Морозова А.А. и др. авторов по исследованию динамики технологического процесса виброуплотнения в резонансных и зарезо-нансных режимах, с однонаправленными или многокомпонентными колебаниями показывает необходимость программного управления параметрами колебаний бетонной смеси во время этой технологической операции.

Применяемые в настоящее время способы и средства автоматизации виброплощадок не могут в полной мере обеспечить технологически необходимые режимы уплотнения, в частности в них невозможно изменять в процессе уплотнения направление колебаний. Это объясняется тем, что известные конструкции виброплощадок и вибровозбудителей (в том числе и дебалансных) не приспособлены для управления направлением виброколебаний.

В работе Галицкова К.С. решена задача согласованного управления частотой и амплитудой вертикально направленных колебаний бетонной смеси при уплотнении на виброплощадке с двухвальным дебалансным вибрсвозбу-дителем. Однако вопрос о согласованном управлении углом направления и частотой колебаний уплотняемой бетонной смеси остается открытым. Технологическая необходимость управления этими параметрами показана в работах Гусева Б.В., Зазимко В.Г. Решение этой задачи требует, прежде всего, создания конструкции виброплощадки, обеспечивающей изменение угла направления колебаний в процессе уплотнения. В ней для генерации направленной вынуждающей силы считаем целесообразным использовать двухваль-ный дебалансный вибровозбудитель, встречное синхронное сращение валов которого в требуемом диапазоне частот, осуществляется автоматически.

Вопросам создания многомерных по-

I библиотека }

зиционно-следящих систем управления линейными и угловыми координатами прецизионных станков и роботов посвящено большое число исследований в том числе работы Галицкова С.Я., Лысова С.Н., Макарова А.Г., Макарова И.М., Медведева B.C., Старикова А.В., Чемоданова Б.К. и др. авторов, но в них не рассматривается решение задачи управления относительным угловым положением дебалансов при их синхронном встречном вращении в двухваль-ном вибровозбудителе.

Математическому описанию и исследованию динамики колеблющихся вибрационных систем посвящено значительное количество работ, в том числе работы Бидермана ВЛ., Быховского И.И., Пановко Я.Г., Губанова И.И., Ра-гулъскиса Л.К., Рагульскиса К.М. и др., но аналитическое конструирование установок для управления направлением ииброколебаний сдерживается отсутствием адекватных математических моделей виброплощадок с уплотняемой бетонной смесью, колеблющихся под действием направленной вынуждающей силы, генерируемой двухвальным возбудителем, как объекта управления.

Другой сдерживающий фактор создания систем программного управления направлением и частотой виброколебаний бетонной смеси заключается в том, что двухвальный дебалансный вибровозбудитель работоспособен только при функционировании двумерной синхронно-следящей системы, являющейся основой синтезируемой системы. Поэтому в настоящее время отсутствуют экспериментальные исследовшшя в области синтеза научно обоснованных алгоритмов управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси на виброплощадках с дебалансными возбудителями. В связи с этим возникает необходимость создания вычислительных моделей и разработки методик постановки на них экспериментов по аналитическому конструированию виброплощадки, выявлению динамических особенностей объекта управления, параметрической оптимизации регуляторов системы, определению достижимых технологических возможностей процесса внброуплотнения бетонной смеси.

Таким образом, актуальными являются исследования по автоматизации процесса виброуплотнения путем создана? системы программного согласованного управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси (САУ НЧК БС), позволяющей повысить технологическую эффективность виброуплотнения и тем самым улучшить качество бетонных изделий.

Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы Самарской государственной архитектурно-строительной академии по теме «Автоматшированные системы в строительстве» (№ 01970005686 Госрегистрации) и региональной научно-технической программе «Развитие .научно-технического и инновационного потенциала Самарской области2001-2005 г.г..«

Цель работы: Автоматизация направленных колебаний виброплощадки для уплотнения бетонной смеси в форме.

Для достижения поставленной цели в работе проведен комплекс теоретических и экспериментальных работ:

1. Выполнено математическое описание объекта управления: виброплощадки с уплотняемой бетонной смесью, колеблющейся под действием направленной вынуждающей силы двухвального дебалансного вибровозбудителя с приводными асинхронными двигателями; разработана его вычислительная модель.

2. Разработана упрощенная модель объекта управления, на основе которой создан параметрический наблюдатель направления колебаний бетонной смеси.

3. Выполнен структурный синтез и осуществлена параметрическая оптимизация регуляторов цифровой системы управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси.

4. Создана вычислительная модель цифровой системы управления с цифровым параметрическим наблюдателем направления колебаний бетонной смеси.

5. Разработаны методики постановки и проведения вычислительных экспериментов по исследованию объекта и системы управления. Определены области достижимых показателей качества системы управления.

6. Создана экспериментальная установка для исследования влияния частоты колебаний виброуплотнения на прочность бетонных изделий.

7. Разработан вариант технической реализации виброплощадки с программным согласованным управлением направлением и частотой виброколебаний уплотняемой бетонной смеси.

Методы исследования: В работе использованы методы теории автоматического управления, теории электропривода, теоретической механики, теории колебаний, идентификации технологических объектов, теории виброуплотнения, методы моделирования динамических систем на ПЭВМ. Основные теоретические результаты подтверждены с помощью вычислительных и натурных экспериментов.

Научная новизна:

Математическая модель объекта управления, представляющего собой виброплощадку для уплотнения бетонной смеси в форме, оснащенную двух-вальным дебалансным вибровозбудителем направленного действия с приводными асинхронными двигателями.

Результаты натурных и вычислительных экспериментов: по исследованию динамических характеристик объекта по отношению к управляющим и возмущающим воздействиям; по аналитическому конструированию виброп-

лощадки с двухвальным дебалансным возбудителем направленного действия; по определению области достижимых показателей качества САУ НЧК БС.

Методика синтеза цифровой системы программного управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси в форме на виброплощадке с двухвальным дебалансным возбудителем и цифровым параметрическим наблюдателем угла направления колебаний бетонной смеси.

Практическая ценность результатов работы:

Комплекс вычислительных моделей по исследованию динамики объекта и САУ НЧК БС с цифровым параметрическим наблюдателем угла направления колебаний бетонной смеси. Экспериментальная установка для исследования влияния частоты виброколебаний бетонной смеси на качество издели'й.

Методика постановки и проведения натурных и вычислительных экспериментов по исследованию параметров колебаний виброплощадки и уплотняемой бетонной смеси при согласованном управлении направлением и частотой вынуждающей силы;

Инженерные методики аналитического конструирования виброплощадки для направленных колебаний и проектирования САУ НЧК БС с наблюдателем угла направления колебаний бетонной смеси;

Результаты работы позволяют повысить эффективность уплотнения бетонной смеси, а также производительность и надежность виброплощадок

Реализация результатов работы. Основные результаты работы внедрены:

- в производство в виде вычислительной модели виброплощадки с автоматическим программным управлением направлением и частотой колебаний уплотняемой бетонной смеси (АО «Коттедж» г. Самара)

- в учебный процесс при подготовке инженеров в виде методики изучения теоретических и практических вопросов динамики процесса виброуплотнения бетонной смеси на виброплощадке с двухвальным дебалансным возбудителем (Самарская государственная архитектурно-строительная академия).

Апробация работы: Основные положения диссертации докладывались на: 19-й межвузовской студенческой научно-технической конференции «Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» (Самара, 2000), 58-й, 59-й и 60-й областных научно-технических конференциях «Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» (Самара, 2001-2003 г.г.), международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» (Владимир 2003), Всероссийской, межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара 2003).

Публикации: По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, подано 2 заявки на изобретение.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Математическая модель виброплощадки с бетонной смесью в форме, колеблющейся под действием направленной вынуждающей силы, генерируемой двухвальным дебалансным вибровозбудитем с приводными асинхронными двигателями.

2. Методика структурного синтеза и параметрической оптимизации цифровой многомерной системы автоматического управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси с цифровым наблюдателем угла направления колебаний бетонной смеси.

3. Результаты экспериментальных исследований объекта и системы управления, проведенных на вычислительных моделях и лабораторной установке.

4. Техническая реализация цифровой системы автоматического управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси с цифровым наблюдателем угла направления колебаний.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 119 страницах машинописного текста, используемых источников 85 наименований на 7 страницах, и содержит 95 рисунков, 7 таблиц и 2 приложения. Общий объем работы 253 страницы сквозной нумерации. ,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется ее цель, перечисляются решаемые задачи и методы исследования. Указывается научная новизна и защищаемые научные результаты. Определяется практическая ценность полученных результатов.

В первой главе показано влияние основных параметров виброколебаний (направление, амплитуда и частота) на технологический процесс виброуплотнения. Установлено, что изменение направления колебаний в процессе цикла виброуплотнения существенно влияет на характер перераспределения фракций составляющих бетонной смеси по ее объему и, как следствие, на качество виброуплотнения. Проведен.обзор современного состояния вопроса автоматизации виброплощадок. Выполнен анализ известных конструкций виброплощадок и вибровозбудителей, а также систем управления параметрами виброколебаний бетонной смеси. Показано, что они не решают задачи автоматического согласованного управления направлением и частотой колебаний уплотняемой бетонной смеси. Предложено решение задачи автоматизации технологического процесса уплотнения бетонной смеси на виброплощадке осуществить путем изменения конструкции виброопор и оснащения ее двухваль-ным дебалансным вибровозбудителем, для работы которого необходимо соз-

дать цифровую систему управления направлением и частотой виброколебаний бетонной смеси. В качестве критерия эффективности виброуплотнения при изменении направления колебаний предложено использовать стабилизацию среднеквадратичного значение удельной мощности виброколебаний

Рч,=и-(о-1/(к;-к;-и)г-5т4у-со3+(кг0-к[-созу-£-Гт)г, (1)

где и - амплитуда направленных колебаний рабочего органа; © - угловая частота вибрирования; g - ускорение свободного падения; Гт - коэффициент трения бетонной смеси по металлу; у - угол направления колебаний рабочего органа; - конструктивные коэффициенты. Сформулированы за-

дачи исследований.

Вторая глава посвящена вопросам разработки математического описания объекта управления, под которым понимается процесс колебаний вибро-площадкн с бетонной смесью в форме, направленный характер которых создается двухвальным дебалансным вибровозбудителем с приводными асинхронными двигателями. Показана целесообразность условного выделения в многомерном объекте управления двух взаимосвязанных частей: приводная электромеханическая, включающая в себя приводные асинхронные двигатели • и собственно двухвальный вибровозбудитель, и механико-технологическая, включающая в себя виброплощадку с бетонной смесью в форме, оснащенную двухвальным вибровозбудителем. Установлено взаимодействие частей объекта управления через двухвальный. вибровозбудитель. В качестве входных управляемых координат объекта принят вектор угловых частот О .напряже-

СП

ний, питающих приводные асинхронные двигатели. Выходными координатами приняты векторы вынуждающей силы ^ вибровозбудителя, колебаний

стола и бетонной смеси относительно основания, колебаний бетон-в 6

ной смеси 06, относительно стола, каждый из векторов колебаний характеризуется амплитудой и направлением.

В рамках известных допущений разработана расчетная схема колебаний механико-технологической части объекта управления в плоскости ХОУ, перпендикулярной оси вращения вибровозбудителя. В ней виброплощадка с бетонной смесью представлена в виде системы, состоящей из четырех корпусных звеньев, движение которых относительно основания обеспечивается идеальными роликовыми направляющими. Два звена (третье и четвертое) характеризуются массой бетона Шб и массой стола с вибровозбудителем и формой тА. Первое и второе звено приняты безинерционными, они используются в качестве промежуточных направляющих, по которым подвижные элементы перемещаются по координатным осям X и У. Модель является четырехмассо-вой системой, в которой массы виброплощадки, бетонной смеси и двух деба-

лансов вибровозбудителя, взаимодействуют друг с другом и с основанием посредством упруго-диссипативных связей. Они совершают колебания под действием направленной вынуждающей силы, генерируемой двухвалытым вибровозбудителем, относительнее угловое положение дебалансов которого

Разработано математическое описание объекта управления в форме системы дифференциальных уравнений Лагранжа, дополненных дифференциальными уравнениями асинхронного двигателя. На основании этого описания синтезирована однолинейная структурная схема объекта. Ввгду ее громоздкости осуществлен переход к матричной форме представления объекта. В ней исполнительные асинхронные двигатели описываются матричные оператором W*. Двухвальный возбудитель представлен тремя матричными операторами: по вынуждающей силе - BF, по скорости вращения дебалансных масс -Ва и по нагрузке - В„. Вибростол и бетонная смесь предстазленн матричными операторами Nc и Ne. Перекрестные обратные связи по нагрузке, формирующие вектор моментов нагрузки на двигатели, описаны матричными

операторами Hi-He,. Упруго-диссипативные связи, отражающие процессы протекающие при колебаниях стола и бетона представлены матричными операторами Не и Не. Объект управления описывается следующими системами матричных уравнений:

оГ=в -м,

(2)

= Н -F" = в-В -м,

Z., н —т v. >

Z., п 'Щ,

Z.3 н

К = Н4. Z.j,

р.: =Н,- Z„j>

(3)

=f;+f;

Система уравнений (1) описывает прямой канал обобщенного объекта управления. Система (2) - внутреннюю обратную связь по скорости и перекрест-

кие обратные СЕЯЗИ ПО моменту нагрузки. Система (3) - прямое и обратное упруго-диссипативное взаимодействие колеблющихся масс виброплощадки и бетонной смеси. Здесь - вектор угловых скоростей валов

приводных асинхронных двигателей, который в рамках принятых допущений совпадает по величине с вектором угловых скоростей дебалансных валов, П^^О^, Ф^с =1р! Р}]т» Мда - вектор электромагнитных моментов двигателей, - вектор моментов нагрузки,

- векторы сил инерции колеблющихся масс стола и бетона, - векторы упруго-

диссипативных сил действующих в системе «основание - вибростол - бетон-пая смесь», = Р^, ^Ч^ ¥?]. ^ = V ^ -

векторы проекций перемещений стола и бетона относительно основания и бетона относительно стола на координатные оси ,

- соответствующие

проекции перемещений стола и бетона по осям ОХ и ОУ. Для нахождения величин углов Об, а« а« 1 и а м п л и^у^рАвк торов в,) и С6|» соответственно, в структуре используются блоки Б8-Б10 перехода от прямоугольных систем координат к полярным.

В программной среде МайаЬ разработана вычислительная модель многомерного объекта управления. Путем постановки вычислительных экспериментов определены амплитудно-частотные характеристики промышленного и лабораторного вариантов виброплощадок, сравнение которых с результатами, полученными на натурных установках и с помощью расчетов, выполненных по рекомендациям НИИЖБ, показало, что значения резонансных частот, амплитуд колебаний в резонансной и зарезоиансной областях отличаются не более чем на 7-10%. Это позволяет утверждать об адекватности разработанного математического описания.

Произведена оценка влияния колебаний механико-технологической части на динамику двигателей. Установлено, что это влияние можно упрощенно смоделировать гармоническим сигналом с частотой вдвое превышающей частоту вращения валов вибровозбудителя и с амплитудой, линейно зависящей

Экспериментально найдена зависимость она носит экспоненциаль-

ный характер. Поэтому с погрешностью, не превышающей 5%, была произ-

ведена ее кусочно-линейная аппроксимация:

[к.-р'.р'еО,...,157с"' ~[кг157+кг.(314-р'), р'.

е157,...314с'

Показано, что зависимость (5) можно структурно представить в виде эквивалентных нелинейных обратных связей. Такой подход позволяет «развязать» многомерный объект управления и свести его исследование к автономным сепаратным каналам.

Исследования объекта управления по отношению к управляющему воздействию - углу направления вынуждающей силы а. - показало, что из трех факторов (реологические характеристики Се, Дб бетонной смеси и частота f колебаний) основное влияние на динамику изменения направления колебаний оказывает частота Разработана упрощенная модель бетонной смеси по углу направления колебаний в виде динамического звена второго порядка:

Wвcl(p) =

_ АУб(р)__К,

(7)

Дсх.(р)~ту+адр+1

где и - постоянная времени и коэффициент демпфирования бетонной смеси по направлению, значения которых изменяются в зависимости от величины Установлено, что звено (7) носит ярко выраженный колебательный характер в диапазоне частот 10-25 Гц, и монотонный в диапазоне 25-50 Гц. Сравнение переходных характеристик звена (7) и полной модели бетонной смеси по направлению показало, что их максимальное отклонение не превышает 5%. На этом основании сделан вывод об адекватности упрощенной модели и возможности ее использования в качестве наблюдателя в САУ НЧК БС.

В третьей главе рассматриваются вопросы синтеза и параметрической оптимизации САУ НЧК БС с параметрическим наблюдателем направления.

Структура системы включает в себя две подсистемы: двумерную систему управления частотой и направлением вынуждающей силы двухвалыюго де-балансного вибровозбудителя (САУ НЧК ВС) и систему управления углом направления и частотой колебаний бетонной смеси. Каждый из 2-х каналов САУ НЧК ВС синтезирован в виде двухконтурной системы с одной измеряемой координатой, замкнутой по углу Р| поворота i - го вала вибровозбудителя (¡е1.2). Для повышения точности автоматической синхронизации вращения дебалансов синтезирован третий канал, замкнутый по величине рассогласования Ар. САУ НЧК БС структурно включает в себя САУ НЧК ВС, цифровой наблюдатель угла направления колебаний бетонной смеси и регулятор

Синтез и параметрическая оптимизация регуляторов САУ НЧК БС выполнены в рамках известных допущений. В частности, нелинейная модель асинхронной машины в области рабочих частот 15-50 Гц заменена линеари-

зованной в виде передаточной функции:

До

К(Р) "

км-(тгР+1)

__. (8)

(ТоУ+адр+О^т.р+О

где - То, И и Т2 - постоянные времени асинхронной машины; ^ - коэффициент, зависящий от скоростного режима работы двигателя.

В первом контуре синтезирован интегро-дифференцирующий регулятор

где Кс и Тс - коэффициент усиления и постоянная времени регулятора скорости; к— относительный коэффициент. При этом передаточная функция замкнутого контура скорости -

А», (Ю)

^х(р) =-

ТУ»(р)

В«(р)

где -характеристический полином,

В,(р)=с0 р4 +С, р5 +С, р2 +С,-р+С, =0,

коэффициенты которого:

(И)

_Те-Т,.Т02 _(Тс+Т,)-Т02 + 2-Тс-Т,.41,-Т0

в — V ' I ~ V '

(12)

1С Км

ро ре

4 к;; -

Ч - £ ♦

Р°

На основании критерия Гурвица показано, что для устойчивости системы необходимо обеспечить выполнение неравенства

т - Т,.Т„.Т2.(1-к) (13)

' к-(Г,-Т,+2-Т1.Т1.§в-Т1.Т,)

Анализ (13) показывает, что контур устойчив при к >1, следовательно, регулятор скорости (9) должен обладать опережением по фазе.

Экспериментально найдены частотные характеристики замкнутого нелинейного контура скорости в допущении, что к нему применим метод гармонической линеаризации. Установлено, что в рамках допустимых значений амплитуд входного сигнала, скоростной контур можно представить интегро-дифференцирующим звеном 2-го порядка-

(14)

w (р)- К«-(Т„Р+1)

ю(Р) (Тмр+1).(Т12р+1)

с переменными постоянными времени Тю, "Гц, Т^. Их значения изменяются при вариации ^ от 1 до 50 Гц следующим образом: Тю - от 0.01 до 0.0019 с; ТЦ - от 0.004 до 0.00095 с;Т12 - от 0.003 до 0.00088 с, причем Тю >Ти > Т,2.

Для компенсации наибольшей инерционности контура скорости синтезируем в контуре угла поворота интегро-дифференщфующий регулятор

с отставанием по фазе. Принимая Ту=Тю и исходя из обеспечения монотонности переходного процесса потребуем, чтобы динамика замкнутого контура угла

соответствовала двойному апериодическому звену. Показано, что это достигается путем обеспечения равенств:

к__1 . 2Т„+2Т,г-Тг,. (17)

" 2Т21 4 2Ту

Экспериментально на вычислительной модели контура угла позорота получены его частотные характеристики, анализ которых подтвердил аналитическую настройку контура в виде двойного апериодического ззена:

"и> (Т21Р + О2

Показано, что для управления двухвальным возбудителем применение трех регуляторов в сепаратном канале является избыточным, т.к. в контуре управления углом относительного рассогласования дебалансных валов используется ПИ - регулятор. За счет него обеспечивается их синхронное, встречно направленное вращение и изменение угла направления вынуждающей силы, поэтому считаем достаточным использовать астатический регулятор лишь в этом контуре.

Учитывая, что нелинейность «ограничение по уровню» в контуре скорости накладывает ограничения на величину ускорения задающего сигнала, выполнена оптимизация закона изменения ускорения на этапах разгона и торможения. Решение этой нелинейной задачи выполнено экспериментально. Показано, что максимальное быстродействие в контуре угла достигается при двухинтервальном симметричном законе изменения ускорения и его степенной зависимости от времени:

чо=-(0-

&

(19)

11.5. _

Л 2

Показано, что применение в задатчике разработанного закона позволяет снизить время переходных этапов на 20 % по сравнению с задатчиком, где

диаграмма ускорения имеет треугольный характер. При сичтезе ПИ - регулятора

контура управления углом направления вынуждающей силы потребуем, чтобы ксрии характеристического полинома передаточной функции

(с)- Аа- - (20

" " Да», НК^-Мр)^?)

были равны между собой. Показано, что это достигается, если параметры регулятора определяются из выражений:

8 Т -9'Т«

» 'а —

К

(22)

27-Т,

8

Показано, что инерционность бетонной смеси (7) на порядок больше инерционности контура (21), поэтому (21) можно аппроксимировать в объекте управления в контуре угла Уб направления колебаний бетонной смеси

К& (23)

\усс(р) = = • = К

ДГ*д(р)

Т„р + 1 Т0У + 240Т„р + 1

эквивалентным апериодическим звеном.

Экспериментально на вычислительной модели определены зависимости параметров и модели (7):

)=-0.0008• (2 + 0.0745-Г—0.5141, Ге10,...,50Гц (24)

Т(Г)= -1.001М+0.1099, { е Ю,...,50Гц- (25)

В связи с нестационарностью объекта (23) в САУ НЧК БС применен нелинейный, частотно-зависимый интегральный регулятор

_!_• (26)

Ь,(р)=

Тт-Р

Для нахождения зависимости Т/О исследована замкнутая передаточная функция контура

XV (п)=Ме!__

м(Р) АУид(р) Вм(р)

где -характеристический полином, - .

(27)

ВЛ(р)=Тт-р-(Т„р +1) • (Т^р2 + 2^Т0р + 1)+К = —1

Т -Т_ Т;

К

2-Тг-Т,^0-Т0-1-Тт К

•т , Т,

к к к у

Установлено, что контур устойчив, если выполняется неравенство:

Тг (29)

Подставляя в (29) выражения (24) и (25) найдена граница устойчивости в функции частоты. Граница монотонности определена путем постановки вычислительных экспериментов. В результате получена зависимость постоянной времени Т7 от частоты Г колебаний из условия обеспечения монотонности:

тг )=0.001 • ^ - 0.0402 • ^ + 0.6018, ^ е 10,...,28Гц (30) Т7(Г2)=-0.0007 • Г,+0.2951, Гг е 28,...,50Гц

Экспериментально установлено, что применение частотно зависимого интегрального регулятора (26) в системе управления обеспечивает повышение быстродействия в области частот 10-25 Гц в среднем на 25% по сравнению с использованием И-регулятора с постоянными параметрами.

Из условия обеспечения минимума скоростной ошибки в системе программного управления углом ув найдена зависимость максимальней скорости изменения направления колебаний бетонной смеси в зависимости от частоты. Ее величина определяет предельные возможности формирования программной траектории Упр(0 направленного уплотнения бетонной смеси. Определены значения максимально достижимей удельной мощности виброуплотнения (1) при изменении угла ув от 0 до 90° для рабочего диапазона частот уплотнения са=10-50 Гц. Показана необходимость стабилизации мощности виброуплотнения в области частот 10-15 Гц путем согласованного управления направлением и частотой колебаний. Экспериментально установлено, что при изменении упруго диссипативных свойств бетонной смеси в диапазоне

система с наблюдателем обеспечисает монотонность переходного процесса б<я перенастройки параметров ее регулятора и наблюдателя.

В четвертой главе разработаны методики постановки и проведения натурных и вычислительных экспериментов; приведены результаты вычислительного моделирования объекта и системы управления, оптимизации системы управления, технической реализации САУ НЧК БС.

Выполнено на вычислительной модели промышленного образца одно-блочной виброплощадки исследование зависимостей Об1=А[ав) с помощью фигур Лиссажу. Установлено, что для установившегося режима они вырождаются в линию. Из анализа полученных характеристик сделан вывод об управляемости объекта: углы направления колеба-

ний бетонной смеси и стола относительно горизонтальной оси основания и бетонной смеси, относительно горизонтальной оси вибростола, соответственно, линейно зависят от угла направления вынуждающей силы.

Разработана вычислительная модель САУ НЧК БС с цифровым параметрическим наблюдателем угла направления колебаний бетонной смеси. Путем вычислительных экспериментов подтверждены результаты параметрической оптимизации ее регуляторов и наблюдателя, синтезированных в третьей главе. Показана эффективность применения наблюдателя, заключающаяся в сокращении времени перехода от горизонтальных к вертикальным колебаниям на 20% при сохранении монотонности переходного процесса.

Решена задача аналитического конструирования виброплощадки. Показано, что в рамках решаемой технологической задачи уплотнения в проектируемой виброплощадке горизонтальную упругую опору можно исключить, что значительно упрощает конструкцию виброплощадки.

Выполнена оптимизация программных траекторий согласованного управления направлением УпрСФ и частотой колебаний бетонной смеси при стабилизации мощности виброуплотнения. Разработан алгоритм программной коррекции траектории частоты колебаний по условию постоянства удельной мощности виброуплотнения.

Экспериментально определены значения частоты замыкания программного цикла Гтт=500 Гц и разрядности датчиков обратной связи 212 импульсов на один оборот вала, при которых в САУ НЧК БС обеспечивается устойчивая отработка программных траекторий частоты и направления коле-

баний уплотняемой бетонной смеси.

На базе лабораторной виброплощадки создана установка для исследования параметров виброколебаний и оценки влияния частоты колебаний на прочность бетонных изделий. Полученная экспериментальная зависимость прочности бетонных образцов, от частоты колебаний показала, что увеличение частоты способствует возрастанию прочности на изгиб и сжатие. Выполнены технико-экономические расчеты, показывающие, что применение системы автоматического управления параметрами виброколебаний позволяет увеличить прибыль поста виброформования на 30%.

Разработана инженерная методика проектирования САУ НЧК БС, на основании которой предложен вариант ее технической реализации на базе программируемого контроллера SIMATIC S7-400. Разработаны алгоритмы программной реализации цифровых регуляторов и задатчиков согласованного управления направлением и частотой колебаний системы управления, а также параметрического наблюдателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обоснована необходимость автоматизации технологического процесса виброуплотнения, путем создания системы программного управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси на виброплощадке, осна-

шенной двухвальным дебалансным возбудителем.

2. Дано определение объекта управления, под которым понимается виброплощадка с бетонной смесью в форме, направленные колебания которой в плоскости ХОУ создаются двухвальным дебалансным вибровозбудителем с двумя приводными асинхронными двигателями. Установлено, что объект управления многомерный. В качестве входных управляемых координат принят вектор угловых частот напряжений, питающих приводные асинхронные двигатели. Выходными координатами приняты вектор вынуждающей силы вибровозбудителя и векторы колебаний стола и бетонной смеси

относительно основания, колебаний бетонной смеси относительно стола. В модели учтено, что процессы, протекающие в бетонной смеси при виброуплотнении, сопровождаются нелинейным и нестационарным изменением ее реологических характеристик. В качестве основного возмущающего воздействия выделен вектор нагрузки исполнительных двигателей амплитуда которого нелинейно зависит от частоты колебаний бетонной смеси.

3. Разработано математическое описание объекта управления в форме системы дифференциальных уравнений Лагранжа, дополненных уравнениями асинхронного двигателя. Синтезирована структура многомерного объекта. Его динамика представлена системой матричных уравнений. Разработана в программной среде МайаЬ вычислительная модель объекта управления. По результатам сравнения динамических характеристик модели и аналогичных характеристик, полученных на лабораторной установке и расчетным путем, доказана адекватность математической модели. Установлено, что влияние перекрестных обратных связей в объекту управления по моменту нагрузки можно заменить эквивалентными нелинейными обратными связями в сепаратных каналах, что позволяет свести исследование двумерной системы к эквивалентной одномерной. Разработана упрощенная модель объекта управления по направлению колебаний бетонной смеси в виде динамического звена второго порядка, положенная в основу параметрического наблюдателя. Произведена оценка ее адекватности.

4. Выполнен структурный и параметрический синтез системы управления направлением и частотой колебаний уплотняемой бетонной смеси. Структура системы включает в себя две подсистемы: двумерную систему управления частотой и направлением вынуждающей силы двухвального дебалансного вибровозбудителя (САУ НЧК ВС) и систему управления углом направления и частотой колебаний бетонной смеси. Каждый из 2-х каналов САУ НЧК ВС синтезирован в виде двухконтурной системы с одной измеряемой координатой, замкнутой по угловому положению вала вибровозбудителя. Для повышения точности автоматической синхронизации вращения дебалансоз синте-

зирован третий канал, замкнутый по величине рассогласования Др. САУ НЧК БС структурно включает в себя САУ НЧК ВС, цифровой наблюдатель угла ув направления колебаний бетонной смеси и регулятор и цифрового наблюдателя обеспечивает сокращение времени перехода от горизонтальных к вертикальным колебаниям на 20% при сохранении монотонности переходного процесса. Экспериментально показано, что согласованное управление направлением и частотой колебаний бетонной смеси по критерию стабилизации удельной мощности виброколебаний позволяет уменьшить время уплотнения на 5-7% по сравнению с раздельным управлением.

5. Выполненные исследования динамики колебаний виброплощадки с бетонной смесью позволили решить задачу аналитического конструирования виброплощадки. Показано, что в проектируемой виброплощадке горизонтальную упругую опору можно исключить, что позволяет использовать в качестве базовой установки для направленных колебаний существующие конструкции виброплощадок, оснастив их двухвальным вибровозбудителем с САУ НЧК БС.

6. На базе лабораторной виброплощадки создана установка для исследования параметров виброколебаний и оценки влияния частоты колебаний на прочность бетонных изделий. Найдена ее амплитудно-частотная характеристика. Получена экспериментальная зависимость прочности бетонных образцов, от частоты колебаний. Установлено, что увеличение частоты колебаний способствует возрастанию прочности на изгиб и сжатие. Выполнены технико-экономические расчеты, показывающие, что применение системы автоматического управления параметрами виброколебаний позволяет увеличить прибыль поста виброформования на 30%.

7. Разработана инженерная методика проектирования САУ НЧК БС, на основании которой предложен вариант ее технической реализации на базе программируемого контроллера SIMATIC S7-400. Разработаны алгоритмы программной реализации регуляторов и задатчиков согласованного управления направлением и частотой колебаний системы управления, а также параметрического' наблюдателя.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1. Баскаков А.В. Вычислительное моделирование направленных виброколебаний двухмассовой, двумерной системы с упруго-диссипативными связями.// Аспирантский вестник Поволжья №2/2002. - Самара, 2002 - С. 1720.

2. Баскаков А.В. Вычислительное моделирование направленных колебаний вибростолаУ/ Материалы 60-й Юбилейной региональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика». - Самара: СамГАСА, 2003. -С.259-262.

3. Баскаков А.В. Математическое описание вибростола с бетонной смесью как объекта управления.// Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сборник научных трудов Вып. 6 /Под ред. А.С. Карандае-ва., К.Э. Одинцова. - Магнитогорск: МГТУ, 2002. - С.295-299.

4. Баскаков А.В. Экспериментальные исследования параметров виброколебаний.// Тезисы докладов областной 58 научно-технической конференции «Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды». - Самара: Сг.мГАСА, 2001. - С.357.

5. Баскаков А.В., Вычислительное моделирование цифровой многомерной системы управления направлением и частотой колебаний уплотняемой бетонной смесиУ/ Тезисы докладов Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании». - Самара, 2003. - С.22-23.

6. Баскаков А.В., Галицков К.С., Галицков С.Я., Математическое описание колебаний бетонной смеси в форме на вибростоле, оснащенном дзух-вальным дебалансным вибровозбудителем направленного действия, как объекта управления.// Материалы 60-й Юбилейной региональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика». - Самара: СамГАСА, 2С03. -С.263-266.

7. Баскаков А.В., Галицков К.С., Горюхин ДА. Исследование зависимости прочности изделий от частоты колебаний при виброуплотнетгаУ/ Труды региональной 59 научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика». -Самара: СамГАСА, 2002. - С.149-152.

8. Баскаков А. В., Галицков С.Я. Создание вычислительной модели цифровой многомерной системы управления прочностью бетонных изделийУ/ Тезисы докладов 19 межвузовской студенческой научно-технической конференции «По итогам наз'чно-исследовательской работы в 1999г.» -Самара: СамГАСА, 2000. - С.45-46.

ш- 1358

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного советаД 212.217.03 (протокол № 14 от 25 декабря 2003 года)

Отпечатано с оригинала заказчика в типографии ООО «СЦП-М». 443010 Самара, ул. Галактионовская, 79.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЗАДАЧИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЕМ И ЧАСТОТОЙ КОЛЕБАНИЙ БЕТОННОЙ СМЕСИ ПРИ ЕЕ ВИБРОУПЛОТНЕНИИ В ФОРМЕ.

1.1. Влияние параметров колебаний бетонной смеси на эффективность виброуплотнения.

1.2. Методы и средства управления направлением и частотой виброколебаний бетонной смеси.

1.3. Постановка задачи автоматизации при управлении направлением и частотой колебаний бетонной смеси в процессе виброуплотнения.

Выводы по первой главе.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ НАПРАВЛЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ БЕТОННОЙ СМЕСИ НА ВИБРОПЛОЩАДКЕ, ОСНАЩЕННОЙ ДВУХВАЛЬНЫМ ДЕБАЛАНСНЫМ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЕМ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ, КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

2.1. Определение объекта управления.

2.2. Математическое описание объекта управления.

2.2.1. Расчетная схема и уравнения движения колеблющейся системы «вибростол - бетонная смесь» в плоскости ХОУ.

2.2.2. Струюгура и вычислительная модель механико-технологической части объекта.

2.3. Математическое описание и вычислительная модель приводной электромеханической части объекта.

2.4. Обобщенная модель объекта управления.

2.5. Оценка адекватности модели.

2.6. Упрощенная модель объекта.

Выводы по второй главе.

3. СИНТЕЗ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЕМ И ЧАСТОТОЙ КОЛЕБАНИЙ БЕТОННОЙ СМЕСИ.

3.1. Структурный синтез системы управления.

3.2. Синтез и параметрическая оптимизация регуляторов одноканальной системы управления углом поворота.

3.2.1. Синтез и параметрическая оптимизация регулятора скорости.

3.2.2. Синтез и параметрическая оптимизация регулятора угла поворота.

3.3. Синтез задатчика частоты колебаний.

3.4. Синтез и параметрическая оптимизация регулятора угла направления вынуждающей силы вибровозбудителя.

3.5. Цифровой наблюдатель угла направления колебаний бетонной смеси.

3.6. Синтез и параметрическая оптимизация регулятора направления колебаний уплотняемой бетонной смеси.

3.7. Области достижимых показателей качества системы управления.

Выводы по третьей главе.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТА

И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.

4.1. Исследование управляемости объекта автоматизации.

4.2. Исследование системы автоматического управления направлением и частотой колебаний вынуждающей силы.

4.3. Динамика процесса виброуплотнения.

4.4. Исследование системы автоматического управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси с цифровым наблюдателем.

4.5. Натурные экспериментальные исследования параметров виброколебаний на лабораторной виброплощадке.

4.6. Вариант технической реализации цифровой системы программного управления направлением и частотой колебаний уплотняемой бетонной смеси.

Выводы по четвертой главе.

Актуальность темы. Отрасль производства строительных материалов предъявляет высокие требования к качеству бетонных и железобетонных изделий в условиях сокращения производственных затрат, времени технологического цикла. Решение этой задачи достижимо лишь при повышении эксплутационных характеристик технологического оборудования путем применения в нем современных средств автоматизации. Качество бетонных изделий, и прежде всего - прочность, в значительной мере определяется характеристиками режима виброуплотнения бетонной смеси.

Широкая номенклатура бетонных и железобетонных изделий производится с использованием виброплощадок различающихся по конструкции стола, опор и типа вибровозбудителя. В них используются круговые, вертикальные или горизонтальные колебания, которые создаются, обычно, дебалансными возбудителями. Анализ работ Десова А.Е., Агамирзян JT.C., Баженова Ю.М., Кунноса Г.Я., Сивко В.И., Гершберга О.А., Гусева Б.В., Зазимко В.Г., Совалова И.Г., Савинова О.А., Лавриновича Е.В., Борщевского А.А., Деминова А.Д., Крюкова Б.И., Морозова А.А. и др. авторов по исследованию динамики технологического процесса виброуплотнения в резонансных и зарезонансных режимах, с однонаправленными или многокомпонентными колебаниями показывает необходимость программного управления параметрами колебаний бетонной смеси во время этой технологической операции.

Применяемые в настоящее время способы и средства автоматизации виброплощадок не могут в полной мере обеспечить технологически необходимые режимы уплотнения, в частности в них невозможно изменять в процессе уплотнения направление колебаний. Это объясняется тем, что известные конструкции виброплощадок и вибровозбудителей (в том числе и дебалансных) не приспособлены для управления направлением виброколебаний.

В работе Галицкова К.С. решена задача согласованного управления частотой и амплитудой вертикально направленных колебаний бетонной смеси при уплотнении на виброплощадке с двухвальным дебалансным вибровозбудителем. Однако вопрос о согласованном управлении углом направления и частотой колебаний уплотняемой бетонной смеси остается открытым. Технологическая необходимость управления этими параметрами показана в работах Гусева Б.В., Зазимко В.Г. Решение этой задачи требует, прежде всего, создания конструкции виброплощадки, обеспечивающей изменение угла направления колебаний в процессе уплотнения. В ней для генерации направленной вынуждающей силы считаем целесообразным использовать двухваль-ный дебалансный вибровозбудитель, встречное синхронное вращение валов которого в требуемом диапазоне частот, осуществляется автоматически.

Вопросам создания многомерных быстродействующих высокоточных позици-онно-следящих систем управления линейными и угловыми координатами прецизионных станков и роботов посвящено большое число исследований в том числе работы Галицкова С.Я., Лысова С.Н., Макарова А.Г., Макарова И.М., Медведева B.C., Старикова А.В., Чемоданова Б.К. и др. авторов, но в них не рассматривается решение задачи управления относительным угловым положением дебалансов при их синхронном встречном вращении в двухвальном вибровозбудителе.

Математическому описанию и исследованию динамики колеблющихся вибрационных систем посвящено значительное количество работ, в том числе работы Би-дермана B.J1., Быховского И.И., Пановко Я.Г., Губанова И.И., Рагульскиса JT.K., Ра-гульскиса К.М. и др., но аналитическое конструирование установок для управления направлением виброколебаний сдерживается отсутствием адекватных математических моделей виброплощадок с уплотняемой бетонной смесью, колеблющихся под действием направленной вынуждающей силы, генерируемой двухвальным возбудителем, как объекта управления.

Другой сдерживающий фактор создания систем программного управления направлением и частотой виброколебаний бетонной смеси заключается в том, что двух-вальный дебалансный вибровозбудитель работоспособен только при функционировании двумерной синхронно-следящей системы, являющейся основой синтезируемой системы. Поэтому в настоящее время отсутствуют экспериментальные исследования в области синтеза научно обоснованных алгоритмов управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси на виброплощадках с дебалансными возбудителями. В связи с этим возникает необходимость создания вычислительных моделей и разработки методик постановки на них экспериментов по аналитическому конструированию виброплощадки, выявлению динамических особенностей объекта управления, параметрической оптимизации регуляторов системы, определению достижимых технологических возможностей процесса виброуплотнения бетонной смеси.

Таким образом, актуальными являются исследования по автоматизации процесса виброуплотнения путем создания системы программного согласованного управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси (САУ НЧК БС), позволяющей повысить технологическую эффективность виброуплотнения и тем самым улучшить качество бетонных изделий.

Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы Самарской государственной архитектурно-строительной академии по теме «Автоматизированные системы в строительстве» (№ 01970005686 Госрегистрации) и региональной научно-технической программе «Развитие научно-технического и инновационного потенциала Самарской области 2001-2005г.г.».

Цель работы: Автоматизация направленных колебаний виброплощадки для уплотнения бетонной смеси в форме.

Для достижения поставленной цели в работе проведен комплекс теоретических и экспериментальных работ:

1. Выполнено математическое описание объекта управления: виброплощадки с уплотняемой бетонной смесью, колеблющейся под действием направленной вынуждающей силы двухвального дебалансного вибровозбудителя с приводными асинхронными двигателями; разработана его вычислительная модель.

2. Разработана упрощенная модель объекта управления, на основе которой создан параметрический наблюдатель направления колебаний бетонной смеси.

3. Выполнен структурный синтез и осуществлена параметрическая оптимизация регуляторов цифровой системы управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси.

4. Создана вычислительная модель цифровой системы управления с цифровым параметрическим наблюдателем направления колебаний бетонной смеси.

5. Разработаны методики постановки и проведения вычислительных экспериментов по исследованию объекта и системы управления. Определены области достижимых показателей качества системы управления.

6. Создана экспериментальная установка для исследования влияния частоты колебаний виброуплотнения на прочность бетонных изделий.

7. Разработан вариант технической реализации виброплощадки с программным согласованным управлением направлением и частотой виброколебаний уплотняемой бетонной смеси.

Методы исследования: В работе использованы методы теории автоматического управления, теории электропривода, теоретической механики, теории колебаний, идентификации технологических объектов, теории виброуплотнения, методы моделирования динамических систем на ПЭВМ. Основные теоретические результаты подтверждены с помощью вычислительных и натурных экспериментов.

Научная новизна:

Математическая модель объекта управления, представляющего собой виброплощадку для уплотнения бетонной смеси в форме, оснащенную двухвальным деба-лансным вибровозбудителем направленного действия с приводными асинхронными двигателями.

Результаты натурных и вычислительных экспериментов: по исследованию динамических характеристик объекта по отношению к управляющим и возмущающим воздействиям; по аналитическому конструированию виброплощадки с двухвальным дебалансным возбудителем направленного действия; по определению области достижимых показателей качества САУ НЧК БС.

Методика синтеза цифровой системы программного управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси в форме на виброплощадке с двухвальным дебалансным возбудителем и цифровым параметрическим наблюдателем угла направления колебаний бетонной смеси.

Практическая ценность результатов работы:

Комплекс вычислительных моделей по исследованию динамики объекта и САУ НЧК БС с цифровым параметрическим наблюдателем угла направления колебаний бетонной смеси. Экспериментальная установка для исследования влияния частоты виброколебаний бетонной смеси на качество изделий.

Методика постановки и проведения натурных и вычислительных экспериментов по исследованию параметров колебаний виброплощадки и уплотняемой бетонной смеси при согласованном управлении направлением и частотой вынуждающей силы;

Инженерные методики аналитического конструирования виброплощадки для направленных колебаний и проектирования САУ НЧК БС с наблюдателем угла направления колебаний бетонной смеси;

Результаты работы позволяют повысить эффективность уплотнения бетонной смеси, а также производительность и надежность виброплощадок

Реализация результатов работы. Основные результаты работы внедрены:

- в производство в виде вычислительной модели виброплощадки с автоматическим программным управлением направлением и частотой колебаний уплотняемой бетонной смеси (АО «Коттедж» г. Самара)

- в учебный процесс при подготовке инженеров в виде методики изучения теоретических и практических вопросов динамики процесса виброуплотнения бетонной смеси на виброплощадке с двухвальным дебалансным возбудителем (Самарская государственная архитектурно-строительная академия).

Апробация работы: Основные положения диссертации докладывались на: 19-й межвузовской студенческой научно-технической конференции «Исследования в области архитеетуры, строительства и охраны окружающей среды» (Самара, 2000), 58-й, 59-й и 60-й областных научно-технических конференциях «Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» (Самара, 2001-2003 г.г.), международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» (Владимир 2003), Всероссийской, межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара 2003).

Публикации: По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, подано 2 заявки на изобретение.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Математическая модель виброплощадки с бетонной смесью в форме, колеблющейся под действием направленной вынуждающей силы, генерируемой двухвальным дебалансным вибровозбудитем с приводными асинхронными двигателями.

2. Методика струетурного синтеза и параметрической оптимизации цифровой многомерной системы автоматического управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси с цифровым наблюдателем угла направления колебаний бетонной смеси.

3. Результаты экспериментальных исследований объекта и системы управления, проведенных на вычислительных моделях и лабораторной установке.

4. Техническая реализация цифровой системы автоматического управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси с цифровым наблюдателем угла направления колебаний.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и

Выводы по четвертой главе

1. Разработана методика исследования объекта управления на вычислительной модели в установившемся и переходном режимах без регуляторов. Выполнено на вычислительной модели промышленного образца одноблочной виброплощадки исследование зависимостей ac=f(aB), a6=f(aB), a6i=f(aB) с помощью фигур Лиссажу. Установлено, что для установившегося режима они вырождаются в линию. Из анализа полученных характеристик сделан вывод об управляемости объекта: углы аб, ас, аб| направления колебаний бетонной смеси и стола относительно горизонтальной оси основания и бетонной смеси, относительно горизонтальной оси вибростола, соответственно, линейно зависят от угла ав направления вынуждающей силы.

2. Разработана в программной среде Matlab вычислительная модель САУ НЧК БС, включающая в себя модели двумерной САУ НЧК ВС и параметрического наблюдателя угла направления колебаний бетонной смеси. Исследования нелинейного сепаратного канала САУ НЧК ВС выполнены частотным методом с помощью разрабо

ПУСК)

Ввод параметров программной части ЦСАУ НЧК

1) Регулятор направления: ы^, TfJ1 кц;

2) Наблюдатель направления: Tm, kTj. к,,:

3) Регулятор угла рассогласования: Т

4) Регулятор угла поворота: К(, q,

5) Регулятор скорости: Km<1 Кт,„, (•)„. к, Т(;

6) Параметры ФУВ: 6 1) Общее время виброуплотнения: Т; 6 2)3адатчик частоты: а) Время этапов: Tel,T>2,T.,.T.4= Т; б) Частота на этапе: се,, (й2, м,, <й4=0; 6.3)3алатчик направления: а) Время этапов: Tfl. TtJ. Т,,. Ti4. Т?,, Т^; б) Направление на тгапе: у,,у2. у,, у4, у,, у6; к УСП2

Рисунок 4.28 - Алгоритм реализации программной части цифровой САУ НЧК БС

Рисунок 4.29 - Программная траектория изменения направления колебаний

VO -J

Si Ч' S3 ЦУ S4 Ц/ Ss \\,J

Нет

Рисунок 4.30 - Алгоритм формирования программной траектории изменения направления колебаний тайной методики, позволяющей определить частотные характеристики системы относительно некоторой рабочей точки. Вычислительные эксперименты подтвердили результаты параметрической оптимизации регуляторов САУ НЧК ВС выполненной в третьей главе.

3. Выполненные исследования динамики колебаний виброплощадки с бетонной смесью позволили решить задачу аналитического конструирования виброплощадки. Сделан вывод о том, что в рамках решаемой технологической задачи уплотнения в проектируемой виброплощадке горизонтальную упругую опору можно исключить. Это позволяет использовать в качестве базовой установки для направленных колебаний существующие конструкции виброплощадок, оснастив их двухвальным вибровозбудителем с САУ НЧК БС.

4. Выполнены исследования динамики бетонной смеси, когда за наблюдаемую координату принимается угол a6i направления колебаний. На их основе произведена параметрическая оптимизация наблюдателя угла уб направления ее колебаний, исходя из условия обеспечения равенства Уб=аб1 во всем рабочем диапазоне частот (10-50 Гц).

5. Выполнены исследования САУ НЧК БС с цифровым параметрическим наблюдателем угла направления колебаний бетонной смеси. Показана его эффективность, заключающаяся в сокращении времени перехода от горизонтальных к вертикальным колебаниям на 20% при сохранении монотонности переходного процесса. Выполнена оптимизация программных траекторий согласованного управления направлением y„p(t) и частотой колебаний бетонной смеси. Разработан алгоритм программной коррекции траектории частоты (onp(t) колебаний по условию постоянства мощности виброуплотнения. Экспериментально показано, что согласованное управление направлением и частотой колебаний бетонной смеси по критерию стабилизации удельной мощности виброколебаний позволяет уменьшить время уплотнения на 5-7% по сравнению с раздельным управлением.

6. Исследования влияния квантования по уровню и по времени на динамику цифровой САУ НЧК БС позволили определить значения частоты замыкания программного цикла fmin=500 Гц и разрядности датчиков обратной связи 212 импульсов на один оборот вала при которых обеспечивается устойчивая отработка программных траекторий частоты и направления колебаний уплотняемой бетонной смеси.

7. На базе лабораторной виброплощадки создана установка для исследования параметров виброколебаний и оценки влияния частоты колебаний на прочность бетонных изделий. По результатам исследований построена амплитудно-частотная характеристика лабораторной виброплощадки с помощью которой выявлены резонансные области работы установки. Получена экспериментальная зависимость прочности бетонных образцов, от частоты колебаний. Установлено, что увеличение частоты колебаний способствует увеличению прочности на изгиб и сжатие. Выполнены технико-экономические расчеты, показывающие, что применение системы автоматического управления параметрами виброколебаний позволяет увеличить прибыль поста виброформования на 30%.

8. Разработана инженерная методика проектирования САУ НЧК БС, на основании которой, предложен вариант ее технической реализации на базе программируемого контроллера SIMATIC S7-400. Разработаны алгоритмы программной реализации регуляторов и задатчиков согласованного управления направлением и частотой колебаний системы управления, а также параметрического наблюдателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обоснована необходимость автоматизации технологического процесса виброуплотнения, путем создания системы программного управления направлением и частотой колебаний бетонной смеси на виброплощадке, оснащенной двухвальным дебалансным возбудителем.

2. Дано определение объекта управления, под которым понимается виброплощадка с бетонной смесью в форме, направленные колебания которой в плоскости ХОУ создаются двухвальным дебалансным вибровозбудителем с двумя приводными асинхронными двигателями. Установлено, что объект управления многомерный. В качестве входных управляемых координат принят вектор угловых частот Псп напряжений, питающих приводные асинхронные двигатели. Выходными координатами приняты вектор вынуждающей силы FBBB вибровозбудителя и векторы колебаний стола Gc и бетонной смеси G6 относительно основания, колебаний бетонной смеси G6I относительно стола. В модели учтено, что процессы, протекающие в бетонной смеси при виброуплотнении, сопровождаются нелинейным и нестационарным изменением ее реологических характеристик. В качестве основного возмущающего воздействия выделен вектор нагрузки исполнительных двигателей Мн, амплитуда которого нелинейно зависит от частоты колебаний бетонной смеси.

3. Разработано математическое описание объекта управления в форме системы дифференциальных уравнений Лагранжа, дополненных уравнениями асинхронного двигателя. Синтезирована структура многомерного объекта. Его динамика представлена системой матричных уравнений. Разработана в программной среде Matlab вычислительная модель объекта управления. По результатам сравнения динамических характеристик модели и аналогичных характеристик, полученных на лабораторной установке и расчетным путем, доказана адекватность математической модели. Установлено, что влияние перекрестных обратных связей в объекту управления по моменту нагрузки можно заменить эквивалентными нелинейными обратными связями в сепаратных каналах, что позволяет свести исследование двумерной системы к эквивалентной одномерной. Разработана упрощенная модель объекта управления по направлению колебаний бетонной смеси в виде динамического звена второго порядка, положенная в основу параметрического наблюдателя. Произведена оценка ее адекватности.

4. Выполнен структурный и параметрический синтез системы управления направлением и частотой колебаний уплотняемой бетонной смеси. Структура системы включает в себя две подсистемы: двумерную систему управления частотой и направлением вынуждающей силы двухвального дебалансного вибровозбудителя (САУ НЧК ВС) И систему управления углом направления и частотой колебаний бетонной смеси. Каждый из 2-х каналов САУ НЧК ВС синтезирован в виде двухконтурной системы с одной измеряемой координатой, замкнутой по угловому положению вала вибровозбудителя. Для повышения точности автоматической синхронизации вращения дебалансов синтезирован третий канал, замкнутый по величине рассогласования Ар. САУ НЧК БС структурно включает в себя САУ НЧК ВС, цифровой наблюдатель угла уб направления колебаний бетонной смеси и регулятор Ry и цифрового наблюдателя обеспечивает сокращение времени перехода от горизонтальных к вертикальным колебаниям на 20% при сохранении монотонности переходного процесса. Экспериментально показано, что согласованное управление направлением и частотой колебаний бетонной смеси по критерию стабилизации удельной мощности виброколебаний позволяет уменьшить время уплотнения на 5-7% по сравнению с раздельным управлением.

5. Выполненные исследования динамики колебаний виброплощадки с бетонной смесью позволили решить задачу аналитического конструирования виброплощадки. Показано, что в проектируемой виброплощадке горизонтальную упругую опору можно исключить, что позволяет использовать в качестве базовой установки для направленных колебаний существующие конструкции виброплощадок, оснастив их двухвальным вибровозбудителем с САУ НЧК БС.

6. На базе лабораторной виброплощадки создана установка для исследования параметров виброколебаний и оценки влияния частоты колебаний на прочность бетонных изделий. Найдена ее амплитудно-частотная характеристика. Получена экспериментальная зависимость прочности бетонных образцов, от частоты колебаний. Установлено, что увеличение частоты колебаний способствует возрастанию прочности на изгиб и сжатие. Выполнены технико-экономические расчеты, показывающие, что применение системы автоматического управления параметрами виброколебаний позволяет увеличить прибыль поста виброформования на 30%.

7. Разработана инженерная методика проектирования САУ НЧК БС, на основании которой предложен вариант ее технической реализации на базе программируемого контроллера SIMATIC S7-400. Разработаны алгоритмы программной реализации регуляторов и задатчиков согласованного управления направлением и частотой колебаний системы управления, а также параметрического наблюдателя.

1. Автоматизация и усовершенствование процессов приготовления,укладки и уплотнения бетонных смесей: Тр.ин-та. Вып.ЗЗ / Науч.-исслед. ин-т бетона и железобетона НИИЖБ; Под ред.А.Е.Десова. М.: Стройиздат, 1964. -398с.

2. Агамирзян JI.C. Виброактивизация цементного раствора в условиях резонанса колебаний. Тбилиси, 1959.

3. Альберт И.У., Лускин А.Я., Савинов О.А. О применении ударно-вибрационного метода уплотнения грунтов при возведении плотин из грунтовых материалов. Изв. ВНИИГ, т. 134, 1979.

4. Анурьев В.Н. Справочник конструктора-машиностроителя. М., 1982.

5. Ахвердов И.Н., Маргулис Л.Н. Неразрушающий контроль качества бетона по электропроводности. Минск, «Наука и техника», 1975. 176с.

6. Баженов Ю.М. Технология бетона: Учеб.пособие. 2-е изд.,перераб. - М.: Высш.шк., 1987. - 415с.

7. Баженов Ю.М., Комар А.Г. Технология бетонных и железобетонных изделий: Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1984, 672с.

8. Баловнев В.И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин.: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1994. -432 с.

9. Баскаков А.В. Вычислительное моделирование направленных виброколебаний двухмассовой, двумерной системы с упруго-диссипативными связями// Аспирантский вестник Поволжья №2/2002. Самара, 2002 - С. 17-20.

10. Ю.Баскаков А.В. Вычислительное моделирование направленных колебаний вибростола// Материалы 60-й Юбилейной регион, науч. техн. конф. Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. Самара: СамГАСА, 2003. - С.259-262.

11. П.Баскаков А.В. Математическое описание вибростола с бетонной смесью как объекта управления// Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 6. /Под ред. А.С. Карандаева., К.Э. Одинцова. -Магнитогорск: МГТУ, 2002. С.295-299.

12. З.Баскаков А.В. Экспериментальные исследования параметров виброколебаний// Тез. докл. области. 58 науч.техн. конф. Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окруж. среды. Самара: СамГАСА, 2001.- С.357.

13. Берг. О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. — М.: Госстрой из дат, 1962. 96 с.

14. Бидерман B.JI. Прикладная теория механических колебаний. Учебн. пособ. Для втузов. М.: Высш. школа, 1972. - 416с.

15. Блещик Н.П. Структурно-механические свойства и реология бетонной смесии прессвакуумбетона. Минск, 1977.

16. Бреслав И.Б. О собственной частоте колебаний частиц бетонной смеси. В сб. «Исследования по бетону и железобетону», вып. VIII, Рига, 1965.

17. Быховский И.И. Основы теории вибрационной техники. М.: Машиностроение, 1969.-364с.

18. Вибрации в технике. Т. 1-6. М.: Машиностроение, - 1981.

19. Виброметрия.: Материалы к 3-му науч.-техн. семинару/ Под ред. И.Б. Бартера Л.: ЛДНТП, 1967. -126с.

20. Власов-Власюк О.Б. Экспериментальные методы в автоматике. М.: Машиностроение, 1969.-412 с.

21. Галицков К.С. Вычислительная модель технологического процесса виброуплотнения бетонной смеси двухдвигательным дебалансным возбудителем// Труды 3-ей междун. научн. техн. конф. «Компьютерное моделирование 2002». СПб: СПбГПУ, 2002. - С.24-26.

22. Галицков К.С. Цифровая система автоматического управления частотой и амплитудой колебаний виброуплотнения, бетонной смеси.: Автореф. дис. канд. техн. наук.: Самара, 2002. - 20 с.

23. Галицков К.С., Галицков С.Я. Автоматическое управление амплитудой и частотой колебаний виброуплотнения бетонной смеси// Материалы междун. научн. техн. конф. «Интерстроймех 2002». — Могилев: МГТУ, 2002. - С. 324-325.

24. Галицков С.Я. Системы управления прецизионными станками и роботами. Уч. пособ. Самара: СамГТУ, 1993. - 118с.

25. Галицков С.Я., Галицков К.С., Масляницын А.П. Динамика асинхронного двигателя. Самара: СамГАСА, 2002. - 104с.

26. Гершберг О.А. Технология бетонных и железобетонных изделий: Учебник для вузов. 3-е изд.,перераб.и доп. - М,: Стройиздат, 1971. - 359с.

27. Гусев Б.В., Зазимко В.Г. Вибрационная технология бетона К.: Вища шк. Головное изд-во, 1991 - 258с.

28. Десов А.Е. Вибрированный бетон. М.: Гос. изд-во лит-ры по строит-ву и ар-хит-ре, 1956. -230с.

29. Десов А.Е. О рациональных режимах вибрирования бетонных смесей. Труды НИИЖБ, вып. II М.:1965 - 140с.

30. Десов А.Е. Отражение волн и резонансные явления в бетонной смеси при объемном вибрировании. Труды НИИЖБ, вып. 21, Госстройиздат, 1961.

31. Епифанов С.П. Справочное пособие по строительным машинам. Вып.1. : Общая часть / С. П. Епифанов, В. М. Казаринов, Е. К. Малолетков; Ценр.науч.исслед.и проектно-эксперимент.ин-т организации,механизации и техн.помощи стр-ву. М.: Стройиздат, 1972. - 136с.

32. Ерофеев А.А. Автоматизированные системы управления строительными машинами. JI.: Машиностроение, 1977. - 224 с.

33. Зазимко В.Г. Технология уплотнения бетона с управляемой вибрацией.: Ав-тореф. дис. д-ра техн. наук.: -М., 1984-46с.

34. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М.: «Высшая школа», 1994. -318с.

35. Копылов И.П. Электрические машины. 2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк.; Логос; 2000. -607с.

36. Крайнев А.Ф. Детали машин: Словарь-справочник. — М.: Машиностроение, 1992.-480 с.

37. Куннос Г.Я. Вибрационная технология бетона. Л.: Изд-во лит-ры по строительству, 1967.- 168с.

38. Куннос Г.Я. О схематизации механизма вибрирования бетонных смесей. В сб. "Исследования по бетону и железобетону", вып. II, Рига, 1957.

39. Куннос Г.Я. Об учете влияния гранулометрического состава бетонных смесей при назначении режима их виброуплотнения. Труды НИИЖБ "Автоматизация и усовершенствование процессов приготовления укладки и уплотнения бетонных смесей". Госстройиздат, 1961.

40. Лебедев A.M., Орлова Р.Т., Пальцов А.В. Следящие электропривода станков с ЧПУ. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 233с.

41. Лермит Р. Проблемы технологии бетона. Госстройиздат, 1958.

42. Линарт П.П. Экспериментальное исследование распространения вертикально направленных вибраций в бетонной смеси. В сб. "Исследования по бетону и железобетону", вып. VIII, Рига, 1965.

43. Лойцянский Л.Г. Основы механики вязкой жидкости. Вып.1.: Введение в теорию физического поля. Кинематика жидкости. Л.: Кубуч, 1932. - 1 11 с.

44. Макаров А.Г. Системы прямого цифрового управления движением исполнительных механизмов на вертикальных направляющих прецизионного станка: Автореф. дисс. канд. техн. наук. Самара: СамГТУ, 1996.

45. Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы. Уч. по-соб. для вузов. М.: Машиностроение, 1977. - 253с.

46. Машины и оборудование для производства сборного железобетона: Отраслевой каталог / Центр.науч.-исслед.ин-т информ.и техн.-экон.исслед.по строит.,дор.и коммун.машиностроению. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1983. -550с.

47. Мееров М.В. Системы многосвязного регулирования. М.: Наука, 1965. -176с.

48. Механизированный инструмент, отделочные машины и вибраторы: Каталог-справочник / ВНИИСМИ. М.: Машиностроение, 1993. - 192с.

49. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций/С.Г. Силенок, А.А. Борщевский, М.Н. Горбовец и др. -М.: Машиностроение, 1990.-416с.

50. Моделирование и расчет вибрационных систем. Уч. пособие/В.Б. Яковенко. К: УМК ВО, 1988. - 232с.

51. Морозовский В.Т. Многосвязные системы автоматического регулирования, М., Энергия, 1970. 288 с.

52. V 60.Основы механики вибрируемой бетонной смеси/ Сивко В.И. К.: Вища шк.

53. Головное изд-во, 1987. 168с.

54. Пановко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем. М.: Машиностроение, 1967. -442 с.

55. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем. -М.: Наука, 1979.-384с.

56. Патент на изобретение № 2157756 РФ. Виброплощадка для уплотнения бетонных смесей в форме/ Галицков С.Я., Голубев В.В., Караваев А.В., Ра-домский В.М. 98117630/03; заявлено 24.09.1998; опубл. 20.10.2000, Бюл. №29.

57. Проектирование механических передач / С.А. Чернавский, Г.А. Снесарев, Б.С. Козинцов и др. М., 1984.

58. Рагульскис JT.K., Рагульскис К.М. Колебательные системы с динамически направленными вибровозбудителем. JI.: Машиностроение, 1987.- 132с.

59. Райхель В., Глатте Р. Бетон. В 2-х ч. 42. Изготовление. Производство работ. Твердение/ пер. с нем. JI.A. Фендера; под ред. В.Б. Ратинова. М.: СтройФиздат, 1981. 112с.

60. Рекомендации по вибрационному формованию железобетонных изделий. -М.: НИИЖБ, 1986.- 78с.

61. Руководство к решению задач по высшей математике: Учебное пособие. Ч. 1-2/Е.И. Гурский, В.П. Дормашов, В.К. Кравцов, А.П. Сильванович /Под. общ. ред. Е.И. Гурского. Мн.: Высшая школа, 1989. - 349 с.

62. Савинов О.А., Лавринович Е.В. Вибрационная техника уплотнения и формования бетонных смесей. Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1986. - 280с.

63. Савинов О.А., Лавринович Е.В. Теория и методы вибрационного формования железобетонных изделий. Л.: Изд-во лит-ры по строительству, 1972. -153с.

64. Следящие приводы: В 3-х т./ Под ред. Б.К. Чемоданова. Т1.: Теория и проектирование следящих приводов/ Е.С. Блейз, А.В. Зимин, Е.С. Иванов и др. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. - 904с.

65. Совалов И.Г. Исследование методов формования железобетонных изделий на вибрационных площадках. Сб. "Механизация железобетонных работ иприготовления сборного железобетона". Промстройиздат, 1955.

66. Справочник по теории автоматического управления// Под ред. А.А. Крапов-ского. М.: Наука, 1987. - 72с.

67. Строительные материалы и изделия: Учеб. /К.Н. Попов, М.Б. Каддо. М.: Высшая школа, 2002. - 367 с.

68. Строительные машины: Справ.в 2-х т. Т.2. : Оборудование для производства строительных материалов и изделий / Под общ.ред.М.Н.Горбовца. 3-е изд.,перераб. - М.: Машиностроение, 1991. - 494с.

69. Теория автоматического управления: Учеб. пособие для вузов. Ч. И. Теория нелинейных и специальных систем автоматического управления. / Под ред.

70. A.А. Воронова М.: Высшая школа, 1977. - 288 с.

71. Технология строительных процессов: Учеб./А.А. Афанасьев, Н.Н. Данилов,

72. B.Д. Копылов и др.; Под ред. Н.Н. Данилова, О.М. Терентьева. 2-е изд., перераб. - М.: Высшая школа, 2001. - 464 с.

73. Ударно-вибрационная технология уплотнения бетонной смеси./ Б.В. Гусев, А.Д. Деминов, Б.И. Крюков и др. М.: Стройиздат, 1982. - 152 с.

74. Филипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001 - 616 с.

75. Харкута Н.Я. Машины для уплотнения грунтов М., Л. 1953.

76. Absolute Drehgeber fur die Automatisierungs- und Antrieb. Autom. Precis. 2002, №10, C28-29.

77. Directantrieb fordert ganzheitlichen Anzatz. Peryler R. Fertigung. 2002. 30, №11. C74-76.

78. ServoInverter mit hoher Flexibilitat. F + H: Fordern und Heben. 2001, C83-90. 85.Vom Handrad zum intelligenten Stellantrib Automatisation. Autom. Precis. 2002, №8, C58-59.