автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электротехнические комплексы и системы управления автоматизированными приводами основных технологических механизмов судоходных шлюзов

-, \ I м •••

- .МОСКОВСКИ! ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ ИНСТИТУТ

На правах рукописи БУРШИНА НАДЕЖДА СЕРГЕЕВНА

• ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТа^ТИЗИРОВАНШИИ ПРИВОДАМИ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ СУДОХОДНЫХ шлюзов

Специальность 05.03.03. - Электротехнические комплекс!!

п систены, вклпчая их утграв-" ление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

/ #

МОСКВА - 1992

Работа выполнена в Саккт - Петербургском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электротехническом институте им. В.И.Ульянова (Ленина)

Научный консультант: доктор технических наук,профессор, заслуженный деятель науки и техники Борцов ¡О.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Терехов В.М. доктор технических наук, профессор Соколовский Г.Г. доктор технических наук, профессор Зайцев Л.И. Ведущее предприятие - Санкт-Петербургское специальное

конструкторское бюро гидротехнических стальных конструкций и механизмов "Ленгидросталь"

Зацита состоится '/6" оиЗА^Р^ 1992 г. в_ час.

в ауд, _на заседании специализированного совета

Д 053.16.04 при Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетическом институте.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 105В35, ГСП, Москва, Е - 250, Красноказарменная ул., д.14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан 1992 г.

Ученый секретарь

специализированного совета ^

канд. техн. наук, доцент Кироева Э.Л.

з

ОБЩАЯ ХЛРАКТЕРИИГ.КЛ РАБОТЫ

Актуальность проблем. На территории РСОСР эксплуатируются около 100 шлюзов, обеспечиваю&глх в ряде случаев решаю -Шую роль в транспортам! потоке грузов стра]щ. Большинство из них построено Солее сорокэ-пятидослти лат назад п находятся в такой состоянии, когда согласно статистике, в связи с из -косой и старенной рабочих элементов шлюзовых систем, умень -пается надежность их работа н,следовательно,стшжается пропускная способность. Вместе с тем резко увеличились габарита и осада! шлюзуемых составов,их количество и интенсивность движения транспортного потока по срявнеиго со временем ввода илизовашшх систем.Поэтому в настоящее время,особенно в европейских регионах страны, требуется пршинать неотлозоше керн вплоть до таких дорогостоящ« проектов, как строительство параллельных ылвзов и дополнзтелышх каиер, чтобы справиться с нарастающим транспортниц грузовым н пассешрсюш потоком при обеспечении требуечоЯ надежности работа шлюзов и их ко -ханзззмов.

В связи с а тип актуальной становится проблема внедре1шя регулирует« приводов с современной системой автоматического управления, реализующих програишю-управляеиые ускоренные реюши функцимшрования основных технологических механизмов судопропускных сооружений, что существенно сокращает время шгозования (до 45%) при одновременном повышении его надежности и уменьшении энергоемкости процесса.

Результаты всесторонннего изучения технологических осо-бешгостей и режимов работы основных механизмов, комплексное

п системное рассмотрение вопросов функционирования их приводов показало, что серьезным препятствием для повышения быстродействия и точности отработки гидравлических алгоритмов систеиаш управления является сравнительно невысокая кест -кость иохэноконструкций и выявленные экспериментально неод -позначные нелинейности. Это определяет необходимость прове -дшгая исследований, направленных на разработку автоиатизиро-вошшх систеы управления электроприводам!, обеспечивающих предельно возможное быстродействие при программной движении иеханизыэ в специфических условиях окружающей среды, в ходе которых электропривод и исханпзи должны рассиатриваться как единая многоуровневая слокнал упругая электроиеханогидравли-ческэя систем.

Диссергацаошюя работа является теоретическим обобщением работ автора, направленных на реиение проблевд управления осношшкл технологическими механизмами судоходных шаозов.Народнохозяйственная важость решения этоЗ ироблеиы опредвлл -ется необходимостью реализации ускоренных алгоритмов кишзо -вянгл, связанной как с увеличением пропускной способности плшовшших годных систем, тпк и с повышсш:лм их надежности.

PoopuSoTainnjo в дассертзциетшой работе принципы построения систеи управления электроприводам и методики синтеза ксстких и упругих систеи икеют значение не только для электроприводов основных тсхнологичеыах механизмов судопропускных coopyirsmtfl, но и для других объектов управления прошпленных иехшгазиов.

Диссертациошюя работа ябляотся результатом участия автора в 10 хоздоговорах и госбюдзетннх НИР.

Цель работы. Целью работы является разработка электро -технических комплексов и решение проблемы управления элект -рсприводами основзшх технологических механизмов судоходных шлюзов, как проблемы обеспечения высокой точности отработки гидравлических алгоритмов и предельно возможного быстродей -ствия на базе научных основ и практических способов совер -шенствования многодвигзтельних приводов затворов и ворот с учетом выявленных экспериментально специфических особешюс -тей и закономерностей их функционирования при вариации параметров объекта управления, действии стохастических возмуке -ннй п во взаимосвязи электрических, иеханических, гадрашш -ческих и технологических факторов - что непосредственно на -правлено на повышение эффективности эксплуатации Еысскока -дегамх и ответственных объектов водного транспорта.

Для достижения этой цели в диссертационной работе решены следущие задачи:

1. Определена степень взаимосвязи пока штелей зффек -тивности эксплуатации судоходных шлюзов, характеризующих ин-тенснвшсть судопропуска, с показателями регулируемых приводов и показателями механоконструкций технологических объек -тов управления и выработаны направления их стратегической и локальной оптимизации.

2. Разработаны и обоснованы обобщенные технические требования к приводам отрасли, иеха1Юконструкцияи тяговых органов, конструкциям системы наполнения п методика технике -экономического и технологического обоснования выбора привода для основных механизмов шлюза на базе системного оценивания и сравнения технических, технологических п экономических ха-

рактеристпк процесса судопропуска.

3. Разработано уточненное математическое описание обо-бкекнсй модели злектромеханогидравлических систем основных механизмов судопропускных сооружений на базе экспериментально выявленного комплекса технологических особенностей их фушашонирования, учитывающее упругие званья, элементы с распределенными параметрами, нелинейности (в том числе и неоднозначную зависимость усилий от пути и направления даuse -пил механизма f6 = г(о)) и основные инерционные системы.

4. Проведен анализ и осуществлен синтез высокодинашч -ш САУ скорости и положения (в том числе и координирующие систем) многодвигателышх приводов технологичегасих механиз -нов отрасли с учетом специфических особешгостей их функцио -шрованил.

5. Исследованы перспективные для гидротехшчесм1х со -орухений САУ приводов: адаптивные, оптималыше и розработвна методам численной оценки качества асимптотической устойчи -поста синтезируемых структур.

■ 6. Определены rpaicruy влияния выявленных зксперкыен -тально технологичеагах нелинейностей и достаточные условия отсутствия автоколебаний в нелинейных ДЗГ.'С стабилизации скорости и в следящих системах с различными типами регуляторов положения.

7. Проведаны моделирование в эксперииенталыше исследования на разработашой физичесзсой модели (стенде) с параметрами, ядокватмага параметрам реального механизма, и внедренном приводе-дублере действующего гидротехнического соорузго -ния с целью проверки работоспособности и эффективности син -

тезировашшх алгоритмов управления и отработки функциональных узлов и блоков нового, для ылюзов, типа привода, а также осуществлен комплекс мероприятий по внедрению результатов диссертации на действующих гидротехнических сооружениях.

Научная новизна.Новизна работы заключается в следующем.

1.Проведен оригинальный коиплекс натурных электромеха-ннческих и гидравлических исследований, позволцвпий выявить важнейшие технологические осойешоста функционирования основ-шх механизмов шлюзов и их иногодаигательных приводов,что су-ществегаго позволяет сократить время на исследовательские и наладочные работы.

2. Обоснованы обобщенные технические требования к при -водам отрасли и к конструкциям систеш наполнегая судопропу-сгашх сооружений и рассчитаны соответствующие номограммы.

3. Разработано уточненное математическое описание,базирующееся на выявленных экспериментально технологичеишх особенностях функционирования основных механизмов шлвза и поз -воливпее учесть упругость кинематических передач, неодноз -начную зависимость усилий от пути и направления движения затвора, которые в ранее опубликованных работах по данному объекту другими авторами не рассматривались.

4. Рвзработвн широкий спектр методик синтеза жестких и упругих систем стабилизации скорости, следяцах, координирующих и оптимальных систем, позволяющих обеспечивать: заданные технологическими режимами функционирования динамические по -казатели одновременно по управлению и возмущению и заданные динамические показатели при наибольшем быстродействии системы.

5. Обоснована структура координирующих систем злектро -привода технологических мехазшзмов судопропушсных сооружений.

6. Разработаны диаграммы синтеза и номограммы динами -ческих показателей по возмуиавдему воздействии от обобщен -ного параметра объекта управления (в*игя), позволяющие впер -вые сформулировать технические требования к параметрам механических частей привода технологического-механизма.

7. Выявлены взаимосвязи параметров механической и электрической частей следящей упругой ДЗМС и рассчитаны соответствующие номограммы, позволяющие синтезировать основные па -раметры элементов механоконструкций или механизма в целом по заданным технологией функционирования значениям динамических показателей электрической части.

8. Доказано наличие автоколебаний в ЭМС технологически механизмов шлюзов, устзновлеш их источники, определены достаточные условия отсутствия автоколебаний в нелинейных ДЭМС стабилизации скорости и слцдящах системах с различными регуляторами полохишя и рассчитаны номограммы предельного быстродействия, при котором обеспечивается асимптотическая ус -тойчиеость упругих систем.

9. Для оценки качества асимптотической устойчивости линейных систем введена числовая характеристика к (а), позволяющая и характеризовать качествешше динамические параметры в переходных регашах.

10. Обосновано применение для иногодвигательных пршэо -дов основных технологических механизмов, в качество перспективных САУ, адаптивных (обоснованы тип адаптации, структура и модель для данного класса механизмов) и оптимальных систем,

позволять« мтгамазировать затрата силовой энергии в пере -ходных процессах.

II. Разработвн оригинальный стенд с параметрами, адек -ватными параметрам реальных технологических ыеханизков штю -зов, позволяющей отрабатывать синтезированные алгоритмы уп -равления в заданной икокостве рабочих и аварийных режииов.

Практическая ценность и реализация результатов работы в промышленности.

Практическая ценность работа состоит п тон, что осуществлено комплексное решение крупной народнохозяйственной проблемы - повышение пропусхноЯ способности шлюзованных водных путей и определяется тем, что все полученные в ней результаты доведены до инженерных решений и могут быть непосредст -веиго использованы, что существенно сокращает вреда на ис -следования, наладку и проектирование приводов таких высоко -надежных и внсокоответство!шых объектов управления, как ос -1гов1ще технологические механизмы судоходных шлюзов.

Разработанная физическая модель с параметрами, адекватный! параметрам реального механизма, и внедренный электро -привод-дублер позволили впервые заловить основу для создания комплексной экспериментальной базы по исследованию п доведению до рабочего состояния перспективных, опытных и промышленных приводов для специфических и уникальных объектов водного транспорта, что чрезвычайно вайю для повышения интенсивности судопропуска на крайня загруженных водных магистралях европейской части страны.

Получены прэкт1гчески ваяние рекомендации по проектиро -вагаш как привода, так и мехпноконструкций тяговых органов в

система наполнения. Разработанные приншпи построения СУ и синтезированные алгоритмы управления реализовав во внедренном иногодвлгательном тиристорнои приводе постоянного тока на рабочей плоском подьецно-опусююы затворе судоходного шлюза Новосибирского района гидросооружений, что позволило существенно ускорив (до 45%) весь процесс судопропуска при обеспечении нормальных гидродинамических условий отстоя судов в камере и подходном канале, полностью исключить причини вва -рий, возникавших при илизоза¡ши с постоянной скоростьи отк -рытия судопропускного отверстия.

Внедрение регулируемого привода позволило решить проб -леиу интенсификации судопропуска без строительства доползи -тельной камеры шиозованая. Аналогичные работы проводятся на затворах водопроводных галерей первой средней каперы Новосибирского шгоза. Результаты прошлаленных испытаний и натурных исследований зафиксированы в соответствующих актах.

Факт внедрения и технический эффект, состоящий как в существенном увеличении быстродействия и точности отрабопси гидравлических алгоритмов приводом постоянного тока по сравнении с существующей электромеханической системой, так и в значительном сокращекш времена судопропуска при сохранении нормальных гидродинамических условий отстоя судов в камере, уменьшении энергопотребления а увеличении надеаности фушща-онирования всего гидротехнического соорукения, зафиксированы в актах внедрения и заюшчеиш Российского Государственного Концерна Речного Слога, ириведешгше в прнложегаи к дассер -тацношюй работе.

Материалы исследований переданы в Главводпуть МРФ РС2СР

в форме отчетов по НИР и тгхгаческих заданна и реализованы при проектировании тиристорного электропривода постоянного тока рабочих плоских подъемно-опускных ворот Новосибирского шлюзя Санкт-Петербургским спещшльнш кокструкторсгаш бюро гидротехнических стальных конструкций и механизмов "Ленгид -росталь". В настоящее время проводятся прозкпгые работы по разработке привода затворов галорех! первой средней камеры Новосибирского шлюза, где также использованы материалы дис -сертационной работы.

Полученные результаты с соответствуквдема коррективами, учитывавшими особенности конкретных плюзовагашх систем, мо -гут быть практически использованы для всех шлюзов страны, а также при проектировании автоматизированных приводов разных промышленных объектов управления.

Материалы диссертационной работа, касащиеся принципов построения систем управления и методов синтеза тирясторных электроприводов постоянного тока с упругостью используются при чтении лекций для студентов специальности 21.05 в Ново -сибирском институте шасенеров водного транспорта. Эти мате -риалы нашли отракеше в написанной автором мокограСЕии "Автоматизировашме приводы основных технологических механизмов пшозов", выпущенной издательством "Наука". СиО.отд-я, 1991 г.

Достоверность результатов работы. Научные положения, вывода и рекомендации диссертационной работы подтверждены экспериментальными исследованиями на стенде с адекватными параметрами, электроприводе - дублера действующего гидротехнического сооружения и внедренной тиристорнои элек-

троприводе постоянного тока.

Достоверность научных положений подтверждена также практикой проектирования и проведения пуско-наладочных работ при вводе в строй новых и при модернизации приводов сущест -вующих гидротехнических сооружений, что зафиксировано в ак -тах внедрения.

Основные научные результаты, выносимые на защиту.

1. Уточненное математическое описание электромеханической системы основных технологических механизмов судоходных шлюзов с учетом многосвязности объекта управления и различ -ного рода упругих связей.

2. Инвекорная методика синтеза высокодинамичных САУ скорости и положением технологических механизмов судопропусюшх сооружений с учатои экспериментально выявленного комплекса технологически особенностей их функционирования.

3. Научно-обоснованные технические критерии проектиро -вания шюгодаиготелышх приводов плюзов с учетом взаимосвязи злвктромехашчеасих, технологичооазх и гидравлических факторов, влияния упругих связей и действующих характерных внеш -лях воздействий.

4. Методика численной оценки качества асимптотической устойчивости синтезированных структур.

5. Достаточные условия отсутствия автоколебаний в нелинейных ДЭМС стабилизации скорости и следппда системах с различными регуляторами положения, а такзе аналитические зава -сииоста предельного быстродействия упругих систем с неодноз-илчкши нелзнейностянз.

6. Инженерные методики синтеза адаптивных и оптимальных

систем, иишшизирущих силовые потери в переходных регхимах.

7. Принципы построения коорднняруктах систем югогодви-гательных приводов, обеспечивакюте существенное повишезше точности и быстродействия по сравнению с примишеныни в настоящее время и ДЗ!,!С стабилизации скорости, ленащях в ос -нове этих систем.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в тридцати печатных трудах, среда которых одна монография.

Апробация работы. Основные положения работы докладывз -лись,обсуждались и были одо<5рени на ХХШ - XXXI научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Новосибирского института инженеров водного транспорта и За -падно - Сибирского научно - технического общества водного транспорта (г.Новосибирск, 1982 - 1990 г.г.), на XX - XXV конференциях молодых научных работников Санкт-Петербургско -го института водного транспорта совместно с Санкт-Петербургским бассейновым научно - техническим оби(естБом водного транспорта (г. Санкт-Петербург, 1984 - 1939 г.г.), на уШ научно-технической и методической конференциях профессорско -- преподавательского состава и научных сотрудников Московс -кого института гагкенеров водного транспорта (г. Москва, 1986 г.), на расширенном производственно - техническом ко -ординяцяонном Совете Главного Управления водных путей и гидросооружений (г. Волкск, 1982 г.), на Казахстанской респуб -лпканскои научно - технической семинаре НТО ВТ "Пути повышения надежности гидротехнических сооружений" (г, Усть - Ка -иеногорск, 1985 г.), на производственно - техническом Совете Управления Волго-Докскии судоходный каналом им. В.И. Ле -

мила (Волгоград, 1906 г.), на Всесоюзной конференции "Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса" (г. Томск, 1990 г.), на научно --технических семинарах Института Промышленной Электротсх -ники Высшей Инженерной Школы (г. Зеленая Гура, Польша, 1990 г.) и Института Электроившикных систем Вроцлавской По -лигехшки (г.Вроцлав, Польша, 1990 г.), а также на научно --топических семинарах Новосибирского института инженеров водного транспорта, Московского института инженеров водного транспорто и Новосибирского электротехнического института.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 277 наименований и трех приложений. Работа содержит 199 рисунков и таблиц на 167 страницах.Объем диссертации за исклпчением ри-cyiwoB, таблиц и списка литературы составляет 297 листов машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит в виде 1сраткой ошготацпи изложение того нового, что внесено автором в исследование проблемы управления электроприводами основных технологических механиз -мов судоходшх пшззов, формулируется цель работы, характеризуется ее актуальность и приводится перечень основных поло -

кений, выносимых на защиту.

В первой главе дается общая характеристика проблемы управления автоматизированными приводами основных технологи -ческих механизмов судоходных шлюзов кок сложными упругими

злектроцеханогидрашшчесзсшет систеияш, обсухдвптся состоя -ние вопроса и показываются направления развитая современного привода данного класса механизмов.

Обосновывается представление процесса судопропуска многофункциональной динамической системой,формулируются функции иерархической структура, в составе которой действует несколько взаимосвязанных подсистем, в той число и подсистема "На -полненпе" и приводятся обобщенное дерево функций.

Составлена классификация приводов основшх механизмов судоходных шлюзов, на основе которой проанализировано пх состояние: существующие системы не отвечают ссвремзшшм требованиям процесса судопропуска (отсутствие программного наполнения и маневрирования воротами, автоматического выравнпва -ния перекоса по цепи управления, неприспособленность к под -ключению в автоматизированный комплекс, низкие знергетичес -кие показатели а т.д.), а внедряемые системы зге соответствуют работе в специфических условиях гидротехнического соору -кения, так кзк взяты из других отраслей и "механически" пе -ренесены на данные объекта. В связи с этим разработана методика по технико-экономическому и технологическому обоснова -ни» выбора типа привода для основных механизмов на базе системного оценивания и сравнения технических, технологических и экономических характеристик.

Технологический- объект управления (ОУ) нохно предста -вить в виде блок схема (рис.I).На рисунке показаны действующие на электромеханическую систему управления (ЭМСУ) п на ОУ векторно характеризуемые внешние и внутрвшша воздействия Fí , 'гг,...,гм, н гидравлические силы сопротивления г,

Вектор и включает управляющие воздействия от блока программного управления, задающего устройства верхнего уровня, датчиков различных координат системы и технологических величин.

Целью функционирования системы является реализация за -данных алгоритмов движения технологического механизма (рис.2), характеризуемых вектором состояния X . Цель достигается путем воздействия на ОУ векторов силового управления ït и , которые формируются в ЭМСУ электродвигателями пос -тоднного тока Д1 и Д2 , питаемыми от тиристоршх преобразователей ГО и П2, управляемыми регуляторами соответст -вешо ?I u Р2 от сигналов и и сигнала z , формируемого в блоке бесперекоского двшсе1шя РЗ при наличии различ -них воздействий F, » г2 • • ■ ■ « FN « Ft. F2 • ■ • • > Fs c Учетом технологических особенностей объекта управления, требований судоиропуска, физических и экономических ограничений, иякладавяеках на функционирование ЗМСУ.

Исходя из современных требований интенсификации процесса судоиропуска обоснована целесообразность и экспериыен -тально подтверздена эффективность внедрения ускорешшх (не -линейных) алгоритмов иапо^шшя камеры (рис.2) с последущей проверкой условий стошаш судов в верхнем подходном кгнале (в ток числе и d аварийны рентах), позволявдих со!сратить время наполнения на (20-45)% в зависимости от грузоподьеы -поста шюзуеши судов и уровня вода в бьефах.

Как показали экспериментальные исследования, при движении затвора с постояшой скоростью усилил в швартовных тро -сах могут превысить допустимые на (30-40)Й (рис.З). При пе-

Блок схема технологического объекта управления

Рис.1

Гидравлические характеристики подъема затвора судоходного шлюза

Рис .2

Ктф'шдлтсскво хяртктрркстккя к у<п'л;:я п ппэртоштх т]'' "j/ix ¡V« дюрмихя патпора с постоянной скорость»

'Í 3.8

<vo i С Г, л г -

Г1, Со A Oft

■Ф Г ..V.,..',.,

ЭС , 1 5 1?

i hl \ iù </ А / К I № \ J\ /\ И

í V V \IV~TT~'

_/ V - i-Л А W

^ ' V\/ Wr

TÍ'О.З

редаим.'И'ни «е еигиора но усног^-ниом/ гс;¡-.•■ну-/ (^ио.-!) -

И.ОУНО НО ТОЛЬКО СНИГ'ИТЬ УСЯЛ'.Я 13 ИЗЛрГОРП'.Х Тр0С.'!Г,1!0 и

М>! наполнения.

Проведении.! кони лике гедродиняхпчеиких цсследосзии;'! позволил обосновать требования к механический конструкциям систеш наполнения и к динамическим показателям система привода.

Электромеханические и гидравлические эксперименты впервые выявили общие и специфические технологические особешгас-та и закономерности функционирования основных механизмов шлязов; проведена идентификация зафнкевровашых при этой широкого спектра частот колебаний усилий в тяговых органах механизма, ка основе которой определена их физическая природа. Определен диапазон и причины возникновегая вынужденных колэ-башй; установлены источники автоколебаний (экспериментально выявленная неоднозначная зависимость усилий от пути и нап -равления движения затвора, заедание пружин грузових реле п возмоюше боковые перемещения механизма).

На базе системного рассмотрения технологических особенностей работы 0С1ЮВ1ШХ механизмов гидротехнических сооружв -ний разработаны и обоснованы обобщенные технические требования: к приводам отрасли, к механоконструкциям тяговых меха -низмов и к конструкциям системам наполнения. Рассчитали и построены номограмм« взаимосвязи параметров механической и электрической частей ЭКС подъемно-опускного затвора тлггая, использование которых позволяет учесть их противоречия и взаимосвязь. Подобные номограммы могут бить использованы на стадии проектирования электропривода не только технологичес-

Гидравлические характеристики и усилия в швартовных тросах при движении затвора по программе

1.0 - С! с

Р,5 - / * /06.5 1

" '¡од еоо '300 'то 50 0 1, С

Рис.4

ких механизмов шлюзов, но и механизмов других отраслей про -мышленности.

Вторая глава содержит изложение разработанных в диссертации принципов управления скоростью и положением двухмассо-вого упругого объекта, движение которого описывается выражениями:

х = F(x,u.z,t) , x(t0> = . где х - x(t) - n-мерная функция состояния системы;

и = u(t) - m-мерная фугасцая управляиэдих воздействий;

z - z(t) - к-мерная функция внешних воздействий; - начальное состояние.

Разработано уточненное математическое описание, учиты -ваицео упругие звенья, элементы с распределенными параметрами, нелинейности (п том числе и неоднозначную зависимость, усилий от пути п направления движения меха]шзма f£ = f (е)) и основные шгерцяошгостя сисгеш. Использование пршщипов аппроксимация объектов с распределенными параметрами и учете технологических особенностей механизма позволило обоснованно перейти 1С конечномерной модели, а анализ частот трехнассовой ЭМС и ДЭшС, рассчитанных теоретсгчески и получеших экспери -ментально - к двухмассовой схеме замещения.

На базе получогаюго математического описания и экспериментально выявленного характера действующи возмущений раз -работая широкий спектр кетодов синтеза упругих п жестких си-стен (стабилизации скорости, следящих и _координируксги), позволяющих:

- по заданным технологией функционирования объекта уп -равлелил значениям динамических показателей и лапбольгоом Си-

строде&с-гсли оарс.-Д" уиъ П!1ру,;з?р.| и>^.ед>л'0Ч1и;х фушидп! ию -тени по упра!с:;;г;:';<.':.'у и коукуцэкдаку иоздойстваии,» соотеет -отвезшо к юстроок р'И'удятороз СЛУ;

- синтезировать сиот-лта по одновременно задашши дана -шчзсккл показатсмм по уиргпишнию и возуугдеша.

Ргссчкташ и построен! соответствуйте доагрйшл! синтеза (рис.5, рис.6, где о - перерегулирование; Ьа - динами -чеекзя просадка выходной координаты; трс,т - постоянные времени соответственно регулятора скорости и регулятора то -ка: крс - передаточный коэффициент регулятора скорости; г - показатель быстродействия; , г2, г3 - коэффициенты дополштелыгых обратных связей соответственно по току, ско -рссти двигателя, скорости механизма; а - коэффициент главной отрицательной обратной связи по скорости двигателя; тг - постоянная времени коиСшированного регулятора скорости упру -гей системы).

Параметры регуляторов упругой системы синтезированы методой модального управления.

Практическая ценность разработанных методик синтеза для пжекерсв - проектировщиков заключается в наглядное -та, простоте, удобства, наличии широкого спектра информа -ига ( в том числе и новой, отличной от представленной ранее в литературе ), возможности оперативной перенаст -ройки САУ либо на другие показатели качества, либо на другие параметры электромеханической системы без предвари -тельных расчетов.

Получонные онялитичешше зависимости

Дгагр'-'-г.п о:;ч':-::П1 ::'.> и u;-'':;-;": :\г.\г

поздейсты:к'1 :»стпо:: с>7:?с: ч (С = U,V )

Дяагрдага синтеза по и

роздоШзтвуп-д ДСУС сть'и.чкз^ул скорости ('I = С,9-5)

* [а, -

--#

+ Ар2 + А р +1

где - рж / оо. (в1»*)* = в2иг / п*' - относихелыше па -раметры

и соответствующие ноыограмиы, оценивающие отклонение выход -ной координаты ©вих от обобщенного параметра ДЭМС н=в2кгч (рис.7) и варианта распеределения корней (рис.8) про скачке возмущающего воздействия (соответствующего номинальному ио -менту двигателя) упругой следящей системы, позволила сформулировать технические требования и практические рекомендации по проектировании механических параметров привода технологического механизма, описываемого двухмассовой схемой заиеце -нпя. Выявленные при этом взаимосвязи параметров механической и электрической частей следящей упругой ДЭМС позволяют сии -тезировать основные параметры элементы иеханоконструкшй и механизма в целой по заданным технологией функционирования значениям динамических показателей электрической части.

Обоснованы структуры систем приводов технологических цвханизмов судопропускных сооружений, построешшх как на базе систем подчиненного регулирования (жесткая система), так и ДЭМС стабилизации скорости (упругая система) с различными

Номогралг.ш зависимости тах О = / ( ^ для различных вариантов распределения корней

тах(-6'а ) Эбых '

1 - биномиальное распределение; 2 - распределение с краткими комплексным! корнями; 3 - по Ватторворту; 4 -распредоле-ние по т<п ; 5 - "оптимальный случай"

Рис.7

Диаграммы синтеза следящей упругой системы с П-рсгулятором положешм по возму.цааде\1у воздействии (у -0,5^

Рис.З

комбинациями допад_дтельных обратных связей.

Работоспособность и эффективность синтезированных структур проверена моделированием на ЦВМ и физической модели (стенде) с параметрами, адекватными параметрам реального механизма. Основные синтезированные структуры внедрены на электроприводе - дублере и тиристорном приводе постоянного тока рабочего подъемно-опускного затвора Новосибирского шлвза.

Третья глава посвящена исследования адаптивной и опта -малыгой систем. Целесообразность и актуальность адаптивного управления наряду с повышением качества функционирования систем исполнительного уровня иерарахической АСУ процесса су -допропуска обусладаваются правде всего необходимостью обес -печения все более возрастающих требований к качеству и точ -ности САУ в условиях нестабильности параметров или неполной информации об ах значениях.

На основе анализа методов адаптивного управления обос -нованы алгоритм адаптации, структура и выбрана модель для рассматриваемого класса электромеханических систем:

и " ВоКгд + Вок.* * 2 ;

г » Ь Р'1СГ едп Се,

где во,с - постоянные матрицы, характеризующие линейную стационарную часть;

К1 ,К2 - матрицы настраиваемых параметров,определяемых по уравнениям ло + вок> = а^ и вокг = в^; г - вектор сигнальной настройки;

д - программное управление;

h и const > О - скаляр;

р - матрица, определяемая из решения уравнения Ля -нова: р а + атр = - Q;

q - diag(cji.gz.....эп) - диагональная положительная

матрица; в - ошибка наблюдения.

Рассчитан адаптивный регулятор САУ ыногодвигательным приводом подъемно-опускного затвора шлюза.

Обосновано применение в качестве перспективах САУ для приводов основных технологических механизмов оптимального управления, позволяющего рвализовывать задвгаше траектории с иишмуиои затрат энергии в переходных рекиыах рабочего цикла.

При этой критерием качества выбран функционал вида:

<ю

х = 2|A|J-(|X(t)|z - |В U(t)J2) dt. о

Алгоритм управления при условии, что пара (а,в) стаби -лизируена п существует такая матрица л , что А*л + л л + + г\л\ [I - л в (вмв)",в',л i => о :

О = - 2jA|B(B*B)~lD Л X (t).

Разработана иетодшса синтеза оптимальной сястены и пос-троеш соответствующие ноиограиш, иозволявете оценить и диапазон изменения параметров обратных связей при возможной оперативной перенастройки система.

Метод сшггепа применим для систси..явтоиатпзировагагого электропривода а проишплегамх механизмов. обеспечивавдях ро-

гулирование п стаС .газацию скорости механизмов, работающих в таких технологических режимах, когда время пуска несоизмеримо мзло по сравнению со временем их функционирования и основнш требованием является отработка программных алгоритмов при минимизации затрачиваемой энергии.

В четвертой главе для оценки качества асимптотической устойчивости линейной системы введена числовая характеристика зе (а)

СО

X (А) = Е[А[ sup {(у |X(l)fdt] / [|Х(0)|г]| .

где |x(t)5 - евклидова норма вектора х

|а| - спектральная норма матрицы а.

Числовая характеристика ж (а) позволяет не только характеризовать метрической оценкой степень устойчивости, но и оценивать качественные динамические параметры в переходных рехшах по управляющему а возмущающему воздействиям:

tlAl

|x(t)| < /зе (а) («, ].

Выявлена взаимосвязь введенной числовой характеристики ж (а) и запаса устойчивости по фазе ¿р (а) (по критерию Найасвиста).

В пятой главе приведены результаты исследований тела -нейных САУ приводов основных технологических механизмов шлюзов .

Выявлено, что ДЭМС стабилизации скорости и следящие системы характеризуются наличием автоколебаний, возбуждаемых выявленными экспериментально технологическими нелинойностяма,

основной из которых является неоднозначная зависимость уси -лий от путл и направления движения механизма = г (0). Исходя из определенного при натурзшх исследований диапазона частот автоколебаний аналитически рассчитаны параметры (и диапазон их иэмэнешй) различшх типов неодзгозначзшх нелинейностей, потенциально способзшх возбудить автоколебо -1шя в ЗМС шюзобых иехазпззиов.

Установлено при этом, что частота автоколебаний ДЭМС, характеризующаяся высоким значением козКкцпезгга распродело-зшл масс, всегда выше ее собстзэезшой частоты колебаний.

Используя частотный критерий Попова В.М., определены достаточзше условия отсутствия автоколебаний в нелинейных ДЭ!1С стабилизации скорости ц следлвдс системах с П-, И- и ПИ- регуляторами положения.

Условие отсутствия автоколебазшй нелинейной следящей системы с П-регулятором пологезшя:

где а4 - \ - зсоэййцпэзгты згормаровэзшого хяразгтеристичес -кого уравнения; по - ззтчэзто средасгооматрачесзмго корил; п - элснтрсмохазгичоская постоязшал премэзш при -вода-.

V - собстззозшая частота колебаний ДШС. В соответствия с последним выроаоином опродолош облос-

л л п3 +

I 4 О

ти допустимых зкач<>}шй коэффициентов нормированных урзвне -ш:Я взсто.1 сгеаела при р.аз/.п'чкь.'х вариантах распределения корней,в которых сЗеспечшзается зснштотическэя устойчивость келикзйгай скотски. При этом по параметрам технологического механпэ&а п'и' воимозжо и определить предельное быстродействие упругой нелшшГд;ои систеш ло.

В шестой главе изложены результаты исследования разра -ботакних скотам управления автоиатизированныша приводами основных технологических механизмов шлюзов.

Не разработанной экспериментальном стенде, с параметра-га адекЕатныма параметрам реального механизма, проверена эффективность синтезированных алгоритмов управления и работо -способность предлагаемых структур, а такке отработаны основные функциональные блоки и устройства нового, для гидротех -нических сооружений, типа привода.

Проверка теоретических выводов и рекомендаций, а также ускоренных гидравлических алгоритмов шлюзования была осуществлена на внедренной электроприводе - дублере, который позволил не только провести значительный комплекс экс -периментальных исследований, но и повысить интенсивность судопропуска без остановки действующего судоходного шлюза.

Внедренный электропривод -4 дублер и разработанная физическая модель позволили заложить основу для создания комплексной экспериментальной базы по исследованию опытных и промышленных приводов для внедрения их на специфических и крайне ответственных объектах водного транспорта с учетом технологических особенностей функционирования послед-

ти - что чрезмерно важно и актуально для шлкзовах с::стец европейской части страны.

Результаты проведенных псследоватай полохеш з основу разработок тирасторного электропривода постоянного тока • подъемно-опускного затвора. Внедрение таристорного привода позволяет уменьшить время шзозования з среднем на (12 - 20)% с одновременный улучшение» условий отстоя судов в ка -мере и в подходном канале; повысить срок слугбы грузоподъемных механизмов за счет демпфирования колебаний усилий; уменьшать энергоемкость процесса шгозованпя знача -тельным сокращением установленной ыощюстп электрических машин.

Эконоиичесюй! эффект от внедрения результатов диссертационной работы по модернизации приводов основных технологи -ческих механизмов составляет 1,3 млн.руб.

Результаты исследований ка действующей судопропускнси соорузе]Ши разработанных систем управления электроприводами ОСНОВ1МХ технологических механизмов шлюзов 'зафиксированы в приведэшшх в приложении, актах внедрения и использования и подтверждают положения, выдвинутые в диссертационной роботе.

ЗА1ШСГШИЕ

I. Диссертационная робота является теоретическим обоб -ионием работ автора, направленных на -решение комплексной проблей! управления электроприводами основных технологспес -кпх механизмов судоходных шлюзов, как слсжголга.в общем слу-

чае многоиассошми, электромеханическими объектами. Народнохозяйственная вазшость решения этой проблемы определяется необходимостью реализации ускоренных алгоритмов шлюзования, увеличением пропускной способности шлюзованных водных систем, повышением их надежностью.

2. В диссертации, согласно обоснованному принципу построения следящего электропривода и координирующей системы, создашшх на базе ДЭМС стабилизации скорости, обеспечивающего существенное повышение точности и быстродействия по сравнению с применяемыми в настоящее время системами, разработаны научные основы анализа и синтеза Еысокодинамичных САУ скорости и положением основных механизмов судопропускных сооружений с учетом выявлешгого экспериментально комплекса технологических особенностей их фушодаонирования. По мнении автора эти вопросы имеют общее теоретическое и практическое значение и использование этих результатов может быть полез -ным при разработке систем управления электроприводами значительного числа промышленных и специальных объектов.

3. Обосновано и разработано уточненное математическое описание электромеханической системы основных технологических механизмов судоходных шлюзов на базе проведение -го оригинального комплекса электромеханических и гидравлических исследований, позволивших впервые выявить общие и специфические закономерности и особенности функционирования как механизмов, так и их многодвигательных приводов.

4. Разработана методика технико-экономического и технологического обоснования типа привода для высоконадежных и высокоответственных объектов водного транспорта.

5. Разработана методика идентификации частот колебания усилий в тяговых органах механизма.

6. Сформулированы научно-обосновзкные критерии проектп-ровагня многодаигательных электроприводов основных техноло -' гических механизмов шлюзов с учетов взаимосвязи злектромеха-нических, технологических и гидравлических факторов, влияния упругих связей и распределешгости элементов, вариации пара -метров объекта управления и действующ;', характерных внешних возмущений.

7. Показано, что в создании высококачестзекшх 3"С п промншлвнзшх приводов для основных технологических ыехакиз -мов шлюзов в совреиешшх условиях шггенсифдаацпл процесса судопропуска, целесообразен и эффективен адаптивный подход. Требовании быстродействия адаптивных процессов и рассматрп -военому 1сласс7 механизмов наиболее полно удовлетворяет адоптивные снстекы с настраиваемой моделью и сигнальным типом адаптации.

8. Разработана методика числипгой оценки качества асимптотической устойчивости синтезируемых систем.

9. Разработана нетодикэ сшггеза оптимальных систем, позволяйте минимизировать затраты силовой энергии в переходашх процессах САУ ююгодвигателъных приводов, реализугшх прог -раюяго - управляемые режимы.

10. Определены достаточные условия отсутствия овтисоло-балий в нелинейных ДЭ?ЛС стабилизации стрости и следящих системах с различными регуляторами полояенйя и получены аналитические зависимости предолыюго быстродействия упругих систем с неодиозначзпля! нелинейностяни.

11. Разработанные физическая модель (стенд) ЭМС технологических механизмов шлюзов с параметрами .адекватными пара -метрам реального механизма, и привод-дублер, внедренный на действующем гидротехюгческом сооружении, ииитирукиие рабочие и аварийные рехаш работы ворот н затворов, позволила впервые заложить комплексную экспериментальную базу по раз -работке и исследованию опытных, промышлешшх и перспективных образцов привода в условиях действующего объекта для таких высоконадеишх и ответствешшх механизмов, что особешю важно и актуально для загружшшых европейских регионов страны при внедрении ускоренных алгоритмов шлюзования.

12. Внедрение тиристорюго электропривода постоянного тока с совремешой системой автоматического управления позволяет уменьшить время шлюзования на (12 - 20)% при одновременном повышении надежности всего процесса судопропуска и уменьшении втрое установленной мощности электрических машин.

Объем а степень реализации результатов работы позволяют утверждать, что научные результаты и положения, полученные в настоящей работе, отличаются достоверностью и полностью подтверждены практикой.

Основное содержание диссертации опубликовано в следую -щих работах:

Монография

I. Буряшна Н.С. Автоматизированные приводы основных техно -логических механизмов шлюзов. - Новосибирска: Наука. Сиб. отд-е, 1991. - 144 с.

Статьи и авторское свидетельство

2. Бурянина Н.С. Анализ механических характеристик асинхронного двигателя при различных комбинациях кьс - элементов в роторной цепа // Электропривод и автоматизация проиэво- _ дствеишх процессов на речном транспорте: Сб.науч.тр. / Новосиб. шг-т гаа, водного тр-та. - Новосибирск, 1983. -С.15 -21.

3. Бурянина Н.С., Зенков Д.О. Технологическое обоснование выбора систеш привода подьемно-опусзсного затвора //Автоматизированный электропривод: Ыеизуз.сб.науч.тр. / Но -восиб.электротехн.шс-т. - Новосибирск, 1934. - С.119-127.

4. Бурянина Н.С.,Зезков Д.О. Сравнительный анализ энергети -чесгах и узсрупнензих показателей приводов подъемно-опускного затвора судоходного шлюза // Автоиатизировашша электромеханические системы: Мезшуз.сб.науч.тр. / Новосиб. электротсхн.ин-т - Новосибирска, 1985. - С.90-97.

5. Бурянина ¡Г.С. ,Зе;оюв Д.О. Уточнэшгоэ ыптеыатачоское спи -саше электропривода падъеюго-опускного з&твора судоход -ного шюта // Элезстрооборудованво объектов водного трпне-порта: Сб.нзуч.тр. / Новосиб. ин-т инк. водного тр-та. -Новосибирск, 1905. - С.10-28.

6. Бурянина Н.С. Кдеттфжяцш! колебаний электромехвтгзес -той системы подъсмяо-ооусгагого затвора судоходного клюза // Элсктрооборудолашо и овтоиатизацлл объектов водного транспорта: Сб.науч.тр. /Лозганг.шьт водного тр-та. - Л., 1905. - С.50-Б6.

7. Буряшшо Н.С., Зенков Д.б.«Володин А.Г., Иалзгшгова Т.Л. Гпдродпнянлческио п электромеханические исследования на Новосибирском пита о с целью модернизации электропривод?//

Вопроси технической эксплуатации транспортных гидротехнических сооружений: С<3.науч.тр. / Новосиб.ин-т инк. водного тр-та. - Новосибирск, 1986. - С.23 - 36.

8. Буряшша Н.С. Регулируемый привод подьешга-опускного затвора сляза // Электроэнергетические установки водного транспорта и их автоматизация: Сб.науч.тр. / Ленпнг.ин-т водного тр-та.- Л., 1986. - С.45-48.

9. Бургин Б.К., Буряшша Н.С.Следящая система на основе ДЭМС стабилизации скорости с пропорционально-интегральным ре -гуллторон положения // Автоматизированный электропривод проишвлеюшх установок: Ыеызуз.сб.науч.тр. / Новосиб.эло-ктротехн.ин-т. - Новосибирск, 1985. - С.9-15.

10.Бургин Б.Ш., Бурянина U.C., Зекков Д.05., Тавров В.Н. Особенности работы пр;шода верхних эксплуатационных ворот Новосибирского шлюза // Экспресс-информация.Речной транспорт: Сб. ЦБНТИ и П / МРв РСФСР. - «.,1986. Вт. 27

- (1094) - С.4-7.

11.Бургин Б.Ш., Буряшша Н.С., Зенков Д.в. Разработка стенда для исследования реаимоз работы подъемно-опускного затвора шлюза // Экспресс-информация. Речной транспорт: Сб. ЦБНТИ и П / ЫРО РСФСР. - М., 1987, Вып.16 (II3I) - С.2-6.

12.Бургин Б.Ш., Бурянина Н.С. Синтез следящего привода с упругими связями // Автоматизация промышленных установок / Томский госуд. унив-т. - Томск, 1987. - С.3-9.

13.Бургин Б.Ш., Бурянина Н.С. Анализ следящих систем, синтезированных методом модального управления, для подъемно -опускного затвора шлюза // Известия вузов. Электромеханика. - 1987. Jé 2. - С.98-104.

С4.Бурпш Б.Ы., Буряшша U.C., Зенков Д.Ф. Экспериментальные исследования на Новосибирской шлюзе с вспользовашем электропривода - дублера с аспкхрогашм преобразователей частоты // Автоматизированные злектромехэшчегасие системы: Нежвуз.сб.науч.тр./ Новосиб. электротехн. ин-т - Новоси -вирсна, IS87, - С.101 - 106.

15.Бургин Б.Ш. , Бурятии Н.С.,Зенков Д.Ф. йсследовагае дина -шчекшх режимов работы подъемно-опускного затвора плвза на экспериментальном стенде // Автоыатизирозашше элакт -ромеханические систена: Сб.науч.тр. / Нсвоспб. ин-т тпс. водного тр-тз. - Новосибирск, 1987. -■С.13-23.

16.Бурянина U.C., Зегаюв Д.О., Бурягаш З.Г. Разработка п ис-следовоше двухотсчетного измерительного устройство для зксперпнеталыгаго стенда // Лвтоызтнэяровагашо электро -квхшгачесгае системы: Сб.науч.тр. / Новосиб. ш:-т шга. водного тр-та. - Новосибирск, I9G7. - C.32-3G.

17.Бурянина U.C., Зешов Д.О. Реакция системч подьешо-опус-кного затвора шлюза, синтезиропяшюЯ методой модального управлегая по управллк:;з:-7 зоздзДетей», при возмущающей воздействии // Электрооборудование п автоматизация судов и береговых сооружений: Сб.науч.тр. / Новосиб. вн-т шге. водного тр-та. - Новосибирск, I5B8. - С.26-34.

18.Буряниня И.С., Зежов Д.О., Буршшн В.Г. Зксперпмектэль -ине исследования приводов затроров водопроводных галерей Новосибирского ализэ// Электрооборудование п аптоиатизп -щ:л судов и береговых сооружений: СО.науч.тр. /Новоспб. шг-т mas.водного тр-та. - Новосибирск, 1200. - С.34-33.

19.Буряшша U.C., Зешов Д.О. Кододировшгоо следия?« слстви

подъемно-опускного затвора, синтезированных методом мо -дальнего управления // Интенсификация использования реч -них путей, судоходных и портовых гидротехнических соору -кешй и охрана окрукакщйй среда: СО.науч.тр. - Л., 1988.-С.136-144.

20.Буряяина Н.С.,Зенков Д.О., Бурякин В.Г. Обосноваше регулируемого электрогидропривода для затворов водопроводных галерей // Автомптазировашшй электропривод объектов вод-лого транспорта: Сб.науч.тр. / Новосиб.ин-т инзг. водного тр-та. - Новосибирск, IS89. - С.47-49.

21.Буряшна Н.С.,Зенков Д.Ф., Прохоров И.О. Вариант синтеза двухмассовой электромехшшчеекой системы стабилизации скорости // Автоматизированный электропривод объектов водного тр-та: Сб.науч.тр. / Новосиб. ян-т инх. водного тр-та. - Новосибирск, 1983. - С.42-46.

22.Буршшна Н.С., Зенков Д.в. Регулируемый привод затворов галерей шлюза // Автоматизированный электропривод техно -логических комплексов водного транспорта: Сб.науч.тр./ Новосиб. ин-т инк. водного тр-та.- Новосибирск,1990. - С. 36-41.

23.Бурянина Н.С., Зенков Д.Ф. О проблемах развития приводов основных механизмов шлюзованных водных транспортных сис -тем // Развитие производительных сил Сибири и задача ус -коре шя научно-технического прогресса: Тез. докл.Всесоюз. конф., 1990 -г Томск, 1990. - С.140 - 144.

24.Бурянина Н.С. Математическая модель регулируемого электрогидропривода затворов водопроводных галерей //Электропривод и автоматизация объектов водного транспорта: Сб.науч.