автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Моделирование и синтез информационно-измерительной и управляющей системы электропривода трубопроводной арматуры

005013778

САВИН Алексей Сергеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ И СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ И УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ

Специальность 05.11.16 — «Информационно-измерительные и управляющие системы (в промышленности)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 мдр Ш

Тула-2012

005013778

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент МОЗЖЕЧКОВ Владимир Анатольевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

РАСПОПОВ Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор, Тульский государственный университет, заведующий кафедрой

НАДЕЖДИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор, Институт информатизации образования Российской академии образования, заведующий отделом

ОАО «Конструкторское бюро приборостроения»

Защита состоится « /О » плуЖЛЯ 2012 г. в /У-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.07 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012, г. Тула, пр. Ленина, 92), 1-117.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан » 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ----Данилкин Ф.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электроприводы трубопроводной арматуры (ЭП ТПА) являются одним из наиболее массовых типов электроприводов. Их назначение — перемещение запорного органа трубопроводной арматуры, разновидностями которой являются задвижки, затворы, краны, клапаны и т.п.

Информационно-измерительная и управляющая система ЭП ТПА осуществляет измерение переменных состояния электропривода, внешних воздействий, реализацию закона управления и диагностирование состояний привода.

Как правило, измерению подлежат: момент силы на выходном валу привода и его угловое положение, дополнительно могут контролироваться скорость и ускорение вращения вала, напряжения питания двигателя электропривода, потребляемые токи, активная мощность.

Наиболее трудно реализуемой является процедура измерения момента силы на выходном валу привода. В то же время именно измерение момента силы является наиболее информативным и значимым при формировании законов управления приводом и формировании диагностических заключений относительно его состояний и состояний арматуры. Для измерения момента нагружения в ЭП ТПА широко используются встроенные измерители крутящего момента, действие которых основано на контроле смещения в редукторе привода подпружиненного червяка по шлицам его оси под действием тангенциальной силы взаимодействия червяка с червячным колесом. Сигнал от измерителя крутящего момента используется для защитных отключений электропривода, а также при реализации типовых для ЭП ТПА процессов управления, таких как закрытие и открытие арматуры с контролем крутящего момента в конечных положениях (при этом реализуется терминальное управление (А.Я. Андриенко, В.П.Иванов, П.Д. Крутько, Б.Н. Петров, Ю.П. Портнов-Соколов), целью которого в данном случае является достижение заданного значения момента силы уплотнения арматуры в заданном интервале положений выходного вала привода).

Несмотря на обилие работ, посвященных математическому описанию динамики электроприводов, в том числе электроприводов с нежесткой и самотормозящейся механической передачей (Н.А.Лакота, A.B.Башарин, Ю.В.Постников, Ю.А. Борцов, Г.Г. Соколовский), динамика ЭП ТПА с информационно-измерительными и управляющими системами указанного выше типа не описана с достаточной подробностью, позволяющей оценивать влияние конструктивных параметров механизма привода на точность измерений крутящего момента и эффективность процессов управления.

В известных работах, посвященных ЭП ТПА (Д Ф- Гуревич, О.Н. Заринский, С.И. Косых, В.В. Ширяев, О.Н. Шпаков), недостаточно освещенными оставались вопросы повышения эффективности управляющей системы ЭП ТПА при реализации терминального управления, обеспечивающего заданное значение момента силы уплотнения арматуры, а также вопросы повышения эффективности информационно-измерительной системы ЭП ТПА в части синтеза диагностических признаков для формирования заключения о состоянии электропривода и сопряженной с ним арматуры.

Перечисленные обстоятельства обусловили актуальность решаемых в диссертации задач моделирования и синтеза информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА.

Объектом исследования являются информационно-измерительная и управляющая система ЭП ТПА с червячным механизмом измерения крутящего момента.

Предметом исследования являются закономерности функционирования и технические характеристики информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА с червячным механизмом измерения крутящего момента.

Цель работы состоит в создании методов синтеза информационно-измерительной и управляющей системы, встроенной в струюуру ЭП ТПА с червячным механизмом измерения крутящего момента, на основе разработки математической модели, отражающей динамические процессы в информационно-измерительной и управляющей системе и обеспечивающей учет конструктивных особенностей и режимов нагружения ЭП ТПА.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Математически описать закономерности протекания динамических процессов в информационно-измерительной и управляющей системе ЭП ТПА с червячным механизмом измерения крутящего момента.

2.Получить математические соотношения, определяющие влияние режимов функционирования и конструктивных параметров электропривода на погрешности измерений момента нагружения, осуществляемых информационно-измерительной системой ЭП ТПА.

3. Предложить порядок действий по определению закона терминального управления, реализуемого управляющей системой ЭП ТПА, позволяющего повысить точность достижения требуемого момента силы уплотнения арматуры.

4. Разработать процедуру синтеза признаков для формирования информационно-измерительной и управляющей системой диагностических заключений о состоянии ЭП ТПА и сопряженной с ним арматуры.

Методы исследования Для решения поставленных задач использовались методы теоретической механики, электротехники, теории измерений, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и теории автоматического управления. Теоретические положения проверялись с применением методов вычислительного и физического эксперимента.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем.

¡.Предложено математическое описание динамических процессов в информационно-измерительной и управляющей системе ЭП ТПА с червячным механизмом измерения крутящего момента, учитывающее влияние конструктивных, эксплуатационных параметров привода и режимов его нагружения.

2. Получены аналитические зависимости, определяющие влияние режимов функционирования и конструктивных параметров электропривода на погрешности измерений момента нагружения, осуществляемых информационно-измерительной системой ЭП ТПА.

3. Разработан метод синтеза закона терминального управления ЭП ТПА, позволяющего повысить точность достижения заданного значения момента силы уплотнения арматуры и определить рациональную структуру информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА.

4. Предложен метод синтеза признаков для формирования диагностических заключений о состоянии ЭП ТПА и сопряженной с ним арматуры на основе моде-

лирования влияния дефектов конструкции привода и арматуры на динамические процессы, протекающие в информационно-измерительной и управляющей системе ЭП ТПА, позволяющий определить набор переменных, требуемую точность и дискретность их измерений средствами информационно-измерительной системы.

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований, а также эффективностью их применения при решении реальных задач проектирования ЭП ТПА.

Практическая ценность. Разработанные методы и модель могут эффективно использоваться в практике проектирования информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА с целью совершенствования их конструкции в направлении расширения функциональных возможностей, повышения надежности и качества функционирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель функционирования ЭПТПА с червячным механизмом измерения крутящего момента, отражающая влияние конструктивных и эксплуатационных параметров привода, а также режимов его нагружения на динамические процессы, протекающие в его информационно-измерительной и управляющей системе.

2. Аналитические зависимости погрешности измерений момента нагружения, реализуемых информационно-измерительной системой ЭПТПА, от режима функционирования и конструктивных параметров электропривода.

3. Метод синтеза закона терминального управления ЭП ТПА, позволяющего повысить точность достижения заданного значения момента силы уплотнения арматуры и определить рациональную структуру информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА.

4. Метод синтеза диагностических признаков для формирования заключений о состоянии ЭП ТПА и сопряженной с ним трубопроводной арматуры, позволяющий определить набор переменных, требуемую точность и дискретность их измерений средствами информационно-измерительной системы.

Реализация и внедрение результатов. Полученные в диссертации научные результаты внедрены в практику проектирования ЭПТПА в ЗАО «Инженерно-технический центр «Привод». Ряд теоретических положений диссертации используется в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» на кафедре «Робототехника и автоматизация производства» в курсе лекций по дисциплине «Моделирование систем».

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всероссийской конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2010 г.), на Всероссийской конференция «Пневмогидропривод-2010» (Ковров, 2010), на Всероссийской научной конференции «Молодые исследователи - регионам» (Вологда, 2011 г.), на Международной научно-технической конференции «Эффективность и экологичность насосного оборудования и инновационное оборудование и технологии в арматуростроении» (Москва, 2011г.), на II Всероссийской научно-технической конференции «Мехатронные системы» (Тула, 2011 г.), на Международной научно-технической конференции «Управляемый электропривод» (Тула, 2011 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в

16 публикациях, в том числе 6 статей в журналах и сборниках из перечня ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Текст изложен на 117 страницах, включая 41 рисунок, 5 таблиц, библиографический список из 114 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы. Обоснована ее актуальность, научная новизна и практическая ценность. Сформулированы цель, основные задачи исследований и положения, выносимые на защиту. Излагается современное состояние задач диссертации, дан анализ работ, посвященных их решению.

В первой главе изложены результаты разработки математической модели ЭП ТПА с червячным механизмом измерения крутящего момента, отражающей влияние конструктивных и эксплуатационных параметров привода, а также режимов его нагружения на динамические процессы, протекающие в информационно-измерительной и управляющей системе. Изложен метод идентификации параметров модели, а также результаты ее верификации.

Рассматриваемый класс ЭП ТПА предполагает наличие в составе привода червячного редуктора с механическим измерителем крутящего момента (рис.1).

Пружины

Рис. I. Червячный редуктор ЭП ТПА с измерителем крутящего момента

В редукторе рассматриваемого типа червяк может смещаться вдоль своей оси, перемещаясь по продольным шлицам на его валу. Угловое положение червяка остается жестко связанным с угловым положением его вала и вала двигателя. При взаимодействии червяка с червячным колесом наряду с крутящим моментом возникает сила, смещающая червяк по шлицам вдоль его вала до положения, в котором она уравновешивается силой упругости силоизмеритель-ных пружин, препятствующих осевым смещениям червяка. Деформация пружин, равная осевому смещению червяка, воспринимается датчиком смещения и используется как сигнал величины момента силы нагружения привода. Смещение червяка и, следовательно, деформация пружин ограничиваются упорами.

Датчик смещения червяка

Выходной вал

Червячное

колесо

Вал двигателя

Ручной дублер

Червячный вал

Червяк

С использованием уравнений Лагранжа второго рода получены следующие дифференциальные уравнения движения механической подсистемы привода:

(Ji + J2 + J3+JJkr2)zi + Ji/(krR)z2 = MQ-Ml-M2, (1)

(«э + Л/«2)£2 + JJ(krR)zx +xqj~-F\ -F2-F3, (2)

где qi, ph Sj, - обобщенная координата, скорость и ускорение соответственно: углового перемещения ротора двигателя (/ =1), линейного смещения червяка (i = 2), углового перемещения червяка совместно с его валом (i = 3), углового положения червячного колеса с выходным валом привода (i = 4) и присоединенной к нему нагрузкой; при выводе уравнений учтено, что угол поворота червяка и его вала равен углу поворота ротора двигателя, т.е. = q\\ угол поворота червячного колеса <?4 определяется соотношением: <?4 = qjkr + q2/R, где кг -передаточное число червячной пары по угловому перемещению, R - радиус делительной окружности червячного колеса; J-,- момент инерции соответственно ротора двигателя (/ = 1), вала червяка (/ = 2), собственно червяка (/ = 3), червячного колеса с выходным валом привода и присоединенной к нему нагрузкой (г = 4), тг - масса червяка; % - жесткость силоизмерительных пружин.

Выражение для крутящего момента на валу червяка М0 получено с использованием уравнений Парка-Горева широко применяемых при моделировании асинхронных трехфазных двигателей с короткозамкнутым ротором, используемых в ЭП ТПА исследуемого типа.

Момент М{ внешних сил нагрузки, приведенный к валу двигателя, рассчитывается по зависимости Mi = MLlkr, где ML - момент внешних сил нагрузки, приложенный к выходному валу привода.

Момент М2 сил трения в червячном зацеплении при вращении вала (pi ф 0) определяется соотношениями:

М2 = sign(p,)||ii2 Щ, Мы = A4//tg<p + {r/R)Mp, MF = Mo-(J\ + J2 + -/з)51, MP = Mi+ J4S4 =ML + J4(Zi/kr + E2/R), где Ц12 — коэффициент трения червяка о колесо, Mn - момент силы, прижимающей друг к другу трущиеся зубья, является результатом действия моментов Мр , Мр на наклонную площадку контакта зубьев червяка и колеса, MF - момент сил на валу двигателя, прижимающий зуб червяка к зубу колеса, Мр - момент сил на валу червячного колеса, прижимающий зуб колеса к зубу червяка, г - радиус делительной окружности червяка, ф = тг/2 — у, где у - угол подъема витка червяка на делительном диаметре.

В состоянии покоя (pi = 0) момент М2 определяется соотношениями: если \Mq\ < ||Л2Л4|, то М2 = Mq,

иначе М2 = sign(M2)|ni2 М^, где Mq = Mq-М\- JtJ(krR)£2-

Значение М0 - значение момента силы, необходимой для удержания пары трения в СОСТОЯНИИ ПОКОЯ, определяется ИЗ уравнения (1), когда £i = 0, т.е. из условия сохранения состояния покоя, в котором Ei = 0, pi =0, qi = const. Коэффициент трения в состоянии покоя (Л2 всегда больше коэффициента трения скольжения Ц12, поэтому: ц°)2 = где £ > 1 - заданная константа.

В уравнении (2) сила, обусловленная действием момента нагрузки на выходном валу привода, приведенная к червяку и действующая вдоль его оси, определяется выражением Р\ = М^Я.

Отмечается, что смещение червяка вдоль его оси сопровождается пренебрежимо малым скольжением зубьев червячной пары (доминирует качение зуба червяка по зубу колеса), поэтому с приемлемой точностью для большинства практических случаев считается р2 = 0.

Сила сопротивления Fз, обусловленная трением в шлицах червяка, определяется следующим образом:

если р2 * 0, тогда Fз = 31£п(/72)|И2э Л^2з|, иначе:

если |<2гз| > ЙИгз ЛУ, тогда = б!^^)!^ ЛУ> иначе:

^3 = 023,

где

^23 = |(Л/£ + У4Е4) + [(Л/о - (А + Л)£.)/р!,

<323 = + + ш + Мк^), а — угол профиля витка червяка в его осевом сечении. Показано, что сила прижатия шлицов червяка к шлицам его вала Л^з является суммой двух слагаемых. Первое из них определяет силу отжатая червяка от колеса при взаимодействии их зубьев, а второе — силу прижатия шлицов червяка к шлицам его вала под действием крутящего момента М0. Первая сила направлена вдоль радиуса делительной окружности червяка, а вторая действует по касательной к делительной окружности шлицов вала червяка с радиусом р. Выражение, определяющее значение силы з, необходимой для удержания пары трения в состоянии покоя, следует из уравнения (2).

Наличие в измерителе механических упоров, ограничивающих сжатие пружин, учтено за счет дополнения уравнения (2) условием:

если \д2\ > Хтах, тогда е2 = О, Р2 = О, q1 = в!^^) Хтт (3)

где Хщах — предельная деформация пакета пружин, допускаемая упором, в каждую сторону от нейтрального положения червяка.

Предложен метод идентификации числовых значений параметров разработанной модели ЭП ТПА. Указанный метод реализуется в следующей последовательности:

1. Параметры дифференциальных уравнений, описывающих электродвигатель ЭПТПА, находятся из справочной литературы либо в соответствии с известными методами идентификации числовых значений параметров электродвигателей.

2. Параметры модели ЭП ТПА, характеризующие редукгорную и силоизме-рительную часть привода, рассчитываются на основе данных, представленных в конструкторской документации на привод.

3. Коэффициенты трения в уплотнениях и в подшипниках валов ЭП ТПА находятся из опыта холостого хода, соответствующего включениям и выключениям двигателя привода при отсутствии внешней нагрузки.

4. Значение коэффициента трения зубьев червячной пары в редукторе ЭП ТПА определяется из опыта работы привода при заданной нагрузке. Искомый коэффициент трения находят из условия максимального приближения

графиков изменения во времени переменных состояния привода к соответствующим графикам, полученным из опыта нагруженного хода ЭП ТПА.

С использованием предложенного метода проведена идентификация параметров математической модели ЭПТПА применительно к электроприводу производства ЗАО «Тулаэлектропривод» марки ЭП4В-Б-250-45 с номинальным крутящим моментом 250 Н-м, номинальной частотой вращения выходного вала 45 об/мин, использующим электродвигатель АИРБС80В4.

Верификация предложенной модели ЭП ТПА осуществлена на основе сопоставление характеристик электропривода ЭП4В-Б-250-45, найденных в результате моделирования, с характеристиками, найденными в результате экспериментального исследования указанного привода в испытательном центре ЗАО «Тулаэлектропривод» на специализированном стенде, позволяющем регистрировать изменения его переменных состояния, управляющих воздействий и параметров нагружения во время эксперимента.

Вторая глава посвящена получению аналитических зависимостей для расчета погрешности АМ[, = Мц — М[. измерений момента нагружения А4 как функции значений конструктивных параметров привода для различных режимов его функционирования, а также получению зависимостей, позволяющих повысил, точность результатов измерений момента нагружения в динамических режимах функционирования ЭП "ША.

Первичной регистрируемой величиной в рассматриваемом механизме измерения момента силы нагружения привода является смещение червяка д2. Значение измерения М1 истинного значения момента нагружения М1 традиционно в ЭП ТПА определяется как

(4)

где к - коэффициент пропорциональности; д2 - значение измерения истинного значения <72-

Показано, что в режиме движения с постоянной скоростью (£[ = £2 = 0) выполняются следующие соотношения:

= 2, (5)

к = - + 52)12з№а + Щркт))), кт = кг{ 1 -5,ц12%р)/(1 + ^ц^ф), (6)

= + (НИ)М/), з2 = 51ВП(/72) зщпШд- (7)

На рис.2 представлен график зависимости Я2ШО, описываемой соотношениями (5),(6),(7) с учетом условия (3). Стрелками показаны направления смещений точек {дг, М{) при возрастании и убывании момента М£. При расчетах здесь и далее приняты следующие значения параметров модели ЭП ТПА: Д = 41x10 "3 м; % = 1.37х10бН/м; И12 = 0,05; ц2э=0,2; а = я/9; <р = тс/2 - 0,068; р = 11х10~3 м; кг= 27,33;х,тх= 5,5x10~3 м.

Показано, что в рабочем диапазоне измерений {\д2\ < дгшах), погрешность ДА/д тождественна нулю при следующей идеализации: а) погрешность измерения отсутствует; б) используемое в (4) значение

С2х103

Рис.2 График

к' тождественно значению к, определенному формулой (5); в) выполняются все допущения, принятые при выводе уравнений (5),(6),(7).

В случае достаточно высокой точности измерений величины q2 для рассматриваемого режима движения с постоянной скоростью принято, что погрешность AML = {k-k')q2 = Akq2\ т.е. в указанном случае погрешность AML в основном определяется погрешностью Ак=к-к\ где значение к* определятся экспериментально в процессе тарировки механизма измерителя в режиме движения с постоянной скоростью (т.е. в режиме максимального приближения к идеализации, принятой при выводе уравнений (5),(6),(7)). Результаты тарировки аппроксимируются зависимостью к (sг ,s2).

Отмечено, что в силу высокой стабильности параметров, определяемых геометрическими размерами механизма, значение Ак зависит главным образом от погрешности Agk его определения при тарировке, а также от отклонений Ах, ЛЦ23, Акт параметров ъ М-зз, К, при проведении измерения от их значений, учтенных при определении значения коэффициента к .

Выражение для определения чувствительности измерителя момента имеет следующий вид: Дк = А% + к^Д^2з + ккАкт + Aje.

Получены выражения для расчета коэффициентов чувствительности кц, ¿и, кк, определяющих чувствительность величины Ак к изменению параметров X, ц?з, к,„, которые имеют следующий вид:

kx = -RJ(l + s2H23(tga + ЩрЫ)), кц = s2Rx(tga + RJ(pk„,))/(\ + -S2^23(tga + Щрк„,))\ кк = - ^Х«2И2з(1 + í2H23(tga + ЩркттЧрктг)А ■

Показано, что в режиме движения с переменной скоростью (si Ф 0, г2 Ф 0) измерение величины Mi, основанное на использовании уравнений (5),(б),(7) сопровождается погрешностью, обусловленной присутствием в левых частях уравнений (1) и (2) отличных от нуля слагаемых, содержащих ускорения еь s2, которые не были учтены при выводе уравнения (8). Указанная погрешность является динамической. Она существенно зависит от инерционных свойств механизма и от закона изменения во времени величины M¿.

На рис. 3 показаны годографы вектора (M¿, q2) при воздействии на измерительный механизм момента нагрузки, изменяющегося во времени по синусоидальному закону с амплитудой 400 Н-м.

а)/= 1 Гц б)/= 10 Гц в)/ = 20 Гц

Рис. 3. Годограф вектора (ML, q2) при измерении момента ML = 400sin(2Tt/r)

Годографы построены на основе решения дифференциальных уравнений (1) и (2), дополненных уравнениями Парка-Горева, определяющими величину крутящего момента А/о-

Из графиков на рис. 3 следует, что на низких частотах годограф вектора (Ми д2) мало отличается от графика (А4, д2), представленного на рис. 2. Это свидетельствует о том, что погрешность ДМи невелика. Для рассматриваемого ЭП ТПА среднеквадратическое значение относительной приведенной динамической погрешности ДМ1/(дгтахх^) измерений величины М, на частоте /= 1 Гц составляет 0,7% (амплитуда колебаний той же погрешности не более 1,3%). На частотах 10 Гц и 20 Гц среднеквадратическое значение указанной погрешности составляет уже 6,8% и 16%, а ее амплитудные значения доходят до 15% и 34% соответственно.

На основе уравнений (1) и (2) получено выражение для определения резонансной частоты измерителя:

/г= 1/(2лГг),

где

гг=((/«з+Л(1 -икг2/А№2Ух)112, = + +/ДД

Для рассматриваемого ЭП ТПА определено следующие значения:

7; = 1,7х 10 ~3 с,/г = 95,23 Гц. (Л/ь Мь = 40зш(2я//),

На рис. 4 представлен годограф вектора {Ми Я2), соответствующий изменению момента М1 по синусоидальному закону с амплитудой 40 Н-м и частотой/равной резонансной частоте/г.

Показано, что в режиме движения с переменной скоростью (£[ * 0, е2 ф 0) точность измерений момента нагружения Л/£ может быть значительно повышена, если расчет ее величины осуществлять с учетом значений ускорений Еь Е2 по следующим зависимостям.

А// = к Е[ + к2г2, (8)

к = -аМ=- /?"/./(1 + «2Ц2з^а + 1У(ркт))), = з1§п(р2) к{=- (а4 + а5)1аи к2 = - (а3 + аб)/аи = (1 + лЦгз^а + Л/(рк,п))), а2 = Я.Х, = Ятъ + У4/Л, а4 = а5 = (/1 + -Л + -Л +^кг2)к,(Я/рУ( 1 + Яхр^^/кт',

а6 = (Ш)(Шр)/(1 + ¿,ц12Щ<р)/кт, где символ () как и в случае уравнения (4) указывает на результат измерения истинного значения величины.

Показано, что в случае использования зависимостей (8) в рабочем диапазоне измерений погрешность ЛЛ/д тождественна нулю при следующей идеализации: а) погрешности измерения величин <72. £Ь £2 отсутствуют, б) используемое в (8) значение к* тождественно значению к, определенному формулой (9), в) выполняются все допущения, принятые при выводе уравнений (1)и(2).

Третья глава посвящена изложению метода синтеза закона терминального управления ЭП ТПА, позволяющего повысить точность достижения заданного

Рис. 4 Годограф вектора

значения момента силы уплотнения арматуры и определить рациональную структуру информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА.

Цель управления в рассматриваемой задаче формулируется как обеспечение остановки привода в заданном интервале положений его выходного вала с достижением в момент остановки значения момента сил нагрузки максимально близкого заданному значению момента силы уплотнения, где 1е - конечное (терминальное) значение времени в момент остановки привода.

Повышение точности управления в предлагаемом законе достигается в результате:

1) измерения переменных £1, £г;

2) использования в информационно-измерительной системе привода при определении текущего значения величины М^ формулы (8);

3) расчета величины АЫ'е) на основе экстраполяции ряда измеренных значений величины М/ в предшествующие и текущий момент времени.

Использование предлагаемого закона управления иллюстрируется примером управления процессом закрытия запорной арматуры. Достигаемое повышение точности управления предохраняет арматуру и привод от перегрузок, аварийных ситуаций и быстрого износа деталей механической подсистемы.

Предложен метод синтеза закона терминального управления и определения рациональной структуры информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА, который реализуется в следующей последовательности:

1. Анализируется качество управления, достигаемое при использовании закона управления, предполагающего отключение двигателя в момент достижения заданного момента нагружения, оцениваемого по формуле (4). Данный закон является базовым. Если точность управления соответствует заданным требованиям, базовый закон управления принимается к реализации в управляющей системе привода. В противном случае выполняются нижеследующие пункты 2 и 3.

2. Анализируется качество управления, достигаемое при использовании закона управления, предполагающего отключение двигателя в момент достижения заданного момента нагружения, оцениваемого по формуле

= (9)

Если качество управления соответствует заданным требованиям, указанный в данном пункте закон управления принимается к реализации в управляющей системе привода. В противном случае выполняется нижеследующий п. 3.

3. Анализируется качество управления, достигаемое при использовании закона управления, предполагающего отключение двигателя в момент достижения заданного момента нагружения, оцениваемого по формуле (8). Если качество управления соответствует заданным требованиям, указанный в данном пункте закон управления принимается к реализации в управляющей системе привода.

В результате выполнения п.п.1-3 определяется рациональная структура информационно-измерительной и управляющей системы ЭПТПА, реализующая закон управления, обеспечивающий реализацию заданного качества управления

без избыточного усложнения информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА.

Базовая (минимальная по составу) структура информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА предполагает наличие измерителей величин д4, <72 и реализацию закона управления, предполагающего отключение двигателя в момент достижения заданного момента нагружения, оцениваемого по формуле (4). Базовая структура дополняется измерителем (косвенного или прямого измерения) величин £| или (81,82) и в ней используется формула (9) или (8) в результате применения соответственно п.п. 2 или 3 указанного метода.

Четвертая глава посвящена изложению метода синтеза диагностических признаков для формирования заключений о состоянии ЭП ТПА и сопряженной с ним трубопроводной арматуры, позволяющего определить набор переменных, требуемую точность и дискретность их измерений средствами информационно-измерительной системы, на основе моделирования влияния дефектов конструкции привода и арматуры на динамические процессы, протекающие в информационно-измерительной системе и силовой части ЭП ТПА.

Предлагаемый метод реализуется в следующей последовательности.

1. Исследуемый дефект конструкции привода или арматуры описывается математически функцией, отражающей отклонение значений соответствующего набора параметров привода и параметров нагрузки, создаваемой арматурой, от их номинальных значений. В общем случае аргументами указанной функции могут быть переменные состояния и параметры привода, время, значения внешних воздействий.

2. Моделируется функционирование привода в случае отсутствия дефекта и в случае наличия дефекта (т.е. в случае наличия отклонений значений параметров привода и нагрузки от их номинальных значений) в режимах, характеризующихся различными сочетаниями внешних воздействий, начальных условий, законов управления. Моделирование может проводится для набора амплитуд отклонений значений параметров от номиналов, обязательно включая амплитуду отклонения, соответствующую дефеюу, диагностируемому как неисправность привода. Реализация данного этапа осуществляется с использованием предлагаемой в диссертации модели ЭП ТПА.

3. Сравниваются графики изменения во времени переменных состояния привода в случае отсутствия дефекта (при отсутствии отклонений значений параметров от их номинальных значений) с соответствующими графиками, отражающими функционирование привода при наличии дефекта.

4. В результате сравнения графиков выбирается переменная состояния (набор переменных) наиболее чувствительная к анализируемому дефеюу (диагностическую переменную). Определяется амплитуда отклонения диагностической переменной от ее номинальных значений (критическую амшппуду), соответствующая уровню дефекта, диагностируемого как неисправность привода. Определяются погрешность и дискретность измерений, обеспечивающие надежное распознавание критической амплитуды отклонения диагностической переменной ее номинальных значений.

5. Определяется значение диагностического признака: выход значений диагностической переменной за установленные пределы (превышение критической амплитуды) рассматривается как диагностический признак, свидетельствующий об отказе привода или арматуры.

Выполнение п.п.1-5 данного метода обеспечивает:

-синтез диагностических признаков, обеспечивающих распознавание отказов электропривода или арматуры, обусловленных разнообразными дефектами конструкции;

-определение набора переменных, требуемую точность и дискретность их измерений средствами информационно-измерительной системы.

В результате применения предложенного метода определяется полный перечень величин, подлежащих измерению синтезируемой информационно-измерительной системой ЭП ТПА с целью диагностирования состояний ЭП ТПА и реализации закона управления.

Структура информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА, синтезированная в результате применения метода, изложенного в предыдущей главе, дополняется измерителями величин необходимых для контроля значений диагностических признаков, установленных в результате применения указанного метода синтеза

Показано, что предложенный метод синтеза диагностических признаков совместно с предложенным методом синтеза закона терминального управления решает задачу синтеза структуры информационно-измерительной системы ЭП ТПА в части определения величин, подлежащих измерению.

В диссертации рассмотрена реализация предложенного метода при диагностировании различных неисправностей ЭП ТПА и сопряженной с ним армалуры.

В соответствии с разработанным методом получены диагностические признаки, обеспечивающие распознавание отказа, обусловленного повреждением участков резьбы шпинделя арматуры, а также отказа, обусловленного повреждением участка рабочей поверхности зуба червяка в редукторе электропривода.

В заключении представлены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана математическая модель динамики ЭПТПА с червячным механизмом измерения крутящего момента, отражающая влияние конструктивных и эксплуатационных параметров привода, а также режимов его нагружения на динамические процессы, протекающие в информационно-измерительной и управляющей системе.

2. Разработан метод идентификации параметров модели ЭП ТПА.

3. Получены аналитические зависимости погрешности измерений момента нагружения, реализуемых информационно-измерительной системой ЭПТПА, от режима функционирования и конструктивных параметров электропривода.

4. Найдены аналитические зависимости, определяющие чувствительность коэффициента передачи измерителя момента силы нагружения привода к изменениям его параметров. Приведены допущения, определяющие идеализацию, в пределах которой погрешности указанных измерений отсутствуют.

5. Разработан метод расчета динамических погрешностей измерения величи-

ны момента нагружения ЭП ТПА с использованием дифференциальных уравнений, составляющих предложенную модель динамики функционирования ЭПТПА.

6. Получено выражение, определяющее зависимость резонансной частоты измерительной системы ЭП ТПА от параметров привода.

7. Получены аналитические зависимости для расчета величины момента нагружения ЭП ТПА, обеспечивающие повышение точности измерений момента нагружения в динамических режимах функционирования ЭП ТПА.

8. Предложен метод синтеза закона терминального управления ЭП ТПА, позволяющего повысить точность достижения заданного значения момента силы уплотнения арматуры и определить рациональную структуру информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА.

9. Предложен метод синтеза диагностических признаков для формирования заключений о состоянии ЭПТПА и сопряженной с ним трубопроводной арматуры на основе моделирования влияния дефектов конструкции привода и арматуры на динамические процессы, протекающие в информационно-измерительной системе и силовой части ЭПТПА. Метод позволяет определить набор переменных, требуемую точность и дискретность их измерений средствами информационно-измерительной системы. Совместно с предложенным методом синтеза закона терминального управления он решает задачу синтеза структуры информационно-измерительной системы ЭП ТПА в части определения величин, подлежащих измерению.

10. Полученные в диссертации научные результаты внедрены в практику проектирования ЭП ТПА в ЗАО «Инженерно-технический центр «Привод». Ряд теоретических положений диссертации используется в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» на кафедре «Робототехника и автоматизация производства» в курсе лекций по дисциплине «Моделирование систем».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Савин A.C. Моделирование и синтез законов управления электроприводами трубопроводной арматуры // IV Магистерская научно-техническая конференция Тульского государственного университета: сборник докладов / под общ. ред. Ядыкина Е.А. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. - С. 172-173.

2. Савин A.C. Моделирование процессов функционирования электроприводов трубопроводной арматуры // Приборы и управление. Вып. 7. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. - С. 72-84.

3. Савин A.C., Борисов В.К., Мозжечков В.А. Моделирование процесса функционирования электроприводов с червячным редуктором // Вестник ТулГУ. Сер. Проблемы управления электротехническими объектами. Вып. 5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010.-С. 11-13.

4. Савин A.C., Мозжечков В.А. Анализ процессов функционирования приводов трубопроводной арматуры с механизмом измерения крутящего момента// Приборы и управление. Вып.8. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010.-С. 72-84.

5. Савин A.C., Мозжечков В.А. Математическая модель привода трубопроводной арматуры с измерителем момента на основе подпружиненного чер-

вяка // Гидропневмоавтоматика и гидропривод - 2010. - Ковров: ГОУ ВПО «КГТА им. В.А.Дегтярева», 2010. - С. 109-114.

7. Савин A.C. Анализ параметров компьютерной модели электропривода трубопроводной арматуры // Приборы и управление. Вып. 9. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011.-С. 78-81.

5. Савин A.C. Исследование математических моделей асинхронного электродвигателя // Вестник ТулГУ. Сер. Проблемы управления электротехническими объектами. Вып. 5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010.— С. 34-35.

8. Савин A.C. Математическая модель привода трубопроводной арматуры с измерителем на основе подпружиненного червяка // V Магистерская научно-техническая конференция Тульского государственного университета: сборник докладов / под общ. ред. Ядыкина Е.А. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 37-38.

9. Савин A.C., Китаев Ю.В. ЗАО «Тулаэлектропривод»: новые изделия и перспективные разработки // Арматуростроение.-2011.-№б. С. 93-95.

10. Савин A.C. Математическая модель для анализа динамики функционирования электропривода трубопроводной арматуры // Молодые исследователи - регионам: материалы всероссийской научной конференции. Том 1 - Вологда: ВоГТУ, 2011.-С. 162.

11. Савин A.C., Мозжечков В.А. Анализ динамики функционирования электроприводов трубопроводной арматуры // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - С. 133-142.

12. Савнн A.C., Мозжечков В.А., Борисов В.К. Электроприводы трубопроводной арматуры серии ЭП4 // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - С. 21-32.

13. Савин A.C., Мозжечков В.А. Компьютерное моделирование электроприводов трубопроводной арматуры // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011.-С. 341-346.

14. Савин A.C., Мозжечков В.А. Диагностика электроприводной трубопроводной арматуры с использованием датчика момента в составе червячного редуктора интеллектуального привода // Автоматизация в промышленности. - 2011. - № 11. - С. 38-41.

15. Савин A.C., Мозжечков В.А. Математическая модель электропривода трубопроводной арматуры с червячным механизмом измерения крутящего момента // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2012. -№1.- С. 21-25.

16. Савин A.C., Мозжечков В.А. Модель датчика момента силы с подпружиненным червяком в качестве чувствительного элемента // Датчики и системы. - 2012. - № 2. - С. 17-21.

Изд лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 28.02.2012 г. Формат бумаги 60x84 '/,6. Бумага офсетная. Усл.-печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 006. Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92. Отпечатано в издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95.

61 12-5/2204

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

На правах рукописи

ОуЛин

САВИН Алексей Сергеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ И СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ И УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ

Специальность 05.11.16 — «Информационно-измерительные и управляющие

системы (в промышленности)»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

доцент Мозжечков В.А.

Тула-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................................................................................4

1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ 18 ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭП ТПА..................................................................

1.1. Предварительные замечания........................................................................................................................18

1.2. Червячный редуктор с подпружиненным скользящим червяком 19

1.2.1. Уравнения динамики червячного редуктора с подпружиненным скользящим червяком....................................................19

1.2.2. Описание усилий, действующих в червячной передаче

с подпружиненным скользящим червяком..............................................26

1.3. Двигатель ЭП ТПА......................................................................................................................41

1.4. Модель нагрузки ЭП ТПА..............................................................................................................................45

1.5. Обобщённая математическая модель ЭП ТПА............................................................48

1.6 Компьютерная модель ЭП ТПА............................................................................................................51

1.7. Идентификация параметров модели ЭП ТПА..............................................................52

1.8 Верификация модели ЭП ТПА..............................................................................................64

1.9 Выводы по главе 1........................................................................................................................................................66

2. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ МОМЕНТА НАГРУЖЕНИЯ ЭП ТПА........................................................................................................................................................68

2.1. Предварительные замечания........................................................................................................................68

2.2. Режим функционирования с постоянной скоростью........................................68

2.3. Режим функционирования с переменной скоростью........................................75

2.4. Выводы по главе 2...................................................................................................................78

3. СИНТЕЗ ЗАКОНОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭП ТПА.............................................................................80 -

3.1. Предварительные замечания......................................................................................................................80

3.2. Управление запорной арматурой........................................................................................................81

3.3. Метод синтеза закона терминального управления................................................86

3.4. Реализация метода синтеза закона терминального управления... 88

3.5. Выводы по главе 3........................................................................................................................................................92

4. СИНТЕЗ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ СОСТОЯНИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И АРМАТУРЫ..............................................................................................................94

4.1. Предварительные замечания....................................................................................................94

4.2. Метод синтеза диагностических признаков..................................................................................96

4.3. Реализация метода синтеза диагностических признаков....................................98

4.3.1. Диагностика отказа трубопроводной арматуры................ 98

4.3.2. Диагностика отказа электропривода....................................................................102

4.4. Выводы по главе 4........................................................................................................................................................105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................................................................................................................106

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................................................................................................................................108

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................................................................................................................................................118

ВВЕДЕНИЕ

Электроприводы трубопроводной арматуры (ЭП ТПА) являются одним из наиболее массовых типов электроприводов. Их назначение — управление положением запорного органа трубопроводной арматуры, разновидностями которой являются задвижки, затворы, краны, клапаны и т.п. [5,23 - 28,37, 71, 84, 102].

Конструкция и функциональность ЭП ТПА активно совершенствовались на протяжении нескольких последних десятилетий.

Значительный вклад в развитие и проектирование ЭП ТПА внесли Гу-ревич Д.Ф., Косых С.И., Заринский О.Н., Ширяев В.В., Пайкин И.Х., Шпаков О.Н., Распопов В .Я., Мозжечков В.А., Борисов В.К. [14, 23 - 28, 56, 57, 58, 94].

Вопросами синтеза законов управления для электроприводов занимались Башарин А.Б., Новиков В.А., Соколовский Г.Г., Ключев В.И., Круть-ко П.Д., Марголин Ш.М., Надеждин E.H., Лакота H.A., Свириденко П.А., Шмелев А.Н., Борцов Ю.А., Чиликин М.Г, Сандлер A.C., Сиротин A.A., Терехов В.М., Осипов О.И., [9, 41, 42, 48, 51, 66, 67, 82, 88, 92, 100] и многие другие отечественные и зарубежные ученые.

В своей эволюции современный ЭП ТПА прошел путь от простейшего мотор-редуктора, лишенного каких либо встроенных датчиков и средств автоматизации, до электропривода с микропроцессорной «интеллектуальной» системой управления, насыщенного разнообразными датчиками, контроллерами и средствами диагностики, которые в совокупности образуют его информационно-измерительную и управляющую систему.

На рис. В.1 представлены ЭП ТПА различного конструктивного исполнения производства таких фирм как ЗАО «Тулаэлектропривод» [40] (Россия, ЭП ТПА серии ЭП4 (см. рис В.1 а)), «Greatork» (Китай, ЭП ТПА серии AVA

(см. рис В. 16)), «AUMA» (Германия, ЭП ТПА серии SAR (см. рис В.1в)), «ZPA Реску» (Чешская республика, ЭП ТПА серии MONED (см. рис В.1г)).

в г

Рис. В.1. Электроприводы трубопроводной арматуры:

а - «Тулаэлектропривод» ЭП4; б - «Greatork» AVA; в - «AUMA» SAR;

г - «ZPA Pecky» MONED

Повсеместное развитие автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) на базе микропроцессорной техники предъявляют высокие требования к ЭП ТПА. Современный интеллектуальный электропривод занимает доминирующее место в автоматизации технологических процессов. Он позволяет осуществлять управление посредством приема/передачи слаботочных сигналов управления и сигналов обратной связи о состоянии привода [57, 58].

В последние годы резко возросла значимость диагностики регулирующей арматуры как одного из элементов системы автоматического регулирования. Диагностики электроприводов и сопряженной с ними трубопроводной арматуры посвящены работы Шпакова О.Н., Сейнова C.B., Адаменкова А.К., Матвеева А.В. [1, 2, 55, 83, 84]. Целью диагностики является определение состояния электропривода и арматуры и их обслуживание не по времени в соответствии с регламентом, а по фактическому состоянию. Такая задача наиболее актуальна для арматуры, установленной в опасных или труднодоступных местах, а также для арматуры, обслуживание и ремонт которой влечет остановку технологического объекта.

Перспективным подходом к решению проблем диагностики регулирующих клапанов является оснащение их интеллектуальным электроприводом. Информационно-измерительная и управляющая система такого ЭП ТПА позволяет в полной мере решать задачи управления и диагностирования состояний электропривода и арматуры и обеспечивает контроль и измерение разнообразных величин, а также передачу информации в управляющую систему верхнего уровня.

Привод при диагностировании арматуры выступает как своеобразный комплексный датчик, поскольку современный интеллектуальный ЭП ТПА содержит широкий набор датчиков различных величин. Кроме датчиков привода в системе диагностики могут использоваться датчики, встраиваемые в арматуру (акустические датчики, датчики утечек и ряд других). Привод выступает при этом в роли локального устройства сбора и обработки диагностической информации.

Таким образом, информационно-измерительная и управляющая система ЭПТПА осуществляет измерение переменных состояния привода и внешних воздействий, реализацию законов управления и диагностирование состояний электропривода и сопряженной с ним трубопроводной арматуры. Как правило, измерению подлежат следующие величины: момент силы на выходном валу привода, и его угловое положение, дополнительно могут контролироваться скорость

и ускорение вращения вала, напряжения питания двигателя ЭП ТПА, потребляемые токи и активная мощность. Информационно-измерительные и управляющие системы различных ЭП ТПА могут отличаться друг от друга по исполнению, но в большинстве имеют похожую структуру. Обобщенная структурная схема информационно-измерительной и управляющей системы ЭП ТПА представлена на рис. В.2.

Пульт оператора

АСУ ТП

ЭП ТПА Г электромеханическая подсистема ' I

«-4*

«

I

о

S

о et о

к го

к

§

Q. С

Электро- Редуктор Выходной

двигатель вал

Г

— — -__________1 Г i г

Датчики

Запоминающие устройства

Сигнализаторы

Приборы индикации

Преобразователи информации и вычислители

Информационно-измерительная

подсистема

•I

Трубопроводная арматура

Рис. В.2. Обобщенная структурная схема информационно-измерительной и

управляющей системы ЭП ТПА

Согласно представленной на рис. В.2 схеме в состав информационно-измерительной системы ЭП ТПА входят:

-датчики, осуществляющие сбор информации о состоянии электродвигателя (напряжение питания, потребляемые токи, активная мощность, температура обмоток), редуктора (положение, скорость и ускорение подвижных частей редуктора, крутящий момент), выходного вала (угловое положение, скорость и ускорение), трубопроводной арматуры (акустические датчики, датчики утечек);

- преобразователи информации и вычислители, осуществляющие преобразование информации с датчиков (перемещение в электрическое сопро-

тивление, сопротивление в электрический ток, аналоговых сигналов в цифровые) и обмен данными с запоминающими устройствами и управляющей подсистемой;

- запоминающие устройства, необходимые для хранения данных;

-сигнализаторы (микровыключатели, сигнальные реле или токовые датчики, т.е. устройства формирующие сигналы обратной связи);

-приборы индикации (дисплеи, светодиодные индикаторы, указатели положения).

Управляющая подсистема исполняет внешние команды управления от пульта оператора или от АСУ ТП, анализирует и диагностирует состояние ЭПТПА и передает информацию о его состоянии во внешние устройства управления.

Наиболее трудно реализуемой в информационно-измерительной системе ЭП ТПА является процедура измерения крутящего момента на выходном валу электропривода.

Для измерения момента нагружения в информационно-измерительной системе ЭП ТПА широко используются встроенные датчики крутящего момента, действие которых основано на контроле смещения в редукторе привода подпружиненного червяка вдоль его оси по шлицам вала червяка под действием тангенциальной силы взаимодействия червяка с червячным колесом.

Сигнал от датчика крутящего момента используется:

1) для защитных отключений электропривода. В этом случае датчик крутящего момента представляет собой ограничительное силовое устройство (ОСУ);

2) для реализации типовых для ЭП ТПА процессов управления, таких как закрытие и открытие арматуры с контролем крутящего момента в конечных положениях. При этом реализуется терминальное управление (А.Я. Андриенко, В.П. Иванов, П.Д. Крутько, Б.Н. Петров, Ю.П. Портнов-Соколов)), целью которого является достижение заданного значения момента силы герметизации арматуры в заданном интервале положений выходного вала электропривода.

В большинстве выпускаемых промышленностью ЭП ТПА датчик крутящего момента используется в качестве ОСУ и служит для ограничения величины крутящего момента. В результате ОСУ выполняют функцию постоянно действующих механизмов, основное назначение которых — обеспечение стабильности усилия закрывания арматуры.

Преимущество законов управления трубопроводной арматурой с ограничителем момента силы на её шпинделе состоит в том, что устраняется главная причина порчи уплотнительиых поверхностей запорного органа: недостаточная или чрезмерная их нагрузка.

На рис. В.З - В.4 представлены основные типовые кинематические схемы электроприводов с червячным редуктором с датчиком крутящего момента на основе подпружиненного червяка.

Рис. В.З. Кинематическая схема электропривода с червячным редуктором и

электромеханическим ОСУ

Электропривод на рис. В.З действует следующим образом. По мере возрастания момента сопротивления на выходном валу электропривода червяк, сидящий на шлицах вала, начинает перемещаться, сжимая тарелкой 1 пружину 2, которая предварительно поджата гайкой 3. Когда тарелка 1 дойдет до рычага 4, она нажимает на него, а он воздействует на выключатель 5. Размыкание контактов выключателя приводит к отключению двигателя электропривода от сети.

размыкающе-отключающим ОСУ

Электропривод на рис. В.4 действует по следующей схеме. Когда момент сопротивления на выходном валу 9 электропривода достигнет величины предельного крутящего момента, червяк 2 переместится по шлицам своего вала на ход Ь, сжимая тарелкой 3 пружину 5. Дальнейшее перемещение червяка будет возможно только совместно с регулировочными гайками 4 и тягами 10, проходящими в направляющих 6. Перемещение тяг вызовет перемещение контактирующей с ними втулки, с которой связана одна из тарелок фрикционного устройства. Пружины 11 устройства будут сжаты, и тарелка 1 окажется расцепленной с механизмом электропривода. При этом двигатель ранее отключается от сети с помощью рычага 7 и выключателя 8. Настройка ОСУ на то или иное усилие осуществляется изменением размера И.

электромеханическим самотормозящим ОСУ

На рис. В.5 показан электропривод с ОСУ, в результате действия которого происходит торможение двигателя при помощи тормозных дисков 1 и 11. Когда момент сопротивления на валу 9 достигает величины, равной предельному крутящему моменту, червяк 2, сжав пружину 5, с помощью тарелки 3, переместится на ход И, вступив в контакт с упорами 4. Тяги 10, проходящие во втулках 6, переместят диск 1 в сторону неподвижного диска 11. После их контакта двигатель остановится. Настройка ОСУ осуществляется изменением зазора Ъ., а отключение двигателя — при помощи рычага 7 и выключателя 8.

Рассмотренные кинематические схемы в различных модификациях нашли свое отражение в конструкциях ЭП ТПА ведущих производителей [38].

Таким образом, главное назначение датчика момента — это отключение электропривода при достижении заданного значения момента нагруже-ния и управление таким образом значением момента силы уплотнения арматуры. Необходимое значение момента нагружения, при котором происходит выключение двигателя привода, задаётся при настройке электропривода.

Недостатком вышеизложенного подхода к управлению моментом силы уплотнения арматуры являются большие погрешности при измерении момента нагружения на валу электропривода вследствие возникновения динамических погрешностей, обусловленных конструктивными параметрами измерительной и силовой части ЭП ТПА, арматуры а также режимами работы ЭП ТПА.

Измерение крутящего момента является наиболее информативным и значимым при формировании законов управления электроприводом и формировании диагностических заключений относительно его состояний и состояний сопряженной с ним арматуры.

Датчик крутящего момента рассматриваемого типа совместно с редуктором и двигателем ЭП ТПА образуют единую систему. Специфическими особенностями такой системы, требующими учета при моделировании и управлении приводом, являются: динамическое взаимодействие ее элементов, нежесткость

механической передачи, многомассовость, существенное проявление сил трения скольжения в зубчатом зацеплении червячной пары, возможность проявления эффекта самоторможения.

Несмотря на обилие работ, посвященных математическому описанию динамики управления электроприводами [14, 23 - 28, 32, 41, 42, 94, 100], в том числе электроприводами с нежесткой и самотормозящейся механической передачей, динамика электроприводов ЭП ТПА с информационно-измерительными и управляющими системами исследуемого типа не описана с достаточной подробностью, позволяющей оценивать влияние конструктивных параметров механизма электропривода на точность измерений крутящего момента и эффективность процессов управления. Редуктор в описании электропривода учитывается, как правило, не более чем коэффициентом его передачи по скорости или линейным динамическим звеном, учитывающим конечную жесткость механической передачи, а самоторможение редуктора предельно упрощенно описывается логической функцией, запрещающей передачу движения от нагрузки к валу двигателя.

Указанные варианты традиционного описания электромеханических процессов в ЭПТПА недостаточны для детального изучения динамического взаимодействия элементов конструкции, а также для оценки погрешностей, возникающих при измерении крутящего моме�