автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка микропроцессорной системы управления электроприводом механизмов мерного реза движущегося материала

Р Г Б Ой

2 2

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНЕВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

БАШИРОВ ВАГИФ САЛЕХОВИЧ

РАЗРАБОТКА МИКРОПЮЦЕССОРЮЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ МЕХАНИЗМОВ МЕРНОГО РЕЗА ДВИЖУЩЕГОСЯ МАТЕРИАЛА

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидат? «""«■пичл'» чат

Москва - 1995

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель -

Официальные оппоненты -

кандидат технических наук, профессор КОЗЫРЕВ С. К.

доктор технических наук, профессор ФИЛАТОВ А. О.

кандидат технических наук, доцент ПОЛЩУК В. И.

Ведущге предприятие

Московский металлургический эавод "СЕРП и МОЛОТ"

Защита состоится " 9 " июня 1995 г. в 14 час 00 мин. в аудитории М-214 на заседании Диссертационного Совета К-053. 16. 06 в Московском энергетическом институте, адрес: 105835, ГСП, Москва, Е-250, ул. Красноказарменная, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института

Автореферат разослан " "^-С-сСЦ^ 1995 г-

Ученый секретарь

Диссертационного Совета

К-053. 16. 06. ,

к. т. н., доц. ^ АнчароваТ. Е

•WA4 ХЛГ.М'Т!"i И' 'ТfiK.A VAF/'TH

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.

В последние годы развитие микропроцессорной техники открывает новые возможности в дяле совершенствования систем управления электроприводов. Повышении уровня автоматизации промышленного производства в том числе и следящи механизмов, с применением В них микропроцессорного угсравленния, требует теоретического и практического рассмотрения следящих систем, реализованных на бдзе микропроцессорных средств.

Примером таких механизмов являются электроприводы механизмов, осуществляющих реа металла на ходу. К ним можно огн"о,ги летучи® нож ницы для реза стальных листов и полос на мерны» длины основное требование, предъявляемое к электроприводу подобных механизмов является обеспечение высокой точности рева, что ведет к значительной экономии металла за счет сокращения отходов. Применение микропроцессорных средств в система* управления меркни peso.1.; позволяет долго гибкой точности реаа и одновременно улучшит* условия эксплуатации оборудования. Рядом ведущих проектных организаций, например РРИИМЕГМЛШ, ТЯЖП-РОМЭЛЕКТРОПРОЕКТ, накоплен положительные опыт созданий современных систем управления мерным резом на базе микропроцессорных средств. В то же время сегодня отсутствуют исчерпывающие ответы на ряд основных вопросов разработки микропроцессорной системы упраьл^-.ия мерным резом. К таким вопросам следует отнести синтез характеристик регулятора положения по критерию точности реэа мерных длин при заданной постоянной скорости движения полосы и синтез элективного аппаратного и программного обеспечения системы управления.

Приведенные рассуждения подтверждают актуальности работы, направленной на создание микропроцессорной системы упрчн чеипя мерным резом для электропривода летучих ножниц.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в разработке аппаратного и программного обеспечения микропроцессорной системы управления механизмами мерного pe:.'ti, позволяющей повысить точность рева движущегося материала. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1) На основе анализа технологического процесса реза движущегося

материала обосновать структуру системы управления и характеристику регулятора положения.

2) Проанализировать ошибки при мерном резе и предложить способы их снижения.

3) Разработать аппаратное и программное обеспечение микропроцессорной системы управления.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы определяется тем, что в ной:

1) На основе теоретического анализа систем управления зл.-ктроп-ривода летуш ножниц с различными- структурами регулятора положения получена его оптимальная структура. Обоснована целесообразность использования в системе управления электропривода летучих ножниц регулятора положения, имеющего смещенную по оси ординат параболическую характеристику с переключением в зоне малых отклонений на пропорциональный регулятор положения

2) Дана количественная оценка зависимости динамических показателей электропривода и точности отработки им заданно;* мерной длины при различных скоростных режимах.

3) СхЭоснована целесообразность использования 10-разрядного микропроцессора в аппаратной части системы управления электропривода летучих ножниц. Применена блочно-модульная конструкция, допускающая расширение функциональных возможностей системы управления мерным резом и содержащая в своем поставе блок имитационной электронной модели двухконтурного электропривода летучих ножниц, предназначенный для отладки и тестирования микропроцессорной системы управления мерным резом без подключения к действующему объекту управления.

4) Теоретически обосновано и практически реализовано рассчитаннге на использование 10-ти разрядного микропроцессора прог-раммное^лрспв'кни«» системы управления м«р1».м резом. имеющее оптимальную компановку, оплегчакчцую тестирование программных «'лсклв и допускающее ее расширение.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.

Результаты работы использованы при создании и внедрении микропроцессорной системы управления для летучих ножниц агрегата поперечной резки АПР-2 листопрокатного цеха ЛПЦ-1700 Мариупольского металлургического комбината им. Ильича. Полученные результаты метут быть ис-

пользованы при создании подобных систем управления электропривода летучих ножниц для аналогичных агрегатов поперечно» резки.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ.

Результаты работы использованы при создании микропроцессорной системы управления мерным резом ЛПР1 на ЛПЦ 17'00 Мариупольского металлургического комбината.

Результаты и выводы данной работы могут *ыть полезны при разработке микропроцессорной системы управления мерным резом.

АПРОБАЦИЯ РАБиТЫ. Основные положения работы докладывались на за седании кафедры Автоматизированного электропривода Московского энергетического института в октябре 1уч4 года.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертационной работы опубликовано четыре печатные работы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 47 наименований и двух приложений. Общий объем диссертации составляет страниц: страниц основного текста, рисунка.

•Л.ДОЖЛНИЕ РЛБуТЫ

В первой главе проведен обзор применяемых на практике летучих ножниц и дана их классификация по типу конструкции. Определены требо вания, предъявляемые к системе управления мерным резом.

На основании анализа общих принципов построения систем управления мерным резом сделан вывод о том, что для получения высокой точности реза стальной полосы на летучтих ножницах, при электрической синхронизации скорости полосы и ножниц, целесообразно использовать

- ^ -

систему управления мерным резом следящего типа. Показано, что точность следящих систем управления мерным резом при постоянной скорости полосы определяется случайными, динамическими и параметрическими ошибками системы электропривода. Компенсация ошибок может быть достигнута путем синтеза оптимальной структуры системы управления.

Отмечено, что существенное влияние на точность pesa оказывает износ следящего ролика. Периодический контроль за изменением диаметра следящего ролика и коррекция величины угла поворота является мероприятием, повышающим точность реза.

Проведен анализ известных работ в области исследований динамических нагрузок и энергетических показателей системы электропривода летучих ножниц, выявивший, что наиболее оптимальным графиком скорости электропривода летучих ножниц является параболический, которому соответствует линейный закон изменения тока якоря двигегеля. Однако большинству практических требований вполне удовлетворяет треугольный закон изменения скорости электропривода летучих ножниц. Однако для практической реализации трапецеидального графика требуется более сложная система управления, поэтому применение указанного графика скорости оправдано лишь при необходимости реализации больших ускорений.

Наиболее прогрессивной на современном этапе является тенденция использования средств цифровой техники в системе управления мерным ревом. Показано, что для обеспечения необходимой точности мерных листов, необходимо микропроцессорное средство с разрядностью слова не менее 16-ти бит и высоким быстродействием,- при длительности рабочего цикла программы, не превышающем 1-2,5 мс.

При анализе технологического цикла системы управления мерным резом установлено, что алгоритм управления должен состоять из двух основных программ:

- "исходное положение" - позволяющего произвести установку летучих ножниц в положение, с которого последние запускаются на рез;

- "рее переднего конца раската и мерных длин"; и подпрограмм, используемых в основных программах.

Выявлено, что работы по созданию современных систем управления электроприводов летучих ножниц идут по двум напрвлениям. Первое направление связано с использованием центральной управляющей микро-ЭВМ. Такая микро-ЭВМ содержит арифметическое устройство, уст-

ройство памяти, управляющее устройство и устройство ввода и вывода информации. Управление может осуществляться либо по "жесткой программе": табличным методом, что во много раз увеличивает быстродействие системы управления, либо по "гибкой программе", чем облегчается отладка самой программы и уменьшается объем занимаемой физической памяти. Второе напрвлрние, по которому развиваются, в настоящее время, цифровые системы управления мерным резом, связано с использованием отдельных микросхем Iсумматоров, интеграторов, функциональных устройств и др.) для обеспечения необходимых вычислительных и логических операций (аппаратная реализация). Показано, что предпочтительным является применение систем управления с микро-ЭВМ в позиционном контуре при программной реализации регулятора положения.

На основании проведенного в первой главе анализа получена функ циональная схема следящего электропривода летучих ножниц (рис. 1) и сформулированы следующие задачи работы:

1. Провести синтез структуры микропроцессорной системы управления мерным резом, обеспечивающей требуемую точность отработки заданной мерной длины и качество динамических процессов;

2. Разработать аппаратную часть микропроцессорной системы управления мерным резом и ее программное обеспечение;

3. Провести внедрение и экспериментальные исследования системы управления мерным резом в промышленных условиях.

Во второй главе проведены исследования микропроцессорной системы управления мерным резом на математической модели при различных структурах регулятора положения, с целью выбора его оптимальных характеристик и оценки допустимой величины дискретности системы управления. При синтезе метематической медели приняты следующие допущения:

- объект регулирования может быть представлен линейным непрерывным звеном;

- замкнутый контур регулирования тока может быть представлен звеном второго порядка;

- влиянием прерывистого тока якорной цепи тиристорного электропривода можно пренебречь;

- можно не учитывать влияние упругости и нелинейности механических связей;

- можно считать, что статический момент нагрузки пренебрежимо

мал.

Для анализа работы системы управления .рассмотрим процессы дви : жения ножей летучих ножниц на фазовой плоскости. В качестве координат фазовой плоскости целесообразно взять (Ри с. 2)

л £. = л £п - А £н

Процесс томожения ножей с постоянным замедлением описывается соотношением:

и)

Как следует из , процесс торможения на фазовой плоскости представлен отрезками парабол с вершинами в точках с координатами:

, & £ = яг2)„).

Процесс разгона ножей летучих ножниц с постоянным ускорением описывается на фазовой плоскости также параболическим уравнением:

лУ = 7, (г.)

Процесс разгона отображается на фазовой плоскости отрезком параболы,с вершиной в точке начала координат * V ~ О , л £ - о причем, эта точка отображает участок синхронного движения ножей и полосы.

Период останова ножей отображается отрезком прямой линии йУ-Уп , лежащей между параболами торможения и разгона. В момент реза, точка отображающая процесс на фазовой плоскости, скачком перемещается из начала координат в точку с координатами:

л У-о , ~ £з -¡г ¿>#.

На основе проведенного исследования можно синтезировать структуру системы управления мерным ревом, удовлетворяющую предъявляемому требованию синхронности движения ножей и полосы, а также обеспечивающую заданную точность реза.

Структурная схема системы управления летучими ножницами предста-лена на рис. 7 В схеме применен параболический регулятор, реализующий-зависимость: (г) ,, -----~'

На вход системы управления летучими ножницами подаются сигнал задания мерной длины и £з , сигнал текущего значения полосы , сигнал равный пути , пройденному ножами за один оборот , и сигнал обратной связи по положению ножниц А- .

- но—

- -//-

Моделирование электропривода летучих ножниц с микропроцессорной системой управления мерным ревом произведено на ЦВМ .

Исследование динамических характеристик и точности отработки гадания для сравнения проведено на математической модели при регуляторах положения :

- пропорциональном;

- параболическом ;

В рассматриваемой следящей системе ошибка рева обусловливается статической и - динамической погрешностями контура регулирования скорости , так как изменение скорости полосы происходит в соответствии с требованиями технологии достаточно плавно, то динамической ошибкой можно пренебречь. Компенсация статической погрешности достигается смещением параболы в регуляторе положения.

Для устранения скоростной ошибки следящей системы выходной сигнал регулятора положения может суммироваться с корректирующим сигналом , пропорциональным скорости полосы.

Исследования имели целью выбор оптимальной структуры регулятора положения при сравнительном анализе динамических процессов и точности отработки задания на положение в рассматриваемой структуре.

Расчетную величину ошибки модно получить из аналитических выражений соответствующих данной схеме :

л£ крп = /Узе ¿Геи) ¿3 ¿Узе ■ /(у>< - ¿Узг ¿Аг = "¿/зг

Для определения статической ошибки считаем , что / - Густ и л ¿/&т = о > и) = о при пропорциональном регуляторе.

При этом получим выражение для ошибки :

Используя выражения ? и 4 при равенстве к моменту реза скорости ножей и полосы Уп - Ун при ¿/ъс - ¿? скоростная ошибка определится как: ^ _ , ^ \

При наличии в структуре управления пропорционального сигнала по скорости полосы Уг? & с учетом ? \ получим

УпХ, - ¿/зс - = г. ¿/зс (6.)

где -передаточное отношение редуктора;

-диаметр нолей; с учетом, что ¿/3с = л ¿/зс - О , И Л -

/✓Л -> •

сР ■ .?<>

Л»

Из 7 и ^ следует, что при введении сигнала Й£ значение ошибки выразится как : ¿'си) - У* ()

Р п

и оудет равно л ^ - "

Из анализа, проведенного при введении корректирующего сигнала по скорости полосы У" К , очевидно что сигнал уменьшает ошибку.

При исследовании динамических свойств структуры управления необ ходимо рассмотреть влияние на величину ошибки изменения скорости по лосы с постоянным по величине ускорением.

Получить значение ошибки , учитывая влияние ускорения при разгоне и торможении , можно используя аналитическую зависимость: Уп*Уо±а* (*)

где а. - ускорение полосы определяемое как а. (ъ )

Используя выражения ¿>£>>9 и считая , что Мси^-^^п получим следующие аналитические зависимости:

= ¿/%г

а ¿с ( ■ (./¿)

Откуда выражение для ошибки примет вид:

ле = ф- (*■)

Полученные расчетные значения ошибки и ошибки полученные при экспериментальных исследованиях, как показано в диссертации совпадают по величине с достаточной степенью точности.

В третьей главе рассмотрены вопросы разработки аппаратной части микропроцессорной системы управления электропривода, летучих ножниц по

функциональной схеме, представленной на рис. -I . Система рассчитана на работу в составе тиристорного электропривода с двухконтурной системой подчиненного регулирования скорости, настроенной на технический оптимум.

На основе выводов по второй главе определены технические требования к аппаратной части микропроцессорной системы управления.

Требуемая разрядность микропроцессорного устройства ( 16 бит ), цифроаналогового преобразователя ( 10 бит ) определены, исходя из необходимой точности вычислений задания на скорость летучих ножниц.

Суммарный минимальный объем памяти определен з 7 Кбайт для постоянной памяти и в 1,3 Кбайт для оперативной памяти.

Определен следующий перечень функциональных устройств микропроцесспрной системы управления мерным резом:

- процессорное устройство ;

- оперативное запоминающее устройство ;

- постоянное запоминающее устройство;

- устройство начального и повторного запусков;

- цифроаналоговый преобразователь;

- пульт контроля и отладки ;

- устройство связи с импульсным датчиком положения полосы;

- устройство связи с импульсным датчиком положения ножниц;

- устройство датчика скорости полосы;

- устройство ввода релейных сигналов ;

- устройство вывода релейных сигналов ;

- устройство для дешифрации адресов ;

- устройство имитационной модели непрерывной части электропривода;

- пульт управления летучими ножницами.

При выборе аппаратных средств системы управления мерным резом использована блочно-модульная компоновка системы, позволяющая оптимизировать состав аппаратных средств, гибко его менять и создающая до- . полнительные удобства при обслуживании. В качестве управляющего аппаратного средства в работе применено унифицированное микропроцессорное устройство УМУ-1, разработанное на кафедре АЭП МЭИ. УМУ-1 выполнено на базе 16-ти разрядного микропроцессора и предназначена для создания

локальных систем автоматического управления , контроля и диагностики электроприводов промышленных механизмов .

Состав аппаратной части , выполненной на основе УМУ-1 представ лен на рис. 4.

В четвертой главе рассмотрено программное обеспечение микропро цессорной системы управления мерным резом. Системное программное обеспечение -монитор , сервисные и тестирующие программы - представляют собой группу программ, являющихся посредником между аппаратными средствами и пользователем. К числу прикладных программ относятся программы вычисления арифметических и элементарных функций и рабочие программы, служащие для управления требуемым технологическим процессом.

По результатам анализа, проведенного в первой главе, рабочая программа управления технологическим процессом мерного реза составлю на из двух фоновых программ:

- " начальная установка ", обеспечивающая устанвку летучих ножниц в исходное положение;

- " мерный рез обеспечивающая первый рез и рез полосы на мерные длины;

с общим для них набором подпрограмм. Такое построение рабочих программ создает дополнительные удобства для организации программного тестирования. При реализации рабочих алгоритмов, применен прямой метод расчета регулятора положения по его аналитической формуле, что по сравнению с табличным методом расчета обеспечивает минимальный объем занимаемой памяти и гибкость при отладке программ.

В пятой главе рассмотрены.результаты внедрения и эксперементаль-ных исследований микропроцессорной системы управления мерным резом. Внедрение разработанной системы осуществлено на летучих ножницах агрегата поперечной резки АПР-2 листопрокатного цеха "ЛПЦ-1700" Мариупольского металлургического комбината .

Эксперементальные исследования системы управления проводились в промышленных условиях на внедренной системе и имели следующие цели :

- проверка результатов теоретических исследований структуры ;

- подтверждение схемных и алгоритмических решений ;

- оценка технологической эффективности системы управления по точности реза;

В ходе экспериментальных исследований системы управления с про-

Состав аппаратной части следящей системы, электропривода летучих нокниц

-

порциональной структурой регулятора положения установлено, что переходные процессы при определенном коэффициенте регулятора положения оптимальны только для одной величины скорости полосы. При больших значениях скорости в переходных процессах имеет место увеличение перерегулирования, при меньших - процессы происходят с дотягиванием. Показано, что система управления со смещенной по оси ординат параболической характеристикой регулятора положения и пропорциональной частью с коррекцией скоростной ошибки в функции скорости полосы обеспечивает достаточно высокие показатели качества следящей системы .

Представлены экспериментальные данные и осциллограммы динамических процессов V тока якоря, эдо двигателя, сигнала задания на ско-ростьпути ножниц ) для разных значений скоростей.

Проведена оценка технологической эффективности системы управления по точности реза . являющаяся основным показателем , характеризующим систему управления электропривода летучих ножниц и определяющим фактическую погрешность в отрезанной длине . Для этого на основании статистических данных ошибки реза для заданных мерных длин и разных скоростях движения полосы построены гистограммы распеделения ошибок, характеризующих эффективность системы управления по точности реза. Гистограммы распределения ошибок для рабочей скорости движения полосы представленны на рис. 6 ■ Анализ гистограмм покавал , что разработанная система управления обеспечивает точность реза в пределах 4 мм на всем диапазоне длин . Причем такой разброс ошибки обусловлен некачественными соединениями с механизмами импульсных датчиков перемещения полосы и ножей , наличием оборотных пульсаций датчиков положения изменением скорости полосы, время разгона летучих ножниц и т. д.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Для получения высокой точности реза мерных длин на летучих ножницах при электрической синхронизации скорости полосы и ножниц, целесообразно использовать систему управления мерным резом следящего типа . Причем в позиционном контуре системы управления предпочтительным является применение микропроцессорного устройства для программной реализации регулятора положения.

Гистограмма распределения ошибок

НО 30

ео

60 50 40 10 го

/о

£3н = 4 М , = 90 м/мин

1

-4 -3

-2

Гистограмма распределения ошиоок

о х 2 з *<&£,■ Рис. $

= 6 м , = 90 м/мин

М 30 ¿0 70 ¿0

50 Щ

30

/о

-5

-5

-2

¿г.-

Рис. 6

[

- /92. Для систем управления мерным реэом следящего типа оптимальным является регулятор положения, имеющий переменную структуру. Б зоне малых отклонений - это регулятор П-типа, вне этой зоны - регулятор с параболической характеристикой, смешенной по оси ординат.

3. Для рационального построения программного обеспечения системы рабочие программы управления мерным резом должны состоять из двух фоновых программ - "начальная установка" и"мерный рез" с общим для них набором необходимых подпрограмм. Причем целесообразным является использование прямого метода расчета регулятора положения по его анали-' тической формуле, что по сравнению с табличным методом расчета обеспечивает минимальный объем занимаемой памяти и гибкость при отладке программы.

4. Разработанная и внедренная в промышленную эксплуатацию микропроцессорная СУМР обеспечивает выполнение предъявляемых к ней тре бований и позволяет получить точность реза ¿4 мм в установленных диапазонах мерных длин и скоростей реза.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Баширов В. С. Системы управления мерным резом движущихся листов и полос. / М. , 1994.-14 с.-Деп. в "Информэлектро" 31.01.94., N 5-эт94 .

2. Баширов Е С. . Козырев С. К. , Ладыгин А. Е , Холин Е Е Следящие электроприводы механизмов мерного реза движущегося материала/Современный регулируемый электропривод малой и средней мощности на основе интеллектуальной силовой электроники и микропроцессорных средств управления: Тез. докл. науч.-техн. семинара 1994 г.: М, 1994. - с. 36.

3. Баширов Е С., Козырев С. К, Ладыгин А. Н., Холин Е Е Систнемы уп равления электроприводами механизмов мерного реза движущегося материала//1-я меддунар. конф. по электромеханике и электротехнологии: Тез. докл. - Суздаль, 1994.-с. 62.

4. Козырев С. К. ,Холин ЕЕ .Баширов ЕС. Системы управления мерным резом движущихся материалов.// Тр. ин-та/Моск. энерг. ин-та.-1995. -Выл 672. -7с.

Подписано к печати Л— /л л /,/ й Деч. л. /¿^_Тираж 41)Ц_Заказ у У/

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.