автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Система управления мостовым краном, построенная с учетом систем демпфирования колебаний груза и ограничения перекоса моста

На правах рукописи

КОВРЫЖКИН Андрей Александрович

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МОСТОВЫМ КРАНОМ, ПОСТРОЕННАЯ С УЧЕТОМ СИСТЕМ ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ГРУЗА И ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕКОСА МОСТА

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 з ОНТ 2011

Воронеж-2011

4857092

Работа выполнена в НОУ ВПО «Международный институт компьютерных технологий».

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Щедринов Александр Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мещеряков Виктор Николаевич; кандидат технических наук, профессор Фролов Юрий Михайлович

Ведущая организация ЗАО «НИИ Механотроники-Альфа-НЦ»

(г. Воронеж)

Защита диссертации состоится «26» октября 2011 г. в «Ю00» часов в

конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.09 ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан «26» сентября 2011 г. Ученый секретарь

диссертационного совета

Кононенко К.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Перемещение грузов в промышленности, на транспорте и в строительстве осуществляется разнообразными подъемно-транспортными машинами, среди которых широкое распространение получили мостовые краны. Мостовые краны являются сложными объектами управления. При их эксплуатации возникают проблемы, связанные с раскачиванием груза и перекосом фермы моста. Раскачивание транспортируемого груза появляется в каждом переходном процессе пуска или торможения механизмов передвижения. Эти колебания мешают работе оператора, затрудняя установку груза в намеченное место, и увеличивают нагрузку на механизмы. Существует класс мостовых кранов, при эксплуатации которых для повышения производительности и безопасности по технологическому процессу требуется демпфировать колебания груза в заданном диапазоне. Перекос фермы моста приводит к повороту крана в горизонтальной плоскости и его поперечному смещению; увеличивает нагрузку на конструкции механизмов опор моста, а также износ подкранового пути и реборд колес; ухудшает динамические свойства крана; создает опасные условия работы персонала. Основными причинами возникновения перекоса фермы моста являются: раздельное управление многодвигательным электроприводом перемещения моста; неидентичность деталей и передаточных механизмов электроприводов; переменный характер взаимодействия системы «колесо-подкрановый путь»; переменная нагрузка на приводы передвижения, вызванная изменяющимся положением тележки с грузом; нерегламентируемое обслуживание и нарушение техники эксплуатации мостовых кранов; конструктивные несовершенства крановых узлов и погрешности применявшихся методов их расчета.

Одним из способов эффективного снижения динамических нагрузок механизма передвижения кранов является применение систем синхронизации, которые формируют сигнал, прямо пропорциональный величине перекоса, и используют его для ускорения отстающего и торможения опережающего приводов. При использовании систем демпфирования колебаний груза в систему управления приводов тележки и моста крана вводится корректирующий сигнал, пропорциональный величине отклонения груза от положения равновесия в соответствующей плоскости движения (моста, тележки). В случае демпфирования колебаний груза в плоскости движения моста на приводы перемещения опор одновременно подается одинаковый по величине и знаку сигнал коррекции на изменение скорости. При одновременном использовании системы ограничения перекоса моста и системы демпфирования колебаний груза на одну из опор моста будут приходить два разных по знаку сигнала на изменение скорости, что снизит эффективность работы обеих систем коррекции. Очевидно, что эти системы должны работать непрерывно.

Существует необходимость в разработке такой системы автоматического управления, которая устраняет перекос моста и демпфирует колебания груза, возникающие при эксплуатации мостового крана.

Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления

работы НОУ ВПО «Международный институт компьютерных технологий»: высокотехнологичные электротехнические комплексы.

Цель работы состоит в синтезе автоматической системы управления электроприводом мостового крана, способной устранять перекос моста и демпфировать колебания груза.

Задачи работы.

1. Разработать математическую модель электромеханической системы (ЭМС) мостового крана с электроприводами постоянного и переменного тока в системе подчиненного регулирования, учитывающую переменный характер параметров механической части и особенности системы «колесо - подкрановый путь».

2. Разработать устройство ограничения перекоса моста крана с помощью определения положения опоры относительно подкранового пути и определения разности перемещений опор моста.

3. Разработать устройство демпфирования колебаний груза, использующее корректирующий сигнал, полученный с помощью математической модели системы «точка подвеса - груз».

4. Разработать систему управления мостовым краном, построенную с учетом систем демпфирования колебаний груза и ограничения перекоса моста.

5. Провести на математических моделях мостовых кранов исследование эффективности разработанных устройств ограничения перекоса моста и демпфирования колебаний груза.

6. Провести оценку результатов экспериментальной модели ЭМС опоры мостового крана и математической модели ЭМС мостового крана.

Методы исследования. В теоретических исследованиях использовались положения и методы теории систем управления электроприводами, теории электрических цепей, теории автоматического управления, теоретических основ электротехники. Задачи, поставленные в ходе исследования, решались с помощью методов математического моделирования переходных процессов на ЭВМ. Для исследования эффективности системы управления с корректирующим устройством разработана и изготовлена экспериментальная модель электропривода опоры мостового крана, включающая в себя преобразователь с микропроцессорным управлением БтоуеЛ УС.

Научная новизна работы.

1. Математическая модель электромеханической системы мостового крана с электроприводами постоянного и переменного тока в системе подчиненного регулирования, учитывающая переменный характер параметров механической части, отличающаяся учетом функциональной зависимости коэффициента трения от нагрузки в системе «колесо - подкрановый путь».

2. Методики ограничения перекоса моста крана: с помощью определения положения опоры относительно подкранового пути, отличающаяся тем, что с

целью повышения точности контроля и надежности работы за счет применения четырех индуктивных датчиков устраняется как перекос, так и поперечное смещение моста относительно подкранового пути (защищено патентом на полезную модель № 97971); с помощью определения разности перемещения опор моста, отличающаяся наличием юстировки, учитывающей износ устройства ограничения перекоса.

3. Система демпфирования колебаний груза, использующая фаззи-регулятор, отличающаяся тем, что входной сигнал угла отклонения груза получен от математической модели системы «точка подвеса - груз» (защищено патентом на полезную модель № 85890).

4. Методика определения переменной величины уставки задатчика интенсивности, отличающаяся тем, что уставка формируется прямо пропорционально массе перемещаемого груза.

Практическая ценность.

1. Устройство ограничения перекоса моста, определяющее положение опор моста относительно подкранового пути и подающее в систему управления электроприводом сигнал, прямо пропорциональный величине перекоса и поперечного смещения моста.

2. Устройство ограничения перекоса моста, определяющее разность перемещений опор моста и подающее в систему управления электроприводом сигнал, прямо пропорциональный величине перекоса, и снабженное системой юстировки, учитывающей износ устройства ограничения перекоса.

3. Устройство демпфирования колебаний груза с фаззи-регулятором, использующее корректирующий сигнал, прямо пропорциональный отклонению груза от положения равновесия, полученный с помощью математической модели системы «точка подвеса - груз», и имеющее сглаживающий фильтр для производной сигнала отклонения груза с целью ограничения пульсаций на входе регуляторов.

4. Система управления электроприводом моста, использующая переменную величину уставки задатчика интенсивности, прямо пропорциональную массе перемещаемого груза, и обеспечивающая быстрый разгон и торможение привода перемещения моста при работе устройства ограничения перекоса во всем диапазоне масс груза.

5. Экспериментальная установка ЭМС опоры моста крана на базе электропривода БшюуеЛ УС для оценки влияния состояния подкранового пути на эффективность работы системы ограничения перекоса моста.

На защиту выносятся.

¡.Математическая модель электромеханической системы мостового крана с электроприводами постоянного и переменного тока в системе подчиненного регулирования, учитывающая переменный характер параметров механической части, отличающаяся учетом функциональной зависимости коэффициента трения от нагрузки в системе «колесо - подкрановый путь».

2. Устройства ограничения перекоса моста крана, определяющие положение опоры относительно подкранового пути и разность перемещений опор моста.

3. Система демпфирования колебаний груза, использующая фаззи-регулятор и сигнал коррекции, полученный с помощью математической модели системы «точка подвеса - груз».

4. Система управления электроприводом моста, использующая переменную величину уставки задатчика интенсивности, прямо пропорциональную величине перемещаемого груза, и построенная с учетом систем демпфирования колебаний груза и ограничения перекоса моста.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждаются корректным использованием положений и методов теории систем управления электроприводами, теории электрических цепей, теории автоматического управления, теоретических основ электротехники; хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на:

- Научной конференции студентов и аспирантов ЛГТУ, Липецк, 2008;

- VIII Международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы, средства», Новочеркасск, 2008;

- Научно-технической конференции, посвященной 35-летию основания кафедры электропривода ЛГТУ, Липецк, 2009;

- Региональной научно-технической конференции «Автоматизация и ро-бототизация технологических процессов», Воронеж, 2009;

- IX Международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы, средства», Новочеркасск, 2009.

- Межвузовская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы современного научного знания», Липецк, 2011.

Реализация результатов работы. Полученные результаты используются при проведении перспективных разработок в ОАО «Липецкий металлургический завод «Свободный Сокол» и в ЦАТП ОАО «НЛМК», а также внедрены в лекционный курс «Моделирование в технике» Липецкого филиала международного института компьютерных технологий (ЛФ МИКТ).

Публикации, По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, отражающих содержание диссертационной работы: из них четыре - в изданиях из перечня ВАК РФ, два патента РФ на полезную модель. Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в следующем: разработана и исследована система ограничения перекоса фермы моста [1]; синтез и исследование математической модели мостового крана с устройствами ограничения перекоса моста и демпфирования колебаний груза [2, 4, 8]; разработан алгоритм изменения величины задатчика интенсивности приводов перемещения моста в зависимости от массы груза [3]; синтез математической модели ЭМС мостового крана [5, б, 7, 9]; проверка работы устройства на математиче-

ской модели мостового крана с двухдвигательным электроприводом перемещения моста [И]; разработан алгоритм ограничения перекоса в работе системы управления электроприводом мостового крана [12].

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и пяти приложений. Объем работы составляет 180 страниц, в том числе 121 страница текста, 62 рисунка, 4 таблицы, библиографический список из 95 наименований, приложения на 59 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы; сформулирована цель диссертационной работы; отмечены научная новизна и практическая ценность результатов исследований; изложены основные положения, вынесенные на защиту.

В первой главе сделан обзор литературы по вопросу современного уровня технологий систем управления электроприводами мостовых кранов. Мостовые краны являются одними из наиболее сложных объектов управления, т.к. их эксплуатация осложняется раскачиванием груза и перекосом фермы моста.

В настоящее время проблема подавления колебаний грузов не имеет оптимального решения. Механические способы приводят к усложнению конструкции крепления груза, увеличивают инерционность системы, происходит увеличение габаритных размеров подъемных механизмов, повышается сложность настройки и эксплуатации таких систем. Происходит увеличение износа механических элементов вследствие того, что маятниковые колебания гасятся за счет рассеивания энергии на силу трения. При ручном способе подавлений колебаний груза система управления наиболее простая, но значительно возрастает сложность работы крановщика. Системы автоматического успокоения колебаний грузов наиболее дорогостоящие, а их точность и быстродействие зависят от сложности математического описания объекта управления.

Системы ограничения перекоса фермы моста также имеют недостатки. Несмотря на большое разнообразие этих систем, их применение до сих пор не имеет широкого распространения. Большое количество таких систем на практике показали себя ненадежными и недостаточно эффективными. Однако главная причина заключается в том, что применение любой такой системы ведет к дополнительным техническим мероприятиям, усложняющим конструкцию и систему управления мостового крана, и, следовательно, удорожающим эксплуатацию.

При одновременной работе систем демпфирования колебаний и ограничения перекоса возможно снижение их работоспособности из-за одновременного воздействия на сигнал управления привода передвижения моста крана.

Таким образом, задача по созданию конструктивно простой и быстродействующей системы управления электроприводом мостового крана все еще актуальна.

Вторая глава посвящена построению математической модели электромеханической системы (ЭМС) мостового крана. При построении расчетной схемы сделан ряд общепринятых допущений, позволяющих упростить систему, не изменяя характера протекающих в ней динамических процессов, определяемых элементами с наибольшими массами:

- массивные и жесткие тела, которые перемещаются почти как одно целое, считаются абсолютно жесткими, их массы предполагаются сосредоточенной в точках, совпадающими с центрами тяжести;

- силы и моменты, действующие в системе, приложены к сосредоточенным массам;

- упругие звенья, связывающие сосредоточенные массы, невесомы и характеризуются постоянной жесткостью связи;

- деформация упругих звеньев подчиняется закону Гука;

- колебательными процессами, связанными с распределением деформации по длине, можно пренебречь.

При составлении математической модели ЭМС мостового крана электропривода передвижения моста крана представляет собой четырехмассовую систему (которую можно свести к двум двухмассовым системам), привода подъема груза и перемещения тележки - двухмассовые системы.

Расчет нагрузок на механизмы передвижения моста крана и тележки аналогичен. Результирующая нагрузка на приводы моста (Мсм) и тележки (Мст) складывается из двух составляющих, определяемых весом транспортируемого груза и сопротивлением упругому скольжению:

Мсм=Мстм+Мш; Мст=Мстт+М„т где для приводов моста и тележки соответственно М^, М„т - моменты сопротивления проскальзыванию; Мст„ Мстт - моменты воздействия сил трения.

При работе мостового крана нагрузка на приводы моста зависит от положения тележки с грузом. Система «мост-тележка» является статически-определимой, поэтому линия влияния реакции в опоре моста от положения тележки представляет собой прямую (рис. 1). Здесь приняты следующие обозначения: / - длина хода тележки; Ь - пролет моста. Нагрузка на опоры моста при передвижении тележки изменяется прямо пропорционально расстоянию от опоры до центра масс тележки.

Нагрузка на опору от тележки с грузом определяется по формуле:

1-х

для опоры 1 Р = 2(тТ+тТ) ——^;

X

для опоры 2 р = 2(тг + тт) у-,

X/

где хт - расстояние от центра масс тележки с грузом до опоры 2; тт - масса тележки; тг - масса груза.

Опора 2

Рис. 1. Линии влияния реакции для опоры А. 1 - линия влияния реакции половины моста и механизмов опоры 1; 2 - линия влияния реакции тележки с грузом; 3 - линия влияния общей реакции в опоре 1.

Статическая нагрузка от сил трения рассчитывается по соотношению: м„=-:-,

>р

где FT - сила трения качения; Rie - радиус колеса; Т| - КПД передачи приводов моста или тележки; ip - передаточное число редуктора.

Сила трения качения для привода перемещения опоры моста (на примере опоры 1) определяется по формуле:

(mr + (mT+mu)-^^-)g d Fr=-^-L-(/f + /0*„

где mM — масса моста; / - коэффициент трения в опоре, приведенный к диаметру цапфы d4) ц - коэффициент трения качения колеса по рельсу; кр - коэффициент, учитывающий трение реборд катков о рельсы. Коэффициент трения качения определяется по графикам зависимостей от нагрузки на колесо F«, представленных на рис. 2 (а - для плоского рельса, б - для скругленного рельса с радиусом скругления головки 0,3 м).

В мостовых кранах при исправном состоянии привода и перекосах колес, находящихся в нормативных пределах, крановые колеса работают, как правило, в зоне упругого скольжения. Следовательно, к статическому моменту Мс следует добавлять момент М„ (сопротивление проскальзыванию), определяемый для случая движения цилиндрического катка по рельсу с плоской головкой по следующей формуле:

M„=F,

B-fc

п~ Т'2ЯК '

где В - ширина рабочей поверхности рельса; /с - коэффициент трения скольжения.

Рис. 2. Значение коэффициента трения качения ¡1 от нагрузки на колесо Бк: 1 -2Як/В=20; 2 - 2ЯК/В =10; 3 - 2Як/В =5; 4 - Б=0,8 м; 5 - ЕМ),4 м; 6 - Б=0,25 м.

Во время движения крана один из приводов моста движется с большей скоростью относительно другого, что обусловлено изменением нагрузки и действием сигналов системы управления. Как только скорость одного из приводов становится больше скорости второго привода, нагрузка на первый привод возрастает. Поэтому в модели введен корректирующий сигнал, учитывающий соотношение скоростей приводов опор моста крана. В зависимости от положения тележки с грузом и от соотношения скоростей и ускорений приводов перемещения опор моста в математической модели определяется скорость и ускорение точки подвеса груза.

Спроектированная математическая модель мостового крана при исследовании позволяет вводить: 1) характеристики различных мостовых кранов, отличающиеся геометрическими и электромеханическими параметрами; 2) отличающиеся друг от друга диаметры колес, паспортные данные двигателей и редукторов первой и второй опор моста; 3) параметры системы управления приводами постоянного и переменного тока; 4) параметры, характеризующие величину стыков и параллельность рельсов.

В третьей главе спроектирована система управления мостовым краном, удовлетворяющая следующим критериям: уменьшение амплитуды и периода колебаний груза; увеличение логарифмического декремента затухания колебаний; ограничение рассогласования опор моста ниже предельного значения. Установлено, что системы ограничения перекоса моста и демпфирования колебаний груза должны оказывать наименьшее взаимное влияние.

При регулировании по углу отклонения канатов с целью демпфирования колебаний груза возможны два способа: а) с использованием традиционных регуляторов на базе полного математического описания объекта управления; б) с помощью фаззи-регулятора. Входным сигналом для этих систем служит угол

отклонения груза в плоскостях движения моста и тележки, рассчитываемый с помощью математической модели колебания груза; выходным - сигнал на изменение скорости моста или тележки в зависимости от знака угла отклонения груза и направления перемещения механизма. С целью снижения бросков сигнала производной от амплитуды отклонения груза, математическая модель сигнал дифференцирует сигнал амплитуды с более широким шагом, чем минимальная постоянная времени модели. По результатам моделирования наилучший шаг дифференцирования амплитуды отклонения груза 0,1 - 0,2 с, т.е. (Ю..20)ТП, где Тп - постоянная времени тиристорного преобразователя.

Разработаны устройства ограничения перекоса, работающие по принципу сравнения абсолютных перемещений опор и по принципу сравнения положения опор моста, относительно подкранового пути. В первом для определения абсолютных перемещений опор (Б) и Б2) используются прижимные ролики, которые прижимают к ведомым колесам опор для исключения влияния проскальзывания колес о рельсы, и снабженные системой юстировки, учитывающей износ роликов. Из разности перемещений опор формируется сигнал коррекции, прямо пропорциональный перекосу моста. Во втором для формирования сигнала коррекции используются индуктивные датчики, установленные около диагональных опор моста (П1-П4), и измеряющих расстояние до головки рельса. Из разности показаний датчиков формируется сигнал прямо пропорциональный перекосу моста и поперечному смещению колес относительно центра рельс. Корректирующий сигнал вычитается из сигнала задания на скорость на входе регулятора скорости опережающей опоры и прибавляется к сигналу задания на скорость отстающей опоры и обеспечивает коррекцию перекоса моста.

При исследовании на математической модели работы системы ограничения перекоса моста установлено, что ограничение перекоса эффективнее при использовании уставки задатчиков интенсивности электропривода перемещения моста прямо пропорциональной массе груза. На рис. 3 приведены графики зависимости рассогласования перемещений опор моста ДБ от массы перемещаемого груза для кранов МГ 10/10, КМ 50/12,5, КМ 100/20 при постоянном (Тзи=сопзг) и переменном (Т3и=уаг) значении уставки задатчика интенсивности. На рис. 4 показаны зависимости рассогласования перемещений опор моста ДБ при постоянном и переменном значениях уставки задатчика интенсивности от массы перемещаемого груза для крана КМ 50/12,5 со следующими пролетами моста и 19,5 м; 22,5 м; 25,5 м; 28,5 м; 31,5 м; 34,5 м. Для наглядности рассчитанные рассогласования опор представлены в относительных величинах:

тШХ ' МАХ

где ДБмах - предельное рассогласование опор мостового крана; ДБ - расчетное рассогласование опор; тМлх~ грузоподъемность крана.

Полученные результаты показывают, что работа системы синхронизации почти не зависит от массы, следовательно, инерционности крана. Во всех исследованных режимах работы рассмотренных мостовых кранов рассогласова-

ние опор моста не превысило 40 % от предельного значения.

При одновременном использовании устройства ограничения перекоса моста и устройства демпфирования колебаний груза на одну из опор моста будут приходить два разных по знаку сигнала на изменение скорости, что снизит эффективность работы обоих устройств коррекции. Поэтому необходимо использовать устройства, которые оказывают наименьшее взаимное влияние.

Рис. 3. Зависимости рассогласования перемещений опор моста от массы перемещаемого груза.

Рис. 4. Зависимости рассогласования перемещений опор моста от длины пролета для крана КМ 50/12,5.

Для исследования совместной работы устройств демпфирования колебаний груза и ограничения перекоса моста рассмотрено 4 случая. Графики семейств временных характеристик угла отклонения груза, рассогласования перемещений опор и скорости передвижения опор моста показаны на рис. 5-7. Здесь приняты следующие обозначения: 1 - работа устройства ограничения колебаний груза на основе фаззи-регулятора и устройства ограничения перекоса моста на основе сравнения перемещений опор моста; 2 - работа устройства ограничения колебаний груза на основе фаззи-регулятора и устройства ограничения перекоса моста на основе определения положения опоры моста относительна подкранового пути; 3 - работа устройства ограничения колебаний груза на основе математической модели груза и устройства ограничения перекоса моста на основе определения положения опоры моста относительна подкранового пути; 4 - работа устройства ограничения колебаний груза на основе математической модели груза и устройства ограничения перекоса моста на основе сравнения перемещений опор моста; 5 - работа без устройств ограничения перекоса моста и демпфирования колебаний груза.

Оценка эффективности работы систем произведена по следующим параметрам: логарифмическому декременту затухания амплитуды колебаний груза /иА; максимальному углу отклонения груза АМах; максимальному рассогласованию перемещений опор моста А8; времени разгона 1Р.

При анализе результатов моделирования, видно, что:

- демпфирование колебаний груза при работе устройства ограничения колебаний груза на основе фаззи-регулятора происходит лучше, чем при работе устройства ограничения колебаний груза на основе математической модели груза;

- разгон и торможение при работе устройства с фаззи-регулятором происходят на 7 % медленнее, чем при работе с регулятором на основе матема-

тической модели колебаний груза, но при этом рассогласование перемещений опор меньше на 50 % и амплитуда колебаний груза меньше на 35 %.

15,0 10,0 5,0 0,0 -5,0 10,0 15,0

' 5 |

\

м | *>с

л., о и 1 5 \ 2 0 2 5 3 0 Г"' 4 0 4 5 5 |

2' > 1 1 3 \ V

\

Рис. 6. Зависимости рассогласования перемещений опор от времени.

4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5

- V, М/с .....- - - | 1 1

4 —~ ггЗ—

5 —у ^ / / Л 1 ,2 \\ V "1, 2

7/ \\ " \ V Уз,4

/ / 7 / ' / ^^ \\

'' / / / \ \

7/ / 5 V

]/У 1 I 2 с

л _ __ Л 1 1 С........ _ Э 5_______зп _ 3 <; 4Ь 4 5- - - лО

Рис. 7. Зависимости скорости передвижения опоры моста во времени.

Проведенные исследования показывают, что при использовании в системе управления мостовых кранов устройств ограничения перекоса моста и демпфирования колебаний груза целесообразно применять ограничение колебаний груза на основе фаззи-регулятора и ограничение перекоса моста путем определения положения опоры моста относительна подкранового пути (рис. 8) для мостовых кранов с двухребордными колесами, а также ограничение колебаний груза на базе фаззи-регулятора и ограничение перекоса моста путем сравнения абсолютных перемещений опор (рис. 9) для мостовых кранов с без-ребордными колесами и боковыми роликами. Спроектированные системы можно устанавливать на все типы электроприводов с микропроцессорным управлением.

Командоконтроллер Х-> х.

Контроллер I [ -------

! Блок ограничение I перекоса моста I"

Г""—.....— I

I Фаззи- регулятор |

ограничения I колебаний груза

____I

Гао/й

Математическая ' модель угла | I отклонения груза |

ГЛГ.'Л^

:мат] хель неш

Г-,-1—,

I Расчет скорости и точки подвеса

Система управления приводом опорь!

кг

л:

Р с.

РТ,

Силове часть

Система управления приводом опорй

I----------------1

РО РТ2 Силова 1 Я 1 /

часть 1 '

Рис. 8. Структурная схема системы управления электроприводом моста с ограничением перекоса путем определения положения опор относительно подкранового пути и демпфированием колебаний груза на основе фаззи-регулятора.

Командоконтроллер

Рис. 9. Структурная схема системы управления электроприводом перемещения моста с ограничением перекоса путем сравнения абсолютных перемещений опор моста и демпфированием колебаний груза на основе фаззи-регулятора.

.....I

Четвертая глава посвящена экспериментальной проверке эффективности работы системы ограничения перекоса моста на основе определения положения опоры моста относительно подкранового пути. Разработана и изготовлена экспериментальная установка ЭМС опоры моста крана на базе электропривода Зипоуей УС (рис. 10) для исследования влияния стыков и непараллельности рельсов на работу системы ограничения перекоса моста на основе сравне-

ния положения опоры моста относительно подкранового ]

------------—-—.— ----- штящщцфнщт —• "

Рис. 10. Экспериментальная установка.

и. В

О I ' ПС

Рис. 11. Показания промышленного самописца с экспериментальной установки.

При анализе полученных на установке результатов сделаны следующие выводы.

1. Относительная величина «ошибки» показаний индуктивного датчика при прохождении зазора между рельсами прямо пропорциональна величине зазора и не зависит от расстояния между датчиком и рельсом.

2. Разность отметок головок в одном поперечном сечении не влияет на показания индуктивного датчика.

В заключении представлены основные результаты, полученные в ходе проведения диссертационных исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана математическая модель электромеханической системы мостового крана с электроприводами постоянного и переменного тока в системе подчиненного регулирования, учитывающая переменный характер параметров механической части и особенности системы «колесо - подкрановый путь».

2. Разработано устройство ограничения перекоса моста крана с помощью определения положения опоры относительно подкранового пути.

3. Разработано устройство ограничения перекоса моста крана с помощью определения разности перемещения опор моста.

4. Разработано устройство демпфирования колебаний груза, использующее фаззи-регулятор и корректирующий сигнал, полученный с помощью математической модели системы «точка подвеса - груз», и имеющее сглаживающий фильтр для производной сигнала отклонения груза с целью ограничения пульсаций на входе регуляторов.

5. Разработана система управления электроприводом моста, использующая переменную величину уставки задатчика интенсивности, прямо пропорциональную массе перемещаемого груза, и построенная с учетом систем демпфирования колебаний груза и ограничения перекоса моста.

6. Проведены исследования на математических моделях мостовых кранов, подтвердившие высокую эффективность разработанных устройств ограничения перекоса моста и демпфирования колебаний груза.

7. Проведены исследования на экспериментальной установке ЭМС опоры мостового крана и оценка полученных результатов на математической модели ЭМС мостового крана с электроприводом постоянного тока, показавшие высокую эффективность разработанных устройств ограничения перекоса моста.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Щедринов A.B., Коврыжкин A.A. Системы автоматического управления электроприводами моста крана // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009. №10. С. 6-9.

2. Щедринов A.B., Коврыжкин A.A. Исследование работы систем ограничения перекоса моста и систем демпфирования колебаний груза мостовых кранов // Электротехнические комплексы и системы управления. 2010. №3. С.

3. Щедринов A.B., Коврыжкин A.A. Оценка влияния задатчика интенсивности на работу систем ограничения перекосов мостовых кранов // Электротехнические комплексы и системы управления. 2011. №1. С. 51-54.

4. Щедринов A.B., Коврыжкин A.A. Система ограничения перекоса мостового крана на основе сравнения абсолютных перемещений опор // Электротехнические комплексы и системы управления. 2011. №2. С. 76-80.

Публикации в других изданиях и тезисы докладов:

5. Коврыжкин A.A., Щедринов A.B. Синтез математической модели движения моста крана / Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов ЛГТУ. Липецк: ЛГТУ, 2008. С. 21-24.

6. Колмыков В.В., Коврыжкин A.A. Моделирование механизма передвижения мостового крана с раздельными приводами И Материалы VIII Международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы, средства». Новочеркасск: Лик, 2008. С. 47-52.

7. Щедринов A.B., Коврыжкин A.A. Система автоматического управления электроприводами моста крана // Сборник статей научно-технической конференции, посвященной 35-летию основания кафедры электропривода ЛГТУ. Липецк: ЛГТУ. 2009 С. 20-24.

8. Щедринов A.B., Коврыжкин A.A. Системы демпфирования колебаний груза мостовых кранов // Автоматизация и робототизация технологических процессов: материалы региональной научно-технической конференции. Воронеж: ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. С. 135-140.

9. Щедринов A.B., Коврыжкин A.A. Синтез математической модели электромеханической системы мостового крана // Моделирование. Теория, методы, средства: материалы IX Международной научно-практической конференции. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. С. 32-37.

10. Коврыжкин A.A. Система ограничения перекоса мостового крана // Актуальные проблемы современного научного знания: доклады участников Межвузовской научно-практической конференции. Липецк: ЛФ МИКТ. 2011.

Патенты:

11. Устройство автоматического успокоения маятниковых колебаний груза, перемещаемого тележкой мостового крана: пат. на полез, модель № 85890 Рос. Федерация. № 2009112243/22; заявл. 02.04.2009; опубл. 20.08.2009. Бюл. № 23.

12. Устройство автоматического ограничения перекоса опор мостового крана: пат. на полез, модель № 97971 Рос. Федерация. № 2010109170/22; заявл. 11.03.2010; опубл. 27.09.2010. Бюл. № 27.

52-55.

С. 33-39.

Подписано в печать 19.09.2011. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 15/11

Типография ЛФ НОУ ВПО «Международный институт компьютерных технологий» 398055 Липецк, пр. С. Кувшинова, 5 б

ВВЕДЕНИЕ.

1 ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕКОСА ФЕРМЫ МОСТА И РАСКАЧИВАНИЯ

ГРУЗА.

1.1 Влияние перекоса моста и раскачивания перемещаемого груза на работу мостового крана.

1.2 Системы ограничения колебаний груза.

1.3 Системы ограничения перекоса фермы моста крана.

Выводы.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭМС МОСТОВОГО КРАНА.

2.1 Математическая модель ЭМС моста и тележки крана.

2.2 Нагрузки.

2.2.1 Нагрузки на привод подъема.

2.2.2 Нагрузки приводов передвижения моста и тележки:.

2.3 Функциональные схемы модели ЭМС мостового крана.

2.3.1 Функциональные схемы модели ЭМС мостового крана при использовании регулируемого электропривода постоянного тока.

2.3.2. Функциональные схемы электропривода переменного тока.

2.4 Математическая модель груза.

Выводы.

3 АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МОСТОВЫМ КРАНОМ.

3.1 Системы ограничения колебаний груза.

3.1.1 Система ограничения колебаний груза на основе математической модели системы «точка подвеса - груз».

3.1.2 Система ограничения колебаний груза на основе фаззи-регулятора.

3.2 Система ограничения рассогласования перемещений опор моста.

3.2.1 Система ограничения рассогласования перемещений опор моста на основе сравнения их линейных перемещений.

3.2.2 Система ограничения рассогласования перемещений опор моста на основе сравнения положения опор моста относительно подкранового пути 77 3.3 Исследование совместной работы систем ограничения перекоса моста и систем ограничения колебаний груза.

Выводы.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ

ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕКОСА МОСТА КРАНА.

4.1 Построение экспериментальной установки.

4.2 Исследование на экспериментальной установке влияния стыков рельсов на работу системы ограничения перекоса моста.

4.3 Сравнение результатов эксперимента и математического моделирования мостового крана.

Выводы.

Актуальность темы. Перемещение грузов в промышленности, на транспорте и в строительстве осуществляется разнообразными подъемно-транспортными машинами, среди которых широкое распространение получили мостовые краны. Мостовые краны являются- сложными объектами, управления. При их эксплуатации возникают проблемы, связанные с раскачиванием груза и перекосом фермы моста. Раскачивание транспортируемого груза появляется в каждом переходном процессе пуска или торможения механизмов передвижения. Эти колебания мешают работе оператора, затрудняя установку груза,в намеченное место, и увеличивают нагрузку на механизмы. Существует класс мостовых кранов, при эксплуатации которых для повышения производительности и безопасности по технологическому процессу требуется демпфировать колебания груза в заданном диапазоне. Перекос фермы моста приводит к повороту крана в горизонтальной плоскости и его поперечному смещению; увеличивает нагрузку на конструкции механизмов опор моста, а также износ подкранового пути и реборд колес; ухудшает динамические свойства крана; создает опасные условия работы персонала. Основными причинами возникновения перекоса фермы моста являются: раздельное управление многодвигательным электроприводом перемещения моста; неидентичность деталей и передаточных механизмов электроприводов; переменный характер взаимодействия системы «колесо-подкрановый путь»; переменная^ нагрузка на приводы-передвижения, вызванная изменяющимся положением тележки с грузом; нерегламентируемое обслуживание и нарушение техники эксплуатации мостовых кранов; конструктивные несовершенства крановых узлов и погрешности применявшихся методов их расчета.

Одним из способов эффективного снижения динамических нагрузок механизма передвижения кранов является применение систем синхронизации, которые формируют сигнал, прямо пропорциональный величине перекоса, и используют его для ускорения отстающего и торможения опережающего приводов. При использовании систем демпфирования колебаний груза в систему управления приводов тележки и моста крана вводится корректирующий сигнал, пропорциональный величине отклонения груза от положения равновесия в соответствующей плоскости движения (моста, тележки). В случае демпфирования колебаний груза в плоскости движения моста на приводы перемещения опор одновременно подается одинаковый по величине и знаку сигнал коррекции на изменение скорости. При одновременном использовании системы ограничения-перекоса моста и системы демпфирования, колебаний груза на одну из опор моста будут приходить два разных по знаку сигнала на изменение скорости, что снизит эффективность работы обеих систем коррекции. Очевидно, что эти системы^должны работать непрерывно.

Существует необходимость в разработке такой системы автоматического управления, которая устраняет перекос моста и демпфирует колебания груза, возникающие при эксплуатации мостового крана.

Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления работы НОУ ВПО«Международный институт компьютерных технологий»: высокотехнологичные электротехнические комплексы.

Цель работы состоит в синтезе автоматической системы управления электроприводом мостового крана, способной устранять перекос моста и демпфировать колебания груза.

Задачи работы.

1. Разработать математическую модель электромеханической системы (ЭМС) мостового крана с электроприводами постоянного и переменного тока в системе подчиненного регулирования^ учитывающую переменный характер параметров механической части, и особенности системы «колесо - подкрановый путь».

2. Разработать устройство ограничения перекоса моста крана с помощью определения положения опоры относительно подкранового пути и определения разности перемещений опор моста.

3. Разработать устройство демпфирования колебаний груза, использующее корректирующий сигнал, полученный с помощью математической модели системы «точка подвеса - груз».

4. Разработать систему управления мостовым краном, построенную с учетом систем демпфирования колебаний груза и ограничения перекоса моста.

5. Провести на математических моделях мостовых кранов исследование эффективности разработанных устройств ограничения перекоса моста и, демпфирования колебаний груза.

6. Провести оценку результатов экспериментальной модели ЭМС опоры мостового крана и математической модели ЭМС мостового крана.

Методы исследованиям В теоретических исследованиях использовались положения и методы теории систем управления- электроприводами, теории электрических цепей, теории автоматического управления, теоретических основ электротехники. Задачи, поставленные в ходе исследования, решались > с помощью методов математического моделирования переходных процессов на ЭВМ! Для исследования эффективности системы управления с корректирующим устройством разработана и изготовлена экспериментальная модель электропривода опоры мостового крана, включающая в себя преобразователь с микропроцессорным управлением Simo vert VC.

Научная новизна работы.

1. Математическая модель электромеханической системы мостового крана с электроприводами постоянного и переменного тока в системе подчиненного регулирования, учитывающая переменный характер параметров механической части, отличающаяся учетом функциональной зависимости коэффициента трения от нагрузки в системе «колесо — подкрановый путь».

2. Методики ограничения перекоса моста крана: с помощью определения положения опоры относительно подкранового пути, отличающаяся тем, что с целью повышения точности контроля и надежности работы за счет применения четырех индуктивных датчиков устраняется как перекос, так и поперечное смещение моста относительно подкранового пути (защищено патентом на полезную модель № 97971); с помощью определения разности перемещения опор моста, отличающаяся наличием юстировки, учитывающей износ устройства ограничения перекоса.

3. Система демпфирования колебаний груза, использующая фаззи-регулятор, отличающаяся тем, что входной сигнал угла отклонения груза получен от математической модели системы «точка подвеса - груз» (защищено патентом на полезную модель № 85890).

4. Методика определения переменной- величины уставки задатчика интенсивности, отличающаяся тем, что уставка формируется прямо пропорционально массе перемещаемого груза.

Практическая ценность.

1. Устройство ограничения перекоса моста, определяющее положение опор моста относительно подкранового пути и подающее в систему управления электроприводом сигнал, прямо пропорциональный величине перекоса и поперечного смещения моста.

2. Устройство ограничения перекоса моста, определяющее разность перемещений опор моста и подающее в систему управления электроприводом сигнал, прямо пропорциональный величине перекоса, и снабженное системой юстировки, учитывающей износ устройства ограничения перекоса.

3. Устройство-демпфирования колебаний груза с фаззи-регулятором, использующее корректирующий сигнал, прямо пропорциональный отклонению груза от положения равновесия, полученный с помощью математической модели системы «точка подвеса - груз», и имеющее сглаживающий фильтр для производной сигнала отклонения груза с целью ограничения пульсаций на входе регуляторов.

4. Система управления электроприводом моста, использующая переменную величину уставки задатчика интенсивности, прямо пропорциональную массе перемещаемого груза, и обеспечивающая быстрый разгон и торможение привода перемещения моста при работе устройства ограничения перекоса во всем диапазоне масс груза.

5. Экспериментальная установка ЭМС опоры моста крана на базе электропривода ЭтюуеЛ УС для оценки влияния состояния подкранового пути на эффективность работы системы ограничения перекоса моста.

На защиту» выносятся.

1. Математическая модель электромеханической системы мостового крана с электроприводами постоянного и переменного тока в системе подчиненного регулирования, учитывающая переменный характер параметров механической части, отличающаяся учетом функциональной зависимости коэффициента трения от. нагрузки в системе «колесо - подкрановый путь».

2. Устройства ограничения перекоса моста крана, определяющие положение опоры относительно подкранового пути и разность перемещений опор моста'.

3. Система демпфирования колебаний груза, использующая фаззи-регулятор и сигнал коррекции, полученный с помощью математической модели системы «точка подвеса - груз».

4. Система* управления электроприводом моста, использующая переменную величину уставки задатчика интенсивности, прямо пропорциональную величине перемещаемого груза, и построенная^ учетом систем демпфирования колебаний груза и ограничения перекоса моста.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждаются корректным использованием положений и методов теории систем управления электроприводами, теории электрических цепей, теории автоматического управления, теоретических основ электротехники; хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на:

- Научной конференции студентов и аспирантов ЛГТУ, Липецк, 2008;

- VIII Международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы, средства», Новочеркасск, 2008;

- Научно-технической конференции, посвященной 35-летию основания кафедры электропривода ЛГТУ, Липецк, 2009;

- Региональной' научно-технической- конференции «Автоматизация и робототизация технологических процессов», Воронеж, 2009;

- IX Международной научно-практической- конференции «Моделирование. Теория, методы, средства», Новочеркасск, 2009.

- Межвузовская, научно-практическая, конференция «Актуальные проблемы современного научного знания», Липецк, 2011.

Реализация результатов работы. Полученные результаты используются при проведении перспективных разработок в ОАО-5 «Липецкий металлургический завод «Свободный Сокол» и в ЦАТП ОАО «НЛМК», а также внедрены в лекционный курс «Моделирование в технике» Липецкого филиала международного института компьютерных технологий (ЛФ МИКТ).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, отражающих содержание диссертационной-работы: из них три — в-изданиях из перечня ВАК РФ, два патента РФ на полезную модель. Личный вклад авторам работах, опубликованных в соавторстве, заключается в следующем: разработана и исследована система ограничения перекоса фермы моста [85]; синтез и исследование математической модели мостового крана с устройствами ограничения перекоса моста и демпфирования- колебаний груза [80, 87, 95]; разработан алгоритм изменения величины задатчика интенсивности приводов перемещения моста в зависимости от массы груза [92]; синтез математической модели ЭМС мостового крана [61, 62, 63, 93]; проверка работы устройства на математической модели мостового крана с двухдвигательным электроприводом перемещения моста [81]; разработан алгоритм ограничения перекоса в работе системы управления электроприводом мостового крана [86].

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и пяти приложений. Объем работы составляет 180 страниц, в том числе 121 страница текста, 62 рисунка, 4 таблицы, библиографический список из 95 наименований, приложения на 59 страницах.

Выводы

Построена экспериментальная установка для исследования влияния состояния стыков рельсов и непараллельности рельсов на работу системы ограничения перекоса моста на основе, сравнения положения опоры моста относительно подкранового пути.

Проведены три серии опытов, исследованы различные стыки рельсов. Для всех случаев получены графики сигналов. При анализе полученных на экспериментальной установке графиков установлено следующее.

1. Показания индуктивного датчика не зависят от скорости перемещения датчика относительно рельса. Следовательно, такой тип датчиков можно применять для построения систем ограничения перекоса мостовых кранов с различными номинальными скоростями перемещения моста.

2. Сигнал с индуктивного датчика сохраняет линейность в рабочем диапазоне.

X, м

Хтпх

XI (\ 1 1 ' \

У ' \ V \\ |\ V / \ 1 ч ^ К 1 0 1 5 ' 2 0 2 5 3 0 3 5 и с 4

V Х2

Хтт

3. Относительная величина «ошибки» показаний индуктивного датчика при прохождении зазора между рельсами прямо пропорциональна величине зазора и обратно пропорциональна расстоянию между датчиком и рельсом.

4. Разность отметок головок в поперечном сечении не влияет на показания индуктивного датчика, при условии, что диаметр рабочей поверхности датчика больше высоты головки рельса.

На математической модели проверены различные варианты сигналов, полученных на экспериментальной модели. Из анализа полученных результатов следует, что для уменьшения влияния пульсаций сигнала ограничения перекоса моста необходимо либо уменьшать величину сигналов индуктивных датчиков, либо использовать фильтр на основе инерционного звена.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В теоретических и экспериментальных исследованиях, проведенных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты:

1. Разработана математическая модель электромеханической системы мостового крана с электроприводами постоянного и переменного тока в системе подчиненного регулирования, учитывающая переменный характер параметров механической части и особенности системы «колесо — подкрановый путь».

2. Разработано устройство ограничения перекоса моста крана с помощью определения положения опоры относительно подкранового пути.

3. Разработано устройство ограничения перекоса моста крана с помощью определения разности перемещения опор моста.

4. Разработано устройство демпфирования колебаний груза, использующее фаззи-регулятор и корректирующий сигнал, полученный с помощью математической модели системы «точка подвеса - груз», и имеющее сглаживающий фильтр для производной сигнала отклонения груза с целью ограничения пульсаций на входе регуляторов.

5. Разработана система управления электроприводом моста, использующая переменную величину уставки задатчика интенсивности, прямо пропорциональную массе перемещаемого груза, и построенная с учетом систем демпфирования колебаний груза и ограничения перекоса моста.

6. Проведены исследования на математических моделях мостовых кранов, подтвердившие высокую эффективность разработанных устройств ограничения перекоса моста и демпфирования колебаний груза.

7. Проведены исследования на экспериментальной установке ЭМС опоры мостового крана и оценка полученных результатов на математической модели ЭМС мостового крана с электроприводом постоянного тока, показавшие высокую эффективность разработанных устройств ограничения перекоса моста.