автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Управление электроприводом циклически работающих механизмов горизонтального перемещения

РГ6 од

5 / ИЮ/1 139^одесский политехнический университет

На правах рукописи

БАЗИЛ Шафик

удс 62-83:621

управление электроприводом циклически работающих механизмов горизонтального перемещения

¡пециальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы п

системы, включая их управление и регулирование

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук •

Одесса - 1993

Работа выполнена на кафедре "Электропривод к автоматизация проышлеяных установок" Одесского политехнического университете.

Научный руководитель -доктор технических неук,

профессор 0 1 ГЕРАСИМ® Р. П.

Официальные оппоненты; доктор технических наук,

профессор „ ТРАУБЕ E.G.

кандидат технических наук СИТНИЧЕНКО В.М.

Ведущая организация - Украинский государственный институт крашетроения ПО "Краян".

Защита состоится п " июня 1993 года в/^* '"'чес, в ауд.П5у на заседании специализированного совета K-068.I9.04 > по присуждению ученых степеней кандидата технических наук Одесского политехнического университета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОПУ.

Отзыв, заверенный печатью, в одном экземпляре просим направить в адрес ОПУ: 270044, г.Одесса; пр.Шевченко, I, ОПУ.

Автореферат разослан п>£,у " , L 1993 года.

Ученый секретарь

специализированного совета, ^_____—

канд.техн. наук, ст.вауч.сот^---—В.И.КАШНОС

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема создания электроприводов, обеспечивающих регулирование скорости, ускорения, момента и другая координат, является важной задачей, особенно для механизмов 1УШ циклического действия, характеризуемых напряженной работой в повторно-кратковременном режиме и сложной механической частью. Для таких механизмов, как правило, используется асинхронный электропривод с параметрическим управлением. При этом совершенствование создаваемых высокопроизводительных машин с асинхронным электроприводом невозможно без углубленного изучения динамических процессов в электромеханической системе (ЭМС), влияния упругих связей и зазоров многомассовой механической части на динамику замкнутых систем электропривода. Этими вопросами занимались многие ученые, в той или иной мере учитывая взаимодействия механической части и электропривода, в частности, Гохберг М.М., Волков Д.П., Соколов М.М., Нлкмев В.И., Борцоп Ю.А., Петров Л.П. и другие. Однако несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию указанных проблем, ряд вопросов еще не нашел своего окончательного решения: ограничени е динамических нагрузок в передачах разумныш пределами, синхронизаци я опор механизма передвижения с учетом раскачивания подвешенного груза и т.д. Поэтому исследование такой ЭМС с многомассовой механической частью, содержащей несколько упругих связей, является весьма актуальной задачей, а ее решение найдет полезное применение в проектной практике организаций, занимающихся созданием новых высокопроизводительных машин.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является анализ режимов и условий работы механизмов горизонтального перемещения циклического действия и на этой базе разработка алгоритмов управления, обеспечивающих заданные требования по динамике, производительности и надежности. Для этого, учитывая изложенное выше, потребовалось решить следующие задачи:

- анализ работы механизмов при выборе люфтов в передачах, разработка рекомендаций по управлению электроприводом;

- анализ работы механизмов горизонтального перемещения с подвешенным на гибкой нити грузом;

- создание системы синхронизации опор ЭМС механизмов передвижения о индивидуальным электроприводом, изучение влияния на ее работу параметров ЭМС;

- вывод передаточной функции для рассогласования пути при перемещении рабочих органов с системой синхронизации с учетом и без учета подвешенного груза при использовании различных регуляторов;

- разработка способов и алгоритмов управления, рекомендуемых в зависимости от параметров ЗМС;

- анализ устойчивости и разработка метода синтеза систешг синхронизации по заданным показателям качества.

Методы исследования. В работе проведен анализ состояния проблемы по литературным источникам, использованы основополагающие методы теории электропривода и теории автоматического управления, включая модифицированный метод Д-разбиения с использованием полиномов Чебышева, а также методы математического моделирования с применением персональных ЭВМ.

Научная новизна. Разработана методика управления двигателем при наличии люфтов в передаче, на основании которой построены универсальные номограммы пускового момента в функции частоты собственных колебаний двухмассовой системы, обеспечивающие минимум динамических нагрузок без снижения производительности;

- разработана структурная схема системы синхронизации и получено выражение для ошибки в функции внешних воздействий и параметров ЭМС с учетом подвешенного груза у одной опоры для различного типа регуляторов, в цепи обратной связи;

- выполнен синтез регуляторов с помощью модифицированного метода Д-разбиения, позволяющего построить области заданного показателя качества.

Практическая ценность работы. Использование полученных номограмм на практике позволяет ограничивать динамические нагрузки без снижения производительности.

Получены выражения ошибки, которые можно использовать для расчетов статики, а также для исследования динамики систем синхронизации.

Предложенным методом можно рассчитать параметры регулятора в цепи обратной связи, обеспечивающего требуемую точность синхронизации при заданных показателях качества.

Апробация работы. Основное положения и результаты диссертации были доложены и обсуждены на конференции профессорско-преподавательского состава Одесского политехнического института (Одесса, 1992), на Всеукраинском научно-техническом совещании

"Электрооборудование для станкостроения и машиностроения" (Одесса, 1993).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 4 печатные работы.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержащих 108 стр. машинописного текста, 49 рисунков и 5 таблиц на 56,стр., список литературы из 154 наименований и приложений на 24 стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные результаты.

3 песзойглаве проведен анализ эксплуатируемых механизмов циклического действия и методов, обеспечивающих решение указанных задач с помощью электропривода ТПН-АД. Кроме того, разработана общая функциональная схема механизмов передвижения кранов с асинхронным электроприводом, обоснована необходимость учета упругих звеньев и зазоров механической части при исследовании динамики ЭМС рассматриваемых механизмов.

Вторая глава работы посвящена исследованию динамики ЭМС механизмов с большой механической инерционностью при наличии зазоров в передачах, влияния параметров ЭМС на ударные нагрузки в переходных режимах. Здесь же получены рекомендации по управлению моментом двигателя для их уменьшения без заметного снижения про и з води тельн о сти.

Теоретическое исследование проводилось для первых четырех этапов разгона двигателя с расчетной двухмассовой механической частью. На первом этапе рассматривается пуск двигателя на холостом ходу (в период выбора зазора), когда механическая связь между двигателем и рабочим органом отсутствует, а под действием момента двигателя происходит разгон первой массы с моментом инерции^!. Второй этап начинается в момент времени, когда зазор величиной ¡Г * выбран ( (ра = 3"), после чего происходит деформация упругих элементов Акинетическая энергия, запасенная во вращающейся первой массе, пытается разогнать вторую массу и одновременно деформирует упругую связь. Таким образом, на этом этапе в упругих звеньях передачи возникает динамическая нагрузка:

изменяющаяся по определенному закону, где упругой связи между двигателем и механизмом; % у

* 'Л/

ремещения двигателя и механизма соответственно. *

На третьем этапе вновь размыкается зазор9 когда — чр , поэтому Му — О • При этом двигатель успеваем рааоггймьвл де некоторой скорости, а механизм тормозятся статачзийш ,

а при 1р — зазор снова зашкадася а нае^упае* четеертаШ этап, кстгда опять происходи» шгдавияв ^другой в'д/Ш и (рисЛ).

елям Иг О этап

3-й «пап

Ц-й}тап

РисЛ. Переходный процесс пуска с люфтом в передаче

В идеале можно и далее продолжать подобный анализ, при этом на нечетных этапах зазор разшкается» на четных - проявляется действие Ми . При анализе четных этапов наибольший интерес представляют - максимальное значение Мч тах я длительность

чение Ми***, со-

этзтгов. Интересно, что мак свальное значение

"Углах

кггикзтся постоянным вследствие одинаковых разностей скоростей Л Ю на границах участков. Этот результат следует из извест-гото выражения

^Утах , , Л / . С,1 А(Лг

Сдчаяо в реальных условиях вследствие потерь на деформацию, пластической деформации при ударах колебания затухают, Мутах скупается.

Колебания ЭМС на первых этапах могут увеличить продолжительность всего переходного процесса. Поэтому желательно снижать зрзтет этапоз, когда колебания существуют, но главное - не до-яусяаяъ увеличения динамической нагрузки, чем можно существенно погасать тадеякость работы и долговечность механизма. Из выражения (2) удалось получить простое выражение, с помэщыо которого моото определить ко^фициент нагрузки Ау в функции частоты собственных колебаний двухмассовой системы (двигатель - механизм) для разных габаритов двигателей, момента инерции механизма и жесткости упругой связи между ними:

/Су = 1 + IП + ■z^l-rr-l Q > (3)

где Ktjj - относительная величина момента двигателя на первом этапе.

_ h

момент инерции двигателя, механизма;

- номинальный момент двигателя;

- значение динамической нагрузки механической пере-УСР дачи. ' щ

Для данной группы механизмов установлено, что -jrj- ~COßSt, щ- Z const-, % * Const ' ПОЭТОМУ ИЭ последнего выражения отлучаем зашсикость К у = / if Kng f Q.J при данной величине зазора. На оснозеним последнего соотношения на рис.2 построены наиболее универсальнее зззиегагости пронэаеденяк

SCgf • 8" sä для данной группы механизмов. С гог помощь»»

задаваясь максимально иоамоетыи значением зазора S^qv и

зная* допустимый коэффициент динамичности К*: дкя данного не-ханизма (с определенной собственной частотой О. ) можно найти наиболее приемлемое значение момента двигателя на первом зтснс.

Рис.2. Зависимость в Функции частоты собственных

колебаний для заданного {Г к желаемого

коэффициента динамичности Ку

В третьей главе рассмотрена двухканальная система механизма передвижения с асинхронным электроприводом: предложена структурная схема, с помощью которой выведены выражения для ошибки с учетом й без учета инерционности системы управления, подвешен- . ного на гибкой нити груза при введении различных регуляторов в цепи обратной связи, обеспечивагацие разные значения статической ошибки и динамических, показателей. Применялись регуляторы П или ЦЦ (т.е. жесткая обратная связь по рассогласованию пути и дополнительно - гибкая обратная связь), а в астатических системах регулирования - ПИ- или ПИД-регуляторы.

Остаточные колебания подвешенного груза после окончания разгона способствуют изменению по гармоническому закону рассогласования пути опор & у , т.е. затрудняют или делают невоз-

¡ложным процесс синхронизации. На рис.3 показан переходный процесс синхронизации при свободном движении груза (а) и при демпфировании колебаний с заданным алгоритмом управления (б).

Полученные выражения для ошибки при синхронизации с учетом раскачивания груза, а также инерционности системы управления показывают, что характеристическое уравнение системы синхронизации повышается до седьмой степени; последнее свидетельствует о том, -что все этм явления увеличивают склонность системы к колебаниям. В тех случаях, когда недопустима статическая ошибка, дополнительно вводится интегрирующая составляющая по а у) , при этом с учетом груза и инерционности характеристическое уравнение оказывается восьмой степени.

Необходимость обеспечения устойчивости системы и требуемых показателей качества заставляет дополнительно в ряде случаен вводить гибкую обратную связь по разности скоростей. Таким образом, при различных вариантах в цепи обратной связи включаются П-, ПИ-, ЦЦ или ПИД-регуляторы. На основании общего выражения в качестве примера ниже приводится.выражение для ошибки с учетом инерционности, когда в Цепь обратной связи включается пропорционально-дифференцирующий <ЛД) регулятор:

h т} - fzm2 фр)\ - /д (p)McJ(y *о (4)

a0Ps+afP4 + а2Р3 + а3Рг + а4Р t а5

В четвертой главе проведен анализ устойчивости системы синхронизации при различных параметрах ЭМС и их влияния на работу системы, обоснована возможность синтеза системы синхронизации методов Д-разбиения, построены области устойчивости, а с помощью модифицированного метода Д-разбиения - области заданного качества. Выполнены анализ и синтез системы с ЦД-, ПИ- и ПИД-регу-ляторами, осуществлена проверка основных результатов анализа и синтеза системы на ЭВМ.

После вывода основных выражений и передаточных функций системы синхронизации необходимо проанализировать влияние параметров ЭМС на работу в статическом и динамическом режимах, включая инерционность Ту , жесткость металлоконструкции С^ , а также различные типы регуляторов, которые в общем случае включают пропорциональную по рассогласованию пути Д tf составляю- "

<af 0.7 dfgo" i SO UaÍ S Hi JÍ2- ! - Í

It — Vt? ёг NJ i

на' Ж X^d'fS' SÍ ! i

û -o.r ' 0 -30 4. • • 3

Q)

с подвешенным грузом

с хоэффизгентом Кп „ а также дифференцирующую Кд. и интегральную . Качественно можно проанализировать влияние различиях параметров на работу системы в установившемся режиме,. когда = О (ЦЦ-регулятор) подставив в (4) р = 0; тогда

етатичесяая озябка .д.

гд8 коэффициенты Д} ,, К^ , , зависят от точз® работы

дзягателл на *эхаиичесхой характеристике. Расчеты проводились для различных параметров механической части и электропривода; ояаэалось, 'тго наибольшее влияние на границу устойчивости имеет инерционность системы управления и очень малое влияние оказыва-, т асастаость лэталлопонструяции Сц либо раскачивание груза. Кромэ того, е узеличением инерционности системы управления ( Ту Ф'О ) оЗязсть устойчивости сужается! она заключается (пренебрегая ягетгсстыз металлоконструкций) меязду прямыми

К, = О

•Ц 0,5(1- К„Гу)

(6)

а при ( 7Ь = О ) система работает устойчиво с яэбш коэффициентом К и ' » " область устойчивости определяется щшат , Kg 3 -0,5. _ Введенпеы полиномов Чвбшева в метод Д-раэбиения удается ' существенно рпсяирить область его применения; для этого предлагается в характеристическое уравнение подставлять вместо Р не 4 Q , как при использовании обычного метода Д-разбиения» а (- JQ +$ ey/-j2') ' , где ~С0$6~ CO$i{> - это коэффициент ЯЕЫПфирования, й Хр - это угол, определяющий области расположения корней характеристического уравнения.

Расчета этап методом проведены для ПД- и Ш-регуляторов, и границы заданного качества при огсутстбия инерционности системы управления приведены на pttc.4.

Показало, что в статической системе управления при большом коэффициенте Kg пропорциональной соетавяящей для получения апериодического процесса { J = / ) требуется введение гибкой от-

0,25 •

■ в

О -о:2б / 2 3 5 1 1 я-*" S №

I ( * f .I,, ^ . t , lili II 1 1 1 1 1 1 1 1 < 1 1 lili 1 i м i i ЛШ

-Q5

а)

от коэффициента демпфирования £

а) с ЦЦ-регулятором;'

б) с ПИ-регулятором

рицательной обратной связи (/с^-^О )• Однако при использовании ПИ-регулятора для увеличения коэффициента демпфирования (снижения колебательности) требуется снижение коэффициента интегральной составляющей. На рис,5 показаны рассчитанные осциллограммы переходного процесса системы, для которой параметры ПД-регуля-тора выбирались с помощью кривых рис.4,а.

Основные результаты диссертационной работы состоят в сле-дущем:

1. Обосновано, что основное влияние на динамические нагрузки и время переходного процесса ЭМС с упругими связями и люфтами а передачах оказывает развиваемый момент двигателя на этапе выбора зазора;

2. Построены номограммы, пользуясь которыми можно для данной группы механизмов определить оптимальное значение момента двигателя, обеспечивающего допустимые динамические нагрузки;

3. Обосновано существенное влияние подвешенного на гибкой нити груза на процесс синхронизации; показано, что лишь устранение раскачивания груза позволяет синтезировать параметры регуляторов, которые обеспечивают хорошее качество процесса синхронизации;

4. Показана возможность реализации системы синхронизации на базе ПД-регулятора в цепи обратной связи. И только при необходимости исключить статическую ошибку следует дополнительно вводить в регулятор интегральную составляющую;

5. Получены граничный условия устойчивости системы синхронизации при различных параметрах ЭМС. Доказано, что в ЭМС с безынерционной системой управления допустимо использовать П- и ПИ-регуляторы;

6. Используя модифицированный метод Д-раэбиения с применением полиномов Чебшева построены границы областей заданного качества для ЭМС с ЦЦ- и ПИ-регуляторами;

7. Показано существенное:' влияние на качество переходных процессов синхронизации инерционности системы управления и значительно меньшее - остальных параметров ЭМС. Установлено, что для большинства ЭМС с инерционными системами управления необходимо включать ЦЦ- и ПИД-регуляторы.

П, г/в

«1Г

сИ'дг

50

С.93

20

50

О.С?

30

№ N.1 Ш

Л Л

/

г (_ J

2.4 1 9> • 4.8 1

№ >11 Н2 "О

1 Л

с ИЬ 1Г ,

2.4 1 4.8 1 4,5

£

Рис.5. Переходные процессы системы синхронизации с ВД-регулятороы при ^п = 7 с , | = 0,75 (а) и I (б)

О

О

О

Основное содержание работа отражено s сяедувднх публикациях: . ;

1. Герасим*» Р.П., Базил Ш. Влиякав параметров электромеханической cHffsesa с зазором ва качесяЕо переходник процессов //Электромашиностроение и элегстрообордаогаияе: Респ. меявед. науч.-техн. «б., 1992. - Вал.46. - С,27-33.

2. Базил Шафик. Опткдаяьноэ упразлекие двигателем мехайиз-. моэ горизонтального перемещения аодьекно-транспортшх механизмов УОдес. политехи, мн-у. - Одесса„ 1992» - 13 с. - Деп. в УкрИНТЭИ 10.01.93, Р 20. - Уя-93.

3. Герасимяк Р.П., Базил Ш. Синтез сзстемы синхронизации с асинхронным электроприводом /Одес. политехи. ин-т4 1992. - 13 с. - Библиогр.: 4 назв. - Дев. в УкрИНТЭИ 16.02.93, № 181. - Ук-93.

4. Герасимяк Р.П.» Базил Ш. Синхронизация опор механизмов передвижения с раздельнш асинхроннш электроприводом /Тезисы докладов Всеукраинского научно-технического совещания "Электрооборудование для станкостроения и машиностроения:", Одесса: Укр-НИИСИП, 20-22 апселя 1993, - C.I8.

f-

зал /лЧ - /се а/. cS. 93