Цифрові системи керування намотувальними механізмами рулонних ротаційних машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство промислової політики України

ДЕРЖАВНА НАУКОВО-ВИРОБНИЧА КОРПОРАЦІЯ

«КИЇВСЬКИЙ ІНСТИТУТ АВТОМАТИКИ»

УДК 681.53

Цифрові системи керування намотувальними механізмами рулонних ротаційних машин

05.13.07 - автоматизація процесів керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Сорочинський Олександр Миколайович

Київ 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі автоматизації та комп'ютерних технологій в Української академії друкарства Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Дурняк Богдан Васильович,

Українська академія друкарства, м. Львів, ректор

завідувач кафедри автоматизації та компютерних технологій

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Богушевський Володимир Святославович,

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут», м. Київ,

професор кафедри фізико-хімічних основ технології металів

доктор технічних наук, доцент

Куцик Андрій Степанович

Національний університет «Львівська політехніка», м. Львів,

професор кафедри електропривода та автоматизації промислових установок.

Захист відбудеться «27» жовтня 2010 р. о 13:00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.818.01 ДНВК «Київський інститут автоматики» за адресою 04107, м. Київ, вул. Нагірна 22, корпус 1, к. 220.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці ДНВК «Київський інститут автоматики» за адресою: 04107, м. Київ, вул. Нагірна 22.

Автореферат розіслано «29» вересня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук Л. П. Тронько

АНОТАЦІЯ

Сорочинський О.М. Цифрові системи керування намотувальними механізмами рулонних ротаційних машин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - автоматизація процесів керування. - ДНВК «КІА», 2010.

В дисертації вперше синтезовані для двох механічно незалежних намотувальних вузлів (НВ) рулонних ротаційних машин (РРМ) три варіанти цифрових систем керування (ЦСК) з двигунами постійного струму за системами 2(ТПя-Д) і ТПя-2Д з 2ТПзб з двозонним і однозонним регулюванням частоти обертання двигунів, а також частотно-керовані асинхронні приводи за системою 2(ПЧ-АД). У всіх приводах застосовані регулятори сил натягу і лінійних швидкостей руху намотуваних на чотири бобіни стрічок задрукованого матеріалу і регулятори струмів двигунів. Контури регулювання вказаних координат оптимізовані за модульним оптимумом, і їх регулятори адаптовані до режимів заправки і намотування стрічок, зміни радіусів і моментів інерції бобін та нестабільності параметрів двигунів. Для цифрового регулювання і моделювання приводів розроблені підпрограми реалізації функцій задавачів і регуляторів, обчислення змінних параметрів та координат двигунів, НВ і стрічок. Динаміка синтезованих приводів потужністю (1,2ч4) кВт з робочими швидкостями руху стрічок 2,5 і 10 м/с досліджена методами цифрового структурного моделювання. Для імітації моментів опору НВ і експериментальних досліджень їх ЦСК розроблений навантажувальний пристрій за системою ТП-Д з мікропроцесорним керуванням. Для НВ рекомендовані ЦСК за системами 2(ТП-Д) і 2(ПЧ-АД) з використанням вітчизняних ТП і ПЧ.

Ключові слова: синтез, оптимізація, моделювання, цифрова система керування, натяг, стрічка.

АННОТАЦИЯ

вузол цифровий електромагнітний

Сорочинский А.Н. Цифровые системы управления наматывающими механизмами рулонных ротационных машин. ? Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 ? автоматизация производственных процессов, ГНПК «КИА», 2010.

Для выпуска полиграфической продукции самыми продуктивными есть рулонные ротационные машины (РРМ). Секции этих машин приводятся в движение однодвигательными электроприводами постоянного тока за исключением лентоподающих и лентопринимающих секций. Типичные системы регулирования не приспособлены к регулированию сил натяжения и линейных скоростей движения лент печатного материала. особенно при их наматывании на 2, 4 и больше бобин, которые расположены на механически независимых валах наматывающих узлов рулонных ротационных машин. Для наматывающих узлов необходимы электроприводы с специализированными системами подчинённого регулирования силы тока двигателей, линейных скоростей движения и сил натяжения лент. К тому же с использованием регуляторов этих координат, адаптированных к режимам заправки и наматывания полотен, изменения радиусов и моментов инерции бобин, и к нестабильности параметров полотен и других элементов цифровых систем управления (СЦУ).

Цель диссертационной работы ? синтез высокоточных систем цифрового управления движением и натяжением, наматываемых в рулоны, 4-х и больше полос отпечатанного материала на рулонных ротационных машинах. Для достижения цели был решен ряд основных задач:

1. С учетом основных требований к системам цифрового управления натяжением на рулонных ротационных машинах, в диссертации синтезированы системы регулирования сил натяжения и линейных скоростей движения печатного полотна наматываемого в бобины, размещенных по две на механически независимых валах наматывающих узлов, приводимых в движение:

а) двигателями постоянного тока каждого наматывающего узла с индивидуальными тиристорными либо транзисторными источниками питания якорных обмоток (ТПя) и с стабилизированными магнитными потоками по системе 2(ТПя-Д);

б) двигателями постоянного тока двух и более наматывающих узлов с питанием параллельно соединенных их якорей общим ТПя и с индивидуальными полупроводниковыми источниками питания ТПв обмоток возбуждения двигателей по (системе ТПя-2Д с 2ТПв);

в) асинхронными двигателями (АД) с коротко замкнутыми роторами, питаемых индивидуальными преобразователями частоты (ПЧ) (по системе 2(ПЧ-АД);

2. Разработаны математические модели бумажного полотна, бобин, двигателей, источников питания, а также адаптированных регуляторов , , токов и магнитных потоков двигателей. Данные модели использованы для параметрического синтеза систем цифрового управления и их цифрового структурного моделирования в режимах пуска, заправки и наматывания полос с различными линейными скоростями на периферии бобин и силами их натяжения, а также при изменениях модуля упругости полос (), радиусов и моментов инерции бобин, коэффициентов передач источников питания двигателей и других дестабилизирующих факторов.

3. Рекомендованы способы и средства (программные и технические) уменьшения чувствительности систем цифрового управления к нестабильности параметров их элементов.

4. Предложен способ вычислений моментов на валах наматывающих узлов с учетом изменяющихся потерь мощности в двигателях и, в результате, определять силу натяжения полотна на перифериях бобин.

5. Для управления асинхронными двигателями наматывающих узлов, которые питаются неприспособленными к векторному управлению преобразователями частоты, предложено использовать математическую модель в форме зависимостей мгновенных действующих значений основных координат асинхронного двигателя от частоты тока и напряжения питания статорных обмоток и абсолютного скольжения ротора. Эта модель выгодна для определения потерь мощности, к. п. д., и момента на валу двигателя.

Динамика синтезированных систем управления с двигателями мощностью (1,2ч4) кВт и с рабочими скоростями движения полос бумажного материала 2,5 и 10 м/с исследована методами цифрового структурного моделирования. Для имитации моментов сопротивления наматывающих узлов и экспериментальных исследований их цифровых систем управления разработано нагрузочное устройство с системой тиристорный преобразователь - двигатель мощностью 4 кВт и микропроцессорной системой управления мощностью.

Для наматывающих узлов рекомендуются цифровые системы управления 2(ТП-Д) и 2(ПЧ-АД) с применением отечественных ТП и ПЧ.

Ключевые слова: синтез, оптимизация, адаптация, моделирование, система цифрового управления, натяжение.

ANNOTATION

Sorochinskiy O. Digital control system by windings mechanisms roll rotary presses ? Manuscript.

The dissertation for getting scientific degree of Candidate of Technical Scince on specialty 05.13.07. - Automation of Control Processes. - State Science Production Corporation «Kyiv institute of automatics», 2010.

In the thesis for the first time are synthesized for two mechanically non-connected winding knots (WK) and roll-up rotating machines (RRM) three variants of thyristor electric drives of direct current in accordance with the systems 2(TT-D) and TT-2D with 2TTzb with two-zone and one-zone regulation of engines rotating frequency and also partly controlled non-synchronous drives in accordance with the system 2(FT-NSD).

Regulators of the tension power and of liniary speed of movement of printing material tape wound on four bobbins and also regulators of engines current are applied in all the drives. Contour of pointed coordinates regulation are optimized according to module optimum and their regulators are adapted according to the regimes of tape loading and tape winding, change of radiuses and moments of interia of the bobbins and instability of engines and regulators? And also for calculations of changing parameters and engine coordinates, WK and tapes are developed for digital regulation and drives modeling. The dynamics of synthesized drives with the power of (1,2ч4) kW with working speed of tape movemend 2,5 and 10 m/s is investigated with the help of the methods of digital structural modeling .

Key words: synthesis, optimization, adaptation, modeling, electric drive, tension.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сьогодні поряд зі стрімким розвитком і все більш широким використанням новітніх електронних носіїв інформації неухильно зростають обсяги традиційно вживаної різноманітної друкованої продукції. Тому залишаються важливими і актуальними завдання прискорення друкарських процесів і підвищення продуктивності наявних поліграфічних машин шляхом удосконалення їх систем керування та створення потужних високошвидкісних друкарських машин з сучасними цифровими системами керування (ЦСК).

Для випуску поліграфічної продукції найбільш продуктивними є рулонні ротаційні машини (РРМ). Секції цих машин, за винятком смугоживильних і стрічкоприймальних, приводяться в рух, переважно, однодвигунними електроприводами постійного струму. Перспективними є багатодвигунні РРМ, в яких якорі секційних двигунів можуть живитись спільним регульованим джерелом електроенергії (тиристорним чи транзисторним перетворювачем ТПя) або індивідуальними ТПя. Оскільки вже створені комп'ютеризовані електроприводи за системою «Перетворювач частоти - асинхронний двигун (ПЧ-АД)» з діапазоном регулювання частоти обертання 200:1, то і вони можуть застосовуватися для механічно незалежних секцій РРМ, в тому числі намотувальних вузлів (НВ).

Типові системи регулювання загальнопромислового призначення не пристосовані до регулювання сил натягу і лінійних швидкостей руху смуг і стрічок друкарського матеріалу, особливо при їх намотуванні на 2, 4 і більше бобіни, що розміщені на механічно незалежних валах НВ РРМ. Для НВ необхідні електроприводи зі спеціалізованими системами підпорядкованого регулювання струмів двигунів, лінійних швидкостей руху і сил натягу стрічок. До того ж, з застосуванням регуляторів цих координат, адаптованими до режимів заправки і намотування стрічок, зміни радіусів і моментів інерції бобін, та до нестабільності параметрів стрічок та інших елементів ЦСК.

Проблематичною є задача визначення сили натягу смуг і стрічок різнотипного друкарського матеріалу. Давачі безпосереднього вимірювання сили натягу відсутні, а їх обчислення за різницею лінійних швидкостей руху стрічок на кінцях їх міжсекційних ділянок недостатньо ефективне.

Процесам намотування декількох стрічок задрукованої і розрізаної смуги друкарського матеріалу присвячено ряд наукових праць і досліджень, виконаних, зокрема, в Українські академії друкарства (УАД), з ґрунтовним аналізом і математичним описом властивостей стрічок, в т.ч. як нелінійних і нестаціонарних елементів, і систем автоматичного керування (САК) НВ. Однак, САК рухом НВ вітчизняних РРМ поки що аналогові і недостатньо точні.

Зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконувалася, як складова частина досліджень, що проводилася в Українській академії друкарства (УАД) згідно угоди №491 ? 2004, РК0105V000922 на тему “Розробка базових компонентів інформаційної технології захисту зображень бланків цінних паперів на основі нейромережі”(2004 - 2005 рр.), в якій автором розроблено математичні моделі систем керування стрічкоприймальними секціями, а також в рамках наукового напряму кафедри “Автоматизації та комп'ютерних технологій” УАД ”Моделювання, аналіз та синтез технологічних процесів і систем на базі інформаційних технологій”, де автором розроблено методи моделювання та комп'ютерного симулювання стрічкопровідних систем.

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є розроблення систем цифрового керування намотувальними механізмами задрукованого стрічкового матеріалу для забезпечення підвищення ефективності роботи РРМ.

Для досягнення мети необхідно вирішити наступні задачі:

з врахуванням обґрунтованих в дисертації вимог синтезувати системи регулювання сили натягу і лінійної швидкості стрічок, намотуваних на бобіни НВ, що приводяться в рух:

а) двигунами постійного струму з індивідуальними джерелами живлення якірних обмоток та зі стабілізованими магнітними потоками (за системою ТПя-Д);

б) двигунами постійного струму з груповим ТПя для живлення двох паралельно з'єднаних якірних обмоток і з індивідуальними ТПзб для живлення обмоток збудження ( за системою ТПя-2Д з 2ТПзб);

в) асинхронними двигунами живленими індивідуальними ПЧ (ПЧ-АД).

розробити математичні моделі стрічок, бобін, двигунів, джерел їх живлення та адаптивних регуляторів сили натягу, лінійної швидкості, струму двигуна і магнітного потоку для обчислення параметрів елементів ЦСК і їх цифрового моделювання в режимах заправки і намотування при різних швидкостях і силах натягу стрічки.

розробити методи зменшення чутливості ЦСК до нестабільності параметрів їх елементів, а також обчислення сил натягу стрічок за електромагнітними моментами двигунів з урахуванням їх втрат та динамічних моментів.

дослідити режими заправки і намотування стрічок в різних режимах роботи РРМ та розробити програми для реалізації ЦСК НВ.

Об'єктом досліджень є процес намотування задрукованої стрічки в бобіни на механічно не з'єднані намотувальні вузли з двома бобінами на кожному з них.

Предметом досліджень є оптимізовані цифро-аналогові системи керування НВ та їх приводи.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань в дисертаційній роботі використані методи теорії систем керування, теорії систем підпорядкованого регулювання, аналізу чутливості і цифрового структурного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів:

дістали подальший розвиток методи цифрового керування намотувальними вузлами з двигунами постійного струму;

вперше синтезовані спеціалізовані за структурою ЦСК НВ з двигунами постійного струму та з асинхронними двигунами;

розроблено алгоритми і програмні засоби адаптації регуляторів до режимів заправки і намотування та нестабільності параметрів стрічок, НВ і їх двигунів;

розроблено та реалізовано алгоритм обчислення натягу стрічок з врахуванням електромагнітних моментів двигунів НВ.

Практичне значення результатів та їх впровадження

В існуючих РРМ рекомендуються використовувати ЦСК НВ з двигунами постійного струму і стабілізованими їх магнітними потоками, а також частотно-регульовані асинхронні двигуни. У вказаних системах керування простіше програмно реалізувати функції регуляторів струмів, швидкостей руху двигунів і сил натягу стрічок, обчислювати електромагнітні моменти, моменти на валах НВ, швидкості руху і натягу стрічок паперу, а також адаптувати регулятори до режимів заправки і намотування стрічок та до зміни радіусів і моментів інерції бобін.

Для нових високошвидкісних РРМ зі швидкістю 10ч15 м/с доцільно застосовувати спільний ТПя для живлення паралельно з'єднаних якірних кіл двигунів, а живлення обмоток збудження - індивідуальними ТПзб (за системою ТПя-nД з nТПзб). Прийнятні також асинхронні двигуни з живленням від індивідуальних ПЧ.

В дисертації одержані вирази для адаптації параметрів регуляторів ЦСК, в залежності від швидкості руху РРМ, ширини та товщини стрічок, режиму руху НВ (заправка, намотування) та зміни моментів інерції і радіусів бобін та нестабільності параметрів двигунів.

Для розробки робочих програм ЦСК НВ в дисертації розроблені підпрограми обчислень струмів, моментів двигунів, моментів інерції і радіусів бобін, сил натягу стрічок та оператори адаптації регуляторів.

Результати дисертаційної роботи використовувалися на підприємстві АТ «КИЇВПОЛІГРАФМАШ» при проектуванні намотувальних вузлів і систем автоматичного керування натягом стрічки на флексодрукарській 8_ми фарбовій рулонній машині ФДР-1000/8 з центральним друкарським циліндром. Запропоновані моделі, їх аналіз, дослідження та методика розрахунку дозволили удосконалити існуючі системи керування та регулювання сили натягу стрічкового матеріалу намотувальними вузлами рулонних друкарських машин.

Основні результати дисертаційної роботи впровадженні в навчальний процес УАД, зокрема під час викладання дисциплін «Ідентифікація та моделювання технічних об'єктів», «Електроустаткування електричних комплексів», «Автоматизовані системи керування виробництвом» та «Моделювання складних систем». Методи моделювання систем керування використовувалися при виконанні магістерських робіт та дипломних проектів з використанням багатодвигунних приводів секцій РРМ в УАД в 2005?2009 рр.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних та експериментальних досліджень, які висвітлені в дисертації, отримані автором особисто. У спільних працях [1-4] автором побудовані математичні моделі стрічкопровідних систем, досліджені структурні схеми аналітичними методами та комп'ютерним симулюванням; [5] запропоновані способи і засоби реалізації оптимізованих систем керування; [6] розроблені моделі асинхронного приводу НВ РРМ та отримані результати моделювання; [8,9] запропоновані методи визначення сил натягу смуг і стрічок за моментами двигунів їх приводу; [7,10] запропоновані системи керування, побудовані їх математичні моделі, одержані передавальні функції і параметри НВ; [11,12] проведена оптимізація систем керування та визначені параметри двигунів НВ РРМ; [16] розроблені алгоритми і підпрограми обчислення миттєвих величин електромагнітного моменту, їх втрат, динамічних моментів двигунів і сил натягу стрічок.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та матеріали дисертації доповідались і обговорювалися на науково-технічних конференціях: XXII НТК «Інституту проблем моделювання в енергетиці» (9-10 січня 2003 р., м. Київ); IV НТК «Друкарство молоде» (2004, м Київ); XXVI НТК «Моделювання» (2007, м. Київ); VI МНПК «Квалілогія книги» (2008, м. Львів).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 16 праць, зокрема 12 статей у фахових виданнях згідно з переліком ВАК України і 4 тези доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота викладена на 188 сторінках і містить 147 сторінок основного тексту та список літератури із 82 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання досліджень, наукова новизна, обґрунтовано практичне значення одержаних результатів, дано відомості про апробацію і публікацію.

У першому розділі проаналізовано існуючі аналогові системи керування НВ РРМ та розглянуті результати попередніх досліджень і рекомендації дослідників. Обґрунтована необхідність розробки і застосування більш точних цифрових систем керування рухом і намотуванням стрічок в РРМ. Для їх створення необхідна інформація про силу натягу FC і лінійну швидкість VC задрукованого матеріалу та про радіус бобіни RB. Безпосередньо вимірювати FC технологічно складно. Недостатньо ефективне також регулювання сили натягу, обчислюваної за виразом:

, (1)

де і _ нестабільний коефіцієнт передачі і стала часу ділянки стрічки; і _ швидкості руху стрічки на периферії бобіни і на виході стрічкоживильної секції. До значних відхилень від заданих значень призводить в основному нестабільність , стабілізувати яку можна реально з похибкою не меншою . Тому в роботі досліджувалось регулювання , обчислюваної за і - моментом на валу НВ. може визначатись за електромагнітним моментом двигуна з врахуванням його втрат і динамічного моменту . При визначенні необхідно обчислювати магнітний потік , враховуючи нестабільність опорів обмоток збудження і реакції якорів (в машинах постійного струму) та розсіювання в асинхронних двигунах. Безпосереднє вимірювання (давачами Холла), зокрема для векторного керування АД, ускладнює реалізацію і зменшує надійність систем керування. При відсутності інформації про прийнятним є узгоджене з регулювання з автоматичною корекцією натягу стрічки за величиною стріли її провисання.

Сформульовані вимоги до систем керування НВ. Діапазони регулювання частот обертання двигунів високошвидкісних РРМ, що працюють з , не більші 75:1. Похибка регулювання і повинна бути не більшою 0,5%. Системи керування двома двигунами НВ повинні забезпечувати рух стрічок на периферіях бобін, узгоджений з їх рухом на виході стрічкоживильної секції, плавне зростання від заправочних швидкостей до швидкостей їх намотування (215 м/с) з та зменшення до при .

Найбільш вигідними для наявних НВ є двигуни постійного струму зі стабілізованими , що живляться від ТПя, і альтернативні їм асинхронні двигуни, що живляться від ПЧ. Перетворювачі ТПя і ПЧ можуть бути тиристорними, в т.ч. вітчизняні, а також більш сучасні і досконалі транзисторні та комп'ютеризовані. Прийнятними для двох і більше НВ є приводи за системою ТПя-nД з nТПзб та з регулюванням з метою синхронізації руху валів НВ і стабілізації . Двозонне регулювання n- двигунів (кожного окремо) зі зменшенням в 2ч2,5 рази теоретично можливе, однак практично менш доцільне, якщо потужності двигунів НВ менші 5 кВт. У роботі описані структурні схеми, апаратні і програмні засоби вказаних варіантів ЦСК двигунами.

У другому розділі описані способи і схеми регулювання і стрічок з електроприводами постійного струму за системами:

а) ТПя-2Д з 2ТПзб і двозонним регулюванням двох двигунів;

б) ТПя-2Д з 2ТПзб з однозонним регулюванням зміною і з додатковим регулюванням в межах (0,81,1) (рис.1);

в) 2(ТПя-Д) з регулюванням зміною при (рис.2).

Для двозонного регулювання необхідно ускладнювати типову структуру системи двозонного регулювання двигунів з метою синхронізації руху і стабілізації сил натягу стрічок. Тому в приводах за системою ТПя-2Д з 2ТПзб доцільно змінювати, лише в межах (0,8ч1,1) (рис.1). В каналі регулювання цього привода застосовані задавач і ПІ-регулятори середньої величини , і сумарного струму якорів двох двигунів . В каналах регулювання двох двигунів застосовані: задавачі і ПІ-регулятори , П-регулятори , ПІ-регулятори та .

Привод може працювати без регуляторів і , але з ПІ-регулятором . Обчислення здійснюється за і передавальною функцією (1) або за моментами на валах НВ. Безпосередньо необхідно вимірювати (), , та . Для параметричного синтезу і адаптації регуляторів необхідно обчислювати . Найбільш зручними, зокрема для наладжування, є приводи з індивідуальними ТПя та зі стабілізованим . У структурній схемі кожного із них (рис. 2) передбачені: задавач і ПІ-регулятори , і . Приводи за системами ТПя-Д рекомендуються як основні, в т.ч. для наяних НВ РРМ. Динаміка цих приводів досліджена нами в режимах заправки і намотування стрічок з (при ) і (при ) та при і (розд. 5).

Наведена методика вибору двигунів, ТПя і ТПзб, передавальні функції і формули, необхідні для обчислень параметрів елементів, моделювання динаміки і налагоджування приводів. Номінальну потужність двигунів НВ, що працюють в довготривалому режимі зі змінними моментами опору, пропорційними і , і з меншими, ніж статичні, динамічними моментами (бо і при намотувані стрічок змінюються відносно повільно), слід вибирати зі врахуванням максимального моменту опору ().

Еквівалентний якірний струм двигунів може бути визначений моделюванням або експериментально. В роботі отримані наступні передавальні функції регуляторів , стрічок, і двигунів привода за системою ТПя-2Д з 2ТПзб (рис. 1):



передавальна функція ПІ-регулятора середньої швидкості руху стрічок у каналі регулювання двох двигунів:

, (2)

де ; _ момент інерції двигуна, редуктора і вала НВ;;

; без адаптації регулятора до зміни і в (2) можна приймати і ; _ коефіцієнт від'ємного зворотного зв'язку за струмом якорів двох двигунів;_ номінальна напруга регуляторів; ; _ коефіцієнт від'ємного зворотного зв'язку за ; ; ; ; _ не скомпенсована стала інерції контура регулювання ;

передавальна функція ПІ-регулятора сумарного якірного струму двох двигунів:

, (3)

де дорівнює сталій інерції якірного кола ТПя-2Д; ; - опір якірного кола ТПя-2Д; - коефіцієнт передачі ТПя;

передавальна функція регулятора двох стрічок при умові, що визначається за формулою (1), а регулятор використовується в каналі регулювання двигуна:

, (4)

де ; - стала часу інерції стрічки (1);

; _ коефіцієнт зворотного зв'язку за двох стрічок;

- коефіцієнт зворотного зв'язку за ;

;

передавальна функція П-регуляторів в каналах регулювання струмів збудження двигунів:

, (5)

передавальна функція ПІ-регуляторів в каналах регулювання струмів збудження:

, (6)

де одного двигуна;, ; ;



передавальна функція ПІ-регуляторів двигунів:

, (7)

де ; і _ сталі інерції обмотки збудження і контура вихрових струмів; ; ; ; .

Передавальні функції ПІ-регуляторів , і , що застосовані в контурах регулювання і приводів НВ за системою ТПя-Д зі стабілізованими двигунів, такі:

, де ; ; (8)

, (9)

, де ;. (10)

Стабілізувати необхідно додатковою системою регулювання з обчисленням за функцією , що враховує реакцію якоря. Необхідно адаптувати регулятори до зміни і , а також до режимів заправки і намотування стрічок. До тих же режимів потрібно адаптувати регулятори , оскільки параметри і залежать від . Більшість намотувальних механізмів приводяться в рух двигунами постійного струму, які можна використати з номінальною потужністю і з номінальним к. к. д.

У третьому розділі роботи синтезовані САК НВ за системою ПЧ-АД (рис. 3) та обґрунтована доцільність їх застосування.

Необхідний для НВ діапазон регулювання частоти струму і (75:1) забезпечують вітчизняні ПЧ навіть з аналоговими регуляторами . Комп'ютеризовані зарубіжні ПЧ мають діапазон 200:1 і більший. Однак в типових (не спеціалізованих) системах регулювання цих ПЧ використовуються лише регулятори статорних струмів і , а і змінюються за законом . В приводах НВ необхідно стабілізувати і синхронізувати з , адаптувати регулятори до режимів заправки і намотування, а також до зміни коефіцієнтів передач АД , і бобін та до параметрів стрічок. Найбільш важливими координатами АД є ,, і , вимірювати які можна з високою точністю, та електромагнітний момент , який можна лише обчислювати. Для цього можуть використовуватися векторно-матричні моделі електромагнітної частини машин змінного струму, які застосовуються для векторного керування АД, що пов'язане з вимірюванням потокозчеплень в повітряному просторі між ротором і статором або е.р.с. їх обмоток, а також з координатним перетворенням і .

Типові системи векторного керування з регуляторами ,, і можуть бути доповнені давачами , програмними засобами обчислень і регулювання , а також операторами адаптації регуляторів до режимів роботи і зміни параметрів АД, НВ і стрічок. До серійного виготовлення вітчизняних комп'ютеризованих ПЧ в наявних їх типах з аналоговими СІФК можна застосовувати програмну реалізацію функцій регуляторів і алгоритмів обчислень параметрів і координат двигунів і механізмів. У дисертаційній роботі використані формули обчислень діючих значень фазного струму статора і АД за відносними напругою живлення фази статора , відносною частотою струму і за абсолютним ковзанням ротора ; ; ; );

, А; (11)

, Нм, (12)

де , і _ номінальні фазна напруга статора, частота струму і частота обертання магнітного поля при ; і ? коефіцієнти АД за і ;

; ;

; ; ; ; ;

де ; ; ; ,, і - активні і індуктивні опори фазних обмоток статора і ротора (приведені до статора) в Ом; - індуктивний опір контура намагнічування Т-подібної схеми заміщення фази АД; , і - коефіцієнти розсіювання магнітного потоку статора, ротора і загальний. Наведені також математичні моделі для обчислення струмів ротора і контура намагнічування, і , необхідні для визначення к. к. д. і АД.

В структурній схемі системи (рис.3) ПІ-регулятор необхідно адаптувати до режимів заправки і намотування стрічок та до зміни . В режимах заправки і розгону НВ до регулятор діє з від'ємним зворотним зв'язком, коефіцієнт якого визначається за величиною (). При намотувані бобін бажано використовувати додатний зворотний зв'язок за , однак графоаналітичні та інші методи синтезу ПІ-регуляторів з додатним зворотним зв'язком практично невигідні. Для забезпечення при близьких до допустимо не змінювати від'ємний знак на додатний зворотного зв'язку за і формувати напругу за , де:

; (13)

- відносний момент втрат (); - відносний корисний момент ;, - номінальне абсолютне ковзання ротора. Використавши формули обчислень за (1), за (13), і за (12), ми синтезували схему цифрового керування рухом НВ з приводом за системою ПЧ-АД, що зображена на рис. 3. В схемі застосовані ПІ-регулятори , і з від'ємними зворотними зв'язками за їх величинами. Вимірюванню підлягають ,, і . Обчислювати необхідно , , , , , , і , у т. ч. для адаптації регуляторів і , а при моделюванні до того ж обчислювати і .

Базові параметри регуляторів , і доцільно визначати для режиму з , , і і коректувати в залежності від миттєвих величин ,,, і . Функції задавача , регуляторів і обчислення миттєвих значень коефіцієнтів , і , , , , , , реалізовані нами підпрограмами процедур. Корекція параметрів регуляторів здійснюється додатковими операторами. В схемі на рис. 3 не відображений більш ефективний, надійний і менш інерційний спосіб обчислення фактичної величини корисного моменту (), за величиною або споживаної потужності, к.к.д., і АД. При тім необхідний І-регулятор . Алгоритми обчислень к.к.д. і нами детерміновані. Для параметричного синтезу регуляторів одержані наступні їх передавальні функції:

ПІ-регулятора з від'ємним зворотним зв'язком за його величиною:

, (14)

де - електромагнітна стала АД; ; і - сталі інерції фазних обмоток статора і ротора; - стала інтегрування; ; - коефіцієнт передачі ПЧ; ; в режимах розгону НВ і заправки стрічок, а в режимах намотування визначається за (13);

ПІ-регулятора :

, (15)

де , В•с/м; ;

ПІ-регулятор :

, (16)

де ; , В/Н;.

В додатках до дисертаційної роботи наведені формули і числові значення параметрів АД НВ для практичних розрахунків ЦСК, при намотуванні стрічок зі швидкостями .

У четвертому розділі описані способи визначення регульованих координат руху стрічок і НВ з їх двигунами, методи аналізу чутливості систем керування та алгоритми адаптації регуляторів до нестабільності параметрів елементів НВ і двигунів. Рекомендовано обчислювати за , а момент на валу НВ за формулою:

, (17)

де _ сумарні втрати момента в АД; _ сумарні втрати (електромагнітні і механічні) в двигуні в Вт; обчислення , і АД в роботі алгоритмізоване; ; .

У двигунах постійного струму втрати потужності дорівнюють:

(18)

Вимірювати бажано безконтактними давачами. Магнітні потоки двигунів постійного струму слід обчислювати зі врахуванням впливу реакції якоря і стабілізувати їх величину додатковими САР. Конкретизовані нестабільні параметри елементів систем керування, зокрема стрічок, бобін, опори обмоток і коефіцієнти передач і АД.

Для аналізу класичними методами теорії чутливості нестабільності динамічних характеристик при зміні М їх параметрів необхідні: система диференційних рівнянь першого порядку (N рівнянь стану); М-залежностей в формі , де _ інтегрована функція, а _ варіація параметра, і функції чутливості системи . Якщо не залежить від часу і система аналогова і нерозривна, то . Математичні моделі систем разом з функціями чутливості громіздкі і складні для аналізу чутливості систем навіть невисокого порядку. Найбільш результативним є цифрове структурне моделювання динаміки систем з отриманням зон динамічних і статичних характеристик при граничних значеннях варіацій параметрів.

Адаптувати регулятори систем керування НВ необхідно до режиму заправки стрічок при , і до їх намотування з . В схемах ЦСК НВ (рис. 1, 2 і 3) передбачені ПІ-регулятори струмів (якірних і збудження двигунів постійного струму і статорних АД). Аналізом підтверджено, що коефіцієнти пропорційного регулювання і сталі інтегрування регуляторів і змінювати не потрібно, якщо коефіцієнт від'ємного зворотного зв'язку за сталий. Параметри регуляторів АД несталі і залежать від , а , де в режимі заправок стрічок і в режимах намотування. Тому необхідно передбачити в програмах керування базові величини параметрів регулятора для режимів заправки і намотування стрічок і оператори обчислень фактичних і за базовими: ; , де і . Базові , і обчислюються за , і при заправці, і за , і при намотуванні стрічок. Програмні засоби адаптації регуляторів наведені в 5-му розділі.

У п'ятому розділі роботи описані методи і результати досліджень синтезованих цифрових систем керування НВ РРМ.

Рух НВ і їх двигунів досліджувався моделюванням в режимах заправки, розгону, і робочої швидкості намотування бобін. Властивості ЦСК НВ найбільш повно відображають часові характеристики ,,,,, і . Отримані вказані і інші характеристики за методом цифрового структурного моделювання ЦСК НВ з використанням наведених у роботі програмних засобів реалізації функцій регуляторів і алгоритмів обчислення ,,,, і ,,,,, та . Для цього були використані підпрограми процедур типових ланок САР і додатково розроблені нами підпрограми обчислення сталих (CPARAD), змінних (VPARAD) параметрів і координат (KOORAD) АД. Числові значення параметрів елементів всіх типів приводів і НВ обчислювались для руху стрічок з величиною 2,5125 і 10,05 м/с. Досліджувалась динаміка двох НВ з їх двигунами та різними коефіцієнтами щільності намотування стрічок з метою імітації неідентичності параметрів двох НВ. Розроблені також підпрограми обчислень базових параметрів регуляторів для режимів заправки, намотування стрічок і зміни робочих значень , а також оператори адаптації параметрів цих регуляторів до нестабільності , коефіцієнтів , , як функцій , , АД. Параметри ТП і ПЧ, а також двигунів в системах ТП-Д приймалися сталими.

Функції ПІ-регуляторів реалізовувались за операторами: y:=y+x*H/T1; y1:=y1+x*H/T1; y:=y1+x*T2/T1, з обмеженням вихідної величини y, де x _ вхідний параметр; y1? проміжний вихідний параметр; _ крок інтегрування; _ стала інтегрування; ; k _ коефіцієнт пропорційного регулювання. Оператор інерційної ланки 1-ого порядку наступний: y:=y+(x-y/k)*k*H/T1. ЦСК за системою ПЧ-АД досліджувались при дії від'ємних зворотних зв'язків за і при напрузі АД, обчислюваної за , де .

Цифровим структурним моделюванням отримані часові характеристики координат , стрічок і бобін, ,, двигунів, а також і ПЧ , що живлять АД НВ.

На рис. 4 зображені характеристики ЦСК НВ з двигуном постійного струму за системою ТП-Д в режимах розгону НВ від нуля до (10,05 м/с) і намотування бобін до (0,25 м). ПІ-регулятор стабілізував (2х25 Н), а ПІ-регулятор _ 10,05 м/с. При цьому H·c/м. ПІ-регулятор _ обмежує до . Крок інтегрування HI в алгоритмах обчислення вихідних напруг ПІ-регуляторів ,, приймався в межах 0,001ч0,0001 с. Регулятор був адаптований до зміни і . Коливний характер зміни координат НВ проявлявся в режимах заправки і розгону стрічок доти, доки не була досягнута однакова інтенсивність розгону стрічкоживильної секції і НВ.

Малі відхилення від 0,05 м/с призводили до значних відхилень . При намотуванні стрічок приймалась сталою (10 м/с).

Моделюванням підтверджено, що без регулятора сили , обчислюваної за , коливання , , і менші. Коливання цих координат і зменшується також, якщо визначається за . Практично необхідно стабілізувати з максимальною точністю в режимах розгону і робочої швидкості намотування стрічок. При відомих наближених значеннях та ЦСК налагоджується за , яка обчислюється за формулою (1). При невідомих і бажаних допустимо налагоджувати ЦСК, прийнявши похибку стабілізації рівною ± 0,5%.

Менші коливання координат ЦСК НВ за системою ТП-Д виявлені при заправці стрічок та швидкості=2,5 м/с. Важливо реалізувати однакову інтенсивність зміни і в режимах розгонів НВ (з вибором сталих інерції задавачів) і забезпечувати .

Часові характеристики координат АД, ПЧ і одного НВ з двома бобінами в режимах їх розгону і намотування стрічок при наведені на рис. 5. Фактична величина обчислювалась за , а регулювання здійснювалось за і за F, обчислюваної за (тобто за ).

- при

- при

Рис. 4 Динамічні характеристики основних координат ЦСК НВ за системою ТПя-Д зі стабілізованим

В ЦСК НВ з АД діяли адаптовані ПІ-регулятори , і з від'ємними зворотними зв'язками, а також була забезпечена однакова інтенсивність зростання і після заправки стрічок, що дозволило досягти прийнятні характеристики регулювання основних координат ЦСК.

Тобто, ЦСК НВ з АД за своїми властивостями не поступаються ЦСК з двигунами постійного струму. Однак потужність АД необхідно збільшувати порівняно з потужністю двигунів постійного струму при однакових швидкостях руху і силах натягу стрічок.

Максимальні струми вибраних для досліджень двигунів постійного струму потужністю 1,1 кВт для намотування стрічок з =2,5125 м/с і 2,35 кВт для намотування з =10,05 м/с, а також асинхронних двигунів потужністю кВт (при =2,5125 м/с) і кВт (при =10,05 м/с) та силах натягу 25 Н кожної стрічки не перевищували .

- при

- при

Рис. 5 Динамічні характеристики основних координат ЦСК НВ за системою ПЧ-АД

Еквівалентні струми двигунів були меншими від їх номінальних величин. Вибрані двигуни постійного струму можуть бути використані для намотування стрічок з більшими і зі збільшеним натягом (50ч70 Н) кожної стрічки.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі розв'язано наукову задачу побудови цифрових систем керування намотувальними механізмами задрукованого стрічкового матеріалу рулонних ротаційних машин, спрямовану на підвищення ефективності її роботи шляхом збільшення точності регулювання зусилля натягу і швидкості стрічкового матеріалу в намотувальній секції друкарської машини. З цією метою вирішені задачі, наведені у вступі, і отримані наступні основні результати.

1. Розроблені та сформульовані вимоги до цифрових систем керування рухом 2-х, 4-х і більше задрукованих стрічок і їх намотуванням в бобіни, що розміщені по парно на валах механічно не з'єднаних намотувальних вузлах. Для досягнення задачі стабільності натягу стрічки, необхідно забезпечувати однакову інтенсивність зміни швидкості на периферії бобін і на периферії циліндра стрічкоживильного механізму та відповідну величину зміни швидкостей стрічкопровідної ділянки.

2. Запропонований метод визначення натягу стрічки намотувального вузла шляхом обчислення моменту на валу приводного двигуна та біжучого радіуса рулона.

3. Синтезовані нові за структурою варіанти цифрових систем керування намотувальними вузлами рулонних ротаційних друкарських машин з двигунами постійного струму та змінними параметрами задрукованого матеріалу.

4. Вперше на основі запропонованих математичних моделей синтезовані цифрові системи керування намотувальними механізмами та стрічкопровідними секціями рулонних ротаційних друкарських машин з частотно-регульованими асинхронними двигунами.

5. Досліджений вплив параметрів двигунів, намотувальних вузлів та об'єкта керування на величину натягу стрічкового матеріалу в робочому номінальному та в режимі заправки.

6. Розроблені алгоритми і підпрограми реалізації передавальних функцій елементів систем, побудовані блок-схеми (алгоритми) основних програм цифрового керування намотувальними механізмами рулонних ротаційних машин, які необхідні для імітаційного моделювання руху та керування реальними намотувальними вузлами.

7. Представлені результати моделювання цифрових систем керування намотувальними вузлами в режимах заправки і намотування стрічок в формі часових характеристик основних координат двигунів та намотувальних вузлів. Показано, що амплітуда коливань натягу стрічок залежить від вирівнювання інтенсивності розгонів валів намотувального механізму і стрічкоживильної секції та від величини різниці швидкостей паперового полотна. Підтверджена ефективність регулювання натягу стрічок за інформацією про їх силу, що обчислюється за моментами на валу приводного двигуна.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дурняк Б. В. Нелінійні математичні моделі для дослідження динаміки систем друкарських пар ротаційних машин / Б. В. Дурняк, О. В. Тимченко, О. М. Сорочинський. // Тези доп. XXІІ наук.-техн. конференції 9-10 січня 2003 р. ІПМЄ НАН України. - Київ, 2003. - С.22_23.

2. Дурняк Б. В. Нелінійна модель стрічкопровідної системи / Б. В. Дурняк, О. М. Сорочинський. // Зб. наук. пр. «Комп`ютерні технології друкарства» ? Львів : УАД, 2004. - №12. - С. 3-13.

3. Дурняк Б. В. Нелінійна модель стрічкоживильного пристрою рулонної друкарської машини / Б. В. Дурняк, О. М. Сорочинський. // Зб. наук. пр. «Комп`ютерні технології друкарства»? Львів : УАД, 2005. - № 13. - С. 3-13.

4. Дурняк Б. В. Нелінійна модель стрічкопровідної системи з обвідними валиками / Б. В. Дурняк, М. М. Луцків, О. М. Сорочинський. // Зб. наук. пр. «Комп'ютерні технології друкарства» ? Львів : УАД, 2005. - № 14. - С. 339-349.

5. Дурняк Б. В. Способи реалізації оптимізованих систем керування електроприводами намотувальних вузлів рулонних ротаційних машин / Б. В. Дурняк, О. М. Сорочинський, І. А. Забрамна // Наук.-техн. зб. «Наукові записки» ? Львів : УАД, 2006. ? № 9. - С. 56-70.

6. Дурняк Б. В. Модель частотно-регульованого асинхронного привода намотувального вузла рулонної ротаційної машини / Б. В. Дурняк, О. М. Сорочинський. // Тези доп. XXVI наук.-техн. конференції «Моделювання» ? Київ, 2007. ? С. 77-78.

7. Дурняк Б. В. Цифрові системи керування технологічними процесами рулонних друкарських машин [Текст] / Б.В. Дурняк, О.М. Сорочинський. // Тези доп. VI міжнар. наук. - практ. конф. «Квалілогія книги» - Львів, 2008. - С. 121_123.

8. Дурняк Б. В. Визначення сил натягу смуг і стрічок друкарського матеріалу за моментами на валах секцій рулонних ротаційних машин [Текст] / Б.В. Дурняк, О.М. Сорочинський. // Зб. наук. пр. ІПМЄ НАН України. ? Київ, 2007. №38. - С.173_177.

9. Дурняк Б. В. Визначення сил натягу стрічок друкарського матеріалу за моментами на валах асинхронних двигунів намотувальних вузлів рулонних ротаційних машин [Текст] / Б.В. Дурняк, О. М.Сорочинський. // Зб. наук. пр. ІПМЄ НАН України ? Київ, 2007. №40. - С.175_178.

10. Дурняк Б. В. Системи керування секціями багатодвигунних рулонних друкарських машин [Текст] / Б. Дурняк, А. Забрамний, О. Сорочинський, Т. Яремків. // Зб. наук. пр. «Комп`ютерні технології друкарства». ? Львів : УАД, 2009. - № 21. - С. 3-9.

11. Cорочинський О.М.. Оптимізація систем керування намотувальними вузлами рулонних ротаційних машин / О. М. Сорочинський, Б. В. Дурняк, І. Т. Стрепко // Зб. наук. ІПМЄ НАН України. ? Київ, 2003. № 21. - С. 189_201.

12. Сорочинський О.М. Оптимізовані системи керування приводами постійного струму намотувальних вузлів рулонних ротаційних машин / О. М. Сорочинський, Б. В. Дурняк, І. Т. Стрепко [та ін.]. // Зб. наук. пр. «Комп`ютерні технології друкарства». ? Львів : УАД, 2004. - № 11. - С. 3-19.

13. Сорочинський О. М. Оптимізовані електроприводи постійного струму намотувальних вузлів рулонних ротаційних машин : доповіді 4-ої науково-технічної конференції студентів і аспірантів «ДРУКАРСТВО МОЛОДЕ» / О. М. Сорочинський. - Київ, 2004. - С. 67_69.

14. Сорочинський О.М. Цифрове моделювання частотно-регульованого асинхронного привода намотувального вузла [Текст] / О.М. Сорочинський. // Зб. наук.. ІПМЄ НАН України ? Київ, 2007. №39. - С.164-170.

15. Сорочинський О.М. Моделювання намотування стрічок задрукованого матеріалу з визначенням сил їх натягу за моментом двигунів постійного струму намотувальних вузлів РРМ [Текст] / О.М. Сорочинський. // Зб. наук. пр. ІПМЄ НАН України ? Київ, 2007. №41. - С.181-188.

16. Федина Б. Визначення миттєвих потужностей, моментів, к.к.д, частотно-регульованих асинхронних двигунів [Текст] / Б. Федина, О. Сорочинський. // Зб. наук. пр. «Комп`ютерні технології друкарства» ? Львів : УАД, 2007. - №18. - С. 72-80.

Размещено на Allbest.ru

...