Синтез оптимальних регуляторів автоматизованої системи керування електрогідравлічного очищення виливків

Размещено на http://www.allbest.ru/

Херсонський національний технічний університет

УДК 681.51:621.747.06

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНИХ РЕГУЛЯТОРІВ АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОГІДРАВЛІЧНОГО ОЧИЩЕННЯ ВИЛИВКІВ

Спеціальність 05.13.07 -

автоматизація процесів керування

ДЬЯКОНОВ Олексій Сергійович

Херсон - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України, м. Миколаїв.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Рябенький Володимир Михайлович, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова МОН України, м. Миколаїв, завідувач кафедри теоретичної електротехніки та електронних систем.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Моркун Володимир Станіславович, Криворізький технічний університет МОН України, начальник науково-дослідної частини;

доктор технічних наук, професор Шарко Олександр Володимирович, Херсонський національний технічний університет МОН України, завідувач кафедри загальної та прикладної фізики.

Захист відбудеться 12 червня 2009 р. об 11⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.052.01 у Херсонському національному технічному університеті за адресою: Україна, 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24, корп. 3, ауд. 320.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Херсонського національного технічного університету МОН України за адресою: Україна, 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24.

Автореферат розіслано 12 травня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.В. Шеховцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасна стратегія розвитку ливарного виробництва в світі базується на підвищенні рівня автоматизації виробничого процесу та керування з метою забезпечення випуску продукції потрібної якості в заданий строк при мінімальних витратах.

Значним досягненням на фінішних операціях ливарного виробництва стало застосування нового технологічного процесу електрогідравлічного очищення виливків, заснованого на використанні високовольтного розряду у рідині.

Керування технологічним процесом електрогідравлічного очищення виливків пов'язане з необхідністю регулювання та підтримання фізичних параметрів процесу електровибухового перетворення енергії. Недолік керування, що здійснюється людиною-оператором, полягає в її нездатності забезпечити безперервність керуючого впливу. Це зумовлює реалізацію автоматизованої системи керування в класі керуючих систем, які забезпечують поряд зі збором інформації видачу безпосередньо команд виконавчим механізмам. В таких системах найважливіша роль належить машині, а за людиною залишається загальний контроль та втручання у тих випадках, коли виникають непередбачені алгоритмами керування обставини.

Існуючі системи керування технологічним процесом електрогідравлічного очищення виливків не враховують таких об'єктивних моментів, як стохастичний характер збурювальних факторів, нелінійність об'єкту керування, дрейф фізичних параметрів середовища обробки.

Таким чином, актуальною задачею при вдосконаленні автоматизованої системи керування технологічним процесом електрогідравлічного очищення виливків є розробка нових підходів при керуванні підсистемами технологічного комплексу на основі оптимальних та робастних регуляторів.

Теоретичною базою для дисертаційного дослідження стали роботи відомих вчених таких, як Г.О. Гулий, І.Т. Вовк, В.Б. Друмирецький, Є.В. Кривицький, Л.Є. Овчинникова, Б.Я. Мазуровський, П.П. Малюшевський.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова як складова частина держбюджетної теми № 1582 „Розробка методів і алгоритмів інтелектуальних систем керування резонансними джерелами живлення для електророзрядних технологій” (№ ДР 0106U000832), у рамках договору № 1691 з виробничою організацією ВАТ „Завод ”Перетворювач”, де здобувач приймав участь як відповідальний виконавець.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення якісних показників процесу електрогідравлічного очищення виливків, яке полягає у стабілізації гідродинамічних параметрів електровибуху та забезпеченні рівномірності переміщення джерела електрогідроімпульсного впливу.

Для досягнення поставленої мети в дисертації розв'язані наступні задачі дослідження:

- аналіз архітектури та принципів побудови сучасних автоматизованих систем керування (АСК) технологічним процесом електрогідравлічного очищення виливків;

- побудова математичних моделей технологічного процесу електрогідравлічного очищення виливків;

- визначення критеріїв оптимальності при синтезі законів керування;

- аналіз ефективності роботи системи керування електрогідравлічної установки (ЕГУ) шляхом математичного моделювання;

- аналіз впливу роботи ЕГУ на первинні вимірювальні перетворювачі струму системи керування ЕГУ.

Об'єкт дослідження: автоматизована система керування технологічним процесом електрогідравлічного очищення виливків.

Предмет дослідження: синтез локального автоматичного регулятора гідродинамічних параметрів технологічного процесу з урахуванням стохастичності та невизначеності параметрів середовища обробки.

Методи дослідження. При побудові моделей технологічного процесу використовувалися методи теорії стохастичних систем. При аналізі та синтезі систем керування - метод простору станів в теорії управління, методи аналізу та синтезу робастних систем керування, методи теорії оптимальних систем. Основними інструментами дослідження були: програмні пакети Scilab/Scicos, LabVIEW.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше розроблено спосіб зв'язаного керування, який дозволяє за допомогою двох керуючих впливів керувати заданим рухом виконавчого органу з трьома ступенями свободи у тривимірному робочому просторі.

2. Удосконалено математичну модель технологічного процесу електрогідравлічного очищення виливків, яка на відміну від існуючих враховує невизначеність параметрів середовища обробки та стохастичність електровибухового перетворення енергії, що дозволяє визначити та обґрунтувати вибір оптимальних та робастних законів керування для локального регулятора гідродинамічних параметрів.

3. Отримала подальший розвиток методика, яка полягає у раціональному виборі системи координат об'єкту керування, в яких формуються керуючі впливи, що дозволяє компенсувати внутрішні перехресні зв'язки між каналами об'єкту та представити його у вигляді простого стаціонарного об'єкту.

Достовірність результатів досліджень забезпечується коректною постановкою задачі, використанням адекватних математичних моделей технологічного процесу, проведеними експериментальними дослідженнями.

Практичне значення одержаних результатів.

Синтезовані регулятори автоматизованої системи керування реалізовані як програмне забезпечення для SCADA-системи, яке дозволяє досліджувати роботу ЕГУ як в режимі експлуатації, так і на моделі у середовищі LabVIEW.

Результати дисертаційного дослідження використовуються на стадії проектування в Експериментальному виробництві ІІПТ НАН України, ВАТ „Завод ”Перетворювач”.

Теоретичні результати синтезу оптимальних та робастних регуляторів в системах автоматизації технологічних процесів, аналіз елементів АСК ливарного виробництва використовуються в учбовому процесі Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова при вивченні дисциплін „Промислові електронні системи” та „Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів”.

Особистий внесок автора. Наукові положення та результати, викладені в дисертації, отримані автором особисто.

У роботах, які опубліковані в співавторстві, особисто автору належить: у роботі [1] автором побудовано модель повітряного трансформатору струму у вигляді лінії з розподіленими параметрами, досліджено вплив сусідньої струмоведучої шини на характеристики повітряного трансформатору струму. У роботі [2] автором отримано передатну функцію повітряного трансформатору струму при роботі в режимі короткого замикання. У роботі [3] автором отримано модель технологічного процесу очищення виливків по знаку стрижня та синтезовано оптимальні алгоритми керування ЕГУ. У роботі [4] автором побудовано загальну модель ЕГУ для очистки виливків по площі, запропоновано враховувати вплив питомого опору рідини як невизначеність коефіцієнту підсилення об'єкту керування. У роботі [5] автором розроблено спосіб компенсації нелінійності об'єкту керування. У роботі [6] автором розроблений спосіб зв'язаного керування приводами в ЕГУ для очистки виливків по площі. На основі даного способу розроблено систему програмного керування. У роботі [7] автором запропоновано здійснювати стабілізацію гідродинамічних параметрів електровибуху шляхом подачі у розрядний проміжок робочої рідини з заданим питомим опором. У роботі [8] автором розроблено пристрій для подачі у розрядний проміжок робочої рідини з заданим питомим опором. У роботі [9] автором запропоновані стратегії оптимізації ПІД-регулятора гідродинамічних параметрів з урахуванням невизначеності об'єкту керування.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення та результати роботи доповідалися й обговорювалися на: Міжнародній науково-технічній конференції „Силова електроніка та енергоефективність”, м. Алушта, 2007, 2008 рр.; Міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми сучасної електротехніки”, м. Київ, 2008 р.; 15-й міжнародній конференції з автоматичного управління „Автоматика-2008”, м. Одеса, 2008 р.; IX, X науково-практичних конференціях „Інформаційні технології в освіті та управлінні”, м. Нова Каховка, 2008 р. Крім того результати роботи пройшли апробацію на семінарі Наукової Ради НАН України з комплексної проблеми „Наукові основи електроенергетики”, секція „Проблеми керування перетворенням енергії в стаціонарних та автономних (суднових) електроенергетичних системах”, м. Миколаїв, 2008 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 наукових праць, в тому числі 6 статей у фахових наукових виданнях, 1 доповідь на міжнародній конференції, 2 патенти України на корисну модель.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 171 сторінку, у тому числі 159 сторінок основного тексту, 116 рисунків, 8 таблиць, список використаних джерел із 115 найменувань на 12 сторінках, 2 додатки на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність роботи, сформульовано мету й завдання дослідження, викладені наукова новизна, практичне значення одержаних результатів, зазначено особистий внесок здобувача, наведено дані про апробацію результатів дисертаційної роботи та публікації.

У першому розділі розглянуто узагальнену структуру електрогідравлічної установки (ЕГУ), яка є технічним засобом по перетворенню електричної енергії в енергію ударних хвиль за допомогою високовольтного розряду у рідині. Показано, що локалізація електрогідроімпульсного впливу на виливку в ЕГУ здійснюється механізмом переміщення електроду. Проведено аналіз двох технологічних схем обробки виливків, до яких відносяться: очистка виливків по площі та очистка виливків по знаку стрижня. Сформульовано задачі керування для кожної зі схем обробки. У першій схемі очистки необхідно підтримувати постійну швидкість переміщення електроду вдовж поверхні виливки та задані гідродинамічні параметри високовольтного розряду, у разі використання очистки по знаку стрижня необхідно регулювати тільки гідродинамічні параметри високовольтного розряду, який здійснюється поруч з вибиваним стрижнем.

Розглянуто структуру автоматизованої системи керування технологічним процесом (АСК ТП) електрогідравлічного очищення виливків, яка являє собою дворівневу ієрархічну систему.

Параметри технологічного процесу управляються за допомогою локального автоматичного регулятора гідродинамічних параметрів. На вхід даного регулятора поступають сигнали з датчиків контрольованих параметрів технологічного процесу (Д_к). У якості виконавчих механізмів (ВМ) використовується електродвигуни. Керування виконавчими механізмами здійснюється за допомогою електроприводів, які виконані у вигляді закінчених пристроїв, що містять в своєму складі локальні автоматичні регулятори (АР).

Запропоновано реалізацію АСК ТП шляхом поєднання супервізорного та прямого цифрового керування. Це дає можливість реалізувати автоматичний регулятор гідродинамічних параметрів у вигляді програми, що виконується на керувальній ЕОМ у реальному часі.

Проаналізовано механізм перетворення енергії при високовольтному розряді у рідині.

Визначено, що діючим механізмом у технології електрогідравлічного очищення є канал розряду, розширення якого призводить до появи у рідині гідродинамічних збурень та ударних хвиль, що діють на оброблювану виливку. На основі рівняння балансу енергії в каналі розряду показано, що вихідною функцією для визначення динаміки розширення каналу та оцінки технологічних результатів електровибухового перетворення енергії є закон виділення енергії в каналі

N(ф)=I²(ф)• R_к, (1)

де I(ф) - розрядний струм, R_к - опір каналу розряду.

На основі аналізу ранніх робіт зазначено, що між функцією N(ф) та максимальним значенням розрядного струму I_m є взаємно однозначна відповідність. Це дає можливість проводити оцінку гідродинамічних параметрів процесу електровибухового перетворення енергії за функціоналом I_m.

Розглянуто функціональну схему моделі електровибуху.

Координатами вхідного вектору X є параметри розрядного контуру: U(t) - зарядна напруга накопичувача; C(t) - ємність батареї конденсаторів; L(t) - індуктивність розрядного контуру; l(t) - величина розрядного проміжку; с(t) - питомий опір робочої рідини.

Процес перетворення енергії проходить дискретно с періодом T_s, який визначається часом заряду накопичувача до заданої напруги U_зад та моментом спрацьовування комутатора.

У якості координат вихідного вектору Y приймають функціонали, що однозначно характеризують процес перетворення енергії у каналі розряду: I_m[n] - максимальне значення розрядного струму; U_пр[n] - пробивна напруга; P_m[n] - максимальне значення тиску на фронті ударної хвилі. Координати вихідного вектору I_m[n], U_пр[n], P_m[n] є випадковими функціями. Вектор Y можна представити як

, (2)

де математичне сподівання M{Y[n]}=f(X) - детермінована функція вектору вхідних змінних X, - векторний білий шум з некорельованими компонентами та інтенсивністю

. (3)

Вектор середньоквадратичного відхилення вихідного вектору змінних Y визначається конструктивними особливостями системи та типом ЕГУ. Показано, що керуючий вплив на гідродинамічні параметри здійснюється зміною координати l(t) за допомогою механізму переміщення електроду.

Проведено аналіз підходів побудови локальної системи автоматичного керування (САК), до складу якої входять об'єкт керування (технологічний процес) та автоматичний регулятор гідродинамічних параметрів. Зазначено, що дані системи, які реалізовані в класі нелінійних систем, не враховують змін параметрів середовища обробки та мають низьку точність стабілізації заданих гідродинамічних параметрів процесу електровибухового перетворення енергії.

У другому розділі синтезовано регулятор гідродинамічних параметрів на основі математичної моделі системи „ЕГУ - процес обробки” для технологічної схеми очищення по площі. Структурну схему технологічного процесу можна представити у вигляді послідовного з'єднання підсистем моделей електроприводів, моделі руху робочого органу та моделі високовольтного електровибуху у рідині. ЕГУ сумісно з процесом обробки є об'єктом керування.

На рис. 3 позначено: v_xз, v_yз - задані швидкості руху електроду по координаті x та y відповідно; v_x, v_y - швидкості переміщення електроду по осях 0x, 0y відповідно, б - кут нахилу оброблюваної поверхні виливки до горизонтальної площини; l - довжина розрядного проміжку; с - питомий опір робочої рідини; I_m - амплітуда першої півхвилі розрядного струму, СК - система керування.

Отримано модель руху електроду у вигляді виразу:

. (4)

Модель високовольтного вибуху в рідині було представлено ідеальною підсилювальною ланкою з невизначеним коефіцієнтом підсилення k₁ < 0 (k_1min ? k₁ ? k_1max). Дрейф k₁ обумовлений зміною с у процесі роботи ЕГУ.

Запропоновано проводити компенсацію перехресних зв'язків між каналами об'єкту керування шляхом переходу з прямокутної системи координат до полярної (рис. 4). Блок перетворення координат виконує перетворення заданого вектору швидкості , де проекції V_з на координатні вісі OX, OY визначаються виразом:

(5)

Математично доведено, що блок перетворення координат лінеаризує об'єкт керування в усьому просторі станів та знижує розмірність вектору вхідних координат об'єкту з N=2 до N=1, що дозволяє синтезувати одноконтурний регулятор гідродинамічних параметрів.

Проведено аналіз дискретно-безперервної локальної системи автоматичного керування (САК) на її еквівалентній безперервній моделі.

На рис. 5 позначено: W_p(p) - передатна функція регулятора, W_п(p) - передатна функція електроприводу. Розглянуто дану систему з точки зору параметричної невизначеності. Введемо позначення

, (6)

тоді передатну функцію об'єкту керування можна представити як

. (7)

Перепишемо k₁ в наступній формі:

, (8)

де , , . (9)

Представимо передатну функцію об'єкту як мультиплікативну невизначеність:

, (10)

де G(p) - передатна функція номінального об'єкту, Д - дійсний скаляр.

Знайдено умову робастної стійкості системи у вигляді:

, (11)

де , . (12)

Для дослідження впливу T_s еквівалентна безперервна модель була дискретизована з використанням екстраполятору нульового порядку (Zero-order hold (ZOH) дискретизація). Після ZOH -дискретизації регулятора W_p(p), електроприводу W_п(p) та незмінної частини системи , що лишилася, отримано дискретну САК.

На рис. 6 позначено: , , , Z - операція z-перетворення. Дискретна передатна функція номінального об'єкту:

. (13)

Дискретна передатна функція розімкненої системи:

. (14)

Тоді умова робастної стійкості для дискретної системи визначається за виразом:

, , (15)

де щ_N - частота Найквіста.

За допомогою дискретизованої моделі було знайдено умову безаварійної роботи системи (відсутності удару робочого органу об оброблювану виливку):

, (16)

де v_з - модуль заданого вектору швидкості, Дl_max - максимально допустиме відхилення від заданої довжини розрядного проміжку.

Розглянуто параметричну оптимізацію ПІД-регулятора з передатною функцією

, (17)

де K_p, K_i, K_d - коефіцієнти підсилення пропорційної, інтегральної та диференційної складових відповідно. Оскільки існують технологічні обмеження на переміщення робочого органу в процесі обробки:

, (18)

де y₀ - усталене значення заданої довжини розрядного проміжку; y(t) - значення довжини розрядного проміжку в перехідному режимі,

то оптимізацію запропоновано проводити у часовій зоні з мінімізацією функціоналу якості

(19)

при дії максимального збурення б=р/2.

Сформульовано дві стратегії оптимізації системи:

- при першій стратегії оптимізація проводиться для номінального об'єкту з номінальним коефіцієнтом підсилення . Далі для сімейства характеристик системи для всього діапазону зміни невизначеного коефіцієнту k₁ перевіряється виконання умови (18). Задача оптимізації формулюється наступним чином:

, (20)

де , функції f(X) та g(X) невідомі, але могуть бути обчислені шляхом моделювання та розрахунку функціоналу якості (19) та обмеження (18) відповідно;

- при другій стратегії оптимізація проводиться з урахуванням невизначеного параметру k₁. Математично постановка задачі мінімізації формулюється у вигляді:

. (21)

Запропоновано новий спосіб, що дозволяє за допомогою двох керуючих впливів б_з, и керувати заданим рухом виконавчого органу з трьома ступенями свободи у тривимірному робочому просторі. На основі цього способу розроблена система програмного керування ЕГУ (рис. 7). Представимо траєкторію руху робочого органу у вигляді сукупності площин обробки, які повернуті на кут и_i відносно координатної вісі OX (рис. 7,б). Проекції вектору v_xґ на координатні вісі OX и OZ відповідно дорівнюють:

. (22)

Отже, задачу руху робочого органу в 3-х вимірній координатній системі координат можна звести до задачі руху робочого органу в 2-х координатній системі координат, шляхом розкладання вектору швидкості v_xґ на складові v_x та v_z. керування автоматизований виливок електрогідравлічний

Структурна схема системи програмного. Блоки перетворення координат БПК1 та БПК2 описуються виразами (5), (22) відповідно.

Миттєві відхилення положення по координатах X, Y, Z визначаються у результаті інтегрування поточних значень заданих швидкостей v_xз, v_yз, v_zз. Програма обробки задається у вигляді початкової точки положення робочого органу {s_0x, s_0y, s_0z} та масиву координат {s_x' _i, и_i},

де s_x' _i - довжина i-ої ділянки обробки, и_i - поворот площини обробки на i-ій ділянці обробки.

Розроблено програмне забезпечення у середовищі LabVIEW, що дозволяє досліджувати роботу ЕГУ як в режимі експлуатації, так і у режимі інтерактивного моделювання.

У третьому розділі синтезовано регулятор гідродинамічних параметрів на основі математичної моделі системи „ЕГУ - процес обробки” для технологічної схеми очищення по знаку стрижня. Досліджено, що для технологічного процесу очищення по знаку стрижня процес обробки може розглядатися як два послідовних незалежних процеси:

- процес позиціонування робочого органу у задану точку обробки;

- процес стабілізації заданих гідродинамічних параметрів електричного розряду у рідині.

Структурна схема технологічного процесу стабілізації гідродинамічних параметрів електричного розряду у рідині..

Запропоновано модель високовольтного електровибуху у вигляді реґресійної моделі:

, (23)

де k₂, k₃, a₂ - константи. Це дало змогу представити об'єкт керування у вигляді структурної схеми.

Стохастичний характер високовольтного розряду моделюється як білий шум х з інтенсивністю V₁. Внаслідок повільної зміни с запропоновано модель збурення:

, (24)

де інтенсивність V₀ білого шуму w₀ обирається таким чином, щоб збільшення флуктуацій о відображало б аналогічні зміни у збуренні, що повільно змінюється.

Запишемо вираз для вихідної змінної, використовуючи модель збурення (24):

, (25)

де l₀ - початкова довжина розрядного проміжку.

Перепишемо (25) у наступному вигляді:

, (26)

де - початкова умова інтегратору, с₀ - початковий питомий опір робочої рідини, w₁ - білий шум з інтенсивністю V₀/k₂.

На підставі (26) отримано структурну схему розширеної моделі системи, що містить у своєму складі модель об'єкту керування та модель збурення.

Отримано еквівалентну безперервну модель системи в просторі станів:

. (27)

Розглянуто синтез САК з ЛКГ - керуванням (лінійно квадратична гаусовська задача).

Матриця K визначена шляхом пошуку оптимального рішення, при якому здійснюється мінімізація функціоналу якості:

, (28)

де Q_y и R - симетричні, позитивно визначені вагові матриці.

Для компенсації дрейфу параметрів об'єкту запропоновано введення закону інтегрування (астатизму) у керування зі зворотнім зв'язком шляхом розширення задачі регулювання (рис. 12).

Добавимо к параметрам системи (27) інтегральний стан:

. (29)

x_I представляє собою інтеграл похибки стеження.

Тоді отримаємо модель розширеної системи у вигляді

, (30)

,

де - розширений вектор стану.

Було знайдено матриці K_x, K_r, K_I при мінімізації функціоналу якості

, (31)

де Q_I - позитивно визначена вагова матриця.

Запропоновано рекомендації щодо вибору вагових матриць у функціоналах якості та проведений синтез оптимального спостерігача Калмана з урахуванням впливу збурень w₁, х.

Розроблено алгоритм формування траєкторії робочого органу при програмному керуванні. Показано, що траєкторія може бути представлена як послідовність елементарних траєкторій руху. Для завдання програми обробки деталі достатньо масиву координат точок обробки.

У четвертому розділі розглянуто інформаційне забезпечення АСК електрогідравлічного очищення виливків у вигляді повітряного трансформатору струму. Ідентифікація гідродинамічних параметрів процесу електровибухового перетворення енергії здійснюється шляхом вимірювання максимального значення розрядного струму I_m. Зазначено, що поява перешкод, яка обумовлена впливом розрядного контуру, співпадає у часі з інформаційним сигналом.

Розглянуто математичну модель індукційного перетворювача струму (котушки Роговського) з розподіленими параметрами (рис. 13).

Отримано вираз для зображення вихідної напруги датчика:

, (32)

де , , Z_н - опір навантаження, l - довжина розподіленої лінії.

Для дослідження впливу сусідньої струмоведучої шини запропоновано представити зображення індукованої електрорушійної сили (ЕРС) на одиницю довжини у вигляді:

, (33)

де - деяка функція, що описує розподілення ЕРС уздовж перетворювача струму.

Було знайдено вираз індукованої сусідньою струмоведучою шиною ЕРС:

, (34)

де r - радіус перетворювача, d - відстань між струмоведучими шинами, N - кількість витків перетворювача, S - площа одного витка.

Використовуючи (34), знайдено передатну функцію перетворювача по збуренню:

, (35)

де . (36)

На основі аналізу отриманих частотних характеристик перетворювача встановлено, що відношення сигнал/перешкода пропорційно частоті щ.

(2 - , 3 - , 4 - )

Проведено дослідження впливу ємнісного зв'язку перетворювача з джерелом перешкод. Дани рекомендації щодо вибору параметрів перетворювача з метою мінімізації впливу зовнішніх перешкод.

У п'ятому розділі проведено параметричну оптимізацію ПІД-регулятора гідродинамічних параметрів для технологічної схеми очищення по площі. Показано, що розбіжність перехідних характеристик при відпрацьовуванні максимального збурення б=р/2 та дрейфі питомого опору в діапазоні с = 10ч30 Ом•м складає 7% (рис. 15,а). Час перехідного процесу не залежить від невизначеного параметру k₁ і складає 4 с. Вихідними даними для оптимізації стали параметри промислової технологічної установки: U = 50•10³ В, C = 2•10^-6 Ф, L = 16•10^-6 Гн. Технологічні параметри задавалися заданою технологічною швидкістю обробки v_з=0.1 м/с та заданою довжиною розрядного проміжку 0.1 м.

траєкторія руху робочого органу при дії максимального збурення б=р/2 та шуму вимірювання з у^* = 0.05 (1 - синтезована САК, 2 - існуюча САК) (б)

У результаті порівняння перехідних характеристик існуючих та розробленої САК встановлено, що запропонована система забезпечує підвищення точності стабілізації гідродинамічних параметрів електровибуху до 15% .

Синтезовано та досліджено динамічні властивості САК з ЛКГ - керуванням для технологічної схеми очищення по знаку стрижня. Вихідними даними для моделювання є: максимальна амплітуда розрядного струму I_m=17678 А; середньоквадратичне відхилення шуму вимірювання у=0.015•I_m=260 А. У результаті моделювання встановлено, що середньоквадратичне відхилення вихідної координати M{I_m} становить у=62.33 А (у^*=0.0035), час перехідного процесу по керуванню складає 1 c.

Порівняння розробленої САК з існуючими аналогами САК показало, що синтезована САК дозволяє підвищити точність точності стабілізації гідродинамічних параметрів електровибуху до 20%.

У додатках наведені: Scilab/Scicos-моделі систем керування, акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

Виконана дисертаційна робота є вирішенням комплексу задач, які мають наукове та практичне значення для підвищення якісних показників процесу електрогідравлічного очищення виливків, яке полягає у стабілізації гідродинамічних параметрів електровибуху та забезпеченні рівномірності переміщення джерела електрогідроімпульсного впливу.

Отримані наступні результати:

1. Удосконалено математичну модель технологічного процесу електрогідравлічного очищення виливків, яка на відміну від існуючих враховує невизначеність параметрів середовища обробки та стохастичність електровибухового перетворення енергії, що дозволяє визначити та обґрунтувати вибір оптимальних та робастних законів керування для локального регулятора гідродинамічних параметрів.

2. Для технологічної схеми обробки виливків по площі обґрунтовано вибір полярної системи координат об'єкту, в яких формуються керуючі впливи, що дозволяє компенсувати внутрішні перехресні зв'язки між каналами об'єкту та представити його у вигляді простого стаціонарного об'єкту.

3. Синтезовано закони керування для локального контуру регулювання гідродинамічних параметрів. На основі дослідження математичних моделей зовнішніх збурень обґрунтовано вибір робастного та ЛКГ-регулятора. Використання даних регуляторів дозволило підвищити точність стабілізації гідродинамічних параметрів електровибуху на 10 - 15 %.

4. Для технологічної схеми очищення по площі розроблено новий спосіб зв'язаного керування, що дозволяє за допомогою двох керуючих впливів керувати заданим рухом виконавчого органу з трьома ступенями свободи у тривимірному робочому просторі. На основі даного способу запропоновано реалізацію програмного керування ЕГУ. Підвищено точність стабілізації швидкості переміщення виконавчого органу на 10 - 15 %.

5. Розроблено програмне забезпечення АСК ТП електрогідравлічного очищення виливків для SCADA-системи, яке позволяє досліджувати роботу ЕГУ як у режимі експлуатації, так й на моделі у середовищі LabVIEW.

6. Досліджено вплив перешкод, що генеруються ЕГУ, на первинний вимірювальний перетворювач струму, виконаний по схемі повітряного трансформатора струму. Приведено рекомендації щодо усунення впливу сусідньої струмоведучої шини та ємнісного зв'язку з джерелом перешкод на результати вимірювань.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рябенький В.М. Особенности работы воздушного трансформатора тока в условиях эксплуатации электрогидроимпульсных установок / В.М. Рябенький, А.С. Дьяконов, А.Н. Голобородько // Технічна електродинаміка. Тем. випуск „Силова електроніка та енергоефективність”. - 2007. - Ч.5. - С. 23 - 28.

Здобувачем на основі моделі повітряного трансформатору струму у вигляді лінії з розподіленими параметрами досліджено вплив сусідньої струмоведучої шини на характеристики повітряного трансформатору струму.

2. Рябенький В.М. Исследование работы воздушного трансформатора тока в режиме короткого замыкания / В.М. Рябенький, А.С. Дьяконов, А.Н. Голобородько // Технічна електродинаміка. - 2008. - №1. - С. 46 - 50.

Здобувачем отримано передатну функцію повітряного трансформатору струму при роботі в режимі короткого замикання.

3. Рябенький В.М. Синтез системы стабилизации гидродинамических параметров в установке по электрогидравлической очистке отливок / В.М. Рябенький, А.С. Дьяконов, А.Н. Голобородько // Технічна електродинаміка. Тем. випуск „Проблеми сучасної електротехніки”. - 2008. - Ч.6. - С. 104 - 109.

Здобувачем отримано модель технологічного процесу очищення виливків по знаку стрижня та синтезовано оптимальні алгоритми керування ЕГУ.

4. Рябенький В.М.Исследование электрогидравлической установки по очистке отливок как объекта управления / В.М. Рябенький, А.С. Дьяконов // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2008. - № 1 (30). - С. 299 - 306.

Здобувачем побудовано загальну модель ЕГУ для очистки виливків по площі та запропоновано враховувати вплив питомого опору рідини як невизначеність коефіцієнту підсилення об'єкту керування.

5. Рябенький В.М. Синтез оптимальной системы автоматического управления электрогидравлической установки по очистке отливок / В.М. Рябенький, А.С. Дьяконов // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2008. - № 1 (30).- С. 288 - 295.

Здобувачем розроблено спосіб компенсації нелінійності об'єкту керування.

6. Рябенький В.М. Программное управление установками по электрогидравлической очистке отливок / В.М. Рябенький, А.С. Дьяконов // Технічна електродинаміка. Тем. випуск „Силова електроніка та енергоефективність”. - 2008. - Ч. 4. - С. 39 - 42.

Здобувачем розроблено спосіб зв'язаного керування приводами в ЕГУ для очистки виливків по площі.

7. Пат. 30847 Україна, МПК (2006) C25D13/00. Спосіб обробки металевих виробів електроімпульсним розрядов в рідині/ Рябенький В.М., Дьяконов О.С., Білоконь О.Л., Петренко Л.П.; заявник и патентовласник Національний університет кораблебудування ім. адм. Макарова.- Заявл. № u200713564 від 04.12.2007; Опубл. 11.03.2008. - Бюл. №5.

Здобувачем запропоновано здійснювати стабілізацію гідродинамічних параметрів електровибуху шляхом подачі у розрядний проміжок робочої рідини з заданим питомим опором.

8. Пат. 30848 Україна, МПК (2006) C25D13/00. Пристрій для формування імпульсного електричного розряду в рідині / Рябенький В.М., Дьяконов О.С., Білоконь О.Л., Петренко Л.П.; заявник и патентовласник Національний університет кораблебудування ім. адм. Макарова. - Заявл. № u200713565 від 04.12.2007; Опубл.11.03.2008. - Бюл. №5.

Здобувачем розроблено пристрій для подачі у розрядний проміжок робочої рідини з заданим питомим опором.

9. Рябенький В.М. Оптимальное робастное управление технологической установкой по очистке отливок / В.М. Рябенький, А.С. Дьяконов // Автоматика-2008: доклады XV международной конференции по автоматическому управлению (23 - 26 сентября 2008 г.). - Одесса: ОНМА. - С. 500 - 503.

Здобувачем запропоновані стратегії оптимізації ПІД-регулятора гідродинамічних параметрів з урахуванням невизначеності об'єкту керування.

АНОТАЦІЯ

Дьяконов О.С. Синтез оптимальних регуляторів автоматизованої системи керування електрогідравлічного очищення виливків. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - автоматизація процесів керування. Херсонський національний технічний університет, Херсон, 2009.

Дисертація присвячена підвищенню якісних показників технологічного процесу електрогідравлічного очищення виливків, що полягає у стабілізації гідродинамічних параметрів електровибуху та забезпеченні рівномірності переміщення джерела електрогідроімпульсного впливу, шляхом синтезу локального автоматичного регулятора гідродинамічних параметрів технологічного процесу з урахуванням стохастичності та невизначеності параметрів середовища обробки.

На основі вдосконаленої математичної моделі технологічного процесу електрогідравлічного очищення виливків, яка враховує невизначеність параметрів середовища обробки та стохастичність електровибухового перетворення енергії, визначено оптимальні та робастні закони керування для локального регулятора гідродинамічних параметрів.

Синтезовані робастні та ЛКГ-регулятори дозволяють підвищити точність стабілізації гідродинамічних параметрів електровибуху на 10 - 15 %. Для технологічної схеми очищення по площі підвищено точність стабілізації швидкості переміщення виконавчого органу (електрода) на 10 - 15 %.

Розроблено інформаційне та програмне забезпечення для автоматизованої системи керування технологічним процесом електрогідравлічного очищення виливків.

Ключові слова: електрогідравлічне очищення виливків, технологічний процес, оптимальне керування, робастний регулятор.

АННОТАЦИЯ

Дьяконов А.С. Синтез оптимальных регуляторов автоматизированной системы управления электрогидравлической очистки отливок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - автоматизация процессов управления. Херсонский национальный технический университет, Херсон, 2009.

Диссертация посвящена повышению качественных показателей технологического процесса электрогидравлической очистки отливок, состоящее в стабилизации гидродинамических параметров электровзрыва и обеспечении равномерности перемещения источника электрогидроимпульсного воздействия, путем синтеза локального автоматического регулятора гидродинамических параметров технологического процесса с учетом факторов стохастичности и неопределённости параметров среды обработки.

Анализ существующих систем управления технологическим процессом электрогидравлической очистки отливок показал, что данные системы не учитывают таких объективных моментов, как стохастический характер возмущающих факторов, нелинейность объекта управления, дрейф физических параметров среды обработки. Это обусловило необходимость разработки более полной модели технологического процесса, лишенной указанных недостатков.

На основании усовершенствованной модели технологического процесса электрогидравлической очистки отливок, которая учитывает неопределённость параметров среды обработки и стохастичность электровзрывного преобразования энергии, определены оптимальные и робастные законы управления для локального регулятора гидродинамических параметров.

Предложен подход для устранения нелинейности объекта управления в случае технологической схемы электрогидравлической очистки отливок по площади. Данный подход заключается в компенсации внутренних перекрёстных связей объекта путем включения на его вход блока преобразования координат. Переход в полярные координаты позволяет получить линейный объект с одним входом и одним выходом и синтезировать одноконтурный регулятор гидродинамических параметров.

Для технологической схемы очистки отливок по площади разработан способ связанного управления, позволяющий с помощью двух управляющих воздействий управлять заданным движением исполнительного органа с тремя степенями свободы в трёхмерном рабочем пространстве. Применение данного способа в совокупности с робастным регулятором позволяет повысить точность стабилизации скорости перемещения исполнительного органа (электрода) на 10 - 15 %.

Доказано, что для технологической схемы электрогидравлической очистки отливок модель технологического процесса можно представить как стационарный линейный объект, возмущаемый белым шумом. Такое представление объекта позволило рассмотреть задачу синтеза оптимальной линейной системы при неполной информации о состоянии. Разработан алгоритм выбора точек обработки с учётом минимизации траектории движения рабочего органа при программном управлении. Алгоритм программного управления представляет собой последовательность элементарных траекторий движения рабочего органа. Для задания программы достаточно массива координат точек обработки.

Синтезированные робастные и ЛКГ-регуляторы позволяют повысить точность стабилизации гидродинамических параметров электровзрыва на 10 - 15 %. Данные регуляторы автоматизированной системы управления реализованы как программное обеспечение для SCADA-системы, которое позволяет исследовать работу ЭГУ как в режиме эксплуатации, так и на модели в среде LabView.

Разработано информационное обеспечение для АСУ ТП электро-гидравлической очистки отливок в виде модели первичного измерительного преобразователя тока, который выполнен по схеме воздушного трансформатора тока. На основе этой модели исследовано влияние генерируемых ЭГУ помех на процесс измерения. Приведены рекомендации по устранению влияния соседней токоведущей шины и ёмкостной связи с источником помех на результаты измерения.

Теоретические результаты синтеза оптимальных и робастных регуляторов в системах автоматизации технологических процессов, анализ элементов автоматизированной системы управления литейного производства используются в учебном процессе Национального университета кораблестроения имени адм. Макарова при изучении дисциплин “Промышленные электронные системы” и “Материаловедение и технология конструкционных материалов”.

Результаты диссертационного исследования приняты к использованию на стадии разработки в Экспериментальном производстве ИИПТ НАН Украины, ОАО “Завод ”Преобразователь”.

Ключевые слова: електрогидравлическая очистка отливок, технологический процесс, оптимальное управление, робастный регулятор.

ABSTRACT

D'yakonov A.S. Optimal controllers synthesis for the automated control system of electrohydraulic casting cleaning. - Manuscript.

Thesis for the candidate degree in technical sciences on specialty 05.13.07 - control processes automation. Kherson National State University, Kherson, 2009.

The dissertation deals with qualitative indexes improvement of the electrohydraulic casting cleaning process. The process-dependent parameters improvement has been achieved by the means of the local hydroimpulse controller synthesis under process medium uncertainty and stochastic dependency.

Robust- and optimal controllers based on the improvement technological process model are developed.

Synthesized robust- and LQG-controllers allows increasing stabilization accuracy of the hydrodynamic parameters of the HV-explosion up to 10 - 15%. Speed stabilization accuracy of the electrode movement has been increased up to 10 - 15 %.

Dataware and software have been developed for the automated control system of electrohydraulic castings refinement from cores.

Keywords: electrohydraulic castings refinement from cores, technological process, optimal control, robust controller.

Відповідальний за випуск Шеховцов А.В.

Підписано до друку 8.05.09. Папір офсет. Формат 60x90/16.

Гарнітура „Таймс”. Друк ризограф. Ум. друк. арк. 1,0.

Тираж 100 прим. Зам. № 2004-1.

Віддруковано з готових оригінал-макетів

в поліграфічному підприємстві СПД Румянцева Г.В.

54001, м. Миколаїв, вул. Садова, 1.

Свідоцтво МК №11 від 26.01.2007 р.

Размещено на Allbest.ru

...