Слідкуюча електромеханічна система з покращеними динамічними характеристиками у складі прокатного стана малолистових ресор

Регулятор положення, який визначений передатною функцією з поліномами другого ступеню в чисельнику і знаменнику, підвищує точність відпрацювання сигналу керування при збереженні стійкості слідкуючої електромеханічної системи без підпорядкованого контуру швидкості, в співставленні з слідкуючою електромеханічною системою з підпорядкованим контуром швидкості і пропорційним або параболічним регулятором положення.

У вступі обґрунтована актуальність дослідження і показано його зв'язок із науковими програмами та темами, сформульовані мета, основні наукові й практичні задачі дослідження. Викладені наукові положення, що виносяться до захисту, сформульована наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також показаний рівень апробації результатів роботи, кількість публікацій по темі й особистий внесок автора.

У першому розділі розглянуто особливості технологічного процесу виробництва профілю змінного по довжині перетину шляхом обробки металевої заготівлі тиском. Виконаний аналіз літературних джерел з питань підвищення динамічної точності слідкуючого електропривода.

При обробці вихідної плескатої металевої штаби на ресоропрокатному стані для виготовлення ресорних листів змінного перетину необхідно, щоб катаючі валки змінювали своє розташування за певним законом. Наприклад, для отримання профілю зображеного, керуючий сигнал повинен мати вигляд. При наявності похибки відпрацювання завдання ЕМС, яка впливає на розташування валків, форма прокату буде відрізнятися від заданої.

Залежність похибки відпрацювання сигналу керування на розташування прокатних валків від швидкості прокатки та величини профільних кутів б зображено. При підвищенні швидкості прокатки значення максимальної похибки значно виходить за припустимі межі.

Слід зазначити, що на формування величини моменту опору електропривода (тиску металу на валки) головним чином впливає система натискних гвинтів, оскільки вона забезпечує необхідну величину обтиску.

Тиск металевої штаби на валки розраховується за допомогою емпіричної формули Екелунда, яка враховує вплив основних технологічних факторів на процес обробки металу тиском:

,

де

коефіцієнт грузькості; прок. - температура прокатки;

відносна швидкість деформації;

коефіцієнт зовнішнього опору; - коефіцієнт тертя;

статичний опір деформації при відповідній кількості в сталі хрому, марганцю, водню; - коефіцієнт, що враховує вплив швидкості прокатки; - окружна швидкість валків; - вихідна й кінцева висоти штаби.

Шляхами покращання динамічних характеристик слідкуючого електропривода постійного струму натискних гвинтів, враховуючи лінійну апроксимацію типового сигналу керування, можна віднести використання принципу комбінованого керування за похідною керуючого сигналу і модальне керування, а також зменшення кількості підпорядкованих контурів керування.

У другому розділі виконаний математичний опис об'єкту керування, проведено дослідження можливостей використання принципу комбінованого керування з метою покращання динамічних характеристик слідкуючого електропривода. В ході дослідження характеристик електромеханічної системи отримані залежності похибки відпрацювання Дц від коефіцієнтів підсилення корегуючих ланок Кn. Горизонтальна лінія на рівні 2 мм позначає рівень максимально припустимої похибки.

З метою збереженя точностних характеристик ЕМС при використанні комбінованого керування за похідною керуючого сигналу необхідно використовувати фільтри низьких частот. Керування з використанням похідних від завдання вимагає переналагодження коефіцієнтів перетворювання корегуючих ланок при переходу на інші профільні кути, що знижує ефективність роботи ЕМС взагалі. На підставі аналізу отриманих результатів зроблено висновок щодо неоднозначності позитивних наслідків використання принципу комбінованого керування у всіх режимах роботи ЕМС при прокатці профілю змінного перетину.

Рівняння стану редукованого спостерігача в розгорнутому вигляді має вигляд виразу (1).

де М1, М2, М3 - коефіцієнти перетворення корегуючих зворотних зв'язків спостерігача.

Наведено залежності похибки відпрацювання керуючого впливу від швидкості прокатки для ЕМС, яка використовує різні підходи покращання динамічної точності. Аналіз показує, що жоден підхід не забезпечує потрібну точність відпрацювання сигналу керування в усьому діапазоні швидкостей прокатки.

Наявність ковзання валків поверхнею металу призводить до відхилення форми прокату від заданої через те, що процес прокатки профілю змінного перетину є нестаціонарним й характеризується параметрами, які безперервно змінюються. Завдання на розташування валків формується в залежності від лінійного переміщення металевої штаби в міжвалковому зазорі першої кліті. В наслідок ковзання валків величина похибки формоутворення геометрії профілю змінного перетину значно перебільшує припустиме значення.

Відомо, що під час ковзань навантаження на механізми кліті прокатного стану зменшуються. З метою адаптації системи автоматичного керування (САК) електроприводом натискних гвинтів до особливостей технології прокатки запропонновано алгоритм адаптації регулятору положення. Цей алгоритм враховує відхилення величини струму двигуна від типово-режимного значення під час технологічного циклу. Зменшення навантаження призводить до зниження величини струму якірного кола двигуна електропривода.

Адаптація полягає в тому, що на інтервалах часу, коли струм головного електропривода першої кліті наближається до величини струму ненавантаженого режиму (ступінь наближення корегується коефіцієнтом “К”, сигнал на виході регулятора струму лишається незмінним під час зміни сигналу керування на розташування валків. Завдяки такому законові відпрацювання керуючого впливу САК електроприводом на інтервалах часу, коли спостерігається ковзання валків поверхнею металу, внаслідок чого лінійне переміщення металу є нульовим або значно меншим за задане, катаючі валки не змінюють своє розташування або змінюють його повільніше, ніж цього вимагає сигнал керування. До переваг запропонованого закону адаптації належить те, він не залежить від структури зовнішнього регулятора положення й ніяк не впливає на точність формування керуючого впливу на підпорядковані контури керування.

Враховуючи, що параметри механічної ланки протягом її експлуатації змінються, що призводить до зміни величини струму слідкуючого електропривода натискних гвинтів у ненавантаженому режимі, шляхом зміни коефіцієнта “К” можливе корегування порогового значення струму ненавантаженого режиму, на яке реагує регулятор положення.

У третьому розділі з метою поліпшення динамічних характеристик електромеханічної системи виконано синтез регулятору положення при відсутності підпорядкованого контуру швидкості.

Згідно з висунутими вимогами синтезований параметрично оптимізуємий регулятор положення з фіксованою структурою, параметри якого підлягають налагодженню під конкретний об'єкт керування. Для забезпечення відповідних характеристик перехідних процесів електропривода натискних гвинтів, спираючись на результати аналізу властивостей об'єкта керування, запропоновано регулятор з передатною функцією (2).

(2)

де К -коефіцієнт підсилення регулятору положення, Т1 - Т4 сталі часу.

З метою забезпечення заданої якості перехідних процесів параметри регулятору положення, повинні мати зв'язок з параметрами об'єкта:

;

;

;

;

.

Структурна схема слідкуючого електропривода без підпорядкованого контура швидкості з синтезованим регулятором має вигляд. Наведені результати моделювання роботи електромеханічної системи з синтезованим регулятором положення без підлеглого контуру швидкості, які підтверджують її дієздатність й відповідність жорстким технологічним вимогам, що висуваються до якості роботи електромеханічної системи.

Похибка відпрацювання керуючого впливу при швидкості прокатки 0,25 м/с не перебільшує 0,41 мм на валок, що лежить у дозволених межах (= мм на валок) в порівнянні з 2,1 мм на валок у вихідній електромеханічній системі.

При наявності сигналів перешкод регулятор положення забезпечує відпрацювання сигналу керування з похибкою, значення якої не перебільшує у всьому діапазоні швидкостей прокатки 0,85 мм на валок, що також належить дозволеному діапазонові.

Зображена залежність похибки відпрацювання сигналу керування на розташування прокатних валків від швидкості прокатки та максимально можливим за теоретичними припущеннями значенням профільних кутів б, яка свідчить, що при підвищенні швидкості прокатки до максимально припустимої, значення максимальної похибки зменшилося в порівнянні з вихідною системою в п'ять разів.

Порівняльний аналіз систем керування з різними способами корекції при різних швидкостях прокатки свідчить, що найбільш ефективною з точки зору підвищення динамічної точності ЕМС у всьому діапазонові швидкостей прокатки є система автоматизованого керування з синтезованим регулятором положення без підлеглого контуру швидкості. Тільки вона забезпечує відпрацювання керуючого сигналу з похибкою менше припустимої.

У четвертому розділі проведено експериментальне дослідження синтезованого регулятора положення, який реалізовано у цифровому вигляді на елементній базі фірми Microchip Technology Inc.

Функції складання сигналу керування й від'ємного сигналу зворотного зв'язку по положенню виконує неінвертуючий додавач, який виконано на операційному підсилювачеві К157УД2. Оскільки мікроконтролер PIC14000 не має власного каналу ЦАП, використовується цифро-аналоговий перетворювач серії ТС1321, який перетворює десятирозрядний цифровий сигнал у аналоговий. Початкова установка ЦАП виконується внутрішнім формувачем, завдяки якому забезпечується однозначний стан при вмиканні живлення. ЦАП містить в собі регістр даних (DATA), регістр стану (CONF) і вихідний підсилювач струму. Вхід опорної напруги має високий вхідний опір і має ємність 10пкФ, що забезпечує малу величину вхідного струму який дорівнює 1 мкА. ЦАП має вихідний підсилювач з коефіцієнтом підсилення який дорівнює одиниці, типова швидкість зростання котрого 0,8 В/мкс. Максимальна зміна напруги у всьому діапазоні, який дорівнює 2,5 В, відбувається за 10 мкс при навантаженні 1 кОм й ємності 100пФ.

Передача даних в ЦАП відбувається через двопровідний послідовний інтерфейс який є сумісним з SMBus/I2C, що функціонує в режимі відомого.

Контролер PIC14000 виконує функції обробки сигналів зворотного зв'язку по положенню і керування й розрахунок на їх основі сигналу завдання на розташування катаючих валків за синтезованим законом. Крім того, ним також забезпечується контроль величини максимально припустимої похідної, яка характеризує сигнал керування, адаптацію до режиму ковзання валків поверхнею металу й до впливу тертя в механічних ланках.

Висновки

У дисертаційній роботі вперше поставлена і вирішена актуальна наукова задача підвищення динамічної точності слідкуючої електромеханічної системи у складі прокатного стану малолистових ресор.

Покращити динамічні властивості системи автоматичного керування електроприводом постійного струму можливо за допомогою регулятору положення з синтезованою передатною функцією при умові усунення контуру швидкості.

Встановлено, що використання запропонованого регулятора положення дозволяє зменшити похибку відпрацювання слідкуючого сигналу у слідкуючому режимі з 4.2 мм до 0,85 мм на валок.

В разі використання мікропроцесора, котрий забезпечує час дискретизації , припустиме використання регулятора положення з передатною функцією з коефіцієнтами К, Т1 - Т4, що були отримані під час синтезу. Мінімальною частотою дискретизації впевненої роботи САК електроприводом натискних гвинтів є частота 1 кГц.

Математичний вираз, що отриманий для регулятора положення в випадку реалізації його у цифровому вигляді не містить в собі нереалізуємих алгоритмів, що говорить про спроможність практичної реалізації регулятора у цифровому вигляді.

Враховуючи стохастичність перешкододіючих сигналів, що діють на електромеханічну систему під час протікання технологічного процесу, застосовування комбінованого принципу керування в явному вигляді може призвести до неоднозначних результатів. Крім того, необхідна корекція коефіцієнтів перетворювання регулятору при зміні профільних кутів, що характеризують профіль прокату (темпу зростання сигналу керування).

Синтезований регулятор положення спроможній забезпечити дієздатність ЕМС при використанні коефіцієнтів перетворення, котрі отримані з врахуванням різних критеріїв якості перехідних процесів.

Використання теорії модального керування з метою модернізації існуючих систем автоматичного керування електроприводом постійного струму є одним з сприйнятливих шляхів використання вкладених можливостей ЕМС.

З метою спрощення системи автоматичного керування можливе використання редукованого спостерігача з забезпеченням точностних характеристик, що потрібні.

Використання редукованого спостерігача стану як генератора корегуючих сигналів дозволяє забезпечити краще відпрацювання стрибкоподібного сигналу керування без перерегулювання.

Реалізація алгоритму керування, котрий безпосередньо не пов'язаний з методом розрахунку керуючого сигналу регулятора положення, дозволяє підвищити точність відпрацювання керуючого сигналу, зменшити коливальність перехідних процесів, забезпечити оптимальний режим роботи механічної узгоджоючої ланки.

Спираючись на порівняльний аналіз роботи електромеханічних систем можна зробити висновок про більш сприйнятливе використання електропривода з синтезованим регулятором положення без підлеглого контуру швидкості.

Реалізація регулятору положення у цифровому вигляді на основі мікропроцесорів MCU M30612M4 - XXXGP, РІС 14000 фірми Microchip дозволяє розширити функціональні можливості системи автоматичного керування електроприводом натискних гвинтів прокатного стану малолистових ресор.

Адаптація до наявності ковзання валків прокатного стану поверхнею металу під час обробки металу тиском, підвищує точність формування геометрії профілю змінного прямокутного перетину на максимальній швидкості прокатки.

В результаті проведених досліджень отримано закон керування, що забезпечує підвищення динамічної точності слідкуючої електромеханічної системи.

Після впровадження електромеханічної системи натискних гвинтів з удосконаленою системою автоматичного керування відсоток браку зменшився з 15% до 13.3 % під час виготовлення ресорних листів змінного перетину для ресор автомобіля КамАЗ, що призвело до зменшення суми прямих збитків з 486280,8 у.г.о. до 431168,976 у.г.о. за рік. Річний економічний ефект від впровадження удосконаленої САК електроприводом натискуючих гвинтів першої кліті прокатного стану складає 55111,824 у.г.о.

Основні наукові положення та результати дисертації опубліковано в наступних роботах

1. Азюковський A.A. Система автоматического управелния шириной ресорных листов // Гірнича електромеханіка та автоматика. Наук. - техн. зб. - 1999. Вип. 62. С. 31 - 35.

2. Азюковський О.О. Підвищення точності роботи слідкуючої електромеханічної системи шляхом використання скорегованого сигналу керування // Гірнича електромеханіка та автоматика. Наук. - техн. зб. - 2000. Вип. 65. С. 100 - 104.

3. Азюковський О.О. Покращання динаміки електромеханічної системи методом еталонної моделі // Збірник наукових праць НГА України №10 - Дніпропетровськ: РВК НГА України 2000. - С. 209 - 212.

4. Азюковський О.О. Синтез регулятора положення електропривода постійного струму // Збірник наукових праць НГА України №12. т.2. - Дніпропетровськ: РВК НГА України 2001. - С. 230 - 236.

5. Азюковський О.О. Покращання динамічних властивостей електромеханічної системи. Збірник наукових праць НГА України №9. Т.2 - Дніпропетровськ: РВК НГА України 2000. - С. 173 - 178 // ІІ Міжнародна науково - практична конференція “Проблеми та перспективи використання геоінформаційних техологій в гірництві” 15 - 17 травня 2000, НГАУ.

6. Довгань С.М., Азюковський О.О. Підвищення динамічної точності слідкуючого електропривода прокатного стана малолистових ресор. Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут.” Збірник наукових праць. Тематичний збірник наукових праць, Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика.: - Харків: НТУ “ХПІ”, 2002, № 12 - Т.1, С. 216 - 217 // Міжнародна науково - технічна конференція “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика” Крим, Ялта, 16 - 21 сентября 2002 г.

7. Довгань С.М., Азюковський О.О. Адаптація системи автоматичного керування електроприводом до наявності ковзання натискуючих валків по поверхні металу // Збірник наукових праць НГА України №15. т.2. - Дніпропетровськ: РВК НГА України 2002. - С. 209 - 213.

Анотація

Азюковський О.О. Слідкуюча електромеханічна система з покращеними динамічними характеристиками у складі прокатного стану малолистових ресор. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи. - Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2003.

Дисертація присвячена питанням підвищення динамічної точності слідкуючого електропривода постійного струму натискних гвинтів прокатного стана малолистових ресор шляхом використання регулятору положення другого ступеня без підпорядкованого контуру швидкості.

У дисертаційній роботі вперше обґрунтована можливість використання регулятору положення другого ступеня без підпорядкованого контуру швидкості з метою підвищення динамічних показників слідкуючої електромеханічної системи.

Вперше отримані залежності величин коефіцієнтів підсилення синтезованого регулятору від параметрів об'єкта керування і часу тактування, що дозволяють у випадку зміни параметрів об'єкта керування проводити переналагодження системи автоматичного керування. Досліджено вплив сигналів перешкод у прямому й у зворотному каналах керування на точність відпрацьовування керуючого впливу в залежності від швидкості прокатки. Розроблені алгоритми адаптації до наявності ковзання катаючих валків по поверхні металу під час формоутворення профілю змінного по довжині прокату прямокутного перетину, що дозволяють підвищити точність формоутворення на максимально припустимій швидкості прокатки.

Ключові слова: слідкуюча електромеханічна система, електропривод постійного струму, спостерігач стану, прокатний стан, натискні гвинти, ресорний лист змінного по довжині перетину.

Аннотация

Азюковский А.А. Следящая электромеханическая система с улучшенными динамическими характеристиками в составе прокатного стана малолистовых рессор. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. - Национальный горный университет, Днепропетровск, 2003.

Диссертация посвящена вопросом повышения динамической точности следящего электропривода постоянного тока нажимных винтов прокатного стана малолистових рессор, путем использования регулятора положения второго порядка без подчиненного контура скорости.

В работе доказана, основываясь на анализе полученных результатов в ходе исследования объекта управления на математической модели, неоднозначность применения принципа комбинированного управления с учетом первой производной сигнала управления с целью повышения динамической точности следящей электромеханической системы.

В диссертационной работе впервые обоснована возможность использования регулятора положения второго порядка без подчиненного контура скорости с целью повышения динамических показателей следящей электромеханической системы с сохранением устойчивости системы.

Впервые получены зависимости величин коэффициентов усиления синтезированного регулятора от параметров объекта управления и времени тактования, что позволяет провести переналадку системы автоматического управления в случае изменения параметров объекта управления. Исследовано влияние сигналов возмущений в прямом и обратном каналах управления на точность отработки управляющего сигнала в зависимости от скорости прокатки. Разработаны алгоритмы адаптации к наличию скольжения прокатных валков по поверхности металла во время формообразования профиля переменного по длине проката прямоугольного пересечения, которые позволяют повысить точность формообразования на максимально допустимой скорости прокатки.

Разработано схемное решение устройства, реализующего синтезированный регулятор положения в цифровом виде, для следящей электромеханической системы без подчинённого контура скорости.

Ключевые слова: следящая электромеханическая система, электропривод постоянного тока, наблюдатель состояния, прокатный стан, нажимные винты, рессорный лист.

The summary

Azukovsky A.A. Watching electromechanical system with the improved dynamic characteristics in structure of the rolling mill of springs. - Manuscript.

Dissertation on reception of a scientific degree of the candidate of engineering science behind a speciality 05.09.03 - Electrotechnical complexes and systems. - National mining university, Dnepropetrovsk, 2003.

The dissertation is devoted by a question of increase of dynamic accuracy of the watching electric drive of a constant current of press screws of the rolling mill of springs by use of state regulator of the second degree without the subordinated contour of speed. The modernization of system of the electric drive, which is directed on increase of a production efficiency and expansion of hire, assists development of motor industry.

In dissertation for the first time proved opportunity of use state a regulator of the second degree without the subordinated contour of speed with the purpose of increase of dynamic parameters of watching electromechanical system.

For the first time is received dependence's of sizes of factors of amplification (strengthening) synthesized regulator from parameters of object of management and time quantize, that permit to lead the system of automatic control in a case of changing the parameters of object management. The influence of signals of obstacles in direct and in opposite channels management on accuracy of improvement of a signal management is investigated depending on speed. Developed algorithms of adaptation to presence of sliding mill on a surface of metal in time of a structure replaceable on length of hire of rectangular crossing, which permit to raise accuracy on as much as possible allowable speed work.

Key words: watching electromechanical system, electric drive of a constant current, observer of a condition, rolling mill, press screws, springs sheet.

Размещено на Allbest.ru