Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса автоматизации помольно смесительного оборудования и постановка задачи исследования 14
1.1. Оценка уровня автоматизации помольно-смесительного оборудования 14
1.2. Анализ методов уравновешивания кривошипно-ползунного механизма центробежного помольно-смесительного агрегата 20
1.3. Современное состояние развития систем автоматического уравновешивания применительно к измельчительному оборудованию 25
1.3.1. Общие вопросы создания систем автоматического уравновешивания 25
1.3.2. Автоматическое уравновешивание с применением следящих систем 27
1.3.3. Экстремальные системы автоматического уравновешивания 31
1.3.4. Cистемы автоматического уравновешивания центробежного помольно смесительного агрегата c эталонной моделью 41
1.4. Выводы. Формулировка цели и постановка задач исследования 43
2. Разработка и исследование математической модели центробежного помольно-смесительного агрегата как объекта автоматизации 46
2.1. Помольно-смесительный агрегат как объект управления процессом уравновешивания 46
2.2. Разработка и исследование компьютерной модели уравновешивания центробежного помольно-смесительного агрегата 57
2.3. Анализ полученных моделей уравновешивания центробежного помольно смесительного агрегата 64
2.4. Построение и исследование виртуального прототипа центробежного помольно-смесительного агрегата 71
2.5. Идентификация помольно-смесительного агрегата в форме его виртуального прототипа и обоснование использования системы автоматического демпфирования колебаний 78
2.6. Выводы 85
3. Разработка и исследование систем автоматического подавления вибрации помольно-смесительного агрегата 87
3.1. Определение параметров колебаний СЭР с запоминанием экстремума для автоматического подавления колебаний помольно-смесительного агрегата 87
3.1.1. Определение устойчивости периодического решения и показателей качества работы СЭР с запоминанием экстремума без учета дрейфа 88
3.1.2. Анализ работы СЭР с запоминанием экстремума c учетом дрейфа 98
3.2. Анализ методов повышения качества систем экстремального управления подавлением вибрации помольно-смесительного агрегата 103
3.3. Разработка структуры комбинированной системы автоматического подавления вибрации 105
3.4. Выводы 112
4. Экспериментальное исследование экстремальной комбинированной системы автоматического демпфирования колебаний центробежного помольно смесительного агрегата 114
4.1. Разработка программного обеспечения функционирования экстремальной комбинированной системы автоматического демпфирования колебаний 114
4.2. Компьютерное моделирование экстремальной комбинированной системы автоматического подавления вибрации с обучением 123
4.3. Разработка модульного устройства для автоматического демпфирования колебаний помольно-смесительного агрегата 129
4.4. Совместное компьютерное моделирование механической части и системы экстремального управления на основе виртуального прототипа 131
4.5. Опытно-промышленные испытания и апробация помольно-смесительного агрегата с экстремальной комбинированной системой автоматического демпфирования колебаний 138
4.6. Выводы 140
Основные выводы и результаты работы 142
Список литературы 145
- Современное состояние развития систем автоматического уравновешивания применительно к измельчительному оборудованию
- Анализ полученных моделей уравновешивания центробежного помольно смесительного агрегата
- Определение устойчивости периодического решения и показателей качества работы СЭР с запоминанием экстремума без учета дрейфа
- Компьютерное моделирование экстремальной комбинированной системы автоматического подавления вибрации с обучением
Введение к работе
Актуальность. Промышленность строительных материалов в наше время представляет собой сложную многоотраслевую систему в общей промышленности Российской Федерации и занимает важное место в экономике. На современном этапе экономического развития России эта отрасль индустрии не только не утратила своего значения, но во многом даже и увеличила свой престиж, а значит и повысилось потребление различных строительные материалов, таких как кирпич, бетон, цемент, асбест и другие.
Производство цемента – это технически сложный и многоступенчатый процесс. В общем цикле производства существенную роль играет технологический процесс обжига клинкера в печи и последующее его охлаждение в колосниковом холодильнике. Технический уровень современной промышленности определяется уровнем ее автоматизации. Поэтому столь важно рассмотреть вопрос о возможности автоматизации такого сложного процесса, как охлаждение клинкера в колосниковом холодильнике.
Температура клинкера на выходе из вращающейся печи составляет 1200 – 1300 oC. Быстрое его охлаждение способствует фиксации жидкой фазы в стекловидном состоянии, препятствует росту кристаллов клинкерных минералов, замедляет разложение алита, что улучшает размол и активность клинкера.
С другой стороны, подача во вращающуюся печь вторичного воздуха с максимально возможной температурой приводит к снижению расхода топлива, уменьшению температуры отходящих газов, улучшению условий образования обмазки в зоне спекания и снижению температуры корпуса печи.
Таким образом, процесс охлаждения клинкера направлен на достижение следующих целей:
– минимизацию температуры клинкера;
– максимальную рекуперацию тепла в печь.
Использование автоматизированной системы управления колосниковым холодильником позволит стабилизировать режим охлаждения клинкера за счет управления подачей вторичного воздуха в различные камеры печи и отводом тепла в окружающую среду. Существующие системы управления колосниковым холодильником при производстве цемента по мокрому способу лишь предоставляют доступ к показаниям датчиков и возможность дистанционного управления исполнительными механизмами агрегата. Таким образом, задача управления процессом охлаждения ложится на плечи оператора. Такой системе присущи все недостатки ручного управления:
– работа системы в неэффективном режиме, что приводит к снижению качества готовой продукции и увеличению затрат на энергоресурсы;
– возникновение нештатных ситуаций, обусловленное так называемым ”человеческим фактором”. Для создания системы автоматизированного управления процессом охлаждения клинкера необходима математическая модель внутренних процессов (движение клинкера по колосникам, аэродинамика холодильника и теплоотдача от воздуха к клинкеру), протекающих в холодильнике. Возможности совершенствования разработанных систем управления холодильником далеко не исчерпаны. Перспективным является применение микропроцессорной техники и создание более совершенных алгоритмов управления на основе моделей, построенных с применением математического аппарата дробной динамики и динамических нейронных сетей.
Объектом исследования является процесс охлаждения клинкера в колосниковом холодильнике при производстве цемента.
Предмет исследования – алгоритмы, модели и методы управления колосниковым холодильником.
Цель диссертационной работы – повышение энергоэффективности колосникового холодильника за счет создания системы автоматизированного управления процессом охлаждения клинкера на базе математических моделей, полученных путем анализа статистической информации о работе холодильника во время пуска и в номинальном режиме работы агрегата. Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач:
– разработке метода получения математической модели в форме передаточных функций дробного порядка сложного объекта управления на основе статистической информации о работе объекта; – получению математической модели колосникового холодильника в форме динамических нейронных сетей и передаточных функций дробного порядка на основе разработанного метода; – синтезу управляющих устройств дробного порядка с использованием
модифицированного метода корневого годографа; – созданию структуры автоматизированной системы управления
теплообменом в колосниковом холодильнике. Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории автоматического управления, теории нейронных сетей, дробной динамики, статистической обработки информации, математического моделирования и математической физики.
Достоверность обеспечивается корректным и обоснованным применением положений и методов автоматического управления, а также положительными результатами компьютерного моделирования разработанной системы управления колосниковым холодильником, не противоречащих реальному протеканию процесса охлаждения клинкера.
Научную новизну работы составляют:
– патентозащищенный метод идентификации сложных объектов управления дробного порядка (патент РФ №2592464), отличающийся возможностью получения математической модели сложного теплотехнологического объекта управления в форме передаточных функций дробного порядка на основе использования промежуточных моделей в классе рекуррентных нейронных сетей; – модифицированный метод аппроксимации Симою по кривой разгона, отличающийся применением дробного порядка интегро-дифференциальных преобразований; – модификация метода корневого годографа применительно к решаемой задаче синтеза устройств управления дробного порядка, отличающаяся использованием зависимостей показателей качества объектов дробного порядка от расположения корней на плоскости комплексной переменной ; – математическая модель динамики колосникового холодильника в классах динамических нейронных сетей и передаточных функций, отличающаяся применением интегро-дифференциальных преобразований дробного порядка. Практическая значимость работы заключается в:
– повышении энергоэффективности процесса охлаждения за счет повышения температуры вторичного воздуха благодаря применению автоматизированной системы, использующей синтезированные законы управления дробного порядка, на основе математической модели колосникового холодильника, полученной в результате анализа статистических данных о работе системы в номинальном режиме;
– оригинальном программном приложении расчета и идентификации параметров модели по статистической информации о реальных процессах в колосниковом холодильнике, которое может применяться для идентификации других сложных объектов управления.
Внедрение результатов исследований:
– алгоритмы и программы внедрены в учебном процессе в рамках реализации учебного плана подготовки бакалавров и магистров по направлениям подготовки 15.03.04, 15.04.04. – предложенный подход и структура алгоритмов рекомендованы для внедрения в рамках соглашения между БГТУ им. В.Г. Шухова и АО «Себряковцемент», где проведены испытания предлагаемых алгоритмов управления колосниковым холодильником, которые выявили эффективность предложенных алгоритмов управления процессом охлаждения клинкера; На защиту выносятся положения, составляющие научную новизну работы и структура системы управления колосниковым холодильником, а также результаты компьютерного моделирования.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Диссертационные исследования соответствуют паспорту специальности 05.13.06 – «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (строительство и ЖКХ) по областям исследования пп. 4 – ”Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация” и 6 – ”Научные основы, модели и методы идентификации производственных процессов, комплексов и интегрированных систем управления”. Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Математические методы в технике и технологиях» – ММТТ-25 (Харьков: 2012), на 55-й Международной научной конференции МФТИ «Проблемы 13 фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе» (Долгопрудный: 2012), на международной конференции TEMPUS GreenCo meeting in frame of PACET Conference (Греция, Янина: 2015), а также на ежегодных научно-практических семинарах кафедры «Техническая кибернетика» (2010–2015 гг.).
Связь работы с научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами и научно-техническими программами. Основные научные исследования выполнены в рамках гранта РФФИ «Синтез адаптивных и нечетких позиционных энергосберегающих систем автоматизации теплотехнологических объектов, машин и механизмов» (проект №14-41-08009), гранта № А – 20/12 программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 г.г. (№ 2011-ПР-146) и гранта TEMPUS GREENCO (проект №530270-TEMPUS-1-2012-1-UK-TEMPUS-JPCR), федеральной целевой программы №14.577.21.0193 от 27 октября 2015 «Разработка роботизированного комплекса для реализации
полномасштабных аддитивных технологий инновационных материалов, композитов, конструкций и сооружений».
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 12 печатных работах (пять научных статей опубликованы в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, одна статья – в сборнике материалов конференции, индексируемом SCOPUS).
Личный вклад соискателя Все разделы диссертационной работы написаны лично автором. Результаты исследований получены им самостоятельно, либо при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 94 наименований, изложенных на 122 страницах машинописного текста, включая 8 таблиц 85 рисунков и 5 приложений на 25 страницах.
Современное состояние развития систем автоматического уравновешивания применительно к измельчительному оборудованию
Вибрационная активность (виброактивность) агрегатов и машин [41] во многом определяется неуравновешенными инерционными силами и моментами вращающихся и возвратно-поступательно движущихся масс. Для уменьшения негативных колебательных явлений в узлах и деталях ПСА необходимо осуществлять уравновешивание кривошипно-ползунного механизма. Механизм называется статически уравновешенным, если в нем уравновешены силы инерции при неуравновешенных моментах последних [57]. Соответственно, если уравновешены силы инерции и их моменты, то такое уравновешивание будет динамическим. Исследованием вопросов уравновешивания пространственных механизмов занимались многие российские и зарубежные ученые. Большой вклад в изучение этих вопросов внесли российские ученые: И.И. Артоболевский [6–7], В.А. Щепетильников [150], И.Г. Бруевич [22], Нестеренко В.П. [75], Кожевников С.Н. [57] и зарубежные: Ф.М. Ланчестер [166], Р.С.Беркофф, М.Р. Смит, В. Г. Аракелян [152–154] и др.
Согласно этим исследованиям методы уравновешивания кривошипно-ползунных механизмов можно разделить на следующие основные группы:
1. Уравновешивание противовесами, присоединенными к звеньям [6–7, 150]. Этот метод базируется на разнесении масс механизма путем добавления противовесов к движущимся звеньям, при котором центр масс не изменяет своего положения и, следовательно, отсутствуют возмущающие силы.
При использовании двух противовесов, присоединенных на продолжении шатуна и кривошипа, обеспечивается полное уравновешивание сил инерции кривошипно-ползунного механизма. Такое уравновешивание может быть с успехом применено в ряде случаев, например, при статическом уравновешивании подъемных столов прокатных станов и аналогичных механизмов, в которых при перемещении центра тяжести возникает большой величины момент на начальном звене [57]. Величина этого момента, следовательно, и мощность двигателя могут быть значительно снижены, если механизмы подъемных столов будут уравновешены. Однако расположение противовеса на продолжении шатуна ведет к появлению добавочных нагрузок в шарнирах направляющей ползуна, и существенно увеличивают массу всего механизма. Поэтому подобное полное уравновешивание результирующей силы инерции звеньев кривошипно-ползунных механизмов, несмотря на все его динамические достоинства, на практике применяется редко [7]. Вместо этого широкое применение находит частичное статическое уравновешивание одним противовесом, располагаемым на продолжении кривошипа.
2. Уравновешивание гармоник необходимого порядка неуравновешенных сил инерции и их моментов с помощью встречно вращающихся масс [6, 154, 166, 168]. Эти решения базируются на методах гармонического анализа. Снижение инерционных эффектов достигается в первую очередь путем уравновешивания определенных гармоник возмущающих сил и моментов. Неуравновешенные силы и моменты аппроксимируются посредством разложения в ряд Фурье, после чего с помощью специальных приспособлений уравновешиваются для каждого частотного порядка [150]. Например, для уравновешивания силы инерции первого порядка может быть использовано приспособление Ланчестера [166] с расположением противовесов, представленным на рисунке 1.2.
При помощи аналогичных приспособлений можно уравновесить силы инерции другого порядка, а также их момент путем подбора статических моментов уравновешивающих масс.
Неудобством данного метода является необходимость устанавливать такое количество приспособлений, которое соответствует числу уравновешиваемых сил инерции и моментов различного порядка. Однако этот подход успешно применяется для балансировки двигателей внутреннего сгорания.
3). Самоуравновешивание с использованием двойного механизма [6, 83–84, 131, 154]. Добавление осесимметричных дублированных механизмов фиксирует положение центра масс и соответственно балансирует возмущающую силу. Этот подход предусматривает построение самоуравновешенной механической системы, в которой два одинаковых механизма выполняют похожие, но противоположные движения (рисунок 1.3). В этом случае возмущающее усилие полностью взаимоисключается или возможно осуществление частичной балансировки. Следует отметить, что данный метод реализован в двухветвевом ПСА с параллельными помольными блоками [134], однако за счет дублирования конструкции первоначальный механизм значительно усложняется.
Самоуравновешивание кривошипно-ползунного механизма с использованием двойного механизма На рисунке 1.3: 1, 2 – противовесы; 3 – кривошип; 4 – шатун; 5 – ползун 4. Уравновешивание с использованием явления самосинхронизации [51, 75]. В этом методе уравновешивание осуществляется автоматически за счет синхронизации движения маятников и кривошипа (рисунок 1.4). Рисунок 1.4 – Уравновешивание кривошипно-ползунного механизма с использованием явления синхронизации На рисунке 1.4: 1, 2 – маятники, подвижно установленные на оси кривошипа – 3; 4 – шатун; 5 – ползун; 6 – компенсирующая масса.
Данный способ используется для уравновешивания механизма проходческого комбайна для горных выработок [23]. Недостатком является сложность, а в некоторых случаях невозможность создания механизмов движения маятников. 5. Уравновешивание при помощи шарнирно-рычажных уравновешивающих устройств [85, 145, 152]. Такое шарнирно-рычажное уравновешивающее устройство может быть образовано, например, с помощью специальных стержней образующих ромбоид (рисунок 1.5), за счет чего может осуществляться полное динамическое уравновешивание кривошипно-ползунного механизма при любых режимах его работы [85]. 12 13 6572 1 4 11 10 Рисунок 1.5 – Уравновешивание кривошипно-ползунного механизма с использованием шарнирно-рычажного уравновешивающего устройства На рисунке 1.5: 1 – стойка; 2 – направляющая; 3 – кривошип; 4 – шарнир; 5, 7, 8, 12, 13 – шарниры; 6 – шатун; 9, 10 – стержни. Однако уравновешивание с помощью данного метода требует значительного усложнения конструкции, ввиду чего использование его для ПСА не предусматривается. Существуют также и другие методы уравновешивания кривошипно-ползунного механизма [154], но из всех методов, наиболее подходящим для применения в ПСА является метод с противовесами, присоединенными к звеньям. Это обусловлено в основном тем, что использование такого метода не предполагает существенных изменений в конструкции агрегата, поэтому на его базе можно создать системы с принудительным автоматическим перемещением противовесов для компенсации изменения масс помольных камер агрегата в процессе помола.
Анализ полученных моделей уравновешивания центробежного помольно смесительного агрегата
Основным технологическим фактором снижения уровня колебаний агрегатов и машин, как известно, является выбор оптимального способа уравновешивания роторной системы [117]. Выбор способа уравновешивания производится на основе выявления (идентификации) статических и динамических свойств системы ротор-статор-фундамент и факторов, влияющих в эксплуатации на степень демпфирования колебаний. Решение задачи идентификации с точки зрения теории автоматического управления предполагает определение структуры модели и ее параметров исходя из анализа состояния выходных переменных объекта при изменении режимов работы и параметров объекта [20, 52, 70].
При рассмотрении процесса уравновешивания выходными параметрами объекта управления, поддающимися автоматическому контролю, являются показатели колебаний узлов и деталей ПСА, радиальные нагрузки, косвенно определяемые по давлению масла в опорных подшипниках [12, 16, 167] и момент сопротивления на валу приводного двигателя при установке соответствующих датчиков. В качестве входных переменных в рамках налаженного технологического процесса помола, по сути, может выступать только лишь уравновешивающее воздействие в виде изменяющихся положений противовесов, поскольку остальные факторы, такие как коэффициент загрузки, частота вращения эксцентрикового вала, количество загруженного материала, помимо влияния на вибрационное состояние, оказывают непосредственное воздействие и на эффективность помола [115].
В определенном смысле получается многокритериальная Парето оптимизационная задача, где две целевых функции в заданной области определения конфликтуют между собой [56]. При работе агрегата в непрерывном режиме (в замкнутом цикле) ограничения, накладываемые на целевые функции, могут смещаться в сторону повышения вероятности безотказной работы, поскольку в случае поломки, как правило, перестает работать вся технологическая линия. В случае циклической загрузки материалом (периодический режим), т.е. при работе в так называемом режиме помола по требованию, на первый план выходит эффективность измельчения при достаточной степени надежности. Кроме того, поддержание минимального уровня колебаний дает возможность увеличения границы допустимых скоростей вращения, что может увеличить эффективность помола. В любом случае для оценки эффективности уравновешивания, разработки и моделирования систем управления необходимо располагать моделью уравновешивания центробежного помольно-смесительного агрегата. В исследовании [119] получена регрессионная модель в виде зависимости среднеквадратичного значения (СКЗ) виброперемещения D направляющей ПСА от возмущающих факторов: величины положения дополнительного противовеса hD, коэффициента загрузки камер KL и частоты вращения n (рисунок 2.1). Рисунок 2.1 - Зависимость среднеквадратического значения виброперемещения основания направляющих от вынуждающих факторов: hD є [100; 150] мм; KL є [25;27]%; а) п = 320 об/мин; б) п = 336 об/мин Задание коэффициента загрузки предполагает, что ПСА работает в замкнутом цикле, т.е. поддерживается постоянный уровень загрузки измельчаемого материала, и все его камеры в процессе помола оказываются практически заполненными. При работе ПСА в открытом цикле перемещение материала в процессе помола от верхней помольной камеры в нижнюю вызывает более существенное неконтролируемое изменение положения центра масс по сравнению с работой в замкнутом цикле. Кроме того, регрессионная модель не отражает динамических свойств рассматриваемой системы. Как уже было отмечено в разделе 1.2, наиболее предпочтительным является способ статического уравновешивания с помощью противовесов, присоединенных к звеньям. Рассмотрим две динамические модели ПСА с двумя вариантами статического уравновешивания рычажного механизма: с помощью одного (рисунок 2.2,а) и двух противовесов (рисунок 2.2,б).
Для расчета динамических реакций применим принцип Даламбера: если к активным силам и реакциям связи, приложенным к точкам механической системы, добавить силы инерции, то полученная система сил будет уравновешенной [130]. Расчетная схема рассматриваемого механизма изображена на рисунок 2.3, где D и Е - противовесы, GA,GB и GC, - силы тяжести помольных камер А, В и С соответственно, GD и GE - силы тяжести противовесов D и Е, Ёи,Рд иРи - силы инерции помольных камер, Ё ,Щ - силы инерции противовесов, М - вращающий момент, приложенный к звену ОС, Rx , Ry соответствующие по осям координат реакции связи, приложенной к звену DC в точке О, N - сила нормального давления ползунов, связанных с верхней помольной камерой, на вертикальные направляющие ПСА (см. рисунок 1.1), р -угол, определяющий текущее положение механизма. В данной расчетной схеме расположение противовеса Е с плечом АЕ отличается от классического способа полного статического уравновешивания кривошипно-по лзунного механизма [150], в котором плечом противовеса является длина звена СЕ (см. рисунок 2.2,б). Однако при расчете данная схема позволяет в случае отсчета плеча второго противовеса Е в обратном направлении относительно точки А, с учетом длины шатуна С, получить значения динамических нагрузок и для известного варианта уравновешивания. Для упрощения расчета масса рамы и эксцентрикового вала приведена к соответствующим массам помольных камер, а весами звеньев DOC и САЕ, в силу их малости по сравнению с весами помольных камер и противовесов, пренебрегаем. Также пренебрегаем силой трения ползунов о вертикальные направляющие в связи с ее малостью, так как в них применяется специальная смазка.
Определение устойчивости периодического решения и показателей качества работы СЭР с запоминанием экстремума без учета дрейфа
Основными требованиями, предъявляемым к системам автоматического подавления вибрации центробежного помольно-смесительного агрегата, являются высокая точность балансировки, надежность и низкое энергопотребление. На основании полученного в разделе 2.5 математического описания и проведенного в разделе 1.3 анализа способов автоматической балансировки можно сделать вывод о целесообразности применения систем экстремального регулирования для автоматической балансировки ПСА с целью удовлетворения заданных требований при условии сокращения потерь на «поиск и рыскание». Однако такое сокращение приводит к частым включениям исполнительных механизмов, вследствие чего снижается надежность и долговечность механических элементов систем автоматического подавления вибрации, а также влечет за собой дополнительные потери энергии, что снижает энергоэффективность центробежных агрегатов в целом. Как уже было отмечено ранее, шаговые и градиентные системы экстремального регулирования не подходят для построения систем автоматического подавления вибрации, в том числе за счет высокодинамичного использования (большого количества переключений) исполнительных механизмов. СЭР с запоминанием экстремума имеет наименьшую амплитуду колебаний (которая фактически определяется лишь зоной нечувствительности сигнум-реле и динамикой системы) в точке экстремума в процессе поиска по сравнению с другими типами экстремальных регуляторов [5].
Выполним анализ системы экстремального регулирования с запоминанием экстремума с целью определения параметров колебательных движений. 3.1.1. Определение устойчивости периодического решения и показателей качества работы СЭР с запоминанием экстремума без учета дрейфа Математическое описание исполнительных устройств обеспечения перемещения противовесов в процессе работы ПСА, описанных разделах 1.3 и 3.1, без учета нелинейных эффектов может быть задано в виде передаточной функции (2.47). Тогда, обобщая полученную в разделе 2.5 информацию о виртуальном прототипе объекта управления, уравнения его движения можно записать в следующем виде: \d
Первое уравнение системы (3.1) отражает динамические свойства исполнительного устройства в зависимости от управляющего воздействия, второе задает статические характеристики, имеющие унимодальный экстремальный дрейфующий характер. Данный дрейф определяют изменяющиеся во времени функции hD0(t) и Q0(t), обусловленные наличием неконтролируемых возмущений воздействующих на объект управления. Третье уравнение определяет динамическую часть объекта управления.
Система экстремального регулирования с запоминанием экстремума для указанного объекта управления без учета дрейфа характеристик, имеет структурную схему, представленную на рисунке 3.1. ЭР ЭХ Рисунок 3.1 – Структура системы экстремального регулирования Поскольку для такой нелинейной системы выполняется гипотеза структуры и фильтра (так как исполнительное устройство и динамическая часть проявляют свойства фильтра низких частот), то для анализа можно воспользоваться методом гармонической линеаризации. Определим параметры автоколебаний в системе экстремального регулирования по методу запоминания экстремума с помощью метода гармонического баланса [55, 74]. Движение системы экстремального регулирования, со структурной схемой, представленной на рисунке 3.1, можно представить в виде следующей системы уравнений: k2-{hD-hD0f + Q0, hD hm; объекта управления; и = f1(Qd) - нелинейная статическая характеристика сигнум-реле экстремального регулятора (рисунок 3.2), алгоритм работы которого описан в разделе 1.3.3.
Статическая характеристика сигнум-реле На заданной характеристике уровень Qmin является переменным (запоминается в запоминающемся устройстве только при уменьшающемся значении Qd). Для упрощения расчетов перенесем начало координат в уравнении статической характеристики объекта управления Q = f{hD) в точку минимума (hDO;Qo). Тогда можно записать Q = f(hD) krhD,hD 0, k2-hD2, hD 0. частот), то для анализа можно воспользоваться методом гармонической линеаризации. Определим параметры автоколебаний в системе экстремального регулирования по методу запоминания экстремума с помощью метода гармонического баланса [55, 74]. Движение системы экстремального регулирования, со структурной схемой, представленной на рисунке 3.1, можно представить в виде следующей системы уравнений: k2-{hD-hD0f + Q0, hD hm; объекта управления; и = f1(Qd) - нелинейная статическая характеристика сигнум-реле экстремального регулятора (рисунок 3.2), алгоритм работы которого описан в разделе 1.3.3.
Статическая характеристика сигнум-реле На заданной характеристике уровень Qmin является переменным (запоминается в запоминающемся устройстве только при уменьшающемся значении Qd). Для упрощения расчетов перенесем начало координат в уравнении статической характеристики объекта управления Q = f{hD) в точку минимума (hDO;Qo). Тогда можно записать Q = f(hD) krhD,hD 0, k2Нелинейная статическая характеристика, заданная уравнением (3.3), порождает вторую гармонику колебаний, поэтому в разных частях системы будут автоколебания с разной частотой. Если частоту выходных колебаний объекта обозначить как со , тогда частота колебаний выхода релейного регулятора и движения исполнительного устройства будет равна co/2.
Компьютерное моделирование экстремальной комбинированной системы автоматического подавления вибрации с обучением
Следовательно, условие переключения исполнительного механизма выглядит следующим образом К {{kИМt + hD)-hD0- W)2 + Qo + кQ0 = Qn+ 6mm + kQff. (3.32) Откуда по аналогии с вышеописанным можно определить время, через которое происходит переключение At = \t\ = 2 fe + Q Q ) (3.33) кО(кИМ-кhD0У Поскольку движение начинается от момента времени t = 0, то минимум функции (3.31) достигается когда t Q„ + Qmm Qo (334) к0{кИМ-кhD() Таким образом, также выполняется условие t ZZ At 2 Следовательно, траектория дрейфа статической характеристики (точечная кривая) представляет собой срединное значение пилообразной переключательной функции изменения входной координаты hD. Для ее определения необязательно производить измерения положений корректирующих масс (что затруднено, в силу их расположения на вращающихся частях ПСА), а достаточно в процессе идентификации запоминать проинтегрированные выходные сигналы с экстремального регулятора и, затем, поскольку коэффициент усиления интегратора не влияет на получаемые срединные значения, в конце цикла загрузки, применить методы усреднения к запомненным данным. Следует заметить, что при различии коэффициентов к} и к2 статической характеристики возникает погрешность идентификации, за счет более быстрого возрастания выхода при изменении входа с постоянной скоростью. Также к возрастанию погрешности приводит наличие инерционности, и запаздывания в динамической части. Для ПСА различия коэффициентов и указанные динамические свойства незначительны, ввиду чего предполагается, что погрешность идентификации будет в пределах допустимой. Однако данное утверждение необходимо далее подтвердить в процессе моделирования. Полученную в результате обучения траекторию дрейфа на последующих циклах необходимо преобразовывать в соответствующее управляющие воздействие, подаваемое на вход объекта управления. Также необходимо предусмотреть возможность компенсации ошибки, накопленной в результате программного движения или вследствие наличия погрешности идентификации на стадии обучения.
В соответствии с вышеизложенным, была разработана оригинальная структура экстремальной комбинированной системы автоматического подавления колебаний ПСА, представленная на рисунке 3.13.
На рисунке 3.13: ОУ – объект управления; ИУ – исполнительное устройство; УПУ – усилительно-преобразовательное устройство; ДВгр – датчик выгруженного материала; ДЗгр – датчик загруженного материала; ДВ – датчик вибрации; КМ – компаратор массы; КВ – компаратор вибрации; БУП – блок управления памятью; БП1, БП2 – блоки памяти; ЭР – экстремальный регулятор; БУР – блок управления регулятором; Инт – интегратор; БА – блок аппроксимации; К – ключ; ЛС – логическая схема, УУ – устройство управления. 111 Согласно данной структуре, система управления на первом цикле помола, определяемом по сигналу з, осуществляет идентификацию дрейфа статической характеристики с помощью проведения обучающего поиска, который может быть осуществлен экстремальным регулятором с запоминанием экстремума и постоянной скоростью движения корректирующей массы и зоной реверса, определяемой необходимой помехоустойчивостью. В процессе обучения запоминаются текущие значения колебаний (в блоке памяти БП1) и проинтегрированные значения управляющих воздействий (в блоке памяти БП2) с экстремального регулятора ЭР uI, которые после момента окончания цикла помола (определяемом сигналом XКМ, вырабатываемом компаратором массы КМ при равенстве массы загруженного материала и выгруженного, измеряемых датчиками загрузки ДЗгр и выгрузки ДВгр соответственно) усредняются и запоминаются их срединные значения uIср вместо текущих с помощью блока идентификации дрейфа БИД. На последующих циклах после начала цикла загрузки включается программное движение по полученной на первом цикле траектории дрейфа, что вызывает, в случае идентичного дрейфа, движение к экстремуму статической характеристики без необходимости осуществления поисковых движений и потерь на рыскание. При этом постоянно производится сравнение текущего уровня вибрации, определяемого с помощью датчика вибрации ДВ, с аналогичным значением, запомненным на первом цикле. При превышении разности на устанавливаемую зону нечувствительности, определяемую из условия допустимой погрешности отклонения, компаратор вибрации КВ вырабатывает сигнал XКВ, подаваемый на блок управления регулятором БУР. Это приводит к включению системы поиска экстремума вибрации на три поисковых движения с последним движением, равным по времени половинному интервалу предыдущего движения, что способствует снижению ошибки слежения за экстремумом, накопленной в результате программного движения.
Таким образом, в приведенной структуре реализовано два канала управления. Первый канал содержит экстремальный регулятор ЭР, который в зависимости от состояния блока управления регулятором БУР, может работать в режиме постоянного поиска или в режиме трех поисковых движений с последним движением равным по времени предыдущему. Второй канал преобразует в блоке БА проинтегрированные интегратором Инт импульсы управления иэ в задание направления и скорости движения корректирующей массы посредством блока усилительно-преобразовательного устройства УПУ и исполнительного устройства ИУ. Блок управления памятью БУП определяет режимы работы блоков памяти БП1 и БП2 (чтение или запись), а также блока идентификации дрейфа БИД. Переключение каналов осуществляется при помощи ключа К в зависимости от состояния логической схемы ЛС, на которую приходит сигнал начала нового цикла помола а, и сигнал с блока управления регулятором уЭР