Введение к работе
Актуальность проблем. На территории PCSCP эксплуатируются около 100 шлюзов, обеспечиваючглх в ряде случаев решаю -щую роль в транспортном потоке грузов страїш. Большинство из них построено Солее сорокз-пятидосяти лат назад п находятся в такой состоянии, когда согласно статистике, в связи с из -косом и старением рабочих элементов шлюзових систем, умень -иаетсл надежность их работа н,следовательно,сігижается пропускная способность. Вместе с тем резко увеличились габарити и осядкп шлюзуемых составов,их количество и интенсивность движения транспортного потоха по сравнешю со временем ввода иллзовашшх систем.Поэтому в настоящее время,особенно d европейских регионах страїш, требуется принимать неотлозоше керн вплоть до такій дорогостоянда проектов, как строительство параллельных шлюзов и дополнзтелышх камер, чтобы справиться с нарастающим транспортний грузовым н пассекирским потоком при обеспечении требуемой надежности работы шлюзов и их ко -ханзззиов.
В связи с отпм актуальной становится проблема внедрения регулируемых приводов с современной системой автоматического управления, реализующих программно-управляемые ускоренные рекимц фушщиишроваїшя основных технологических механизмов судопропускных сооружений, что существеию сокращает время шлюзования (до 45%) при одновременном повышении его надежности и уменьшении энергоемкости процесса.
Результаты всесторокннего изучения технологических особенностей и режимов работы основных механизмов, комплексное
4 п системное рассмотрение вопросов функционирования их приводов показало, что серьезным препятствием для повышения быстродействия и точности отработки гидравлических алгоритмов систеиаш управления являются сравштельно невысокая кест -кость иохэнококструкций и выявленные экспериментально неод -позначные нелинейности. Это определяет необходимость прове -дєішя исследований, направленных на разработку автоиатизиро-вошшх систеи управления электроприводам!, обеспечивающих предельно возможное быстродействие при программном двихзши иеханизыэ в специфических условиях окружающей среды, в ходе которых электропривод и исхакпзи должны рассиатріязаться как единая многоуровневая сложная упругая электроцеханогидравли-ческэл систем.
Диссергациошюя работа является теоретическим обобщением работ автора, направленных на реиеше проблевд управления осковннкл технологическими мехаїшзнаии судоходных шзозов.Народнохозяйственная важость решения этой, ироблекы определл -стел кеобходккостью реализации ускоренных алгоритмов пишзо -вшвіл, связанной каїс с увеличением пропускной способности плшовашіих водних систем, так и с повьішсшілм их надекности.
PoopuSoTamnjo в дассертзциоішой работе пршщипы постро-сігия систеи управления электроприводам и методики синтеза кесткнх и упругих систеи икєют значение не только для электроприводов основши технологичесіах механизмов судопропускных соорукешШ, но и для других обьсі;тов управления прошплешшх иехшгазиов.
Диссертациоішая работа являотся роэультатои участия автора в 10 хоздоговорных и госбюдзетннх НИР.
Цель работы. Целью работы является разработка электро -технических комплексов и решение проблемы управления элект -рсприводамі основних технологических механизмов судоходных шлюзов, как проблеми обеспечения высокой точности отработки гидравлических алгоритмов и предельно возможного быстродей -ствия на базе научных основ и практических способов совер -шенствования многодвигзтельннх приводов затворов и ворот с учетом выявленных экспериментально специфических особешюс -тей и закономерностей их функционирования при вариации пара-петров объекта управления, действии стохастических возмусе -ішй и во взаимосвязи электрических, иеханичесхих, гадравли -ческих и технологических факторов - что непосредственно на -правлено на повышение эффективности эксплуатации Еысокона -деншх и ответственных объектов водного транспорта.
Для достижения этой цели в диссертационной работе решены следущие задачи:
-
Определена степень взаимосвязи пока іателей зффек -тивности эксплуатации судоходных шлюзов, характеризувдах интенсивность судопропуска, с показателями регулируемых приводов и показателями механоконструкций технологических обьек -тов управления и выработаны направления их стратегической и локальной оптимизации.
-
Разработаны и обоснованы обобщенные технические требования к приводам отрасли, ыеханоконструкциям тягових органов, конструкциям системы наполнения п методика технике -экономического и технологического обоснования выбора привода для основных механизмов шлюза на базе системного оценивания и сравнения технических, технологических п экономических ха-
рактеристпк процесса судопропуска.
-
Разработано уточненное математическое описание обо-бкекной модели злектромеханогидравличаских систем основных механизмов судопропускннх сооружений на базе экспериментально выявленного комплекса технолопгческлх особеїшостей их функционирования, учитывающее упругие званья, элементы с распределенными параметрами, нелинейности (в том числе и неоднозначную зависимость усилий от пути и направления двиае -пил механизма f& = г(о)) и основные инерционные системы.
-
Проведен анализ и осуществлен синтез высокодинамич -шх СДУ скорости и положения (в том числе и координирующих систем) нногодвигательных приводов технологичесісих механиз -мов отрасли с учетом специфических особеїшостей их функцио -нирования.
-
Исследованы перспективные для гидротехшчесісих со -орухений САУ приводов: адаптивные, оптимальные и розработвна методшеа числеішой оценки качества асимптотической устойчи -пости синтезируемых структур.
6. Определим граісща влияния выявленных зкеперкыен -тально технологичесісих нелинейноетєй и достаточные условия отсутствия автоколебаний в нелинейных ДЗГ.'С стабилизации скорости и в следящих системах с различными тгшами регуляторов
П0Л05ІЄ1ШЯ.
7. Проведаны моделирование в эксперииенталыше исследования на разработашой физичеезеой модели (стенде) с параметрами, ядокватмага параметрам реального механизма, и внедренном приводе-дублере действующего гадротохшческого сооруко -ния с целью проверки работоспособности и эффективности син -
7 тезировшпшх алгоритмов управлення в отработка функциональных узлов и блоков нового, для ылюзов, типа привода, а также осуществлен комплекс мероприятий по внедрению результатов диссертации на действующих гидротехнических сооружениях.
Научная новизна.Новизна работы заключается в следующем.
I.Проведен оригинальный комплекс натурних электрошха-ническпх и гидравлических исследований, позволивши виявить важнейшие технологические особеїшоста функционирования основних механизмов шлюзов и их иногодвнгателыих приводов,что су-ществеїшо позволяет сократить вреия нз исследовательские и наладочные работы.
-
Обоснованы обобщенные технические требования к при -водам отрасли и к конструкциям систеш наполнения судопропу-сгашх сооружений и рассчитаны соответствующие номограммы.
-
Разработано уточненное математическое описаіше,базирующееся на выявленных экспериментально технологичеишх особенностях функционирования основных мехашізмов шлюза и поз -воливиэе учесть упругость кинематических передач, неодкоз -начную зависимость усилий от пути и направления движения затвора, которые в ранее опубликованных работах по данному объекту другими авторами не рассматривались.
-
Разработан широкий спектр методик синтеза жестких и упругих систем стабилизации скорости, следящих, координирующих и оптимальных систем, позволяющих обеспечивать: заданные технологическими режимами функционирования динамические по -казатели одновременно по управлению и возмущению и заданные динамические показатели при наибольшем быстродействии системы.
-
Обоснована структура координирующих систем злектро -привода технологических мехазшзмов судопропусгашх сооружений.
-
Разработаны диаграммы синтеза и кодограммы донами -ческих показателей по возмуиавдему воздействии от обобщен -ного параметра объекта управлєішл ( bz u*q), позволяющие впер -вые сформулировать технические требования к параметрам механических частей привода технологического-механизма.
-
Выявлены взаимосвязи параметров механической и электрической частей следящей упругой ДЭМС и рассчитаны соответствующие номограммы, позволяющие синтезировать основные па -раметры элементов механоконсгрукций или механизма в целом по звдашшм технологией функционирования значениям динамических показателей электрической части.
-
Доказано наличие автоколебаний в ЭМС технологических механизмов шлюзов, установлены их источники, определены достаточные условия отсутствия автоколебаний в нелинейных ДЭМС стаОилиэацаи скорости и следящих системах с различными регуляторами полохєішл и рассчитаны нонограипы предельного быстродействия, при котором обеспечивается асимптотическая ус -тойчивость упругих спстеи.
-
Для оценки качества асимптотической устойчивости линейных систем введена числовая характеристика к (а), позволяющая и характеризовать качествешше динамические параметры в переходных рехашах.
10. Обосновано применение для иногодвигательных приво -
дов основных технологических механизмов, в качество перспек
тивных САУ, адаптивных (обоснованы тип адаптации, структура
и иодель для данного класса махаїшзмов) и оптимальных спстеи,
позволяющих минимизировать затрати силовой энергии в пере -ходішх процессах.
II. Разработэк оригинальный стенд с параметрами, адек -ватными параметрам реальных технологических механизмов штю -зов, позволяющий отрабатывать синтезированные алгоритмы уп -равления в заданной икокостве рабочих и аварийных режимов.
Практическая ценность и реализация результатов работы в промышленности.
Практическая ценность работы состоит п тон, что осуществлено комплексное решение крупной народнохозяйственной проблемы - повышение пропускной способности шлюзованных водных путей п определяется теп, что все полученные в ней результаты доведены до инженерных решений и иогут быть непосредст -веішо использованы, что существенно сокращает время на пс -следования, наладку и проектирование приводов таких высоко -надекних и внсокоответственннх объектов управления, как ос -новине технологические механизмы судоходных шлюзов.
Разработанная физическая модель с параметрами, адекватный! параметрам реального иехакизиа, и внедренный электро -привод-дублер позволили впервые ззлокить основу для создания комплексной экспериментальной базы по исследованию и доведению до рабочего состояния перспективных, опытных и промышленных приводов для специ{ігческих и уникальных объектов водного транспорта, что чрезвычайно вакно для повышения интенсивности судопропуска на крайня загруженных водных магистралях европейской части страны.
Получены практігчески ваяннэ рекокендащга по проектиро -взішю как привода, так и иеханоконструкций тяговых органов и
10 системи наполнения. Разработанные принципи построения СУ в синтезированные алгоритмы управления реализованы во внедренном многодвигательном тиристорнои приводе постояішого тока на рабочей плоском подъемно-опускном затворе судоходного шлюза Новосибирского района гидросооружений, что позволяло существенно ускорив (до 45%) весь процесс судопропуска при обеспечении нормальных гидродинамических условий отстоя судов в камере и подходной канале, полностью исключить причини ава -рий, возникающих при шлязозаіши с постоянной скоростьи отк -рытия судопропускного отверстия.
Внедреше регулируемого привода позволило решить проб -лему интенсификации судопропуска без строительства дополни -тельной камеры шинованая. Аналогичные работы проводятся на затворах водопроводных галерей первой средней каперы Новосибирского шшза. Результати промышленных испытания и натурних исследований зафиксированы в соответствующих актах.
Факт внедрения и технический эффект, состоящий как в существенном увеличении быстродействия и точности отработки гидравлических алгоритмов приводом постоянного тока по сравнении с существующей электромеханической системой, так и в значительном сокращении времени судопропуска при сохранении нормальных гвдродинамическш условий отстоя судов в камере, уменьшении энергопотреблешя а увеличении кадсіаюсти фушща-онирования всего гидротехнического соорукения, зафиксирован!; в актах внедрения и заключении Российского Государственного Концерт Речного влога, приведенных в прилокении к дассер -тациозшои работе.
Материалы исследовании переданы в Главводпуть МРФ PCSCP
в форме отчетов по НИР и технических заданна и реализованы пря проектировании тиристорного электропривода постоянного тока рабочих плоских подъемно-опускных ворот Новосибирского щлгазя Санкт-Петербургским специальный конструкторский бюро гидротехнических стальных конструкций и механизмов "Ленгпд -росталь". В настоящее время проводятся проэкгше работы по разработка привода затпоров галорей первой средней камери Новосибирского шлюза, где также использованы материалы дис -сертациокной работа.
Полученные результаты с соответствующими коррективами, учитывающими особенности конкретных шлюзованных систем, мо -гут быть практически использованы длл всех шлюзов страны, а также при проектировании автоматизированных приводов разных промышленных объектов управления.
Материалы диссертационной работа, касающиеся принципов построения систем управления и методов синтеза тиристорних электроприводов постоянного тока с упругостью используются при чтении лекций для студентов специальности 21.05 в Ново -сибирском институте инженеров водного транспорта. Эти мате -риалы нашли отракеше в написанной автором монографій "Автоматизироваїпме приводы основных технологических механизмов илюзов",выпущенной издательствои "Наука". СиО.отд-я, 1991 г.
Достоверность результатов работы. Научные положения, вывода и рекомендации диссертационной работы подтверждены экспериментальными исследованиями на стенде с адекватными параметрами, электроприводе - дублере действующего гидротехнического сооружения и внедренной тиристорнои элек-
12 троприводе постоянного тока.
Достоверность научных положений подтверждена также практикой проектирования и проведеїшя пуско-наладочных работ при вводе в строй новых и при модернизации приводов сущест -вующих гидротехнических сооружений, что зафиксировано в ак -тах внедрения.
Основные научные результаты, выносимые на защиту.
-
Уточненное математическое описание электромеханической систеш основных технологических механизмов судоходных шлюзов с учетом ыногосвязности объекта управления а различ -ного рода упругих связей.
-
Инкекорлая методика синтеза высокодинашчных САУ скорости и положением технологических механизмов судопропусюшх сооружений с учетоц экспериментально выявленного комплекса технологичесішх особешюстей их функционирования.
-
Научно-обосновашше технические критерии проектиро -вания шюгодвихотельных приводов влюзов с учетоц взаимосвязи злектронєханачесісих, технологических и гидравлических факторов, влияния упругих связей а действующих характерных внеш -ішх лоздейсгвий.
-
Методика чяслешгой оценки качества асимптотической устойчивости синтезированных структур.
-
Достаточные условия отсутствия автоколебаний в нелинейных ДЭЫС стабилизации скорости и следяизх системах с различными регуляторами половеїгая, а такве аналитические зава -сішосги предельного быстродействия упругих систем с неодноз-илчзадга нелшюйностяаи.
-
Инженерные методики синтеза адаптивных и оптимальных
ІЗ систем, минимизирующих силовые потерн в переходных регхимах.
7. Принципы построения координлруюютс систем югогодвя-гательных приводов, обеспечивайте существенное повишезше точности и быстродействия по сравнению с примишомымл в настоящее время в ДЗЇ/С стабилизации скорости, ленащях в ос -нове этих систем.
Публикации. Основное содержание работа опубликовано в тридцати печатних трудах, среда которых одна монография.
Апробация работы. Основные положения работы докладавз -лись,обсуждались и были одобрены на ХХШ - XXXI научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Новосибирского института инженеров водного транспорта и За -падко - Сибирского научно - технического общества водного транспорта (г.Новосибирск, 1982 - 1990 г.г.), на XX - XXv конференциях молодых научных работников Санкт-Петербургско -го института водного транспорта совместно с Санкт-Петербургским бассейновым научно - техническим обиіеством водного транспорта (г. Санкт-Петербург, 1984 - 1989 г.г.), на vffl научно-технической и методической конференциях профессорско -- преподавательского состава и научных сотрудников Московс -кого института гагкенеров водного транспорта (г. Москва, 1986 г.), на распаренной производственно - техническом ко -ординацаонном Совете Главного Управления водных путей и гидросооружений (г. Волжск, 1982 г.), на Казахстанском респуб -ликанскоц научно - техническои семинаре НТО ВТ "Пути повышения надежности гидротехнических сооружений" (г. Усть - Ка -ценогорск, 1985 г.), на производственно - техническом Совете Управления Волго-Докскии судоходный каналом пм. В.И. Ле -
14 нила (Волгоград, 1906 г.)і на Всесоюзной конференции "Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения научно--технического прогресса" (г. Томск, 1990 г.), на научно --технических семинарах Института Промышленной Электротех -ники Высшей Инженерной Школы (г. Зеленая Гура, Польша, 1990 г.) и Института Электрои8Шикных систем Вроцлавскои По -литехники (г.Вроцлав, Польша, 1990 г.). а также на научно --технических семинарах Новосибирского института инженеров водного транспорта, Московского института инженеров водного транспорто а Новосибирского электротехнического института.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 277 наименовании и трех пршіокеїшй. Работа содержит 199 рисунков и таблиц на 167 страницах.Объем диссертации за исключением рисунков, таблиц и списка литературы составляет 297 листов машинописного текста.
