Преддипломную практику я проходил во ВНИИМЕТМАШ и диплом писал на тему «Разработка системы электропривода летучих рычажных ножниц обводной линии непрерывно-заготовочного стана НЗС 850/700/500». Помимо обязательной, проектной, части в дипломе решалась творческая задача поиска оптимального закона управления приводом ножниц. Использованные подходы к оптимизации заложили фундамент и для моей кандидатской диссертации. Несмотря на различия в кинематике однокривошипных и летучих ножниц, математическая постановка задачи оптимизации законов управления одинакова: требуется за заданный промежуток времени пройти заданное расстояние с наименьшими энергозатратами. Отличия касаются, главным образом, начальных и конечных условий, на которых ищется экстремаль.
Рассматриваемые в работе летучие ножницы предназначены для порезки раската сечением 200×200 мм на мерные длины, а также для зачистки его переднего и заднего концов. Регулирование мерной длины порезки предусматривается за счёт снижения частоты вращения двигателей в период между резами с выравниванием скоростей ножей и проката к моменту начала реза с учётом обгона на 7,5 %. Диапазон мерных длин составляет 4…6 м, допуск на длину — +50 мм. Скорость движения проката — 2,3 м/c. Длина раската до 43,8 м.
Летучие ножницы входят в состав обводной линии непрерывно-заготовочного стана НЗС. Кроме них в состав стана также входят подводящие и отводящие рольганги, датчики путевой автоматизации, и тянуще-следящие ролики. Задание на мерные длины формирует система оптимального раскроя. На приведённом ниже рисунке представлен план размещения оборудования и датчиков путевой автоматизации основной и обводной линий прокатного стана.
Кинематическая схема ножниц весьма примерная приведена справа. Двигатели передают усилие через редуктор на кривошип нижнего ножа, верхний нож приводятся в движение через замыкающее колесо.
Суть работы ножниц состоит в следующем. Раскат поступает на подводящий рольганг перед ножницами и зажимается тянуще-следящими роликами (на кинематической схеме не показаны). Далее раскат задаётся указанными роликами в ножницы с постоянной скоростью. Кривошипы ножниц вращаются навстречу друг другу, при этом ножи в зоне реза двигаются практически параллельно друг другу, и перемещаются в горизонтальном направлении со скоростью примерно равной скорости движения раската. Отрезаемые от раската заготовки мерной длины отскакивают от ножниц и падают на отводящий рольганг. Окружная скорость его роликов несколько больше скорости движения раската, задаваемого тянущими роликами, что позволяет быстрее отводить отрезанные заготовки, освобождая место для новых заготовок за ножницами. Во время реза должна выполняться синхронизация работы рольгангов и тянуще-следящих роликов с электроприводом летучих ножниц.
Задачей приведённой ниже дипломной работы являлась разработка системы автоматического управления электропривода рычажных летучих ножниц, для чего были выполнены: анализ объекта управления, разработка закона управления главным приводом ножниц, выбор электрооборудования и разработка силовой схемы, разработка структуры системы управления ножницами. Обязательными для диплома являлись «Технико-экономическое обоснование», «Разработка мероприятий по безопасной эксплуатации объекта» и т. п., но в этих разделах нет ничего примечательного, они такие же, как и у остальных моих одногруппников.
В дипломной работе предложено силовую часть привода реализовать по известной схеме на двух преобразователях постоянного тока TPD32, каждый из которых питает свой двигатель. Управление преобразователями должно осуществляться от контроллера GE Fanuc 90–70 по сети Profibus. Систему управления приводов предложено строить как трёхконтурную систему подчинённого регулирования с комбинированной коррекцией по управляющему воздействию. Внешний контур — контур положения, внутренние контур скорости и контур тока. Регулятор положения реализуется на контроллере. Регуляторы скорости и тока, а также распределение нагрузки между приводами — на функциональных блоках самих преобразователей. Для компенсации запаздываний, вносимых приводом, задание на ток и скорость могут подаваться с опережением по отношению к заданию положения. Величину опережения следует уточнять в процессе наладки.
Для повышения точности отработки системой управления задающего воздействия при наличии возмущений по моменту сопротивления и питающему напряжению предложено использовать изложенную в разделе 6.2 методику компенсации возмущений на основе модели объекта. Эта методика разработана мной и опубликована в сборнике «29 неделя науки», а также в Проблемах экономии топливно-энергетических ресурсов. В разделе 6.1 рассмотрены вопросы представления модели объекта дискретным фильтром, а также разработана программа для пакета Matlab, выполняющая идентификацию объекта регулирования по его переходной характеристике.
В пояснительной записке поставлена задача оптимизации законов управления и проанализированы полученные результаты. Основная же работа выполнена в приложениях. Кратко суть её приведена ниже.
Оптимизированный закон управления должен обеспечивать:
Для решения этих задач, траектория ножа разбивается на три зоны регулирования, в каждой из которых действует свой алгоритм управления.
В зоне регулирования мерной длины φу (см. рис. справа) выполняется снижение или увеличение скорости ножей для обеспечения реза заготовки необходимой длины. В этой зоне в приводе подаются задание на регулятор положения и добавки к заданиям на регуляторы скорости и тока. Добавка к заданию скорости рассчитывается как процент от производной задания положения по времени, а добавка к заданию тока — как процент от расчётного значения суммарного момента на кривошипном валу.
В зоне реза φр есть участок, момент сопротивления на котором превышает максимально допустимый рабочий момент двигателей. Часть энергии необходимая для реза на этом участке может покрываться только за счёт использования кинетической энергии самого механизма. При входе в зону реза частота вращения кривошипов летучих ножниц должна быть достаточно большой, чтобы линейная скорость ножей не опустилась ниже скорости движения проката, иначе ножи могут быть сломаны подпирающим прокатом. В этой зоне регулятор положения отключается, и на регулятор скорости подаётся задание, соответствующее скорости вращения кривошипа в момент начала реза. Для уменьшения динамической ошибки на регулятор тока подаётся компенсирующая расчётное значение момента сопротивления добавка. Она рассчитывается как процент от расчётного значения суммарного момента на кривошипном валу.
С точки зрения оптимизации наибольший интерес представляет первая зона — зона регулирования мерной длины.
Для обеспечения точного реза необходимо выполнить два кинематических условия: во-первых, режущая кромка ножа в момент начала реза должна совпадать c заданной границей отрезаемой заготовки, и, во-вторых, окружная скорость ножа должна в это время превышать скорость проката на 7,5 %. Для уменьшения динамической ошибки и снижения нагрузок на механизм должно производиться ограничение ускорения и рывка между зонами регулирования. С целью более плавного входа в зону реза и входа в зону регулирования, были приняты равными нулю ускорение и рывок в начале и в конце зоны регулирования. Всё изложенное в этом абзаце определяет граничные условия для поиска оптимального закона управления.
В моей дипломной работе при проектировании электропривода летучих ножниц предусмотрена реализация энергосберегающих режимов управления при регулировании мерной длины реза. По-научному говоря, решается вариационная задача о минимуме функционала методом Ритца. При использовании этого метода решение ищется на подмножестве частичных сумм допустимых в вариационной задаче координатных функций
В качестве координатных были приняты функции вида
wi(
В промышленных логических контроллерах, например, таких, как SIMATIC S7–300, разрядность чисел с плавающей запятой меньше, чем в ПК, поэтому упомянутые вычислительные проблемы на ПЛК начинаются гораздо раньше, чем на персоналках. (Но об этом я узнал через два года после защиты дипломной работы, когда возился в цеху со своим алгоритмом для двухкривошипных ножниц.)
Здесь представлена анимация летучих ножниц. Вы можете посмотреть траекторию движения их ножей, ухватившись мышкой за красную точку и вращая её вокруг центра кривошипа. Ну, или нажав кнопку «ПУСК».
В дипломной работе этой анимации, разумеется, не было. Сделал её я сейчас, в 2018 году, просто чтобы поупражняться в графике SVG.
© Жуков И. Б.
e-mail: ibzh@yandex.ru
При использовании материалов, пожалуйста,
ставьте индексируемую ссылку на сайт http://ibzh.eko3.ru/
| Число посетителей | |||
|
| Число посетителей | ||