Цифровая система автоматического управления частотой и амплитудой колебаний виброуплотнения бетонной смеси

Актуальность темы

Строительная индустрия, широко развивающаяся в последнее время, предъявляет все более высокие требования к качеству бетонных и железобетонных изделий и прежде всего — к прочностным показателям, которые в значительной степени формируются на этапе виброуплотнения. Широко используемое в настоящее время вибрационное оборудование для производства бетонных и железобетонных изделий не может в полной мере решить данной проблемы. Это объясняется, в первую очередь, тем, что используемые в большинстве конструкций виброплощадок дебалансные возбудители с асинхронными двигателями не позволяют изменять амплитуду виброколебаний бетонной смеси в процессе уплотнения.

Применение управляемых силовых преобразователей частоты для питания асинхронных двигателей позволяет изменять лишь частоту колебаний, в то время, как анализ работ по исследованию технологических особенностей виброуплотнения бетонной смеси в форме показывает ярко выраженную необходимость автоматического регулирования, как частоты, так и амплитуды колебаний в технологическом цикле уплотнения. Поэтому совершенствование технологического процесса виброуплотнения бетонной смеси в форме связано, прежде всего, с разработкой замкнутых систем раздельного автоматического управления амплитудой и частотой колебаний.

При синтезе таких систем наиболее важным и мало изученным является вопрос совместной работы виброплощадки с двухдвигательным асинхронным дебалансным вибровозбудителем, обладающим возможностью автоматического изменения амплитуды колебаний, и бетонной смеси при уплотнении. В существующих публикациях не дается четкого определения объекта управления применительно к системам управления вибровозбудителем. Кроме того, при создании подобных систем необходима удобная для практического применения математическая модель асинхронного двигателя как динамического звена системы. В настоящее время не разработаны вопросы, связанные с синтезом систем автоматического управления амплитудой и частотой колебаний виброуплотнения бетонной смеси в форме на виброплощадке.

Таким образом, наиболее актуальными являются исследования, направленные на определение обобщенного объекта управления и разработку его математического описания, синтеза алгоритмов и создания устройств автоматического управления амплитудой и частотой колебаний при виброуплотнении. 5.

В диссертации рассмотрен комплекс теоретических и экспериментальных вопросов по математическому моделированию, синтезу и практической реализации цифровой системы автоматического управления амплитудой и частотой колебаний, позволяющих получить изделия с желаемыми показателями качества.

Настоящая диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы Самарской государственной архитектурно-строительной академии по теме «Автоматизированные системы в строительстве» (№ 1 970 005 686 Госрегистрации) и региональной научно-технической программе «Развитие научно-технического и инновационного потенциала Самарской области 2001;2005г.г.».

Цель работы. Повышение технологической эффективности процесса виброуплотнения бетонной смеси путем применения цифровой системы автоматического управления амплитудой и частотой колебаний. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка математического описания процесса виброуплотнения бетонной смеси в форме на виброплощадке, оснащенной двухдвигательным асинхронным де-балансным вибровозбудителем, как объекта управления.

2. Разработка нелинейной вычислительной модели частотно-регулируемого асинхронного двигателя как элемента объекта управления. Получение упрощенной линеаризованной аналитической модели двигателя.

3. Определение зависимости динамических характеристик объекта управления от изменения основных технологических режимов виброуплотнения бетонной смеси. Определение области управления амплитудой колебаний в диапазоне допустимых изменений относительного углового положения дебалансов. Оценка адекватности разработанной модели.

4. Структурный синтез цифровой системы управления амплитудой и частотой колебаний. Параметрическая оптимизация регуляторов по критерию максимального быстродействия перехода с одного технологического режима виброуплотнения на другой.

5. Создание вычислительных моделей объекта и двумерной цифровой системы управления частотой и амплитудой колебаний бетонной смеси, разработка методики и выполнение вычислительных экспериментов. 6.

6. Создание экспериментальных установок: для проведения опытных испытаний влияния амплитуды колебаний виброуплотнения на прочность бетонных изделий и для выполнения натурных экспериментов по исследованию динамических характеристик асинхронного двигателя.

7. Разработка варианта технической реализации системы управления амплитудой и частотой колебаний виброуплотнения бетонной смеси.

Методы исследования. При теоретическом анализе в диссертации использованы методы идентификации технологических объектов управления, линейных и нелинейных систем автоматического управления, теории электропривода, материаловедения, теории дискретных систем, а также методы математического моделирования на ПЭВМ.

Теоретические исследования подтверждены вычислительными экспериментами, проведенными с использованием пакетов прикладных компьютерных программ Mat-lab и Mathcad, а также результатами натурных исследований, проведенных на экспериментальных установках.

Научная новизна. Основные научные результаты:

— разработано математическое описание и создана вычислительная модель технологического процесса виброуплотнения бетонной смеси на виброплощадке, оснащенной двухдвигательным асинхронным дебалансным возбудителем, конструкция которого обеспечивает возможность управления частотой и амплитудой колебаний бетонной смеси в процессе виброуплотнения, как объекта управления;

— определены зависимости динамических характеристик объекта управления от изменения основных технологических режимов виброуплотнения бетонной смесисоотношения частоты и амплитуды, определяемого требуемой интенсивностью виброколебаний;

— предложен метод синтеза цифровой системы программного автоматического управления частотой и амплитудой колебаний бетонной смеси на виброплощадке, основанный на создании двумерной синхронно-следящей системы, замкнутой по углам поворота дебалансов возбудителя и по углу их относительного углового положения.

Практическая ценность результатов работы:

1. Разработан комплекс вычислительных моделей технологического процесса виброуплотнения бетонной смеси на виброплощадке, оснащенной двухдвигательным 7 возбудителем, и цифровой системы управления этим процессом. Предложена методика проведения вычислительных экспериментов;

2. Разработана инженерная методика создания цифровой синхронно-следящей системы автоматического программного управления двумя двигателями дебалансного вибровозбудителя;

3. Созданы две опытные установки, одна из которых оснащена цифровой системой управления частотой виброколебаний и предназначена для исследования влияния частоты виброколебаний бетонной смеси на качество бетонных изделий, а втораядля исследования динамических характеристик асинхронного двигателя при частотном управлении;

4. Разработана методика инженерного проектирования цифровой системы автоматического управления частотой и амплитудой виброколебаний, на основании которой предложен вариант технической реализации системы.

Реализация результатов работы. Основные результаты внедрены в практику создания систем автоматического управления виброколебаний бетона и в учебный процесс высших учебных заведений:

— в методике проектирования цифровых систем управления виброколебаниями бетона с двухдвигательным дебалансным возбудителем (при изготовлении изделий из пенобетона на АО «Коттедж» г. Самара).

— в методике изучения теоретических вопросов и постановки вычислительных и натурных экспериментов по исследованию динамики процесса виброуплотнения бетонных смесей и динамики асинхронного двигателя (Самарская государственная архитектурно-строительная академия).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: 11-ой международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» (Екатеринбург, 1998), второй международной научно-практической конференции «Информационные технологии в моделировании и управлении» (Санкт-Петербург, 2000), межвузовской научной конференции «Электротехнические системы и комплексы» (Магнитогорск, 2000), международной научно-технической конференции «Интерстроймех — 2002» (Могилев, 2002), третьей международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2002» (Санкт-Петербург, 2002).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных ра8 бот, в том числе 1 учебное пособие, подана 1 заявка на изобретение.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Математическая модель и структура процесса виброуплотнения бетонной смеси двухдвигательным дебалансным вибровозбудителем как объекта управления;

2. Структурный синтез цифровой системы автоматического управления амплитудой и частотой колебаний вибросмеси и параметрическая оптимизация регуляторов;

3. Результаты вычислительных и натурных экспериментов по исследованию динамики объекта и системы управления;

4. Алгоритмы программной реализации цифровых регуляторов системы управления.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 96 страницах машинописного текста, используемых источников 78 наименований на 7 страницах, и содержит 77 рисунков, 8 таблиц и 2 приложения. Общий объем работы 219 страниц сквозной нумерации.

Выводы по четвертой главе.

1. Создана на базе лабораторного вибростола установка, оснащенная цифровой системой управления скоростью дебалансного вибровозбудителя, для исследования влияния частоты колебаний стола на прочностные свойства бетонных изделий. Экспериментально установлена значительная зависимость прочности образцов бетонных изделий от частоты колебаний.

2. Создана экспериментальная установка для исследования динамики асинхронного двигателя. Разработана методика проведения экспериментов, в соответствии с которой экспериментально определены частотные и переходные характеристики двигателя. Эти характеристики позволили оценить адекватность разработанных нелинейной и линеаризованной моделей двигателя.

3. Синтезирована вычислительная модель объекта управления. Разработана методика постановки вычислительных экспериментов. Выполнены экспериментальные исследования многомерного объекта в режимах, максимально приближенных к эксплуатации системы.

4. Экспериментально оценена вариация параметров части объекта, охваченного обратной связью по углу двигателя. Установлено, что колебания бетонной смеси носят сложный характер, сочетая в себе низкочастотную и высокочастотную составля.

26 — Алгоритм программной реализации задатчиков частоты и амплитуды колебаний.

171 ющие, причем автоматическое управление происходит по высокочастотной. Показано, что низкочастотная составляющая вызвана многомассовостью динамической системы и упруго-диссипативными свойствами опор вибростола. Экспериментально определена резонансная область работы вибростола.

5. Создана вычислительная модель системы автоматического управления частотой и амплитудой колебаний. Она включает в себя нелинейный объект с ограничением по мощности силового преобразователя частоты, два идентичных блока регуляторов сепаратных трехконтурных следящих систем с одной измеряемой координатой и регулятор контура управления относительным угловым положением дебалансов. Произведена экспериментальная проверка аналитически выполненной параметрической оптимизации регуляторов системы и программного задатчика частоты колебаний.

6. Экспериментально определена зависимость амплитуды колебаний от относительного углового положения дебалансов. Доказана возможность автоматического управления амплитудой колебаний при сохранении интенсивности колебаний в процессе уплотнения бетонной смеси.

7. Разработана вычислительная модель цифровой системы программного управления частотой и амплитудой колебаний. Выполнены вычислительные эксперименты по оценке влияния на динамику системы квантования по уровню и по времени, обусловленные, дискретностью датчика и периодом замыкания цифровой системы, соответственно. Сформулированы требования к программируемому контроллеру и датчикам обратной связи.

8. Предложен вариант технической реализации системы программного управления частотой и амплитудой виброколебаний на базе программируемого контроллера С-60.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Показано, что для обеспечения автоматического управления амплитудой и частотой виброколебаний бетонной смеси непосредственно в процессе технологического цикла виброуплотнения в форме на виброплощадке необходимо эту площадку оснастить управляемым возбудителем. Установлено, что наиболее рациональной конструкцией возбудителя является вариант двухдвигательного дебалансного возбудителя, разработанного с участием автора настоящей диссертации.

2. Установлена взаимосвязь динамических процессов, протекающих в исполнительных двигателях дебалансного возбудителя, в виброплощадке, установленной на упругих опорах, и в бетонной смеси. Поэтому введено понятие объекта управления, который включает в себя: технологический процесс виброуплотнения бетонной смеси в форме на вибростоле, направленные вертикальные колебания которого создаются двухдвигательным асинхронным вибровозбудителем, обеспечивающим автоматическое изменение относительного углового положения дебалансов. В условиях известных допущений разработано математическое описание объекта. В качестве выходных координат принято: перемещения уб, у бетонной смеси и стола, соответственно, углы Ф1 и ф2 поворота дебалансов, угол ДфА относительного положения дебалансов. Входные координаты — частоты fi и f2 напряжений, питающих двигатели. Установлено, что объект управления является нестационарным, многомерным, нелинейным. Показано, что нестационарность и многомерность обусловлены особенностями процессов, протекающих в бетонной смеси при уплотнении. Нелинейность вызвана вариацией параметров асинхронного двигателя. Разработаны с использованием программных средств Matlab вычислительная модель объекта управления.

3. Выполнены вычислительные эксперименты двумерного объекта управления. Показано, что в автономном канале объекта, где в качестве выходной координаты принят угол ф положения дебаланса, динамические процессы зависят от частоты f напряжения, питающего двигатель, а именно: в области частот, близких к номинальному значению, они носят колебательный характер, а в области низких частот — монотонный. Подтверждена адекватность разработанной математической модели объекта.

4. Выполнен структурный синтез системы автоматического управления частотой и амплитудой виброколебаний, в которой частота управляется двумерной синхронно-следящей системой, каждый канал которой представляет собой трехконтурную сис.

173 тему с одной измеряемой координатой — угол (р поворота дебаланса, а для управления амплитудой используется контур, замкнутый по углу Д (рА рассогласования дебалан-сов. В системе используются два программных задатчика — по частоте (ведущий) и по амплитуде (ведомый), согласованность выходных сигналов которых определяется требуемой интенсивностью колебаний.

5. Осуществлена параметрическая оптимизация регуляторов и формирователей программных траекторий задатчиков по критерию максимального быстродействия перехода виброплощадки с одного технологического режима виброуплотнения на другой в условиях ограничений по мощности силовых преобразователей.

6. На разработанной вычислительной модели системы автоматического управления частотой и амплитудой колебаний доказана возможность программного автоматического управления амплитудой и частотой виброколебаний бетонной смеси в процессе технологического цикла виброуплотнения. Показано, что при угле Д (рА > 90° системы управления асинхронными двигателями дебалансов можно считать автономными, при Д (рА < 90° начинает проявляться многомерность объекта. Это выражается в снижении запаса устойчивости системы. Определено влияние квантования по уровню и по времени на динамику системы, на основании чего сформулированы требования к датчикам обратной связи и к быстродействию управляемого контроллера.

7. Разработаны две опытные установки, одна из которых оснащена цифровой системой управления частотой виброколебаний и предназначена для исследования влияния частоты виброколебаний бетонной смеси на качество бетонных изделий, а вторая — для исследования динамических характеристик асинхронного двигателя при частотном управлении. Проведенные натурные и вычислительные эксперименты подтверждают адекватность разработанной нелинейной модели объекта и эффективность системы автоматического управления частотой колебаний бетонной смеси при виброуплотнении.

8. Разработан вариант технической реализации системы автоматического управления частотой и амплитудой виброколебаний на базе программируемого контроллера С-60 и силовых преобразователей частоты питающего напряжения.