Система управления мостовым краном, построенная с учетом систем демпфирования колебаний груза и ограничения перекоса моста

Актуальность темы

Перемещение грузов в промышленности, на транспорте и в строительстве осуществляется разнообразными подъемно-транспортными машинами, среди которых широкое распространение получили мостовые краны. Мостовые краны являютсясложными объектами, управления. При их эксплуатации возникают проблемы, связанные с раскачиванием груза и перекосом фермы моста. Раскачивание транспортируемого груза появляется в каждом переходном процессе пуска или торможения механизмов передвижения. Эти колебания мешают работе оператора, затрудняя установку груза, в намеченное место, и увеличивают нагрузку на механизмы. Существует класс мостовых кранов, при эксплуатации которых для повышения производительности и безопасности по технологическому процессу требуется демпфировать колебания груза в заданном диапазоне. Перекос фермы моста приводит к повороту крана в горизонтальной плоскости и его поперечному смещениюувеличивает нагрузку на конструкции механизмов опор моста, а также износ подкранового пути и реборд колесухудшает динамические свойства кранасоздает опасные условия работы персонала. Основными причинами возникновения перекоса фермы моста являются: раздельное управление многодвигательным электроприводом перемещения мостанеидентичность деталей и передаточных механизмов электроприводовпеременный характер взаимодействия системы «колесо-подкрановый путь" — переменная^ нагрузка на приводы-передвижения, вызванная изменяющимся положением тележки с грузомнерегламентируемое обслуживание и нарушение техники эксплуатации мостовых крановконструктивные несовершенства крановых узлов и погрешности применявшихся методов их расчета.

Одним из способов эффективного снижения динамических нагрузок механизма передвижения кранов является применение систем синхронизации, которые формируют сигнал, прямо пропорциональный величине перекоса, и используют его для ускорения отстающего и торможения опережающего приводов. При использовании систем демпфирования колебаний груза в систему управления приводов тележки и моста крана вводится корректирующий сигнал, пропорциональный величине отклонения груза от положения равновесия в соответствующей плоскости движения (моста, тележки). В случае демпфирования колебаний груза в плоскости движения моста на приводы перемещения опор одновременно подается одинаковый по величине и знаку сигнал коррекции на изменение скорости. При одновременном использовании системы ограничения-перекоса моста и системы демпфирования, колебаний груза на одну из опор моста будут приходить два разных по знаку сигнала на изменение скорости, что снизит эффективность работы обеих систем коррекции. Очевидно, что эти системы^должны работать непрерывно.

Существует необходимость в разработке такой системы автоматического управления, которая устраняет перекос моста и демпфирует колебания груза, возникающие при эксплуатации мостового крана.

Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления работы НОУ ВПО"Международный институт компьютерных технологий": высокотехнологичные электротехнические комплексы.

Цель работы состоит в синтезе автоматической системы управления электроприводом мостового крана, способной устранять перекос моста и демпфировать колебания груза.

Задачи работы.

1. Разработать математическую модель электромеханической системы (ЭМС) мостового крана с электроприводами постоянного и переменного тока в системе подчиненного регулирования^ учитывающую переменный характер параметров механической части, и особенности системы «колесо — подкрановый путь».

2. Разработать устройство ограничения перекоса моста крана с помощью определения положения опоры относительно подкранового пути и определения разности перемещений опор моста.

3. Разработать устройство демпфирования колебаний груза, использующее корректирующий сигнал, полученный с помощью математической модели системы «точка подвеса — груз».

4. Разработать систему управления мостовым краном, построенную с учетом систем демпфирования колебаний груза и ограничения перекоса моста.

5. Провести на математических моделях мостовых кранов исследование эффективности разработанных устройств ограничения перекоса моста и, демпфирования колебаний груза.

6. Провести оценку результатов экспериментальной модели ЭМС опоры мостового крана и математической модели ЭМС мостового крана.

Методы исследованиям В теоретических исследованиях использовались положения и методы теории систем управленияэлектроприводами, теории электрических цепей, теории автоматического управления, теоретических основ электротехники. Задачи, поставленные в ходе исследования, решались > с помощью методов математического моделирования переходных процессов на ЭВМ! Для исследования эффективности системы управления с корректирующим устройством разработана и изготовлена экспериментальная модель электропривода опоры мостового крана, включающая в себя преобразователь с микропроцессорным управлением Simo vert VC.

Научная новизна работы.

1. Математическая модель электромеханической системы мостового крана с электроприводами постоянного и переменного тока в системе подчиненного регулирования, учитывающая переменный характер параметров механической части, отличающаяся учетом функциональной зависимости коэффициента трения от нагрузки в системе «колесо — подкрановый путь».

2. Методики ограничения перекоса моста крана: с помощью определения положения опоры относительно подкранового пути, отличающаяся тем, что с целью повышения точности контроля и надежности работы за счет применения четырех индуктивных датчиков устраняется как перекос, так и поперечное смещение моста относительно подкранового пути (защищено патентом на полезную модель № 97 971) — с помощью определения разности перемещения опор моста, отличающаяся наличием юстировки, учитывающей износ устройства ограничения перекоса.

3. Система демпфирования колебаний груза, использующая фаззи-регулятор, отличающаяся тем, что входной сигнал угла отклонения груза получен от математической модели системы «точка подвеса — груз» (защищено патентом на полезную модель № 85 890).

4. Методика определения переменнойвеличины уставки задатчика интенсивности, отличающаяся тем, что уставка формируется прямо пропорционально массе перемещаемого груза.

Практическая ценность.

1. Устройство ограничения перекоса моста, определяющее положение опор моста относительно подкранового пути и подающее в систему управления электроприводом сигнал, прямо пропорциональный величине перекоса и поперечного смещения моста.

2. Устройство ограничения перекоса моста, определяющее разность перемещений опор моста и подающее в систему управления электроприводом сигнал, прямо пропорциональный величине перекоса, и снабженное системой юстировки, учитывающей износ устройства ограничения перекоса.

3. Устройство-демпфирования колебаний груза с фаззи-регулятором, использующее корректирующий сигнал, прямо пропорциональный отклонению груза от положения равновесия, полученный с помощью математической модели системы «точка подвеса — груз», и имеющее сглаживающий фильтр для производной сигнала отклонения груза с целью ограничения пульсаций на входе регуляторов.

4. Система управления электроприводом моста, использующая переменную величину уставки задатчика интенсивности, прямо пропорциональную массе перемещаемого груза, и обеспечивающая быстрый разгон и торможение привода перемещения моста при работе устройства ограничения перекоса во всем диапазоне масс груза.

5. Экспериментальная установка ЭМС опоры моста крана на базе электропривода ЭтюуеЛ УС для оценки влияния состояния подкранового пути на эффективность работы системы ограничения перекоса моста.

На защиту" выносятся.

1. Математическая модель электромеханической системы мостового крана с электроприводами постоянного и переменного тока в системе подчиненного регулирования, учитывающая переменный характер параметров механической части, отличающаяся учетом функциональной зависимости коэффициента трения от. нагрузки в системе «колесо — подкрановый путь».

2. Устройства ограничения перекоса моста крана, определяющие положение опоры относительно подкранового пути и разность перемещений опор моста'.

3. Система демпфирования колебаний груза, использующая фаззи-регулятор и сигнал коррекции, полученный с помощью математической модели системы «точка подвеса — груз».

4. Система* управления электроприводом моста, использующая переменную величину уставки задатчика интенсивности, прямо пропорциональную величине перемещаемого груза, и построенная^ учетом систем демпфирования колебаний груза и ограничения перекоса моста.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждаются корректным использованием положений и методов теории систем управления электроприводами, теории электрических цепей, теории автоматического управления, теоретических основ электротехникихорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на:

— Научной конференции студентов и аспирантов ЛГТУ, Липецк, 2008;

— VIII Международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы, средства», Новочеркасск, 2008;

— Научно-технической конференции, посвященной 35-летию основания кафедры электропривода ЛГТУ, Липецк, 2009;

— Региональной' научно-техническойконференции «Автоматизация и робототизация технологических процессов», Воронеж, 2009;

— IX Международной научно-практическойконференции «Моделирование. Теория, методы, средства», Новочеркасск, 2009.

— Межвузовская, научно-практическая, конференция «Актуальные проблемы современного научного знания», Липецк, 2011.

Реализация результатов работы. Полученные результаты используются при проведении перспективных разработок в ОАО-5 «Липецкий металлургический завод «Свободный Сокол» и в ЦАТП ОАО «НЛМК», а также внедрены в лекционный курс «Моделирование в технике» Липецкого филиала международного института компьютерных технологий (ЛФ МИКТ).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, отражающих содержание диссертационной-работы: из них три — в-изданиях из перечня ВАК РФ, два патента РФ на полезную модель. Личный вклад авторам работах, опубликованных в соавторстве, заключается в следующем: разработана и исследована система ограничения перекоса фермы моста [85]- синтез и исследование математической модели мостового крана с устройствами ограничения перекоса моста и демпфированияколебаний груза [80, 87, 95]- разработан алгоритм изменения величины задатчика интенсивности приводов перемещения моста в зависимости от массы груза [92]- синтез математической модели ЭМС мостового крана [61, 62, 63, 93]- проверка работы устройства на математической модели мостового крана с двухдвигательным электроприводом перемещения моста [81]- разработан алгоритм ограничения перекоса в работе системы управления электроприводом мостового крана [86].

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и пяти приложений. Объем работы составляет 180 страниц, в том числе 121 страница текста, 62 рисунка, 4 таблицы, библиографический список из 95 наименований, приложения на 59 страницах.

Выводы.

Построена экспериментальная установка для исследования влияния состояния стыков рельсов и непараллельности рельсов на работу системы ограничения перекоса моста на основе, сравнения положения опоры моста относительно подкранового пути.

Проведены три серии опытов, исследованы различные стыки рельсов. Для всех случаев получены графики сигналов. При анализе полученных на экспериментальной установке графиков установлено следующее.

1. Показания индуктивного датчика не зависят от скорости перемещения датчика относительно рельса. Следовательно, такой тип датчиков можно применять для построения систем ограничения перекоса мостовых кранов с различными номинальными скоростями перемещения моста.

2. Сигнал с индуктивного датчика сохраняет линейность в рабочем диапазоне.

X, м.

Хтпх.

XI (1 1 '.

У ' V \ | V / 1 ч ^ К 1 0 1 5 ' 2 0 2 5 3 0 3 5 и с 4.

V Х2.

Хтт.

3. Относительная величина «ошибки» показаний индуктивного датчика при прохождении зазора между рельсами прямо пропорциональна величине зазора и обратно пропорциональна расстоянию между датчиком и рельсом.

4. Разность отметок головок в поперечном сечении не влияет на показания индуктивного датчика, при условии, что диаметр рабочей поверхности датчика больше высоты головки рельса.

На математической модели проверены различные варианты сигналов, полученных на экспериментальной модели. Из анализа полученных результатов следует, что для уменьшения влияния пульсаций сигнала ограничения перекоса моста необходимо либо уменьшать величину сигналов индуктивных датчиков, либо использовать фильтр на основе инерционного звена.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В теоретических и экспериментальных исследованиях, проведенных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты:

1. Разработана математическая модель электромеханической системы мостового крана с электроприводами постоянного и переменного тока в системе подчиненного регулирования, учитывающая переменный характер параметров механической части и особенности системы «колесо — подкрановый путь».

2. Разработано устройство ограничения перекоса моста крана с помощью определения положения опоры относительно подкранового пути.

3. Разработано устройство ограничения перекоса моста крана с помощью определения разности перемещения опор моста.

4. Разработано устройство демпфирования колебаний груза, использующее фаззи-регулятор и корректирующий сигнал, полученный с помощью математической модели системы «точка подвеса — груз», и имеющее сглаживающий фильтр для производной сигнала отклонения груза с целью ограничения пульсаций на входе регуляторов.

5. Разработана система управления электроприводом моста, использующая переменную величину уставки задатчика интенсивности, прямо пропорциональную массе перемещаемого груза, и построенная с учетом систем демпфирования колебаний груза и ограничения перекоса моста.

6. Проведены исследования на математических моделях мостовых кранов, подтвердившие высокую эффективность разработанных устройств ограничения перекоса моста и демпфирования колебаний груза.

7. Проведены исследования на экспериментальной установке ЭМС опоры мостового крана и оценка полученных результатов на математической модели ЭМС мостового крана с электроприводом постоянного тока, показавшие высокую эффективность разработанных устройств ограничения перекоса моста.