Энергоскоростные алгоритмы кратной синхронизации роторов многомассовой упругой нестационарной виброустановки

Вибрационные установки и вибрационные технологии в настоящее время используется для воздействия на материалы или изделия при их перемещении и обработке: измельчении, сортировке, перемешивании, уплотнении и т. д. Использование вибрации позволяет в буквальном смысле слова революционизировать многие производства, обеспечивая получение большего технико-экономического эффекта во многих отраслях хозяйства. Вибрационное воздействие на перемешиваемые материалы и рабочие органы смесителя значительно увеличивает производительность процесса, снижает энергоемкость и улучшает качество смеси. Вибрационные эффекты используются в приборах для измерений и испытаниймедицинских установках для вибростимуляции и вибротерапии и т. д. Важную роль вибрационные технологии играют при транспортировании сыпучих материалов, особенно при транспортировании пылевидных, влажных и липких грузов Область применения вибрационных установок постоянно расширяется. Передовые фирмы, производящие вибрационное оборудование и находящиеся в постоянном контакте с потребителями отмечают, что постоянно возникает потребность в специальных установках, которые могут производиться только маленькими сериями или в единичных экземплярах, применяемых для решения уникальных задач.

Появление мехатронных установок, основанных на принципах управления колебаниями и введении обратных связей для реализации сложных алгоритмов управления, позволяет снизить массу, габариты и энергопотребление, а также реализовать новые возможности, связанные со сменой режима процессов в реальном времени, что позволяет говорить о переходе к новому поколению вибрационного оборудования.

В связи с этим возникла необходимость разработки исследовательских стендов, снабженных средствами измерения и реализации сложных алгоритмов управления. Однако реализация принципов управления вибрацией требует решения комплекса научно-технических проблем, связанных с по5 становкой и решением новых задач управления возбуждением и синхронизацией колебаний, математическим и компьютерным моделированием, учитывающим не только динамику вибрационной установки, но и влияние сыпучего материала, а также возможности формирования управляющих сигналов при неполноте измерений вектора состояния системы.

Одной из важнейших задач, возникающих как при создании нового, так и при модернизации существующего оборудования, является задача повышения его производительности, решение которой применительно к двух-роторным вибрационным установкам тесно связано с решением задачи обеспечения стабильности синхронного режима вращения вибровозбудителей.

Основы теории синхронизации для вибрационных установок были заложены в работах И. И. Блехмана и его учеников. Во многих случаях синхронизация в виброустановках достигается за счет эффекта самосинхронизации вращающихся роторов, открытого и изученного И. И. Блехманом. Однако, в ряде случаев эффект самосинхронизации проявляется недостаточно устойчиво, например, при необходимости обеспечения заданных сдвигов фаз роторов или для кратной синхронизации. В этом случае представляет интерес и практическую ценность подход, основанный на использовании управляемой синхронизации, рассматриваемой в работах Б. Р. Андриевского, А. Л. Фрадкова, Х. Наймайера, О. П. Томчиной, А. Ю. Погромского.

Режим кратной синхронизации предоставляет дополнительные технологические возможности использования виброустановок. Кратный синхронный режим, вносящий асимметрию в систему, способствует возникновению и усилению эффекта вибрационного перемещения, особенно для таких трудноосуществимых технологических процессов как транспортирование пылевидных, влажных и липких грузов. Причем синхронность обеспечивает максимальную скорость вибротранспортирования. Кроме того, наличие двух различных частот вращения роторов позволяет транспортно-технологическим машинам осуществлять одновременно вибротранспортирование, возбуждаемое низкой частотой и просеивание, раздел сыпучих материалов, осуществляемое за счет большей двукратной частоты.

В последнее время для повышения качества работы двухроторных виброустановок разрабатываются как новые аппаратные средства так и усовершенствованные системы управления. В частности в работах, выполненных под руководством И. И. Блехмана, исследуются возможности различного расположения роторов для 2-х роторной виброустановки, а также используются вибровозбудители с внутренними степенями свободы [8]. В работах, выполненных под руководством Шестакова, рассматриваются 3-х роторные и 6-роторные виброустановки [33]. Для разработки новых систем создаются современные экспериментальные стенды, в том числе стенды СВ-1 и СВ-2, разработанные в Санкт-Петербурге в 1997;2003гг при поддержке ФЦП «Интеграция» коллективом авторов, включая И. И. Блехмана, Б. П. Лаврова, Ю. А. Борцова, С. В. Гаврилова, Н. Д. Поляхова, А. Л. Фрадкова и других.

Исходя из сказанного, целью работы является разработка алгоритмов управления электромеханическими системами вибрационных установок с кратной синхронизацией роторов с учетом нестационарности нагрузки и упругости карданных валов.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

•Постановка задачи управления кратной частотной и кратной координатной синхронизацией для механических систем с несколькими степенями свободы.

•Разработка алгоритмов управления кратной синхронизацией для случая, когда несущее тело совершает плоские движения.

•Реализация алгоритмов управления кратной синхронизацией по полной механической энергии и редуцированной энергии с учетом неполноты измерений.

•Исследование эффективности разработанных алгоритмов кратной синхронизации для различных моделей объектов управления в условиях неполноты измерений с учетом упругости карданных валов.

•Методика выбора параметров энергоскоростных алгоритмов управления кратной синхронизацией.

В работе получены следующие новые научные положения, выносимые на защиту.

• Новые энергоскоростные алгоритмы управления кратной синхронизацией двухроторных вибрационных установок, синтезированные для различных упрощенных моделей динамики установки и различных упрощенных представлений полной механической энергии установки.

• Новые энергоскоростные алгоритмы управления кратной синхронизацией двухроторных вибрационных установок с нелинейными наблюдателями.

• Новая структура замкнутой цифровой системы управления двухротор-ной вибрационной установки, включающая нелинейные наблюдатели и подсистему управления кратной синхронизацией роторов.

Алгоритмы управления кратной синхронизацией использованы при проведении НИР по проекту РФФИ 08−05−775 в ИПМаш РАН.

Методика выбора параметров алгоритмов синхронизации использована в учебном процессе ПИМаш для студентов специальности 2203.01.

Апробация работы производилась на следующих конференциях: The Second International Conference «Physics and Control» (Physcon 2005), УИТ-2006 (4-я Всероссийская научная конференция «Управление и информационные технологии»), 36-я Неделя науки СПбГПУ, мультиконференция ИКТМР-2009.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе статья в журнале из перечня ВАК.

Выводы по главе 5.

1. Разработана структурная модель реализации алгоритма управления кратной синхронизацией, учитывающая динамику исполнительных электромеханических систем и неполноту измерения вектора состояния.

2. Как показали компьютерные исследования при использовании наблюдателя работоспособность системы сохраняется практически в полном объеме. Однако при некоторых начальных положениях роторов, для достижения стабильного кратного синхронного режима, скорость нагружения должна быть уменьшена, но не более чем на 10%.

3. Время синхронизации в системе с наблюдателем при малом изменении массы груза такое же, как в системе без наблюдателя.

4. Как видно из графиков для ошибок наблюдения по скоростям роторов, выбор коэффициента усиления наблюдателя обеспечивает сходимость ошибки наблюдения к нулю практически за 1−2 с, что значительно меньше времени синхронизации.

5. Как видно из графиков, при варьировании уровня ограничения величины электромеханического момента может измениться время синхронизации, но предел его увеличения во всех экспериментах составляет не более 10%. Время наблюдения во всех случаях не превышает времени синхронизации и времени регулирования для скоростей роторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации получены следующие основные результаты.

Г, Предложена математическая постановка задачи управляемой кратной синхронизации роторов двухроторных вибрационных установок.

2. Разработаны модификации энергоскоростных алгоритмов управления вибрационными установками, синтезированные для различных упрощенных моделей динамики установки и различных упрощенных представлений полной механической энергии установки и обеспечивающие кратную синхронизацию роторов в условиях нестационарности нагрузки, неполноты измерений и упругости валов.

3. Разработаны новые энергоскоростные алгоритмы управления кратной синхронизацией двухроторных вибрационных установок с нелинейными наблюдателями.

4. Разработана структура энергоскоростной электромеханической системы управления роторами вибрационных установок, обеспечивающей кратную синхронизацию.

5. Разработана методика выбора параметров энергоскоростных алгоритмов управления кратной синхронизацией.

Разработанные алгоритмы позволяют:

• Повысить качество систем управления мехатронными виброустановками.

• Повысить робастность и надежность кратных синхронных режимов виброустановки.

• Реализовать стабильные синхронные режимы в случаях, когда без управления они являются неустойчивыми.

• Управлять формой установившихся движений несущего тела (платформы) путем выбора параметров алгоритма управления без установки дополнительных вибровозбудителей и изменения их расположения на платформе.

Полученные в работе результаты могут быть использованы при создании высокоэффективной вибрационной техники.

Алгоритмы управления кратной синхронизацией использованы при проведении НИР по проекту РФФИ 08−05−775 в ИПМаш РАН.

Методика выбора параметров алгоритмов синхронизации использована в учебном процессе ПИМаш для студентов специальности 2203.01.