Автоматизация складирования поддонов при производстве изделий из ячеистого бетона

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОМАТИЗАЦИЯ СКЛАДИРОВАНИЯ ПОДДОНОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ионов Андрей Андреевич

Самара - 2010

Работа выполнена на кафедре "Механизация, автоматизация и энергоснабжение строительства" ГОУВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Ведущая организация: ГОУВПО «Московский государственный

строительный университет», г. Москва

Защита состоится " __ " _______ 2010 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 ГОУВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: 443010, Россия, г. Самара, ул. Первомайская, 18, 1 корпус, ауд. № 4 (Учебный центр СамГТУ, Электрощит).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: 443100, г.Самара, ул. Первомайская, 18.

Отзывы на автореферат просим высылать (в 2-х экземплярах) по адресу: 443100 г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.03.

Автореферат разослан " " _____ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.217.03 Губанов Н.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При производстве изделий из ячеистого бетона используются разборные формы. В них разливается приготовленная ячеистобетонная смесь и выдерживается в течении технологического этапа «вспучивание», после чего боковые стенки формы разбираются, и сырец бетона на последующих операциях - резка, автоклаварование, складирование - находится на поддоне формы. В непрерывном технологическом процессе производства имеется определенный резерв поддонов, которые складируются, и по мере необходимости запускаются в производство. На складе используется, как правило, мостовой манипулятор грузоподъемностью 2 - 3 т, для управления которым в настоящее время привлекаются рабочие с других технологических операций. Динамика работы манипулятора склада должна соответствовать темпу циклической разгрузки автоклавов, технологической потребности участка сборки форм и скорости движения конвейерных линий, по которым поддоны перемещаются от участка автоклавирования к месту сборки форм.

Современные предприятия по производству изделий из ячеистого бетона имеют достаточно высокий уровень автоматизации, но использование ручного нестабильного управления манипулятором на участке складирования поддонов приводит достаточно часто к сбою технологического процесса, следствием чего является появление брака, недовыпуск продукции, экономические потери предприятия. Кроме того, отсутствие автоматического управления складированием поддонов и, как следствие, отсутствие автоматизации внутрицеховой их транспортировки, является одним из сдерживающих факторов увеличения мощности производства изделий из ячеистого бетона. Поэтому весьма актуальной является задача обеспечения бесперебойного приема поддонов с участка разгрузки и подачи их на участок сборки путем автоматизации промежуточного технологического участка складирования поддонов.

Мостовые манипуляторы с раздельным приводом имеют простую конструкцию, поэтому широко применяются в промышленности и строительном производстве, как на основных, так и на вспомогательных операциях. Основным недостатком манипуляторов такого типа является использование гибкой подвески груза, которая при перемещении последнего вызывает его колебания, чем затягивается время позиционирования. Известны два основных подхода к снижению раскачки груза: создание жесткой конструкции привода подъема и совершенствование законов управления движением крана. Первый подход требует значительной доработки существующей конструкции моста и, соответственно, увеличения его металлоемкости.

Наличие раздельного привода осевого движения может вызвать неравномерное перемещение сторон моста, упругие деформации в его конструкции, дополнительные колебания груза. Это затрудняет решение задачи точного автоматического позиционирования моста при установке поддона на подающий конвейер, что может повлечь за собой аварийную остановку технологической линии. В известных работах по автоматическому управлению мостовых манипуляторов недостаточно разработаны вопросы математического описания манипулятора как объекта управления и синтеза простых для практической реализации регуляторов системы, обеспечивающей минимизацию раскачки груза в условиях предельно достижимого быстродействия. Решению этих вопросов посвящена настоящая работа.

Диссертация выполнена в соответствии с тематическим планом госбюджетных научно-исследовательских работ ГОУВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» «Математическое описание технологического процесса производства ячеистого бетона как объекта управления» (№ 01200850036 Госрегистрации от 01.01.2008г.), «Структурный синтез систем автоматического управления технологическим процессом производства ячеистого бетона» (№ 01201052568 Госрегистрации от 01.01.2010г.) по направлению «Автоматизированные системы в строительстве» (№ 01970005686 Госрегистрации от 23.05.2007г.).

Цель диссертационной работы обеспечение стабильности работы участка подготовки поддонов путем автоматического управления мостовым манипулятором при складировании поддонов.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

- математическое моделирование мостового манипулятора с раздельным приводом как многомерного объекта управления;

- структурный синтез цифровой системы автоматического управления движением манипулятора с раздельным приводом и параметрическая оптимизация регуляторов;

- проведение экспериментальных исследований динамики манипулятора на действующем оборудовании технологического участка подготовки поддонов;

- разработка инженерной методики проектирования системы управления мостовым манипулятором с раздельным приводом и выполнение на ее основе варианта технической реализации системы.

Методы исследования. В работе при проведении исследований и решении задач использовались методы теоретической механики, теории автоматического управления, методы идентификации и аппроксимации моделей объектов управления. При проведении вычислительных экспериментов на ЭВМ в работе использованы программные среды WinMachine, MatLab, MatCad.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

- математическая модель мостового манипулятора с раздельным приводом осевого движения как объекта управления, отличающаяся от известных учетом поперечного поворота моста и возникающих при этом упруго-диссипативных деформаций в мосте, отклонения груза от вертикали на упругом подвесе, что позволяет адекватно оценить динамику движения манипулятора;

- структура системы автоматического управления мостовым манипулятором с раздельным приводом осевого движения, имеющая две однотипные системы, построенные по принципу многомерной системы с одной измеряемой координатой, отличающейся от известных использованием минимального количества датчиков, способностью исключить поперечный поворот моста с помощью введения нелинейного корректирующего звена и минимизировать величину отклонения от вертикали груза на упругом подвесе при его движении и позиционировании в условиях максимально достижимого быстродействия;

- методика постановки и проведения натурных и вычислительных экспериментов объекта и системы автоматического управления, отличающаяся от известных определением параметров межканальных связей в многомерном объекте управления с помощью вычислительных экспериментов на модели моста, созданной в программной среде WinMachine, что позволяет исключить трудно реализуемые натурные эксперименты; определением параметров формирователя программной траектории по заданным значениям допустимой амплитуды колебания груза и требуемого быстродействия перемещения манипулятора на участке складирования поддонов.

Практическая значимость работы состоит:

- в разработке вычислительной модели мостового манипулятора с раздельным приводом как многомерного объекта управления, предложенной методике постановки вычислительных экспериментов, полученных результатов моделирования мостового манипулятора грузоподъемностью 2 т с пролетом моста 11 м и длиной тросового подвеса 6 м;

- в разработанной методике и полученных результатах проведения натурных экспериментов на действующем оборудовании участка складирования поддонов предприятия ОАО «Коттедж» по исследованию динамических характеристик манипулятора с раздельным приводом моста и гибкой подвеской груза;

- в разработанной методике инженерного проектирования системы автоматического управления мостовым манипулятором с раздельным приводом осевого движения.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, связанные с автоматизацией участка подготовки поддонов используются в практике инженерного проектирования на Самарском комбинате по производству и монтажу изделий из ячеистого бетона ОАО «Коттедж», в Самарском архитектурно-строительном университете при подготовке инженеров по специальности «Механизация и автоматизация строительства» и магистров по программе подготовки «Комплексная механизация строительства»

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены в виде статей, докладов и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и семинарах: в Вестнике СамГТУ, серия «Технические науки», №4 (27) СамГТУ (Самара, 2010); в трудах секции «Строительство» Российской инженерной академии, Выпуск 9 (Москва, 2008); на Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, СамГТУ, 2007, 2008, 2009, 2010); на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (Самара, СГАСУ, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ, 2006); на 32-й Самарской областной студенческой научно-технической конференции «Общественные, естественные и технические науки» (Самара, СГАУ, 2006); на 25-й Межвузовской студенческой научно-технической конференции «Автоматизированные системы в строительстве» (Самара, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе одна работа в издании, определенном ВАК РФ (Вестник СамГТУ серия «Технические науки», №4 (27) СамГТУ).

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 100 наименований и приложения. Основной текст работы изложен на 175 страницах, диссертация содержит: 105 рисунка, 19 таблицы, приложение на 16 страницах, библиографический список на 9 страницах.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель мостового манипулятора с раздельным приводом как многомерный объект управления.

2. Структурный синтез цифровой системы автоматического движением манипулятора с раздельным приводом и методика параметрической оптимизации её регуляторов.

3. Методика проведения вычислительных и натурных экспериментов по исследованию динамики мостового манипулятора как объекта управления и цифровой системы автоматического управления.

манипулятор мостовой привод управление

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель работы, отражены основные положения, выносимые на защиту, показаны их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассмотрены особенности работы участков складирования и подготовки поддонов производства изделий из ячеистого бетона, планировка склада, конструкция мостового манипулятора, используемого на нем.

Решению проблем динамики мостовых манипуляторов и уменьшению раскачивания груза на упругом подвесе посвящены работы многих исследователей (Лобов Н.А., Ключев В.И., Антонец И.В., Пшихопов В.Х., Щедриков А.В., Сериков С.А., Колмыков В.В., Афанасьев А.К., Будиков Л.Я., Наливайко Т.А., Дорофеев А.А. и др.). Проведен анализ публикаций по исследуемой тематике. Результаты анализа показали, что для исключения колебаний груза применяют режимы движения моста с уменьшенным значением ускорения, что приводит к значительному снижению быстродействия. Используют сложные автоматические устройства контроля положения груза, включающие в себя датчики отклонения груза, длины тросовой подвески и вычислительный блок, выходной, сигнал которого корректирует управляющий сигнал на привод; используют и более сложные устройства, в которых дополнительно применяют датчики скорости и ускорения. Известные устройства компенсации поперечного поворота моста строятся либо как механические уравновешиватели, либо в виде системы «электрического вала» с традиционным структурным построением электропривода с использованием датчиков тока, скорости и положения.

Показано, что требования к быстродействию работы манипулятора на складе, допустимая минимальная величина амплитуды раскачки груза, обусловленная особенностями конструкции транспортного конвейера, требования к снижению числа используемых в системе управления датчиков, не позволяют применять известные подходы к автоматическому управлению мостовым манипулятором при решении задачи автоматизации складирования поддонов.

На основании анализа технологического процесса перемещения поддонов на участке складирования сформулирована основная задача автоматизации этого участка, ориентированная на создание цифровой системы автоматического управления мостовым манипулятором с гибкой подвеской груза, позволяющей производить отработку манипулятором программной траектории без поперечного поворота моста и при минимальном отклонении груза от вертикального положения. Для оценки эффективности создаваемой системы управления манипулятором с гибким подвесом груза разработан вариант моста с жесткой конструкцией привода подъема поддонов.

Вторая глава посвящена математическому описанию мостового манипулятора как объекта управления.

Под объектом управления понимается совокупность моста, оснащенного раздельным приводом, грузовой лебедки, устройства подвеса схвата и поддона. Координаты х0, y0, z0, определяющие положение поддона в базовой системы координат ОXYZ (здесь ось OX направлена вдоль рельса, центр О расположен в точке крайнего левого положения моста, OZ перпендикулярна рельсовому пути, ось OY направлена вниз), принимаем за выходные координаты объекта управления, х0 определяется движением моста, y0 - грузовой лебедки, z0 = const, так как лебедка неподвижна. Поэтому управляемыми для поддона является две координаты - х0, y0. При раздельном приводе моста х0 определяется характером движения левого и правого концов моста (координаты х1 и х2, соответственно) и конструкцией устройства подвеса схвата поддона.

Формирование математической модели выполнено применительно к двум вариантам конструкции моста: базовой с гибким подвесом груза (используется в производстве в настоящее время) и усовершенствованной - с жестким подвесом.

Управляющие воздействия на объект представлены вектором U = [u1 u2 u3]T, состоящим из трех управляющих сигналов ui (где ), каждый из которых воздействует на соответствующий двигатель. Принимая во внимание, что все приводы манипулятора будут оснащены датчиками положения, например (с позиции удобства технической реализации) датчиками углов и1 и и2 положения рабочих колес первой и второй тележек, соответственно, и датчиком угла и3 поворота барабана лебедки, то целесообразно в объекте управления выделить три промежуточных выходных координаты - и1, и2, и3. Они через соответствующие механические передачи формируют x0, y0. Считаем, что исполнительными двигателями манипулятора являются асинхронные машины с короткозамкнутым ротором, поэтому за воздействие ui принимаем частоту щi и соответствующую ей амплитуду Ui питающего напряжения. В качестве основных возмущающих воздействий выделены изменение массы рабочего органа (движение моста с поддоном и без него) и изменение величины трения качения FCi.

Математическое описание динамических процессов в конструктивных элементах и приводах мостовых кранов и манипуляторов рассматриваются в работах Лобова Н.А., Зерцалова А.И., Бурдакова С.Ф., Коловского М.З, Грохберга М.М., Зарецкого А.А., Комарова М.С., Подобеда В.А. и др. авторов, но в известных работах не разработана обобщенная математическая модель мостового манипулятора как многомерного объекта управления, в которой кроме электромеханических процессов привода учитываются также поперечный поворот моста, возникающие при этом упруго-диссипативные деформации и отклонение груза от вертикали на упругом подвесе.

При разработке модели принято допущение о возможности моделирования механической системы мостового манипулятора четырьмя сосредоточенными массами с упруго-диссипативными связями. Оно базируется на том предположении, что замкнутая система управления приводом манипулятора имеет ограниченную полосу пропускания, которая включает в себя только первые низкочастотные колебания мостового манипулятора как объекта с распределенными параметрами. Колебания более высоких частот будут фильтроваться замкнутой системой.

Разработана расчетная схема привода перемещения манипулятора с гибким подвесом поддона, на основании которой в программной среде WinMachine создана вычислительная модель моста. Разработана методика нагружения моста на этой модели. Она позволяет определить осевые усилия и деформации моста при его осевом перекосе. Показано, что связи, обусловленные жесткостью моста на растяжение при его развороте относительно рельсового пути и упругими свойствами гибкого подвеса, подчиняются закону Гука. Асинхронные двигатели представлены известными нелинейными моделями. Найдено аналитическое выражение угла разворота моста, при котором начинают возникать его упругие деформации. Позиционный привод лебедки выполнен по стандартной схеме, его модель и система управления в работе не рассматривается.

На основании уравнений Лагранжа разработана система уравнений, описывающая механическую часть манипулятора как многомерного объекта управления:

(1)

где m1, m2, m3, m4 - сосредоточенные массы левой и правой ходовых тележек, моста и груза, соответственно; х1, х2, ,- перемещение сторон моста и их вторые производные; FТР1 и FTР2 - силы трения колес моста о рельсы; FТ.РЕБ - сила трения реборд колеса о рельс; FT1 и FT2 - тяговые усилия тележек моста; СМ, DM, С3, DГР.ПОД - упруго-диссипативные свойства моста при поперечном повороте и тросовой подвески груза при его отклонение от вертикали; хУПР и - упругая деформация моста и ее первая производная; l - длина тросовой подвески; и - первая и вторая производные угла отклонения груза от вертикального положения; х4 - величина отклонения груза от вертикального положения; f - коэффициент трения скольжения; г - угол уклона реборды; e0 - постоянная составляющая, определяемая по геометрическим параметрам колеса и рельса; r - радиус колеса; FНОР - сила, направленная по нормали к оси рельса; lУПР - упругая линейная деформация моста; FУПР.Х - сила упругости, действующая по оси х; FУПР.М - сила упругости, направленная по оси моста; бУПР - угол закручивания моста при упругой деформации; х0 - перемещение груза при движение манипулятора.

В случае жесткого закрепления грузовой подвески из системы уравнений (1) исключаются третье и девятое уравнения.

На основании уравнений (1) разработана структурная схема механической части многомерного объекта с гибкой подвеской груза (рис. 1), где входными воздействия являются тяговые усилия FT1 и FT2, выходные координаты - перемещение х1 и х2 левой и правой тележек моста и отклонение х4 груза от вертикали. Нелинейные блоки С11 и С48 моделируют зазоры между ребордами колес и рельсами. Блоки С3 и С42 - силы сухого трения.

Рисунок 1- Структурная схема механической части объекта управления

Рисунок 2 - Структурная схема обобщенного объекта управления

Система (1) дополнена уравнениями, описывающими электромеханические и электромагнитные процессы в асинхронном двигателе:

(2)

где , ,- постоянные времени статорной, роторной цепей и цепи намагничивания;, , - индуктивности статора, ротора и цепи намагничивания; , - активные сопротивления статора и ротора; - коэффициент рассеивания; , , , - активные и реактивные составляющее намагничивающего тока и тока ротора; щ1 - угловая частота питающего напряжения; г* - постоянный коэффициент, ; UH - амплитуда номинального фазного напряжения; J - эквивалентный момент инерции, приведенный к валу двигателя; р - число пар полюсов; МС - момент статической нагрузки; щДВ - угловая частота вращения ротора.

Дополнив механическую часть (рис.1) объекта структурами асинхронных двигателей (в соответствии с уравнениями (2)), построена обобщенная структурная схема манипулятора как многомерного объекта, компактный вариант которой показан на рис. 2. Здесь блоком МЧ обозначена механическая часть, ДПМ1, ДПМ2 - модели двигателя и передаточных механизмов левой и правой тележек моста. В объекте дополнительно выделены: усилие растяжения моста FУПР.М, угол б разворота моста, скорости V1 и V2 движения ходовых тележек. На основании обобщенной структуры разработана вычислительная модель объекта, где моделирование динамических процессов можно выполнять как «в большом», так и «в малом».

Произведена оценка адекватности разработанной модели объекта управления. Показано, что с погрешностью, не превышающей 14%, переходные процессы в модели совпадают с переходными процессами, полученными при проведение натурных экспериментов. Для оценки адекватности использована величина среднеквадратичного отклонения.

Анализ математической модели показывает, что многомерный объект нелинеен и нестационарен, поэтому здесь сложно решить аналитическую задачу по определению математических моделей собственных операторов W11, W22 и операторов межканальных связей W12, W21 объекта (рис.3). Принимая во внимание, что в проектируемой системе движение манипулятора при отработке программной траектории происходит в «малом» относительно этой траектории, осуществлена линеаризация объекта в «малом» в известном диапазоне изменения скорости движения моста. При линеаризации анализировались переходные характеристики объекта при малом скачкообразном изменении задающего сигнала относительно точки линеаризации. Работа выполнялась в программной среде MatLab. Переходные характеристики нелинейного многомерного объекта сравнивались с переходными характеристиками типовых динамических звеньев. Показано, что с погрешностью, не превышающей 2,7 % (погрешность определялась среднеквадратичной оценкой), собственные операторы многомерного объекта (рис. 3) можно представить совокупностью апериодического и интегрирующего звеньев:

(3)

Рисунок 3 - Структурная схема линеаризованного объекта управления

По анализу переходных характеристик межканальные связи могут быть аппроксимированы последовательным соединением интегратора, колебательного звена и звена запаздывания:

(4)

Наличие запаздывания объясняется интервалом времени, необходимым мосту на разворот при выборе зазора между ребордами и рельсом. Поэтому в структурной схеме целесообразно звено запаздывания заменить нелинейностью «люфт».

Оператор W33 (рис.3) может быть аппроксимирован колебательным звеном

(5)

Показано, что параметры динамических моделей (3) и (4) зависят от частоты щi (i 1, 2). При вариации щi в диапазоне 31,4 - 314 c-1 коэффициенты передачи К1 и К2 изменяются в 2,2 раза. Постоянные времени Т1 и Т2 в 11,3 и 10,6 раза, соответственно; коэффициент затухания колебаний о2 - в 2,9 раза. Параметры ТГР.ПОД, КГР.ПОД, оГР.ПОД не изменяются, т.к. перемещение поддонов происходит на одной и той же транспортной высоте.

В третьей главе проанализированы особенности технологического участка складирования и сформулированы требования к автоматическому управлению манипулятором. В частности показано, что точность позиционирования моста должна быть 1 мм, амплитуда раскачки поддона не должна превышать 10 мм, время перемещения и позиционирования моста на максимальной технологическое расстояние (4,1 м) не должно превышать 55 сек.

Объект автоматизации двумерный, он нелинейный и нестационарный. Автоматическому управлению объектами такого типа посвящены работы Меерова М.В., Морозовского В.Т., Лысова В.Е., Галицкова С.Я., Галицкова К.С., Дуданова И.В., Блинчикова О.И. и др. авторов. Вместе с тем вопросы синтеза системы согласованного управления мостовым манипулятором с упругим подвесом груза в условиях ограничений на амплитуду его колебаний и время перемещения в них не рассматриваются.

Осуществлен структурный синтез системы программного управления манипулятором в виде двух следящих систем, каждая из которых представляет собой многоконтурную систему с одной измеряемой координатой (рис.4). На основании анализа системы с линеаризованной моделью объекта управления показано, что использование в каждой системе двух минимально необходимых контуров (в случае использования программируемого задатчика ПЗ с ограничениями на скорость, ускорение, рывок и производную рывка) позволяет обеспечить требуемые значения плавности перемещения поддонов в рабочем пространстве склада. Собственный канал объекта управления включает в себя интегрирующее звено, поэтому при построении многоконтурной системы с одной измеряемой координатой в первом внутреннем контуре используем ПД-регулятор, постоянная времени которого компенсирует наибольшую инерционность объекта. Для придания системе управления свойств астатичности во втором контуре применен регулятор И-типа.

Рисунок 4 - Структура системы управления

Параметрический синтез цифровых регуляторов следящих систем осуществлен на вычислительной модели. Основной критерий синтеза - достижение максимальной полосы пропускания системы привода в условиях обеспечения требуемого запаса устойчивости при вариации параметров объекта и ограничениях со стороны силовых преобразователей частоты.

Для придания двумерной системе свойств автономности, что обеспечит движение моста без осевого разворота, синтезировано звено нелинейной коррекции НКЗ (рис.4). Показано, что при разбросе значений уровней ограничений силовых преобразователей в отдельных приводах до 2,5 раз погрешность движения сторон моста не превышает 0,5 мм. Синтезирован программируемый задатчик с настройкой параметров перемещения в условиях ограничения на скорость, ускорение, рывок и производную рывка. Проанализировано влияние этих параметров на амплитуду колебаний поддона, время разгона-торможения и общее время перемещения. Показано, что при оптимальном сочетании параметров настройки задатчика амплитуда отклонения поддона составляет 8,8 мм, время перемещения на максимально требуемое технологическое расстояние (4,1 м) 50,6 с, скоростная ошибка - 1,1 мм, точность позиционирования - одна дискрета датчика положения. Разработан алгоритм программной реализации регуляторов и программируемого задатчика на контроллере S200. Выполнена оценка влияния квантования по времени на динамику цифровой системы управления. Показано, что при тактовой частоте более 300 Гц систему можно считать квазинепрерывной.

В четвертой главе представлены результаты разработки вычислительных моделей, методика проведения вычислительных и натурных экспериментов объекта и цифровой системы; методика инженерного проектирования цифровой системы управления мостовым манипулятором, пример разработки SCADA-системы внутрицеховым транспортером и складом поддонов, в котором мостовой манипулятор оснащен синтезированной системой управления.

В программной среде MatLab созданы вычислительные модели многомерного объекта и цифровой системы его автоматического управления, отражающие в наглядной форме межканальные связи в механической системе манипулятора, наличие зазоров между ребордами колес и рельсами, ограничения в силовых преобразователях, нелинейные модели асинхронных двигателей, регуляторы, выделение неохваченной обратной связью части объекта, а именно поддона на упругом подвесе, с наблюдением амплитуды его колебаний.

Разработаны методики проведения вычислительных экспериментов по исследованию динамических характеристик объекта управления и системы. Они позволяют исследовать объект в «большом» и в «малом». Точки линеаризации выбраны в диапазоне частот питающего напряжения 314 ….. 31,4 с-1 с шагом 10 с-1. Объект выводился на режим с частотой питания двигателя щ0, после окончания переходного процесса «в большом» создавалось дополнительное ступенчатое воздействие, величина которого 0,1щ0. Далее анализировался переходной процесс «в малом», по результатам которого выбиралось типовое линейное звено (или совокупность звеньев). Параметры линейной модели подбирались из критерия минимизации отклонения переходных характеристик нелинейного объекта и его линейной модели.

При моделировании цифровой САУ основное внимание уделялось синтезу параметров программной траектории, который производился по критерию минимизации амплитуды раскачки поддона в условиях максимально достижимого быстродействия перемещения крана.

Для определения адекватности разработанной математической модели объекта управления были произведены натурные эксперименты на действующем оборудовании участка подготовки поддонов ОАО «Коттедж». Сравнение переходных характеристик, полученных в натурном и вычислительном экспериментах, показали адекватность разработанной математической модели, так как расхождение не превышает 14% (рис.5).

На первом этапе проектирования определяются параметры разработанной математической модели объекта управления и его вычислительной модели. На втором этапе в соответствии с разработанной методикой выполняется параметрическая оптимизация регуляторов на созданной вычислительной модели системы.

На основании этой методики разработан вариант технической реализации системы, устройство управления которой включает в себя два датчика абсолютных перемещений фирмы Kubler типа 3310, два частотных преобразователя НТЦЭ «Вектор» и программируемый контроллер S200 в математическом обеспечении которого используются разработанный алгоритм программной реализации цифровых регуляторов и программируемого задатчика.

Синтезированная система обеспечивает одностороннее позиционирование моста с погрешностью одна дискрета датчика положения, амплитуда колебаний поддона не превышает 8,8 мм. Найдена область достижимых показателей качества управления в пространстве с координатами: производная рывка, амплитуда колебаний поддона, быстродействие системы. Показано, что система слабо чувствительна к вариации параметров объекта управления и разбросу значений параметров ограничений в силовых преобразователях. Проведен сравнительный анализ показателей качества работы базового варианта мостового манипулятора (с гибким подвесом поддона) с вариантом доработки конструкции манипулятора, обеспечивающего жесткое перемещения привода подъема. Показано, что для автоматизации второго варианта манипулятора необходимо также оснащение его системой управления двухдвигательным приводом, которая по функциональному содержанию на 90% совпадает с разработанным вариантом системы управления. Отличие заключается лишь в отсутствии необходимости синтеза регуляторов по критерию минимизации амплитуды раскачки груза. Поэтому считаем, что выбранный вариант автоматизации участка складирования поддонов наиболее рациональный. Результаты исследований, связанные с автоматизацией участка подготовки поддонов используются в практике инженерного проектирования на Самарском комбинате по производству и монтажу изделий из ячеистого бетона ОАО «Коттедж».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований можно сделать выводы:

1. Анализ производства изделий из ячеистого бетона показал, что управление мостовым манипулятором на участке складирования поддонов существенно влияет на ритмичность работы и, в конечном счете, на производительность этого промышленного предприятия строительной индустрии. Результаты анализа публикаций по теме работы и проведенные производственные исследования показали, что наиболее рациональным способом автоматизации участка складирования является создание системы автоматического управления движением мостового манипулятора, используемого на этом вспомогательном производственном участке.

2. Сформулированы основные задачи исследования. Они включают в себя формулировку требований к системе управления манипулятором; разработку его математической модели как объекта управления; структурный синтез цифровой системы управления и параметрическую оптимизацию регуляторов; проведение экспериментальных исследований динамики манипулятора на действующем оборудовании; создание инженерной методики проектирования системы управления мостовым манипулятором с раздельным приводом и выполнение проектирования варианта его технической реализации.

3. Под объектом управления понимается совокупность моста, оснащенного раздельным приводом, грузовой лебедки, устройства подвеса схвата и поддона. Показано, что механические связи в конструкции манипулятора являются причиной его многомерности. Определены его выходные координаты - х0, y0, определяющие положение поддона в базовой системы координат ОXYZ. При раздельном приводе моста х0 определяется характером движения левого и правого концов моста ( х1 и х2, соответственно) и конструкцией устройства подвеса схвата поддона. Формирование математической модели выполнено применительно к двум вариантам конструкции моста: базовой с гибким подвесом груза (используется в производстве в настоящее время) и усовершенствованной - с жестким подвесом. Управляющие воздействия на объект представлены вектором U = [u1 u2 u3]T, состоящим из трех сигналов ui (где ), каждый из которых представляет собой частоту щi напряжения, действующего на соответствующий двигатель. В качестве основных возмущений принято изменение массы рабочего органа (движение моста с поддоном и без него) и изменение величины трения качения FCi.

4. На основании уравнений Лагранжа для механической части объекта и уравнений, описывающих электромеханические и электромагнитные процессы в асинхронных двигателях, разработана система уравнений, описывающая динамику объекта. Показано, что он нелинейный и нестационарный. Причинами нелинейности являются электромагнитные процессы в двигателе, межканальные связи в механической части манипулятора, наличие зазора между ребордами колес и рельса, силы трения в механизме передвижения. Основной причиной нестационарности является изменение массы перемещаемого груза. Разработана структурная схема манипулятора, на основании которой создана в программной среде MatLab обобщенная вычислительная модель нелинейного двумерного объекта. Выполнена линеаризация объекта «в малом». Это позволило найти симметричную структуру двумерного объекта, в которой линейные операторы собственных каналов и перекрестных связей представлены в виде передаточных функций, постоянные времени Т1 и Т2 которых изменяются в 11,3 и 10,6 раза, соответственно, а коэффициенты передачи К1 и К2 - в 2,2 раза. Линейные операторы перекрестных связей дополнены нелинейностями «люфт» Выполнена оценка адекватности математической модели объекта. Показано, что с погрешность, не превышающей 14%, временные характеристики модели совпадают с соответствующими экспериментальными характеристиками.

5. Сформулированы требования к системе автоматического управления мостовым манипулятором. В частности показано, что точность позиционирования моста должна быть 1 мм, амплитуда раскачки поддона не должна превышать 10 мм, время перемещения и позиционирования моста на максимальной технологическое расстояние (4,1 м) не должно превышать 55 сек. Предложена структура системы программного управления манипулятором в виде двух следящих систем, каждая из которых представляет собой многоконтурную систему с одной измеряемой координатой. Параметрический синтез цифровых регуляторов системы осуществлен на вычислительной модели. Найдена область достижимых показателей качества в пространстве с координатами: производная рывка, амплитуда колебания поддона, быстродействие системы. Показано, что система слабо чувствительна к вариации параметров объекта управления и разбросу параметров ограничений силовых преобразователей напряжения.

6. Разработана методика инженерного проектирования, на основании которой предложен вариант технической реализации системы, устройство управления которой состоит из двух инкрементальных датчиков положения, двух частотных преобразователей, контроллера S200, в математическом обеспечении которого используются разработанный алгоритм программной реализации цифровых регуляторов и программируемого задатчика.

7. Разработанная система обеспечивает одностороннее позиционирование моста с погрешностью одна дискрета датчика положения, амплитуда колебания поддона не превышает 8,8 мм, время перемещения на максимально требуемое технологическое расстояние (4,1 м) 50,6 с, скоростная ошибка - 1,1 мм. Результаты исследований, связанные с автоматизацией участка подготовки поддонов используются в практике инженерного проектирования на Самарском комбинате по производству и монтажу изделий из ячеистого бетона ОАО «Коттедж».

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Галицков, С.Я. Манипулятор участка складирования поддонов как объект управления / С.Я. Галицков, А.А. Ионов // Вестник СамГТУ серия «Технические науки», №4 (27) СамГТУ - Самара, 2010. - С. 18 - 26 (издание включенное в Перечень утвержденный ВАК РФ).

2. Галицков, С.Я. Функциональная схема объекта автоматизации участка подготовки поддонов / Галицков С.Я., Ионов А.А. // Труды секции «Строительство» Российской инженерной академии. Выпуск 9. - Москва, 2008. - С. 172 - 174.

3. Ионов, А.А. Синтез системы автоматического управления мостовым манипулятором с двухдвигательным приводом / Ионов А.А./ Труды девятой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании». - Самара: СГТУ, 2010. - С. 107 - 108.

4. Ионов, А.А. Математическая модель привода перемещения манипулятора с раздельным приводом / Ионов А.А. // Материалы 67 - й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» - Самара: СГАСУ, 2010. - С. 802 - 803.

5. Торунов, Ю.А. Алгоритм автоматической диагностики участка складирования поддонов / Торунов Ю.А., Ионов А.А. // Материалы 67 - й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика». - Самара: СГАСУ, 2010. - С. 833 - 835.

6. Ионов, А.А. Двухдвигательный портальный манипулятор как объект управления / Ионов А.А. // Труды восьмой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании». - Самара: СГТУ, 2009. - С. 112 - 114.

7. Ионов А.А. Функциональная схема САУ внутрицеховой транспортно-складской системой / Ионов А.А. // Труды восьмой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании». - Самара: СГТУ, 2009. - С. 109 - 111.

8. Ионов, А.А. Расчетная схема портального манипулятора / Ионов А.А. // Труды седьмой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании». - Самара: СГТУ, 2008. - С. 159 - 161.

9. Ионов, А.А. Экспериментальное определение коэффициента жесткости моста манипулятора / Ионов А.А. // Материалы 66 - й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» - Самара: СГАСУ, 2009. - С. 231 - 232.

10. Баскаков, А.В. Расчетная схема портального манипулятора участка подготовки поддонов / Баскаков А.В., Ионов А.А. // Материалы 65 - й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» - Самара: СГАСУ, 2008. - С. 535 - 536.

11. Блинчиков, О.И. Вычислительная модель портального манипулятора с ограничителем горизонтальных колебаний груза как объект управления / Блинчиков О.И., Ионов А.А. // Тезисы докладов 32-й Самарской областной студенческой научной конференции «Общественные, естественные и технические науки». - Самара: СГАУ, 2006. - С. 217-218.

12. Ионов, А.А. Кран участка подготовки поддонов как объект управления / Ионов А.А. // Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения». - Казань: КГТУ им. А.Н. Туполева, 2006. - С. 52 - 54.

13. Ионов, А.А. Алгоритм диагностики состояния участка подготовки поддонов при производстве ячеистого бетона / Ионов А.А. // Материалы 64 - й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» - Самара: СГАСУ, 2007. - С. 550 - 551.

14. Ионов, А.А. Комплексная механизация участка подготовки поддонов при производстве ячеистого бетона / Ионов А.А. // Труды шестой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» - Самара: СГТУ, 2007. - С. 52 - 54.

15. Ионов, А.А. Автоматизация крана участка подготовки поддонов / Ионов А.А // Тезисы докладов 25-й межвузовской студенческой научно-технической конференции Автоматизированные системы в строительстве. - Самара: СГАСУ, 2006. - С. 292 - 293.

Размещено на Allbest.ru