CC BY
39
УДК 621.316.7:622
В.А.Дубровин, П.А. Сорокин (Москва, МИИТ)
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОПРИВОДА ПОДВИЖНОЙ РАМЫ ПОДБИВОЧНОГО БЛОКА В СИСТЕМЕ VISUAL SIMULATOR
Исследована динамика системы управления гидропривода с обратной связью по ускорению в системе Visual Simulator. Приведены результаты исследования, определены рациональные параметры системы управления.
Программа Visual Simulator (VisSim) предназначена для построения, исследования и оптимизации виртуальных моделей физических и технических объектов, в том числе и систем управления. Программа VisSim разработана и развивается компанией Visual Solutions (USA) [1]. Эта программа - мощное, удобное в использовании, компактное и эффективное средство моделирования физических и технических объектов, систем и их элементов. Программа обладает эффективным графическим интерфейсом, используя который, исследователь создает модель из виртуальных элементов с некоторой степенью условности так же, как если бы он строил реальную систему из настоящих элементов. Это позволяет создавать, а затем исследовать и оптимизировать модели динамических систем широкого диапазона сложности.
При описании и последующем построении модели в среде VisSim нет необходимости записывать и решать дифференциальные уравнения, программа это сделает сама по предложенной ей исследователем структуре системы и параметрам ее элементов. Результаты решения выводятся в наглядной графической форме. При использовании VisSim 'а не требуется владеть программированием на языках высокого уровня или Ассемблере. В то же время специалисты, владеющие программированием, могут создавать собственные блоки, дополняя ими богатую библиотеку стандартных блоков VisSim'a.
Моделирование систем управления - это далеко не весь круг задач, которые можно решать в VisSim. Например, в этой программе можно решать дифференциальные уравнения и VisSim делает это значительно эффективнее и быстрее, чем программа MathCAD. При соизмеримой производительности по сравнению с программой Simulink, входящей в программный пакет MathLab, VisSim занимает в сотни раз меньше места на жестком диске и в оперативной памяти.
Исходными данными для построения модели в VisSim'e являются структурно-функциональная схема моделируемой системы, процесса или объекта и описывающие их дифференциально-алгебраические уравнения. Вместо таких уравнений могут быть заданы операторы или функции, характеризующие отдельные элементы моделируемой системы, например, передаточнные функции для линейных элементов и статические характе-
ристики для нелинейных элементов систем управления. К модели \%81т'а могут быть подключены с помощью дополнительных компьютерных плат и внешние физические устройства, которыми модель системы, построенная в ■уЪЗш'е, сможет управлять. Таким образом, объектами управления модели системы автоматического управления, построенной в У188нп, могут быть не только виртуальные, но и реальные устройства.
Исследование динамики системы управления гидропривода включает:
1. Построение структурных схем системы автоматического управления для различных вариантов, определяемых постановкой задачи. Такими вариантами являются существующая система управления, система управления с отрицательной обратной связью по ускорению, скорректированная система управления с отрицательной обратной связью по ускорению, система управления с отрицательной обратной связью по ускорению и положению подвижной рамы;
2. Построение и анализ характера переходных процессов в гидроприводе с различными вариантами систем управления;
3. Оценку качества переходных процессов;
4. Оценку устойчивости разомкнутого контура системы управления;
5. Стабилизацию разомкнутого контура;
6. Оценку устойчивости замкнутой системы управления;
7. Коррекцию замкнутой системы управления;
8. Оценку качества системы управления;
9. Определение рациональной схемы системы управления.
Анализ переходных процессов производится путем подачи на вход
системы управления единичного скачкообразного воздействия. Разомкнутый контур САР состоит из устойчивых элементов, но, в свою очередь, содержит контур местной обратной связи. Следовательно, САР может быть неустойчивой в разомкнутом состоянии.
Традиционно, устойчивость разомкнутого контура определялась с помощью критериев Михайлова или Гурвица. В моделирующей программе У1з81т устойчивость системы определяется непосредственно по виду переходной характеристики. Более того, по виду переходной характеристики качественно можно оценить и степень устойчивости. Изменяя параметры элементов контура местной обратной связи (коэффициенты усиления регуляторов), необходимо добиться, чтобы переходный процесс стал апериодическим, желательно без перерегулирования.
Для решения этой задачи необходимо вывести разомкнутый контур на границу устойчивости, а затем уменьшить коэффициент усиления усилителя в 2 - 10 раз. В предлагаемой методике контур выводится на границу устойчивости для того, чтобы иметь точку начала отсчета для обеспечения нужного запаса устойчивости по амплитуде.
Оценка степени устойчивости замкнутой САР проводится с помощью логарифмического варианта критерия Найквиста. Это позволяет не только косвенно - по запасам устойчивости - судить о степени устойчивости САР, но и численно определить необходимые для предварительной стабилизации изменения значений параметров элементов. Для оценки устойчивости необходимо выделить элементы разомкнутого контура и вызвать логарифмические амплитудно-частотные (ЛАЧХ) и логарифмические фазо-частотные (ЛФЧХ) характеристики. Определить запасы по фазе и амплитуде. Сравнить их значения с допустимыми.
Коррекция замкнутой САР осуществляется с целью получения работоспособной САР путем выбора рационального коэффициента усиления контура управления. Если этого оказывается недостаточно, то в главный контур вводится и настраивается ПИ-регулятор.
По ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутого контура определить необходимую величину изменения коэффициента усиления (в дБ), с тем, чтобы запасы устойчивости вошли в требуемые интервалы, предпочтительнее ближе к их верхним границам. По фазе это 35 - 65° и по амплитуде 6-20 дБ. Изменение усиления контура следует провести путем введения ПИ-регулятора непосредственно за сумматором главного контура управления.
Оценка качества САР выполняется с целью сравнения показателей качества переходного и установившегося режимов оптимизированной САР с требованиями, предъявляемыми к САР заказчиком. Оценка качества переходного режима САР осуществляется по переходной функции замкнутой САР. При этом необходимо оценить время регулирования и перерегулирование. На рис. 1 приведена структурная схема исходной разомкнутой системы управления гидропривода и ее переходная характеристика. Привод с такой системой управления имеет динамические показатели, в целом обеспечивающие работу привода, время переходного процесса ?пп = 0,8 с , перерегулирование о = 15 %. Однако, требуемое время цикла должно быть обеспечено при минимальных ускорениях и, следовательно, при минимальных динамических нагрузках.
Поэтому задачей, требующей решения, является обеспечение системой управления апериодического переходного процесса без перерегулирования.
Для этого в нее введена отрицательная обратная связь по ускорению подвижной рамы. Обратная связь по ускорению формируется двумя реальными дифференцирующими звеньями, включенными на вход ПИ- регулятора. Включение отрицательной обратной связи (ООС) по ускорению в контур управления привода позволило исключить из переходного процесса перерегулирование, сохранив величину времени переходного процесса на уровне Тт- 0.9 с. Колебательный характер переходного процесса требует коррекции системы управления, вызванные гибкой ООС по ускорению. Для этого в регулятор ускорения введено форсирующее звено. Результаты
коррекции приведены на рис. 2. Кривая переходного процесса носит апе риодический характер. Время переходного процесса Т„„= 0,8 - 0,9 с.
Рис. 1. Структурная схема исходной разомкнутой системы управления гидропривода и ее переходная характеристика
,000324>г+.С«М«+1
■003Ч»+1
Рис. 2. Структурная схема скорректированной системы управления гидропривода с отрицательной обратной связью по ускорению и ее переходная характеристика
Решением второй задачи совершенствования системы управления гидропривода может быть введение в схему управления ООС по положению подвижной рамы, т.е. применение в машине следящего привода. Такая система управления реализует схему подчиненного регулирования (рис. 3). Введение жесткой отрицательной обратной связи по положению позволило сократить величину статической ошибки на 20 %, несколько ухудшив характер кривой переходного процесса. Снизить статическую ошибку возможно повышением общего коэффициента усиления системы. При этом статическая ошибка привода снизилась на 60 %, что не доста-
точно. Кроме того при повышении коэффициента усиления переходный процесс приобрел колебательный характер с перерегулированием о = 40 %. Время переходного процесса увеличилось до ^лл= 0,8 с.
Рис. 3. Структурная схема системы управления гидропривода с отрицательной обратной связью по ускорению и положению подвижной рамы и ее переходная характеристика
Анализ ЛАЧХ и ЛФЧХ системы управления показывает, что система с коэффициентом усиления КАУ= 24 находится на границе устойчивости и его дальнейшее повышение недопустимо. Повышение точности и устойчивости привода возможно путём применения методов структурной коррекции, введения в закон регулирования интеграла, повышения порядка
астатизма системы. На рис. 4. приведены структурная схема системы управления с ООС по ускорению и положению с рациональным коэффициентом усиления регулятора, ее переходная и частотная характеристики.
Рис. 4. Частотные характеристики разомкнутой системы управления гидропривода с отрицательной обратной связью по ускорению и положению подвижной рамы с рациональным коэффициентом усиления регулятора
Их анализ показывает, что при значении коэффициента усиления регулятора положения КАу - 5 система управления обеспечивает апериодический характер переходного процесса со значеним времени переходного процесса 1т= 0,7 с, при этом запасы устойчивости по амплитуде Д1= 10 дБ, по фазе - Д<р = 40°.
Выводы
1. Введение в систему управления приводом гибкой ООС по ускорению позволяют обеспечить апериодический переходный процесс и улучшить динамические характеристики привода.
2. Введение ООС по ускорению с коррекцией форсирующим звеном регулятора ускорения позволило получить апериодический характер переходного процесса привода. Время переходного процесса Тпп- 0,8 - 0,9 с.
3. Решением второй задачи совершенствования гидропривода может быть введение в схему управления ООС по положению подвижной рамы, т.е. применение в машине следящего привода.
4. Система управления с ООС по ускорению и положению с рациональным коэффициентом усиления регулятора положения КАУ= 5 система управления обеспечивает апериодический характер переходного процесса со значеним времени переходного процесса /„„= 0,7 с, при этом запасы устойчивости по амплитуде АI- 10 дБ, по фазе - Дф = 40°, снижая статическую ошибку на 20 %.
5. Дальнейшее повышение точности и устойчивости привода возможно путём применения методов структурной коррекции, введения в закон регулирования интеграла, повышения порядка астатизма системы.
Библиографический список
1.Клиначёв Н. В. Моделирование систем в программе У1з81ш: справочная система, 2001. (877 КБ).
Получено 23.04.08
УДК 621.746:669.14
Д.А. Провоторов (Тула, ТулГУ)
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В СТАКАНАХ-ДОЗАТОРАХ УСТАНОВОК НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК
Рассмотрено анапитическое моделирование напряжений, возникающих в ста-канах-дозаторах установок непрерывного литья заготовок при разливке жидкой стали, обосновано совместное влияние динамических и температурных нагрузок на область разливочного канала.
Анализ опыта эксплуатации систем автоматической смены отказавших стаканов-дозаторов на промежуточных ковшах показал, что основной причиной их замены является увеличение диаметра разливочного
