Развитие методов оптимизации и разработка на их основе быстродействующих регулируемых электроприводов механизмов прокатных станов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, доктор технических наук Мазунин, Василий Павлович

• Мазунин, Василий Павлович
• доктор технических наук
• 1999

Оглавление диссертации доктор технических наук Мазунин, Василий Павлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Структура и общие требования к регулируемым электроприводам.

1.2. Характеристика области работы силовой части электроприводов постоянного тока.

1.3. Характеристика области работы силовой части электроприводов переменного тока.

1.4. Проблемы синтеза систем регулирования в комплексах электроприводов.

1.5. Проблемы управления в регулируемых электроприводах.

1.6. Направление и постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

КОМПЛЕКСОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.

2.1. Описание структуры комплексов электроприводов.

2.2. Статические режимы регулируемых электроприводов.

2.3. Динамические режимы регулируемых электроприводов.

2.4. Обобщение модели регулируемых электроприводов.

2.5. Учёт действия статических нагрузок в динамической модели регулируемых электроприводов.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССОВ В ЛИНЕЙНОЙ МОДЕЛИ

КОМПЛЕКСОВ.

3.1. Основные признаки линейной модели регулируемых электроприводов.

3.2. Желаемые переходные функции и эталонные модели.

3.3. Прикладные настройки эталонных моделей с учётом особенностей при действии ограничений.

3.4. Дополнительный анализ условий настроек линейных систем.

3.5. Границы применимости переходных функций.

3.6. Реакция линейных систем на нагрузки.

3.7. Выводы.

ГЛАВА 4. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КОМПЛЕКСОВ

ПРИ ОПТИМАЛЬНОМ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ УПРАВЛЕНИИ.

4.1. Общая характеристика нелинейных процессов.

4.2. Оптимальные по быстродействию переходные процессы управления.

4.3. Характеристики предельных возможностей электроприводов на основе оптимальных процессов.

4.4. Количество интервалов управления в оптимальном процессе.

4.5. Определение длительности интервалов управления.

4.6. Время процессов при оптимальном управлении.

4.7. Учёт влияния соотношений ограничений на достижимые значения координат в процессе.

4.8. Параметры оптимального процесса при изменении уровня задания.

4.9. Показатели оптимального управления при учёте действия нагрузки.

4.10. Выводы.

ГЛАВА 5. СТРУКТУРА МОДЕМ КОМПЛЕКСОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

С ОПТИМИЗАЦИЕЙ УПРАВЛЕНИЯ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ.

5.1. Разработка направления оптимизации управления в регулируемых электроприводах.

5.2. Определение линий переключений при оптимальном управлении.

5.3. Достижимые предельные ограничения координат в электроприводах.

5.4. Анализ требований к входным сигналам и функциям для оптимального управления.

5.5. Определение задающих воздействий для реализации оптимального управления.

5.6. Общая структура уточнённой модели комплекса, сопоставление её с типовыми структурами.

5.7. Моделирование оптимальной системы и её анализ.

5.8. Возможности оптимального управления с линейными регуляторами при свободном выборе фиксированных ограничений.

5.9. Возможности оптимального управления при линейных регуляторах с фиксированными ограничениями, обусловленными выбором оборудования, оценка процессов в модели.

5.10. Выводы.

ГЛАВА б. МОДЕЛЬ КОМПЛЕКСОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ,

БЛИЗКАЯ К ОПТИМАЛЬНОЙ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ.

6.1. Общий анализ комплексов в режимах управления и регулирования с преобразованием модели.

6.2. Методика уточнения линий переключений и достижимых значений координат в модели.

6.3. Анализ процессов и линий переключений в эквивалентной инерционной части модели.

6.4. Уточнение управляющих воздействий для базовой модели.

6.5. Структура базовой модели комплекса с оптимизацией управления по быстродействию.

6.6. Исследование базовой модели комплекса с анализом процессов по быстродействию.

6.7. Анализ структуры базовой модели при фиксированных ограничениях и постоянных коэффициентах усиления.

6.8. Выводы.

ГЛАВА 7. АНАЛИЗ ИСПОЛНЕНИЙ БАЗОВОЙ МОДЕМ КОМПЛЕКСОВ

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ, РЕЗУЛЬТАТЫ РЕАЛИЗАЦИИ.

7.1. Исполнения базовой модели при отсутствии дополнительных управляющих воздействий.

7.2. Исполнения базовой модели при линейных характеристиках с фиксированными ограничениями

7.3. Исполнения базовой модели при нелинейном звене только во внешнем контуре.

7.4. Оценка известных результатов максимального приближения переходных процессов к оптимальным

7.5. Проектное моделирование электроприводов с учётом их типизации и реализации.

7.6. Связь ограничений координат с параметрами оборудования в комплексе.

7.7. Методика оценки экономичности регулируемого электропривода на этапах проектирования.34?

7.8. Практические применения исполнений базовой модели с оценкой особенностей реализаций комплексов.

7.9. Общие результаты внедрений и моделирования.

Направление и методика развития электроприводов.

7.10. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие методов оптимизации и разработка на их основе быстродействующих регулируемых электроприводов механизмов прокатных станов»

Работа посвящена решению проблем создания автоматизированных регулируемых электроприводов, обладающих повышенным быстродействием и экономичностью. В неё вошли обобщение опыта и результаты применения регулируемых электроприводов мощностью от 4 до 5000 кВт для механизмов заготовочных, сортовых, полосовых, трубных станов горячей прокатки в чёрной металлургии.

В этой отрасли требования к повышению эффективности и расширению диапазона работы электроприводов обусловлены совершенствованием и высоким уровнем автоматизации большинства процессов металлообработки, от разливки стали до получения готовой продукции, созданием новых технологий, агрегатов и механизмов.

Непрерывно ведутся разработки методик для повышения быстродействия и добротности вновь создаваемых и действующих комплексов, включая типовые, многофункциональные, на базе современных технических средств, опираясь на новые результаты исследований.

Возросли диапазоны регулирования, степень использования силовых элементов по мощности и передаче энергии, повышено их быстродействие. Электронными средствами регулирования достигнуты линеаризация и стабилизация характеристик, компенсация перекрёстных связей, поддерживаются энергетические соотношения, улучшающие эффективность и качество преобразования электрической энергии в механическую, что расширило область применения комплексов.

Достижения и приложения теории автоматического регулирования способствовали распростанению методик синтеза многоконтурных систем с жёсткими отрицательными обратными связями, с каскадным включением регуляторов, с подстройками при выборе режима. 8

Проблемы оптимизации электроприводов, как нелинейных систем, исследуются с приложениями теории оптимального по быстродействию управления к различным исполнениям электроприводов.

В каждом из подобных исследований выявлялись затруднения, вынуждающие расширять исследования теоретических направлений, преодолевать противоречивые условия реализаций.

Работа выполнена в лаборатории квалиметрии Института машиноведения в объёме темы "Разработка программно-аппаратных средств механотронных систем для интенсивных технологических процессов металлообработки" (Гос.per. 01.9.40006686 на 1995-2000 годы) в соответствии с реализацией Российской Академией наук Комплексной программы фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления.

Актуальность темы заключается в том, что для создания широкодиапазонных высококачественных быстродействующих электроприводов необходимо отыскивать и применять новые зависимости, учитывающие энергетические, информационные и физические ограничения, свойства и особенности систем и оборудования.

Обращение к привлечению таких зависимостей, объединяющих параметры, описания, модели, критерии оптимальности различных систем на основе фундаментальных физических закономерностей, ведёт к новому общему направлению развития регулируемых электроприводов широкого назначения, к совершенствованию методик разработок, проектирования, инженерных оценок технических решений.

Актуальность исследований в указанном направлении подтверждается современным уровнем развития теории электропривода и тенденциями к повышению универсальности разрабатываемых систем. Исследования законов электромеханики, приложения методов автоматического регулирования и управления, включая принципы выбора ос9 ковкого оборудования, з, в целом - комплекса технических средств, доведены до детального обоснования ряда достижений и взаимосвязанных теоретических положений, но не объединённых общими зависимостями, что препятствует приближению к оптимальности, повышению качественных показателей регулируемых электроприводов, расширению области их применения. Поэтому требуются углублённый анализ этих достижений, уточнение способов оптимизации, вывод новых положений на основе физического единства любых процессов и режимов.

Целью работы является создание общей методики разработки высококачественных быстродействующих регулируемых электроприводов, базирующейся на новых критериях оптимизации, и на этой основе -решение проблем достижения высоких показателей в комплексах, создаваемых для широкого диапазона управления и ограничений при интенсивных режимах работы, включая направления их развития.

Задачи исследования:

- расширить описание регулируемых электроприводов на весь диапазон значений координат, любые уровни ограничений и сочетания параметров с обобщениями до создания единой модели комплексов на основе многоконтурной структуры;

- определить статические и уточнить динамические показатели регулирования в электроприводах с учётом инерционности и на основе интегральных квадратичных критериев оптимальности регуляторов, параметров эталонных линейных моделей и переходных функций, в том числе - по быстродействию;

- разработать новую методику приложения критерия оптимальности по быстродействию и формирования процессов управления с ограничениями, предельных для регулируемых электроприводов любого порядка инерционности; создать на её основе общую нелинейную математически оптимальную модель широкодоапазонного комплекса, аЙ лЛтлтттГАА пттп тгтгттгттл./^чп/^л т-т г ж /—« пттт*г, гтучпг/лтягмпт- лггттп »п ■пт тт* «т гтплттлп иииищедпи« сШсШЙТЛЧСиГьие шшисшме ИсХрсШСХриБ и! 11' УШсШП пыл ирицеисов в ней, имеющее прикладное значение при интенсивной работе;

- создать общую, физически реализуемую, нелинейную модель регулируемого электропривода, в которой достижимо максимальное приближение процессов к предельным, оптимальным по быстродействию, разработать описание её характеристик и свойств, единое для возможных приложений и исполнений;

- обосновать связь разработанных линейной и нелинейной моделей с общей моделью комплекса, условия и зависимости для физической реализации оптимальных по быстродействию и близких к ним переходных процессов управления и регулирования;

- вывести объединяющие закономерности и сформулировать новые положения как основу для создания физически оптимальных по быстродействию комплексов, опираясь на многоконтурные модели и особенности их структуры, в том числе - уточнить методы выбора оборудования для обеспечения быстродействия и уровней ограничений;

- разработать и обосновать рекомендации для достижения высокой экономичности быстродействующих регулируемых электроприводов при интенсивных режимах работы с учётом цикличности и широкого диапазона управления;

- выполнить экспериментальные исследования новых электроприводов широкого назначения для подтверждения разработанных положений, включая апробацию и внедрение в промышленности основных технических решений, созданных типовых узлов и комплексов.

Метода исследования основаны на фундаментальных закономерностях теории электропривода и электромеханики, на приложениях теории автоматического управления и регулирования, на обобщениях зависисмостей и ограничений в комплексах широкого назначения. Использованы современная классификация и методы создания структуры

11 тпг\\ (ТТ1ТГ.11%П1^'Г| т» * глмтл чтат» ттллтлт*« 1л 1 |лтлтп 1 г>ттг% ттттг»

П.иМШ1СЛ.иий И У1Л миделе VI, ЧсУЛиХПЫС мехиды сшсишос! уихиичшзиитм, методы аналитического конструирования регуляторов, вариационные методы оптимизации управления, методы прогнозирования для линейных и нелинейных замкнутых систем с учётом их физической реализуемости, методы функционального математического анализа, численные методы отыскания решений, матеамтическое моделирование.

Научная новизна заключается

-в развитии общей модели электроприводов на основе физических законов возможного и невозможного в процессах и режимах, с методически последовательной оптимизацией по быстродействию;

- выводе новых квадратичных критериев оптимальности линейных систем применительно к электроприводам на базе аналитического конструирования регуляторов, обобщающих практический опыт;

- создании теоретической базы для единого прикладного описания оптимальных процессов при любых сочетаниях ограничений и уровнях заданий, опираясь на свойства общей модели комплексов;

- обосновании нового направления синтеза оптимальных и близких к оптимальным моделей электроприводов, удовлетворяющих признакам реализуемости и эталности приближений к математической оптимальности как пределу технической осуществимости;

- создании новой методики оптимизации электроприводов, согласно которой быстродействие достигается при минимуме потерь энергии во всех, либо в основных циклах интенсивной работы;

- выводе общих закономерностей для инженерных методов анализа фактических, а также предусматриваемых в проектах, свойств электроприводов при управлении с ограничениями координат и в диапазонах до ограничений, но с физически предельными возможностями;

- определении соотношений, отражающих пределы реализаций процессов управления в электроприводах при конкретных приложениях л пттл тт ▼ i i т тг-ч тт гл тй ал л г>т017тлт'гпгт тт(^г»тмттл,г,т1« » рпг% л л л и сшсиш^им уилившг выиирса ииирудилсшуш, ВгидЮчсш пииТсшишлу греииваний к электродвигателю, источнику энергии и к основным техническим характеристикам составных частей комплекса.

На защиту выносятся:

- методика развития регулируемого электропривода на основе обобщений структуры многоконтурных систем с жёсткими линейными обратными связями для массового применения в разнообразных объектах и технологических процессах, включая объекты новых разработок и новой техники, его перспективность, исходящая из тесной взаимосвязи режимов управления и регулирования;

- прикладые критерии и положения, обосновывающие широкодиапазонное управление, оптимальное по быстродействию, при различных уровнях заданий и сочетаниях ограничений, включая параметры линейных и нелинейных эталонных моделей, ориентированные на высококачественное оборудование и максимальное использование его ресурсов, что представляет собой новое общее направление оптимизации;

- новая общая методика управления с использованием регуляторов в замкнутой системе для достижения максимального быстродействия, основанная на распределении воздействий по контурам и на соответствующих теоретически обоснованных алгоритмах, доступных для реализации программными, аппаратными, программно - аппаратными средствами;

- обоснованные положения для проектирования: по определению характеристик регуляторов в линейной и нелинейной областях, включая их сопряжения; по оценке предельных возможностей комплексов и приближения к ним в реальных процессах с применением обобщающих зависимостей; по выбору оборудования, обеспечивающего максимум быстродействия при минимизации потерь энергии.

13

Пппатпп«м#«««п/1 ««лпмпгпм* т. л чтати »»лтл» » • щллпгтлчкл^Аля цеНыиСаш иииТиит а иле дующем.

- создана единая комплексов массового применения, включая следящие и позиционные; разработана методика: настроек регуляторов на основе активного участия их в системах управления; выбора оборудования для различных режимов работы;

- разработаны определяющие соотношения для проектной и исследовательской практики, актуальные при оценках возможностей электроприводов, отражающие совмещение достижений в области создания высококачественных, быстродействующих технических средств и способов повышения качества многоконтурных систем;

- использованы объединяющие закономерности и исходные алгоритмы расчёта характеристик регуляторов при различном количестве контуров и сочетании ограничений, на основе рассредоточения функций управления по контурам, при ряде широко практикуемых вариантов приближённого математического описания электропривода в конкретных обстоятельствах;

- разработано и апробировано близкое к оптимальному управления электроприводами с многоконтурной структурой, охватывающее весь диапазон управляющих воздействий, включая сопряжения областей линейности и нелинейности с заданными показателями точности с высокой воспроизводимостью при любом порядке инерционности;

-выполнено промышленное внедрение технических решений, ряда новых узлов электроприводов на уровне серийных, основными из которых являются: согласование по положению при любой скорости, ограничение хода совместно управляемых механизмов при произвольном направлении движения каждого и относительно крайних положений, отработка рассогласований в пределах последнего дискретного интервала при цифровом управлении, узлы и средства для различной степени приближения процессов к оптимальным по быстродействию.

14

Реализация s промышленности включает внедрения разработок в проектах с апробаций на моделях и вводом в эксплуатацию различных электроприводов на прокатных станах в металлургической промышленности, где оптимизации придаётся большое значение; распространение методик для успешных пусковых и наладочных работ.

Основными разработками являются:

- следящие приводы с нелинейными регуляторами положения на основе методик учёта инерционности и ограничений, реализованные в типовых комплектных электроприводах выпуска ХЭШ (НИИ ХЭШ) и УЭТМ (ВНИИЭП) и внедрённые в основном на летучих (ротационных) ножницах при реконструкции и строительстве листопрокатных станов ММК, череповецкого МК, в 1975, 1977, 1979, 1985, 1988 гг.;

- позиционные электроприводы, включающие новые узлы в комплексах, разработанных объединением "ВНИИЭлектропривод" (в СССР), выпускаемых УЭТМ для подобного назначения, внедрённые на механизмах рабочей линии блюминга, обжимных и балочных клетей 1150, 1500, 1300, УБС НТМК в 1974, 1978, 1983, 1985 ГГ.;

- регулируемые электроприводы различного назначения, дополнительно к перечисленным, при повышенных требованиях к быстродействию и точности для ПНТЗ, Синарского трубного завода и других объектов, в объёмах реализаций проектов ВНИПИ "Тяжпромэлектропро-ект" в 1968 - 1990 гг.;

- проверенные на ЭВМ и физических макетах оптимальные модели и методы оценки пределов реализаций, в период 1970 - 1999 гг.;

- уточнённые методики настроек и оценок электроприводов, переданные для инженерной практики в "Уралэлектромонтаж", Тяжпромэ-лектропроект, Уралгипромез и др., заводским лабораториям, пусковым и наладочным подразделениям (НИИТЯНМАШ Уралмашзавода, Уралэ-лектротяжмаш, ММК, НТМК, ПНТЗ и др.), а также ряд циклов курсов

15 повышения квалификации специалистов в 1|ИПК (г. Екатеринбург).

Апробацця основных результатов исследований выполнена в докладах и при обсуждениях: на Всесоюзном научно-техническом совещании "Основные направления автоматизации прокатных станов" (1968, Жданов); на 5-й Всесоюзной конференции по автоматизированному электроприводу (1972, Тбилиси); на 2-й Всесоюзной конференции по динамике крупных машин при Научном Совете по теории машин и рабочих процессов Отделения механики и процессов управления АН СССР (1973, Свердловск); на 6-й Всесоюзной конференции по автоматизированному электроприводу (1978, Баку); на 4-й Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизированный электропривод прокатных станов" (1990, Екатеринбург); на 1-й Международной (12-й Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (1995, Санкт-Петербург); на шести региональных, отраслевых научно-технических и межвузовских конференциях а также на семинарах, проводимых ВНИИЭлектроприводом, ВНШМЕТМАШ, ВНИПИ ТПЭП, УГТУ-УПИ, региональным Комитетом по автоматизированному электроприводу Союза НЛО СССР, НТО Среднего Урала, УрО РАН, ЗШАШ, КПИ.

Публикации, в списке из 34 работ по теме диссертации: монографий - 1; брошюр - 1; изобретений - 9; статей в центральных журналах - 4; статей в сборниках трудов - 4; статей в отраслевых сборниках - 5; препринтов - 3; тезисов докладов в сборниках - 7.

Объём работ: 272 стр. машинописного текста; 101 стр. с 101 рисунком; 24 стр. с 49 таблицами; 11 стр. со списком литературы в 112 наименований; 19 стр. приложений.

Основной текст содержит введение, 7 глав и заключение.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Мазунин, Василий Павлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследований созданы быстродействующие широко-регулируемые электроприводы на основе прикладных теоретических положений оптимизации, в соответствии с которыми разработаны новые критерии, принципы выбора оборудования, эффективно реализуемые методы управления и регулирования, базирующиеся на физическом единстве процессов и режимов.

Теоретические положения и новые технические решения определили перспективное направление развития электроприводов, достижения их экономичности и универсальности.

Таким образом, осуществлено решение научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение: разработаны критерии и методы оптимизации и создания регулируемых электроприводов, повышена их экономичность и расширена область применения.