Автоматизация портального крана с подвесной траверсой: на примере участка автоклавирования ячеистого бетона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Блинчиков, Олег Игоревич

• Блинчиков, Олег Игоревич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Блинчиков, Олег Игоревич

Введение

1 Особенности режимов работы и средств автоматизации порталь- 16 ного крана с подвесной траверсой на участке автоклавирования ячеистого бетона. Постановка задачи исследования.

1.1 Технические особенности загрузки-выгрузки автоклавов при производстве ячеистого бетона

1.2 Описание конструкции портального крана с подвесной траверсой. Алгоритм работы крана.

1.3 Обзор средств автоматизации известных конструкций пор- 21 тальных манипуляторов и кранов

1.4 Постановка задачи исследования 25 Выводы по первой главе

2 Математическое описание портального крана с подвесной траверсой как объекта управления

2.1 Определение объекта управления.

2.2 Допущения, принимаемые при разработке математической 31 модели. Расчетная схема

2.3 Уравнения движения объекта управления

2.4 Синтез структуры объекта управления

2.5 Исследование динамических характеристик объекта управ- 53 ления

Выводы по второй главе

3 Система автоматического управления загрузкой автоклавов пор- 60 тальным краном

3.1 Требования, предъявляемые к системе автоматического 60 управления загрузкой.

3.2 Исследование динамики базового варианта системы управ- 62 ления краном

3.3 Структурный синтез системы и настройка регуляторов

3.4 Робастность системы автоматического управления

3.5 Достижимые показатели качества управления краном

3.6 Методика инженерного проектирования синтезируемой 94 САУ ПКПТ

3.7 Вариант технической реализации САУ ПКПТ 95 Выводы по третьей главе

4. Экспериментальные исследования системы управления

4.1 Структура вычислительной модели объекта управления

4.1.1 Вычислительная модель механической части объекта

4.1.2 Вычислительная модель обобщенного объекта

4.2 Методика определения динамических характеристик объекта управления и анализ полученных

4.3 Вычислительная модель базовой системы управления кра- 110 ном с подвесной траверсой

4.4 Вычислительная модель САУ ПКПТ

4.5 Алгоритм программной реализации задатчика и регулято- 114 ров системы

4.6 Экспериментальные исследования портального крана

Выводы по четвертой главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация портального крана с подвесной траверсой: на примере участка автоклавирования ячеистого бетона»

Актуальность проблемы. Строительное производство в настоящее время предъявляет высокие требования к эффективности работы подъемно-транспортных устройств, в том числе - портальных кранов. Портальные краны с подвесной траверсой имеют простую конструкцию. Это объясняет их широкое применение на предприятиях строительной индустрии, например, на участке автоклавирования изделий из ячеистого бетона. Основной недостаток промышленной эксплуатации этих кранов заключается в том, что при существующих способах управления кранами возникают значительные колебания перемещаемого груза (при производстве ячеистого бетона - массив сырца) и, как следствие, удары траверсы о механические упоры ограничителей. Это приводит, во-первых, к преждевременному износу и даже к разрушению конструкции крана и, во-вторых, к динамическим воздействиям на сырец ячеистого бетона, что вызывает необратимые изменения его реологических свойств и приводит к браку готовой продукции.

Поэтому весьма актуальным является автоматизация и совершенствование управления портального крана с подвесной траверсой с целью придания этой машине новых динамических показателей качества управления, отвечающих технологическим требованиям производства изделий из ячеистого бетона.

Диссертация выполнена в соответствии с тематическим планом госбюджет- ных научно-исследовательских работ ГОУВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» по направлению «Автоматизированные системы в строительстве» (№ 01970005686 Госрегистрации от 23.05.2007г.) и на основании госбюджетной фундаментальной научно-исследовательской работы «Математическое описание технологического процесса производства ячеистого бетона как объекта управления» (№ 0120.0 850036 Госрегистрации от 01.01.2008г.)

Целью работы является создание автоматической системы управления портальным краном с подвесной траверсой на участке автоклавирования ячеисто-бетонных изделий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать математическое моделирование портального крана с подвесной траверсой как объекта управления;

- выполнить структурный синтез системы автоматического управления краном и параметрическую оптимизацию регуляторов;

- разработать алгоритм программной реализации задатчика и регуляторов системы управления;

- создать испытательную установку на базе портального крана и разработать методику проведения натурных и вычислительных экспериментов;

- разработать инженерную методику проектирования системы автоматического управления краном и выполнить проектирование варианта технической реализации системы.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории систем автоматического управления, методы идентификации и аппроксимации моделей объектов управления. В работе широко используется имитационное моделирование на ЭВМ в программной среде MatLab и MathCAD.

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

- математическая модель портального крана с подвесной траверсой как объекта управления, отличающаяся от известных моделированием электромеханического привода крана в виде двухмаятниковой системы, учетом упруго-диссипативных характеристик тросового подвеса и ограничителей колебаний траверсы, позволяющая адекватно оценивать динамику движения крана и траверсы;

- структура системы автоматического управления портальным краном с подвесной траверсой (САУ ПКПТ), отличающийся от известных построением ее в виде двухконтурной системы с одной измеряемой координатой (положение 5 крана относительно рельсового пути) и выделением в структуре динамического звена, моделирующего колебания траверсы и ее динамический удар о механические упоры ограничителей колебаний, позволяющая решить задачу автоматического управления движением крана без колебаний траверсы с минимальным использованием датчиков обратной связи и регуляторов;

- методика параметрической оптимизации регуляторов и задающего устройства двухконтурной системы с одной измеряемой координатой, отличающаяся от известных тем, что она ориентирована на обеспечение робастности системы управления краном, позволяющая, минимизировать амплитуду колебаний траверсы и динамического удара. 1 I

Практическая значимость полученных в диссертации результатов заключается:

- в разработанной методике и полученных результатах проведения вычислительных и натурных экспериментов по исследованию объекта и системы управления;

- в создании экспериментальной установки исследования динамики портального крана с подвесной траверсой как объекта системы автоматического управления;

- в создании инженерной методики расчета системы автоматического управления портальным краном с подвесной траверсой, на основании которой разработан вариант технической реализации системы управления.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в практике инженерного проектирования на Самарском комбинате по производству и монтажу изделий из ячеистого бетона ОАО «Коттедж» и в учебном процессе при подготовке в Самарском архитектурно-строительном университете инженеров по специальности «Механизация и автоматизация строительства» и магистров по направлению «Строительство», программа подготовки — «Комплексная механизация строительства».

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрение на Международных, Российских конференциях и форумах: на Международной научно6 технической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2007,-2008» (Самара, СГАСУ, 2007; Владимир, ВлГУ, 2008); на Международной научно-технической конференции «СТРОЙКОМПЛЕКС-2008» (Ижевск, ИжГТУ, 2008); на Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль» (Тольятти, ТГУ, 2006); на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (Самара, СГАСУ, 2005, 2008, 2009); на 32-ой Самарской областной студенческой научной конференции. Общественные, естественные и технические науки» (Самара, СГАУ, 2006); на 25-ой юбилейной межвузовской студенческой научно-технической конференции (Самара, СГАСУ, 2006).

Публикации. Материалы диссертационных исследований опубликованы в 10 научных изданиях, в том числе 1 статья [49] опубликована в издании, включенном в утвержденный ВАК РФ Перечень ведущих научных журналов и изданий, выпускаемых в РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 103 наименований и приложения. Основной текст работы изложен на 142 страницах, диссертация содержит: 57 рисунков, 13 таблиц, приложение на 12 страницах, библиографический список на 8 страницах.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Блинчиков, Олег Игоревич

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ

1 .Разработаны в программной среде MatLab вычислительные модели объекта, базовой и спроектированной систем управления. Разработаны методики постановки вычислительных экспериментов на этих моделях.

2.Показано, что использование вычислительной модели позволяет оценить целый ряд динамических характеристик привода траверсы портального крана, которые практически невозможно измерить на действующем оборудовании. В частности - величину динамического удара упоров траверсы на ограничители, оценить значение упруго-диссипативных характеристик звеньев кинематической цепи привода.

3. Разработан алгоритм программной реализации задатчика и регуляторов микропроцессорной САУ.

4. На базе портального кран YTONG грузоподъемностью 21,5 т, использующегося на участке автоклавирования комбината по производству ячеистого бетона ОАО «Коттедж» создана экспериментальная установка, позволяющая исследовать динамику траверсы крана при перемещении моста. Для изучения динамических характеристик привода использован датчик ускорения, закрепленный в нижней части траверсы. Входное воздействие осуществлялось сигналом, поступающий на привод от командоконтроллера. Регистрация динамических процессов осуществлялась цифровым осциллографом DG SCOPE -20MHz.

5. Эксперименты, проведенные на вычислительной модели разработанной САУ ПКПТ, показали, что внедрение созданной системы позволит минимизировать величину удара траверсы об упоры до значения 65Н при амплитуде колебаний не превышающей 2.5мм в рабочем объеме портального крана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных в диссертационной работе теоретическим и экспериментальным исследованиям, направленных на создание автоматической системы управления портальным краном с подвесной траверсой на-участке автоклавирования ячеистобетонных изделий можно сделать следующие выводы:

1. Используемые в настоящее время способы управлении портальным краном с подвесной траверсой вызывают значительные колебания траверсы и удары ее о механические упоры, что недопустимо на участке автоклавирования бетонной изделий. Показано, что известные устройства компенсации раскачки груза не позволяют достичь требуемых показателей качества. Сформулирована цель исследования - создание автоматической системы программного управления движением портального крана с подвесной траверсой, обеспечивающей минимизацию амплитуды колебаний массива ячеистого бетона и удара траверсы о механические упоры - и задачи для достижения поставленной цели.

2. Дано определение объекта синтезируемой системы управления - совокупность моста крана с траверсой и двигателя, который через редуктор, карданные валы и зубчатые колеса осуществляет линейное перемещение крана по рельсовому пути. Показано, что в рамках принятых обоснованных допущений расчетную схему механической части объекта управления можно представить в виде связанных маятников, колебания которых ограничиваются упругими упорами. На основании этой расчетной схема разработано математическое описание объекта управления в форме системы дифференциальных уравнений Лагранжа.

3. Синтезирована структура обобщенного объекта, включающая в себя модель механической части объекта и модель электромагнитных процессов, протекающих в исполнительном двигателе постоянного тока. Объект управления описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений с нестационарными параметрами. Поэтому исследование его динамики выполнено на разработанной в программной среде MatLab вычислительной модели. Она позволяет оценить ряд динамических характеристик, которые практически невозможно измерить на действующем оборудовании, в частности - величину динамического удара упоров траверсы о ограничители. Сделано допущение о возможности использования при синтезе регуляторов системы модели объекта управления, линеаризованной «в малом». Показано, что его постоянная времени Ti изменяется в 2,5 раза, а Т2 - 6 раз, а вариация значений коэффициентов и приводит к изменению структуры объекта.

4. Оценка адекватности разработанной модели выполнена путем сравнения динамических характеристик крана, полученных в условиях его промышленной эксплуатации, и аналогичных характеристик, полученных на разработанной вычислительной модели. Показано, что величина их среднеквадратичного отклонения не превышает 10-15%.

5. Сформулированы требования, предъявляемых к автоматическому управлению перемещением кранов рассматриваемого класса, на основании чего предложено создание системы автоматического программного управления, состоящей из двух контуров с одной измеряемой координатой -положение крана относительно рельсового пути. Показано что в первом контуре целесообразно применить ПД-, а во втором - И-регулятор.

6. Разработана методика параметрической оптимизации регуляторов, основанная на использовании вычислительной модели объекта и системы в целом. Оптимизация регуляторов выполнена по анализу переходных процессов в каждом контуре системы с учетом ограничений в силовом преобразователе и квантовании сигнала по уровню и по времени в вычислительном устройстве. Установлено, что синтезированная система управления

ПКПТ обладает свойством робастности при известном диапазоне изменении параметров объекта управления.

7. Разработан алгоритм задатчика программной траектории движения и позиционирования крана, где при формировании траектории используется ограничение величины рывка. Результаты исследования синтезированной САУ ПКПТ показали, что для достижения минимально допустимой значений отклонения ^=2.5мм и силы удара Fyfl=65H в рабочем пространстве крана, необходимо изменять ограничение рывка в функции величины заданного перемещения крана.

8. На базе портального крана YTONG грузоподъемностью 21,5 т, использующегося на участке автоклавирования комбината по производству ячеистого бетона ОАО «КОТТЕДЖ», создана экспериментальная установка, позволяющая исследовать динамику траверсы крана при перемещении моста. Результаты экспериментальных исследований позволили оценить адекватность разработанной математической модели объекта.

9. Разработана методика инженерного проектирования САУ ПКПТ, базирующаяся на основе разработанных вычислительных моделей объекта и системы управления. На основании этой методики спроектирован вариант технической реализации микропроцессорной системы на базе программируемого контролера Siemens S7-300. Показано, что внедрение системы позволяет минимизировать удар траверсы об упоры до величины 65Н, при этом отклонение поддона не превышает дХ2=2.5мм, точность позиционирования составляет 0.7мм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Блинчиков, Олег Игоревич, 2009 год

1. Бать М.И. Теоретическая механика в примерах и задачах. М.: Наука, 1973.488 с.

2. Яковенко Г.Н. Краткий курс аналитической динамики. М.: Бином, 2004. — 238с.

3. Иванов А.П. Динамика систем с механическими соударениями. М.: МПО,1997.-336 с.

4. Бидерман В.А. Прикладная теория механических колебаний. М.: Высшаяшкола, 1972. 416 с.

5. Герасимяк Р.П. Динамика асинхронных электроприводов крановых механизмов. М: Энергоатомиздат, 1986. 168 с.

6. Ключев В.И., Терехов М.В. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов М.: Энергия, 1980. 360 с.

7. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированногоэлектропривода. М.: Энергия, 1979. 616 с.

8. Казак С.А. Динамика мостовых кранов. М.: Машиностроение, 1968. 332 с.

9. Зерцалов А.И. Краны с жестким подвесом груза. М.: Машиностроение, 1979.- 192 с.

10. Галицков С.Я., Галицков К.С., Масляницин А.П. Математическое моделирование промышленных объектов управления. Самара: СГАСУ, 2004. -152 с.

11. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов. М.: Академия, 2005. 304 с.

12. Спыну Г.А. Промышленные роботы. Конструирование и применение. К.: Выща школа, 1991. 311 с.

13. Галицков С.Я. Динамика электромеханических исполнительных систем прецизионных станков и роботов. Куйбышев: Куйбыш. политехи, ин-т, 1989.- 108 с.

14. Лобов Н.А. Динамика грузоподъемных кранов. М.: Машиностроение, 1987.- 160 с.

15. Ключев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1971. -216 с.

16. Коровин Б.Г. Системы программного управления установками и робото-техническими комплексами. Д.: Энергоатомиздат, 1990. — 352 с.

17. Косовский B.JI. Программное управление станками и промышленными роботами. М.: Высшая школа, 1989. 272 с.

18. Андреенко С.Н. Проектирование приводов манипуляторов. Д.: Машиностроение, 1975.-312 с.

19. Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. М.: Академия, 2004. 567 с.

20. Чиликин М.Г. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия,1979.-616 с.

21. Петров И.И. Автоматизированный электропривод. М.: Энергия, 1980. 408с.

22. Фролов К.В. Механика промышленных роботов. М.: Высшая школа, 1988.367 с.

23. Смехов А.А. Оптимальное управление подъемно-транспортными машинами. М.: Машиностроение, 1975. 239 с.

24. Дьяконов В.П. Matlab + Simulink. Основы применения. М. Солон-Пресс, 2004. 768 с.

25. Лобов Н.А. Динамика передвижения кранов по рельсовому пути. М.: Издво МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 232 с.

26. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MatLab 6.0. СПб.: Корона принт, 2001. 320 с.28.