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. 01.9.40 006 686 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 основерешение 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 инерционностисоздать на её основе общую нелинейную математически оптимальную модель широкодоапазонного комплекса, аЙ лЛтлтттГАА пттп тгтгттгттл./^чп/^л т-т г ж /—" пттт*г, гтучпг/лтягмптлггттп «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 Ў 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 сопряженияпо оценке предельных возможностей комплексов и приближения к ним в реальных процессах с применением обобщающих зависимостейпо выбору оборудования, обеспечивающего максимум быстродействия при минимизации потерь энергии.

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

— создана единая комплексов массового применения, включая следящие и позиционныеразработана методика: настроек регуляторов на основе активного участия их в системах управлениявыбора 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.

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 значениераспространение 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

.

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.