CC BY
31
Електротехнiчнi комплекси та системи. Силова електронка
УДК 629.5.065.23:62-523.8 ^к 10.20998/2074-272Х.2016.4.05
В. В. Будашко
П1ДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТ1 КЕРУВАННЯ СУДНОВИМ ДВОМАСОВИМ ЕЛЕКТРОПРИВОДОМ
На niдставi теоретичных i практичных достджень двомасового електроприводу судновоТ вантажноТ системи рефрижераторного судна, в роботг вирШена науково-технiчна проблема вдосконалення системи керування електропри-водом впродовж впливу на нього рiзновекторных збурень. Результатом виконаних дослджень е поеднання рiвнянь, що описують перемщення вантажу механизмом тдйому рамки утримувача палет, в систему диференщальних рiвнянь з коефцентами, залежними вид коливань судна. У теоретичнш частит синтезовано математичну модель електро-механiчноТ системи механизму тдйому, що дало змогу достдити способи жнтнаци кутгв розгойдування i часових штервал1в, необхгдних для стабШзаци перемщення вантажу двохмасовим електроприводом механизму пдйому, що дозволило у непрямий споаб шплементувати сигнал, пов'язаний зi стохастичною природою моменту коливання судна, на координатну площину електроприводу п^йому. Також удосконалено та дослджено споаб параметричноТ оп-тим^заци математичноТ модел електромехашчноТ системи в функцп кута розгойдування вантажу. На тдставi ви-значення структури та алгоритмiв роботи тдвищена ефективнсть системи керування двохмасовим електроприводом механизму шдйому з точки зору зменшення часу стабШзацирухомого вантажу. Бiбл. 15, рис. 9. Ключовi слова: судновий двомасовий електропривод, система керування, розгойдування вантажу, математичне моде-лювання, удосконалення, адаптившсть, стабШзащя.
На основании теоретических и практических исследований двухмассового электропривода судовой грузовой системы рефрижераторного судна, в работе решена научно-техническая проблема усовершенствования системы управления электроприводом, находящегося под разновекторными возмущениями. Результатом выполненных исследований является объединение уравнений, описывающих перемещения груза механизмом подъема рамки держателя паллет, в систему дифференциальных уравнений с коэффициентами, зависящими от колебаний судна. В теоретической части синтезирована математическая модель электромеханической системы механизма подъема, что позволило исследовать способы минимизации углов раскачивания рамки держателя паллет и временных интервалов, необходимых для стабилизации перемещения груза двухмассовым электроприводом механизма подъема, что дало возможность косвенно имплементировать сигнал, связанный со стохастической природой момента колебания судна, на координатную плоскость электропривода подъема. Также усовершенствован и исследован способ параметрической оптимизации математической модели электромеханической системы в функции угла раскачивания груза. На основании определения структуры и алгоритмов работы повышена эффективность системы управления двухмассовым электроприводом механизма подъема с точки зрения уменьшения времени стабилизации перемещаемого груза. Библ. 15, рис. 9. Ключевые слова: судовой двухмассовый электропривод, система управления, раскачивание груза, математическое моделирование, усовершенствование, адаптивность, стабилизация.
Вступ. 1снуе ряд суднових пвдйомно-транспортних механiзмiв (ПТМ), на яких встановлю-ються тиристорш електроприводи постшного або змшного струму: потужш мостовi крани, переванта-жувач^ високопродуктивш баштовi крани. Для таких механiзмiв завдання мiнiмiзацi! розгойдування вантажу можна ефективно виршувати шляхом формування спещальних закошв керування електроприводом, оскшьки системи керування (СК) побудоваш за гнуч-кою технолопею. В даний час юнуе ряд ршень, яш дозволяють знизити мехашчт коливання вантажу [1]. Ц ршення спрямоваш на обмеження прискорень в переходному процес та отримання плавно! змши кон-трольованого параметру. До таких ршень можна вщ-нести використання задавачiв штенсивносп, застосу-вання фiльтрiв на виходах регуляторiв, введення зво-ротних зв'язшв по похвдним контрольованих парамет-рiв, змшу коефщенпв передачi регуляторiв, регулю-вання часу пуску i гальмування [2]. При використанш перерахованих способiв значне обмеження розгойдування вантажу досягаеться шляхом ютотного збшь-шеннi часу перехвдних процесiв перемiщення вантажу, що призводить до зменшення продуктивносп ме-ханiзмiв. 1снуе необхiднiсть розробки таких систем керування електроприводами ПТМ, використання яких дозволить найбшьш ефективно обмежувати коливання вантажу при високш продуктивностi елект-
роприводу i можливостi гнучкого управлiння мехаш-змами i3 застосуванням регресивних методiв [3].
Дослiдження проводяться в рамках науково-дослщно! держбюджетно! роботи «Концепцп, технологи та напрямки удосконалення суднових енергети-чних установок (СЕУ) комбiнованих пропульсивних комплекав» (КПК) Нацюнального унiверситету «Одеська морсько! академiя» (державний реестрацш-ний номер 0114Ш00340).
Постановка задачь Для суднових ПТМ особли-вим експлуатацiйним режимом е такий, в якому е потреба змши принципу управлшня продовж процесу пiдйому вантажу, що пов'язано, насамперед, i3 по-стiйним впливом на об'ект автоматичного керування (ОАК) довшлля. При чому, шд ОАК розумiеться подсистема, сформована для виконання таких умов: СК дозволяе цшеспрямовано змiнювати значення керова-них величин з певною перюдичшстю; цiлеспрямоване коригування керованих величин оцiнюеться за допо-могою вимiрiв в реальному масштабi часу. Безаварш-не протiкання рiзних технологiчних, виробничих i транспортних процеав може бути забезпечено лише тод^ коли тi чи iншi сути для цих процесiв фiзичнi величини змiнюються певним чином. Завдання до-тримання позици полягае в забезпеченш практично! змiни керовано! величини ввдповщно до задано! дi!
© В.В. Будашко
при впливi збурення на процес керування. Узагальне-но будь-яку систему автоматичного керування (САК) можна побудувати з двох функцюнально-зашнчених пвдсистем: ОАК i пристрою автоматичного керування (ПАК), з'еднаних мiж собою вiдповiдно до використо-вуваного принципу керування.
САК, що виконують протирозгойдуванi функцп пiдроздiляються на двi основнi групи: iз замкнутим i розiмкнутим контурами керування [4]. Першi засно-вано на сигналах зворотного зв'язку вiд поточного навантаження, кутового ввдхилення, положення еле-менлв електроприводу i його швидкостi, яш вимiрю-ються за допомогою додаткових датчиков. Системи з вiдкритим контуром працюють iз застосуванням по-передження факту виходу контрольованого параметру за межи, та 1х принцип дИ засновано на спробi усуну-ти похибку до того, як вона ввдбуваеться.
На цей час юнують рiзнi пiдходи щодо пом'як-шення наслiдкiв виходу вантажу що перемiщуeться iз усталеного стану. У [5] застосовано штелектуальний пiдхiд iз введенням сформованого сигналу, щоб запо-б^и розгойдування, так званий метод компенсаци iз похiдною, пропорцiйною контрольованому параметру. Аналопчний принцип керування iз застосуванням нейронного контролеру, заснованого на принцип компенсацп невизначеностi було запропоновано у [6]. Управлiння на основi спостерiгача було розроблено i випробувано у реальному мостовому кранi [7]. У [8], при дослщженш двовимiрноl моделi портального крану iз РБ ^игг/'-контролером, було використано затри-мання сигналу зворотного зв'язку iз компенсацieю сформованого входного сигналу похибки.
Метою стати е пвдвищення ефективносп проце-су керування електроприводом суднового вантажот-дйомного механiзму, як електромехашчного об'екту, в найбiльш залежнiй ввд положення судна площинi з метою зменшення часу експлуатацiйних просто1в.
Для досягнення зазначено! мети в робот необ-хiдно розв'язати так1 задача
• проаналiзувати сучаснi дослiдження, присвячеш зменшенню негативних насладив коливань вантажу, закршленого на пiдвiсi зi змшними параметрами;
• визначити критери оптимiзацil законiв керування рухом механiзмiв тдйому i перемiщення, при яких коливання вантажу зменшуються;
• розробити методику проведения експерименту i дослвдити основнi характеристики рухомо1 моделi електроприводу механiзму пвдойму з шдвшеним на ньому вантажем з точки зору параметризацп як само1 САК, так i елементiв ПАК;
• на основi проведених дослвджень запропонувати функцiональну схему САК рухом механiзмiв пвдйому i перемiщення, працюючих у синерпзм^ i показати позитивнi сторони вщ застосування СК з подальшою перспективою !х штеграци у будь-який технологiчний процес, пов'язаний iз судновими вантажно-розвантажувальними роботами та змшами експлуата-цiйних режимiв.
Об'ект дослщження - процеси управлiння двома-совим електроприводом вантажно-розвантажувально1 системи судна.
Предмет дослщження - структурнi схеми та пе-ретворення систем автоматичного керування судновими вантажио-пiдйомними електроприводами змш-ного струму.
Методи досл1джень. Для реалiзацil поставлених завдань при проведенш дослвджень будуть викорис-товуватися методи математичного моделювання ди-намiчних процеав на комп'ютерi, структурнi методи теорп автоматичного управлiння, експериментальнi дослiджения на лабораторий устаиовцi.
На цьому етат необхвдно зауважити, що деста-бшзащя руху ПТМ залежить насамперед вщ неузго-дження процесiв керування у самш САК з iншими технолопчними процесами на суднi, як об'екту, що знаходиться шд впливом довкшля. А якщо розглядати СЕУ КПК у режимi динамiчного позицiонуваиня (БР), то не враховувати дестабiлiзацiйнi чинники е прямим шляхом у невиршешсть проблеми розгойдування вантаж1в взагалi [9, 10].
Аналiзуючи, наприклад, стшшсть по Ляпунову, в першу чергу необх1дно придiляти увагу опису СК просторовими рiвняниями з урахуванням збурюючих чиннишв довк1лля, що впливае на КПК. Тобто, можна констатувати за потрiбне удосконалення методiв Ляпунова, оскшьки визначення стiйкостi динамiчноl системи, якою е САК, без урахування впливу на не1 поведiнки КПК, не мае сенсу [11].
1снуе багато критерпв стiйкостi САК, але, для КПК взагалi i для СЕУ зокрема, як для керованих об'екпв, характерна нелшшна нестацiонарна структура, що накладае обмеження на застосування цих критерilв для iнварiаитних у чаа нелiнiйних САК судновими вантажно-тдйомними мехаиiзмами (ВПМ). Тому, хоча другий метод Ляпунова, з iншого боку, i посягае на унiверсальнiсть, i е необх1дною умовою для аналiзу стабiльностi нелiнiйних динамiчних САК, точш рiшения в1д його застосування годi й чекати, бо вони можуть бути недосяжними, а отримання усшш-ного результату може бути нелегким завданням, якщо не сказати - нездшсненим [12].
Наступним е той факт, що для стацюнарних ль неаризованих САК властива проблема оптимiзацil коефiцiентiв передачi регуляторiв з одночасним до-триманням продуктивностi всього електроприводу, як частини СЕУ КПК. Це досягаеться шляхом послвдов-ного ггерацшного зменшення коефщенпв передачi за методом Ляпунова, як правило, використовуючи ди-ференцшш рiвияння, записаиi у формi матриць лiнiй-них нерiвностей, щоб гарантувати продуктивнiсть електроприводу [13]. Чисельш приклади показують, що метод е ефективним при вдентифжацп контролерiв САК iз занадто зниженими коефiцiентами передач^ як1 задовольняють типовим обмеженням продуктивности i що, як основний метод, вш може бути розши-рений для обробки нелiнiйних САК i контролерiв [14].
На рис. 1 представлено фрагмент вантажно-розвантажувально1 системи модернiзоваиого рефрижераторного судна, призначено1 для забезпечення, паралельного основному на верхнш палубi, техноло-пчного процесу заваитажения палет.
А
Рис. 1. Вантажно-розвантажувальна система палет рефрижераторного судна: 1 - установка гiдравлiчна; 2 - металева змон-тована конструкщя вiзка; 3 - металева змонтована конструкщя розподшьника; 4 - клггка; 5 - додаткова нижня пластина; 6-8 - боковi дверц 9 - кришка люка верхньо! палуби; 10 - кришка люка друго1'/четверто'1 палуби; 11 - кришка люка третьо! палуби; 12 - кабель мережi пiдтримки лiвосторонньоí збiрки; 13 - кронштейн цилшдра на палубi; 14 - лоток для кабельного ланцюга; 15, 16 - трос; 17 - фаркоп; 18, 19 - лiвий та правий приводи вiзкiв, вщповщно; 20 - живлячий кабель; 21 - кронштейн кршлення кабелю; 22 - кабельш хомути; 23 - надпотужний роз'ем; 24 - кабельний ввщ; 25 - гiдравлiчний цилiндр; 26 - упор для датчика; 27 - вюь; 28 - пластина блокування внутршньо! позицй вiзка; 29-31 - шайба крiплення приводу БпуеЬеаш;
32 - шайба; 33 - шестигранна самоконтр. гайка; 34 - гвинт головки блоку цилiндрiв
Рух завантажено! палети характеризуеться пере-хщними режимами, що залежать в1д поведшки судна, тому для його опису, були використаш закони керу-вання мехашзмом тдйому з плавно змшним приско-ренням. 1дентиф1кащя САК ВПМ палети як стащона-рно! можливо при припущенш, що маса палети не-змшна продовж 11 перемщення, тобто накладаються вимоги то загального часу вантажно! операцп.
Реальне коливання вантажу являе собою досить складний процес, який для практичних розрахунюв може бути зам1нений гармон1йним коливальним ру-хом. Швидк1сть вертикального перемщення вантажу досить велика. При цьому треба враховувати, що судно здшснюе коливальш рухи з частотою, як правило, нижчою, шж частота коливання вантажу. У результат! швидюсть перемщення троса буде дор1внювати алге-бра!чн1й сум1 швидкостей перем1щення вантажу 1 точки закршлення троса.
Виконуючи першу 1 другу задач1 на баз1 р1внянь руху твердого тша було складено систему р1внянь для визначення в1дносного вертикального перемщення тдвтено! рамки утримувача палети вантажно-розвантажувально! системи рефрижераторного судна (рис. 2). Оскшьки такий параметр як вага судна е ви-значальним у нестац1онарност1 КПК 1 СЕУ зокрема, то параметрами вантажних електропривод1в верхньо! палуби можна знехтувати. При цьому урахування ко-ливань судна, змши параметр1в СЕУ 1 КПК взагал1 зд1йснювалося на баз1 застосування так званих БМ1-моделей суден в залежност1 в1д водотоннажност1, збу-рюючих чинник1в 1 коеф1ц1ент1в передач! всережим-них регулятор1в, враховуючих перехщ судна до 1ншо-го експлуатацшного режиму.
Рис. 2. Схема динамки руху вантажотдйомного мехашзму: т1 - маса вантажотдйомно!' рамки; ¥Т - сумарне тягове зусил-ля; ЖР - сила опору руху рамки; Т1 - сила натягу периметральних тросiв; Т2, Т3 - сили натягу поперечних тросiв; G1 - сила
тяжшня вантажопiдйомноí рамки; G2 - сила тяжшня утримувача вантажу (палети); G3 - сила тяжiння вантажу (палети); ф12 - кут повороту рамки; аАС, аВВ - кути мiж вантажем i тросами; Э, р - кути вiдхилення вiдповiдних тросiв вiд початково-го положення; к - вертикальна вщстань мiж точками закршлення тросiв i центром тяжшня вантажу; Ь12 - вiдстанi мiж точками закрiплення тросiв; а12 - вiдстанi мiж точками закршлення тросiв i центром тяжiння вантажу
X 4 =—(~т14х ^п(э, Р) + - Ж);
т1
У1 = 0;
Х2,5 = (Т1,4 х sin(Э, в) - Т2,3 х С0Ф А, аС ) + Т3,2 х С0ФВ, аВ ));
т 2
У2 = —(Т1,4 х c0s(Э, в) - Т2,3 х sin(а А, аС ) - Т3,2 х ^п(аВ, аВ ) - °2); т2
Х3,6 = ~~ (Т2,3 х С0Ф А, аС ) - Т3,4 х С0ФВ, аВ ) - ЖР ); т3
У3 = —(Т23 х sin(a а , а с ) + Т32 х sin(a в, а в ) - £3);
т3
(1,2 = (Т2,3 х «1,2 х c0s(a А, аС - У 1,2 ) - Т3,4 х «1,2 х С0ФВ, аВ - У1,2)); т3
Е х $
де: Т1 = к х^1 + р х ^ - сила натягу периметральних трошв; к =--коефiцiент жорсткостi тросу; Е - мо/1
(1)
п х С
дуль абсолютно! пружностi матерiалу пiдвiсу; $ =-х с - площа перетину тросу; сС - дiаметр тросу;
4
с - коефщент заповнення перетину тросу; Aly = ¡1 -110 - подовження периметральних TpociB; l1 - довжина пе-риметральних троав пiд час руху; ¡10 - довжина периметральних троав в положенш рiвноваги;
(xi - x2) х (x> - x2) + (y -y2) х (-y, - y2) . 0 .
1 2 1 2 - швидк1сть змiни довжини периметральних тросiв; p - коефщь
A1 =
V(x1 - x2)2 + (Vl - У2)2
ент втрат енергп; T2,T3 = A xAl2,Al3 + p xAi2,Ai3 Al2, Al3, Al5, Al6 = l2' l3. ¡5, l6 -120, l30.150. l60 - змiна
сила натягу поперечних троав; довжини поперечних тросiв;
¡2, ¡3, ¡5, l6 = довжина
x2,5 - xA,c, xB,d)2 + (y2 - yA,c,yB,D)2 - довжина поперечних троав тд час руху; ¡20, I30, ¡50, 160 -
поперечних
тросiв
при
рiвноважному
положення
вантажу;
Ai2,Ai3,Ai5,Ai6
(2 х (x2,5 - xA,C , xB,D ) х (x2,5 - xA,C , xB,D ) + (2 х (У2 - УА,С , -B,D ) х (-2 - УА,С , -B,D )
/2 2
2 х V(x2,5 - ХА,С , xB,D ) + (У2 - УА,С , VB,D )
- швидк1сть по-
довження поперечних тросiв; G1 - сила тяжiння рамки утримувача палети; G2 - сила тяжшня траверси; m3 - ма-
са палети; 0, р = arctan
x1,4 - x1,4
V x2,5 - x'
2,5
кут вiдхилення периметральних тросiв ввд початкового положення;
a a , ас = arcsm
, а d = arcsm
(x2,4 ~ ХА,С )(yB,D ~ уА,С ) ~ (xA,C ~ xB,D )(y2 ~ уА,С ) b х ¡2
(x2,4 - xB,C )(уА,С - yB,D ) - (xB,D - xA,C )(y2 - yB,D ) b х ¡3
- кут мiж траверсою i вантажем;
- кут мiж дiаметральною площиною судна i
вантажем; 2 = - h2 + |-12 I - ввдстань мiж центром тяж1ння i точками закршлення вантажу у рамцi; h - вер-
f ч 2
тикальна ввдстань мiж центром тяжшня i точками закрiплення вантажу у рамцц b12 - вiдстанi мiж точками за-крiплення вантажу; Wp = 1000 х — х р х Х36 х с а х n х b, 2 х h - сила опору при руа вантажу; р - щльшстъ довкш-ля; сА - коефщент урахування аеродинамiчноl сили; n - перевантажувальна спроможнiсть.
Для синтезу моделi двомасового електроприводу шдйому використано iнструментальнi засоби трьох пакета системи MATLAB: основного Simulink (керуюче-iнформацiйний канал з П1Д-регулятором швидкосп), а також спецiалiзованих Sim-Power Systems ^ртуальт блоки силового каналу) i Simulink Response Optimization (канал оптишзаци побудованих ПIД-регуляторiв). При розробцi моделi враховувалися рекомендаци та загальнi щдходи, викладенi в роботах [12, 15] (рис. 3).
Рис. 3. Комп'ютерна модель експериментально! установки в МайаЬ БтиНпк
Нижче наведено функцюнальш призначення блоков модели в дужках вказаш параметри, яш вводиться в поля в1кон налаштування елеменпв: М - аси-нхронний електродвигун з короткозамкненим ротором (номшальна потужнють, лшшна напруга, частота,
активн1 опори та 1ндуктивност1 статорно! 1 роторно! обмоток, взаемна 1ндуктившсть, момент шерцп, число пар полюав); М^. - блок завдання навантаження (величина статичного моменту); - тиристори тиристорного регулятора напруги (ТРН), включеш по два в кожну фазу 1 з'еднаш зустр1чно-паралельно (отр у вщкритому 1 закритому станах, падшня напруги на тиристор1); АУБ - система 1мпульсно-фазового керу-вання (С1ФК) (частота мереж1, ширина керуючих 1м-пульав); БТ - блок дозволу (нульовий сигнал) або заборони (одиничний) на роботу С1ФК; БиЬ - пвдсис-тема формування необхщного д1апазону кут1в управ-л1ння тиристорами ТРН (мшмальне 1 максимальне значення); АС - трифазна мережа живлення змшного струму (л1н1йна напруга, частота, активний оп1р 1 1н-дуктивн1сть джерела); QF - автоматичний вимикач (отр в замкнутому 1 роз1мкнутому станах); AQF -блок управл1ння автоматом (включення одиничним сигналом, в1дключення - нульовим); ПУ - блок датчиков напруги мереж1 живлення для синхрошзаци роботи С1ФК (л1н1йн1 або фазш напруги); LF - трифа-зний струмообмежувальним реактор для забезпечення електромагн1тно! сум1сност1 електропривода з мережею (активний ошр 1 1ндуктившсть); ЕЯ - блок завдання необхвдно! швидкост1 (величина сигналу 1 час його подач1); А1 - задатчик 1нтенсивност1 для обме-ження прискорення приводу (темп наростання сигналу задано! швидкосп); АЯ - ПЩ-регулятор швидкост1 (пропорц1йна, 1нтегральна 1 диференщальна складов1, обмеження вих1дного сигналу); ПЯ - датчик швидко-сп для формування негативного зворотного зв'язку
(коефщент передач^; MMD - блок видшення контро-льованих napaMeTpiB (швидк1сть i момент двигуна); SRS - блок оптимОзаци пaрaметрiв П1Д-регулятора швидкостi (необходш параметри переходного проце-су); Scope - осцилограф для вОзуалОзаци контрольова-них параметров (число входОв, час моделювання); To Workspace - блок виведення значень швидкосп в ро-бочу область для подальшо! обробки (позначення ко-нтрольованого параметра); SW - ключ перемикання режимОв роботи моделО (числове значення уставки спрацьовування); ASW - блок управлшня ключем (одиничний сигнал комутуе верхнш вхОд, нульовий -нижнш).
Для обробки дискретних чисельних значень екс-периментальних швидкосних характеристик, взятих з робочо! обласп системи MatLab, та визначення кое-фщенпв передавальних функцш САК, було викорис-таш шструментальш засоби пакета Labview. У нашо-му випадку отримаш наступш значення коефщенпв: b0 = 6.2334e9, al = 8726.8, a2 = 0.98763e7, a3 = 4.31234e8 - при апроксимацО1 перехОдних характеристик третьо-го порядку; K = 18, a0 = 8.345e-7, a1 = 0.04567 - в разО апроксимацп перехщних характеристик другого порядку.
Наступним кроком дослщження е знаходження залежностей для обчислення складових П1Д-регулятора швидкосп безградОентним методом По-увелла в якому обчислення похОдних виконуеться за спрощеними рОзницевим формулами, що забезпечуе подвищену швидкость оптимОзацп. Водповщш форму-ли можна отримати, використовуючи класичну методику, аналогОчно системам з пОдлеглим регулюванням координат, враховуючи залежностО (1).
Для третього порядку наближено, нехтуючи складовою полшома знаменника третього ступеня:
KP = a2 , K, = a3 , Kd = - ai
Kp = -
aCTnb0 KC ai
K, =
K, =-
aCTnb0KC i
^D
aCTab0KC
Kd =-
a0
(2)
«сТ» ККс «сТц ККС " «сТ^ККс
У наведених виразах Кс - коефщент передачi негативного зворотного зв'язку по швидкостц Т» -постiйна часу, що враховуе швидкодш тиристорiв ТРН; «с - настроювальний параметр контуру швидко-стi (стандартне значення дорiвнюe двом). Обчисленi складовi П1Д-регулятора швидкосп вводяться в вiкно налаштувань параметрiв блоку АЯ. При моделюванш замкнуто! системи ТРН-АД ключом БЖ комутуемо нижнiй вход. Для отримання результапв моделювання без оптимОзаци параметрiв регулятора необхвдно за-пускати процес кнопкою основного вшна модел1.
Основними вимогами до електроприводiв ванта-жотдйомних механiзмiв, виходячи з викладеного аналiзу, е: забезпечення початку подйому без непри-пустимого удару в троа, забезпечення натягу троса до моменту тдйому вантажу, виключення повторного удару вантажу судном, що шдшмаеться. Виконання цих вимог може бути здшснено двома способами.
Перший споаб. Електропривод мае двО основш швидкосп: малу для натягування троса на початку подйому (0.25-0.35 м/с) О велику для подйому вантажу,
яка дорОвнюе середнОй швидкостО пОдйому судна у напряму пОдйому вантажу, або перевершуе 11. Велика швидкость становить 1.5-2 м/с в залежносп вОд дов-жини хвилО коливання судна. Переход електроприводу на велику швидкОсть система управлОння повинна здОйснювати в момент, коли вантаж опиниться у ниж-нОй точцО нахилу судна при натягнутому тросО. При цьому вантаж починае пОднОматися разом Оз початком тдйому судна О, шсля того як слабину троса буде ви-брано, продовжуе тдйом з постшною швидкостю до моменту доки пОдйом судна у напрямку руху вантажу не закОнчиться та, якщо виконуеться умова
• h0
vl > 1.3
Ti
(3)
де vl - швидкОсть руху вантажу, при чому 1.3^ и 1.
Ti
ДОапазон регулювання швидкостей для вантажо-пОдйомних механОзмОв, що працюють за даним способом, мае становити 1/6^1/8. Очевидно, що тако меха-нОзми доцОльно застосовувати для вантажОв обмеже-ною маси (не бшьше 15 т), оскольки Оз збшьшенням потужностО електроприводу суттево зростае ОнерцОй-нОсть системи.
Другий спосОб. Вантажний механОзм мае спецОа-льну конструкцОю з канатним або механОчним дифе-ренщалом О двома двигунами. Один з двигушв е тяго-вим, а шший - швидшсним. Тяговий двигун забезпечуе вибирання первюно! слабини троса зО швидкостю 0.2^0.25 м/с, тсля чого вш переключаеться на макси-мальну швидкОсть. Одночасно вмикаеться швидкОсний двигун, з'еднаний з мехашзмом через муфту обгону О храповий пристрш. Швидшсний двигун повинен за-безпечити вибирання троса зО швидкОстю не менш 2h0/Tl - 0.5 м/с О час розгону при вибиранш троса вхо-лосту не бОльше Tl/10. Шсля виходу на верхню точку пОдйому судна швидкОсний двигун зупиняеться, а тя-говий продовжуе працювати на максимальной швидкосл. Ця швидкость повинна складати не менше 0.5 м/с, щоб уникнути динамОчного удару навОть у випад-ку, коли висота тдйому судна буде на 40% вище по-передньо1 висоти. Таким чином, дОапазон регулюван-ня швидкостей в данш системО становить 1/2^1/3, а швидкОсний двигун може виконуватися без пристрою регулювання швидкостО. Система зО швидкОсним дви-гуном може застосовуватися для пОдйому вантажОв будь-яко! маси, аж до деколькох десятков тон. Недоль ком таких систем е складнОсть механОзму О невисока надОйнОсть внаслОдок того, що при несправностО роз-вантажувального пристрою швидкОсного двигуна мо-жливе падшня вантажу.
Судна пОд час вантажно-розвантажувальних ро-бгт тддаються подовжнш О поперечнш хитавицям, перОод О амплОтуда яких залежать як вОд ступеню хита-вищ, так О вОд конструктивних особливостей судна. ОперацО1 з перевантаження при коливаннях робляться лише при 1х помОрних параметрах. Сума вертикальних перемщень судна при цьому знаходиться в межах 2^5 м при перюдО хитавищ 6^12 с. Умовою безпечно! посадки вантажу або його перевантаження е пОдтримка
постшно! ввдсташ Н0 м1ж м1сцем навантажування 1 вантажем при вщключеному мехашзм! тдйому. Рух вантажу щодо палуби судна описуеться складною формулою:
^ = /(кЪ h3,1 % , Фтах ,Ф,Ф0,(4)
де к1, к2, к3 - вщповвдно амплиуди вертикального перемщення судна 1 ввдстань по висоп ввд центру тяж1ння вантажно-тдйомного мехашзму до центра тяж1ння судна; /1, /2, /з - перюди вщповвдних орбгга-льних рух1в судна; фт1ах, ф, ф0 - кути вщповщно крену судна з утримувачем палети, нахилу утримувача 1 зсуву по фаз! хитавиш судна; I - довжина вильоту утримувача палети над бортом судна.
При такому складному руа вантажу щодо палуби судна для тдтримання сталосп к0 мехашзм доповню-еться спещальним компенсуючим пристроем, оск1льки забезпечити стеження за допомогою електроприводу практично неможливо. Введення зазначених пристро!в дозволяе застосовувати для розглянутих мехашзм!в звичайш електроприводи, доповнеш необхвдними при-строями концевого захисту та блокування, що виклю-чають перемщення вантажу в небезпечнш зош при вщсутносп стеження. 1снуе калька способ1в надшно! компенсацл взаемного перемщення судна 1 вантажу. Стльною особливютю цих способ1в е застосування мехашчного силового датчика автоматичного устрою.
Результати дослвджень. На рис. 4 зображеш д1а-грами швидкосп електродвигуна при використанш обчислених значень коефщенлв П1Д-регулятора для стандартно! настройки по вдентифшованим передава-льним функц!ям другого (рис. 4,а) \ третього (рис. 4,Ь) порядив.
Зпо
I»
1 / я*
1 \ } —Ь)
Л / У
А л
III 19 20 25
Д5 40 45 50 55 60 70 г.у
Рис. 4. Д1аграми швидкосп електродвигуна при апроксима-цц системи передавальними функцiями другого (а) [ третього (Ь) порядюв
Щоб скорегувати складов! П1Д-регулятор!в шляхом ошгашзаци перех!дних процес!в потр!бно запус-кати модель кнопкою в!кна налаштувань блоку опти-м!зацп БЯБ (рис. 3). Шсля ошшшзаци отримаемо на-ступш результати (рис. 5,а,Ь).
/
. 6 г
у ■ко
О 5 10 15 3(1 25 30 .15 40 45 50 55 60 65 70 1.5
Рис. 5. Д1аграми швидкосп двигуна при оптим1заци перехь дного процесу по швидкосп для другого (а) [ третього (Ь) порядюв
З метою усунення коливальних процес!в у елект-ропривод! за допомогою коригування алгорштшв ке-рування, що забезпечують усталешсть процесу пере-м!щення вантажу та для тдтвердження теоретично! частини проводились експериментальш досл!дження на лабораторн!й установщ, принципову схема яко! показано на рис. 6, а зовшшнш вигляд на рис.7.
Рис. 6. Принципова схема лабораторно! установки: QF2, QF3 - автоматичш вимикач1, СС - частотний перетворювач; АО - двохобмотковий асинхронний двигун; ТЯ - понижую-чий трансформатор; ВЕ - блок електронжи; ОББ - формувач пускового сигналу; ПО - випрямляч; УО1-УО4 - випрямля-юч1 дюди для живлення гальмгвно! обмотки; УБ1-УБ6 - си-лов! тиристори; Я - резистор завдання гальмгвного моменту; Я18 - резистор завдання напруги на обмотках АО; 1БА1 - перемикач способ1в управлшня
<нпт~
Ф 3
Рис. 7. Зовн1шн1й вигляд лабораторно! установки: 1 - частот-ний перетворювач; 2 - двохобмотковий АО; 3 - осцилограф;
4 - датчик струму; 5 - регулювання струму навантаження
На рис. 8, 9 показан! графки перехщних проце-с!в до та шсля ошгашзаци закон!в керування електро-приводом з урахуванням вище викладеного теоретичного матер!алу.
Результати математичного моделювання в МаЛаЬ БтиНпк та експериментальш дослщження на лабораторному обладнанш п!дтвердили основн! запо-чаткован! теоретичш положення.
Висновки. У робот! здшснено вир!шення актуально! науково-техн!чно! проблеми пвдвищення ефе-ктивност! процесу керування електроприводом суд-нового вантажоп!дйомного мехашзму. Суть викона-них дослвджень полягае в теоретичному узагальненш збурюючих вплив!в на рух завантажено! палети в найбшьш залежн!й в!д положення судна площи-н!, що !стотно визначають нел!н!йн!сть повед!нки
Рис. 8. Графжи частоти обертання та струму AD до оптимОзацп
Рис. 9. Графжи частоти обертання та струму AD тсля оптим1заци
електромехашчного об'екта, що дозволило зменшити час експлуатацшних просто!в.
Науков1 та прикладш результати, висновки та рекомендацй' полягають у наступному:
1. Виходячи з анал1зу сучасних дослвджень можна зробити висновок, що стшшсть електроприводу ван-тажощдйомного мехашзму до збурюючих моментв забезпечуеться за умови зб1гу нульового значення координати електроприводу i швидкосп вщхилення д1аметрально! площинi судна ввд вертикального по-ложення.
2. Критерп оптимОзаци системи керування ванта-жопiдйомним електроприводом застосовано шляхом математичного опису його динамiки диференщаль-ними рiвняннями з розрахунковими коефiцieнтами, що е похщними вiд функцiй змiнних станiв.
3. Огримаш експериментальнi залежностi коефщен-пв рiвнянь руху динамiчного об'екта шд дiею збурюючих сил в координатнш площинi дозволили параметри-зувати характеристичш рiвняння до вигляду, що забез-печують рiшення задачi усталеносп моменту на валу електродвигуна вантажно-щдйомнго механiзму.
4. Розроблена функцiональна схема системи автоматичного керування дозволяе усунути аперюдичш складовi в закош керування iз дотриманням критерй'в стшкосп i якостi перехвдних процесiв за допомогою
застосування всережимнiстю регулятору координатное' характеристики з форсуванням здолання зони не-чутливосп та тдвищення стшкосп електроприводу як динашчного об'екту.
5. Виконаний комплекс дослщжень може знайти практичне впровадження в електроприводах суднових вантажощдйомних мехашзмОв, що дозволить пвдви-щити !х швидкодш, зменшити мОж експлуатацшш та ремонтш просто!.
СПИСОК ШТЕРАТУРИ
1. Hoffmann C., Radisch C., Werner H. Active damping of container crane load swing by hoisting modulation - An LPV approach // 51st IEEE Conference on Decision and Control (CDC). IEEE, 2012. doi: 10.1109/cdc.2012.6426889.
2. Raubar E., Vrancic D. Anti-sway system for ship-to-shore cranes // Strojniski vestnik (Journal of Mechanical Engineering).
- 2012. - vol.58. - no.5. - pp. 338-344. doi: 10.5545/sv-jme.2010.127.
3. Skaf J., Boyd S.P. Controller coefficient truncation using Lyapunov performance certificate // International Journal of Robust and Nonlinear Control. - 2010. - vol.21. - no.1. - pp. 55-78. doi: 10.1002/rnc.1577.
4. Belunce A., Pandolfo V., Roozbahani H., Handroos H. Novel control method for overhead crane's load stability // Procedia Engineering. - 2015. - vol.106. - pp. 108-125. doi: 10.1016/j.proeng.2015.06.014.
5. Balachandran B., Li Y.-Y., Fang C.-C. A mechanical filter concept for control of non-linear crane-load oscillation // Journal of Sound and Vibration. - 1999. - vol.228. - iss.3. - pp. 651682. doi: 10.1006/jsvi.1999.2440.
6. Alli H., Singh T. Passive control of overhead cranes // Journal of Vibration and Control. - 1999. - vol.5. - no.3. - pp. 443459. doi: 10.1177/107754639900500306.
7. Wua T.-S., Karkoub M., Yu W.-S., Chen C.-T., Her M.-G., Wu K.-W. Anti-sway tracking control of tower cranes with delayed uncertainty using a robust adaptive fuzzy control // Fuzzy Sets and Systems. - 2016. - vol.290. - pp 118-137. doi: 10.1016/j.fss.2015.01.010.
8. Henry R.J., Masoud Z.N., Nayfeh A.H., Mook D.T. Cargo pendulation reduction on ship-mounted cranes via boom-luff angle actuation // Journal of Vibration and Control. - 2001. - vol.7.
- no.8. - pp. 1253-1264. doi: 10.1177/107754630100700807.
9. Будашко В.В., Онищенко О.А. Удосконалення системи управлшня тдрулюючим пристроем комбшованого пропу-льсивного комплексу // Вюник НТУ «ХП1». - 2014. -№38(1081). - С. 45-51.
10. Будашко В.В., Онищенко О.А. Математические основы имитационного моделирования системы управления энергетической установкой бурового судна // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2014. -№29. - С. 6-13.
11. Будашко В.В., Онищенко О.А., Юшков Е.А. Физическое моделирование многофункционального пропульсивного комплекса // ЗбОрник наукових праць Вшськово! академй (м. Одеса). - 2014. - №2. - С. 88-92.
12. Будашко В.В., Юшков Е.А. Математическое моделирование всережимных регуляторов оборотов подруливающих устройств судовых энергетических установок комбинированных пропульсивных комплексов // Электронное моделирование. - 2015. - Т.37. - №2. - С. 101-114.
13. Будашко В.В. Имплементарный подход при моделировании энергетических процессов динамически позиционирующего судна // Електротехтка i електромехатка. - 2015.
- №6. - С. 14-19. doi: 10.20998/2074-272X.2015.6.02.
14. Бойко А.А., Будашко В.В., Юшков Е.А., Бойко Н.А. Синтез и исследование системы автоматического симметрирования токов асинхронного двигателя с преобразовате-
лем напряжения // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2016. - Т.1. - №2(79). - С. 22-34. doi: 10.15587/1729-4061.2016.60544.
15. Araya H., Kakuzen M., Kinugawa H., Arai T. Level luffing control system for crawler cranes // Automation in construction. - 2004. -vol.13. - no.5. - pp. 689-697. doi: 10.1016/j.autcon.2004.04.011.
REFERENCES
1. Hoffmann C., Radisch C., Werner H. Active damping of container crane load swing by hoisting modulation - An LPV approach. 51st IEEE Conference on Decision and Control (CDC). IEEE, 2012. doi: 10.1109/cdc.2012.6426889.
2. Raubar E., Vrancic D. Anti-sway system for ship-to-shore cranes. Strojniski vestnik (Journal of Mechanical Engineering), 2012, vol.58, no.5, pp. 338-344. doi: 10.5545/sv-jme.2010.127.
3. Skaf J., Boyd S.P. Controller coefficient truncation using Lyapunov performance certificate. International Journal of Robust and Nonlinear Control, 2010, vol.21, no.1, pp. 55-78. doi: 10.1002/rnc.1577.
4. Belunce A., Pandolfo V., Roozbahani H., Handroos H. Novel control method for overhead crane's load stability. Procedia Engineering, 2015, vol.106, pp. 108-125. doi: 10.1016/j.proeng.2015.06.014.
5. Balachandran B., Li Y.-Y., Fang C.-C. A mechanical filter concept for control of non-linear crane-load oscillation. Journal of Sound and Vibration, 1999, vol.228, iss.3, pp. 651-682. doi: 10.1006/jsvi.1999.2440.
6. Alli H., Singh T. Passive control of overhead cranes. Journal of Vibration and Control, 1999, vol.5, no.3, pp. 443-459. doi: 10.1177/107754639900500306.
7. Wua T.-S., Karkoub M., Yu W.-S., Chen C.-T., Her M.-G., Wu K.-W. Anti-sway tracking control of tower cranes with delayed uncertainty using a robust adaptive fuzzy control. Fuzzy Sets and Systems, 2016, vol.290, pp 118-137. doi: 10.1016/j.fss.2015.01.010.
8. Henry R.J., Masoud Z.N., Nayfeh A.H., Mook D.T. Cargo pendulation reduction on ship-mounted cranes via boom-luff angle actuation. Journal of Vibration and Control, 2001, vol.7, no.8, pp. 1253-1264. doi: 10.1177/107754630100700807.
9. Budashko V.V., Onishchenko O.A. Improving management system combined thruster propulsion systems. Bulletin of NTU «KhPI», 2014, no.38(1081), pp. 45-51. (Ukr).
10. Budashko V.V., Onishchenko O.A. Mathematical principles of simulation of power plant's control system at drillship. Bulletin of Kamchatka State Technical University, 2014, no.29, pp. 6-13. (Rus).
11. Budashko V.V., Onischenko O.A., Yushkov E.A. Physical modeling of multi-propulsion complex. Collection of scientific works of the Military Academy (Odessa City), 2014, no.2 pp. 88-92. (Rus).
12. Budashko V.V., Yushkov Y.A. Mathematic modeling of allrange controllers speed of thrusters for ship power plants in combined propulsion complexes. Electronic Modeling, 2015, vol.37, no.2, pp. 101-114. (Rus).
13. Budashko V.V. Implementation approaches during simulation of energy processes for a dynamically positioned ship. Electrical Engineering & Electromechanics, 2015, no.6, pp.14-19. doi: 10.20998/2074-272X.2015.6.02. (Rus).
14. A.A. Bojko, V.V. Budashko, E.A. Yushkov, Bojko N.A. Synthesis and research of automatic balancing system of voltage converter fed induction motor currents. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2016, vol.1, no.2(79), pp. 22-34. doi: 10.15587/1729-4061.2016.60544.
15. Araya H., Kakuzen M., Kinugawa H., Arai T. Level luffing control system for crawler cranes. Automation in construction, 2004, vol.13, no.5, pp. 689-697. doi: 10.1016/j.autcon.2004.04.011.
Надшшла (received) 24.03.2016
Будашко Виталий Витальевич, к.т.н., доц., Одесская национальная морская академия, 65029, Одесса, ул. Дидрихсона, 8, тел/phone +380 48 7332367, e-mail: bvv@te.net.ua
V.V. Budashko
Odessa National Maritime Academy, 8, Didrikhson Str., Odessa, 65029. Increasing control's efficiency for the ship's two-mass electric drive.
Purpose. For shipboard lifting and transporting machinery (LTM) with AC thyristor electric drives (ED) the problem of minimizing sway through the formation of the special law to change the principle of ED control over the lifting process is solved. Methodology. This goal was achieved through the following objectives: analysis of current studies on the reduction of the negative effects of load fluctuations, fixed on the suspension with variable parameters; determining the criteria to optimize the movement of the lifting mechanism and transfer control laws under which the load fluctuations are reduced; develop the methodology and experimental study of the main characteristics of the mobile model ED lifting mechanism with its load suspended from the perspective of both the parameterization of the control system (CS) as well as elements of ED. For realization of tasks in research methods of mathematical modeling of dynamic processes on the computer, structural methods of control theory, experimental studies in the laboratory setting have been used. Results. Based on analysis of current research can be concluded that the stability of the ED of LTM to the disturbing points provided coincidence zero electric coordinates and speed deviation diametric plane of the vessel from the vertical position. Criteria for optimizing CS used by the ED LTM mathematical description of its dynamics differential equations to the estimated coefficients derived from the functions of state variables. The experimental dependence of dynamic equations of motion of an object under the influence of disturbing forces in the coordinate plane allowed to parameterize characteristic equation to the form, providing the solution to sustainability since the motor shaft of LTM. The functional circuit of CS eliminates the aperiodic components in the control in compliance with the criteria of sustainability and quality of transients by applying all-range regulator coordinate characteristics of forcing overcoming the dead zone and increase electric resistance as the dynamic object. Practical value. Completion of the complex research may find practical application in the ED of ship's LTM, which will improve their performance, decrease between the operating and maintenance simple. References 15, figures 9. Key words: ship's two-mass electric drive, control system, load sway, mathematical modeling, improvement, adaptability, stabilization.
