CC BY
58
Sekacheva Olga Ivanovna, Honored Worker of Education, physics teacher, ol-ga.seka4eva@yandex.ru, Russia, Suvorov, MBOU "Grammar school (education center) g.Suvorov"
УДК 681.5.08
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ МОМЕНТОМ СИЛЫ УПЛОТНЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДНОЙ ТРУБОПРОВОДНОЙ
АРМАТУРЫ
В. А. Мозжечков, А.З. Холматов
Применительно к задаче автоматического управления электроприводами запорной трубопроводной арматуры, предложен закон терминального управления электроприводом в режиме закрывания арматуры с уплотнением, учитывающий инерционность процессов управления и нестабильность параметров объекта управления, обеспечивающий высокую точность и быстродействие отработки заданий.
Ключевые слова: автоматическое управление, электропривод, трубопроводная арматура, модель, динамика, крутящий момент.
Для управления трубопроводной арматурой (ТПА), такой, например, как клапаны, задвижки, краны, затворы, применяют электроприводы (ЭП), конструкция и режимы работы которых учитывают специфику ТПА как объекта управления [1 - 3].
Различают ключевой ("открыть/закрыть") и регулирующий режимы работы ЭП ТПА. Ключевой режим характеризуется полным открыванием или закрыванием арматуры. Для его реализации используют запорную арматуру и соответствующие ей ЭП запорной арматуры. Регулирующий режим характеризуется частичным приоткрыванием или призакрыванием арматуры и осуществляется регулирующими ЭП ТПА.
В ключевом режиме используют терминальные законы управления [4-9], предполагающие перевод объекта в заданное конечное (терминальное) состояние без строгой регламентации траектории движения.
Задача терминального управления была впервые сформулирована в статье [4]. Несмотря на многочисленные работы (см., в частности, [5 - 9]), общее решение данной задачи отсутсутствует.
Для частных вариантов, в основном для линейных и узкого класса нелинейных систем, предложены методы синтеза терминального управления, как правило, в форме программного управления.
Традиционно в ключевом режиме управления ЭП ТПА используют однократное включение и выключение привода. Включение осуществляется по команде системы верхнего уровня. Выключение производит система управления приводом либо при достижении запорным элементом арматуры заданного положения, либо при достижении заданной величины силы уплотнения герметизирующих элементов арматуры.
Законы управления, соответствующие указанным условиям выключения, называют позиционным и уплотнительным. Позиционный закон используют при управлении состоянием арматуры, конструкция которой не требует реализации заданной величины усилия или крутящего момента для обеспечения герметичности в состоянии "Закрыто".
Примером такой арматуры служат шиберные задвижки и шаровые
краны.
Уплотнительный закон используют при управлении арматурой, в которой для обеспечения герметичности в состоянии "Закрыто" необходимо создать усилие или крутящий момент заданной величины. Создаваемое усилие обеспечивает плотное прилегание герметизирующих элементов арматуры и, в ряде конструкций, нормируемую деформацию одного или обоих герметизирующих элементов.
Примером такой арматуры служат клиновые задвижки, клапаны и затворы.
Целью управления при закрывании запорной арматуры с уплотнением является достижение терминального состояния, в котором координата запорного элемента арматуры и усилие герметизации принадлежат заданным интервалам их допустимых значений, а скорости и ускорения подвижных частей системы равны нулю.
Недостатком традиционных законов управления ЭП ТПА в ключевом режиме работы является игнорирование инерционности процессов управления и существенной нестабильности параметров объекта управления.
В результате использование вышеописанных терминальных законов управления сопровождается существенными погрешностями при отработке заданных положений и усилий герметизации.
Указанные проблемы особенно остро проявляются при стремлении достичь максимального быстродействия при управлении запорной арматурой.
Анализ литературы [1-3, 10-12] показал, что задача учета инерционности процессов управления при реализации законов управления ЭП ТПА недостаточна изучена.
В настоящей работе предлагается закон терминального управления ЭП в режиме закрывания арматуры с уплотнением, учитывающий инерционность процессов управления и нестабильность параметров объекта
управления, обеспечивающих высокую точность и быстродействие отработки заданий.
Предлагаемый закон управления позволяет повысить точность достижения заданного усилия запирания арматуры в сравнении с традиционно применяемым алгоритмом, основанным на выключении двигателя привода при достижении заданной величины силы уплотнения герметизирующих элементов арматуры.
Величина силы уплотнения определяется развиваемым приводом моментом силы на его выходном валу.
С целью учета инерционности процессов управления разработана [14-19] математическая модель электропривода ТПА, использующего наиболее распространенный в ЭП ТПА тип измерителя момента силы на выходном валу - механизм червячного редуктора с подпружиненным червяком, смещающимся под действием измеряемого момента.
Из уравнений Лагранжа 2-го рода [13] следуют уравнения движения механизма привода указанного типа:
(А+ММ^/к^+^кгЯ)^ = М0-М1-М2; (1)
(тз+Ш2)£2+МкгЯ)£1+хд2=^1-Р2-Рз, (2)
где Ji - момент инерции соответственно ротора двигателя (/=1), вала червяка (/=2), собственно червяка (/=3), червячного колеса с выходным валом привода и присоединенной к нему нагрузкой (/=4), т3 - масса червяка; с -жесткость силоизмерительных пружин, , р1, е, - обобщенная координата, скорость и ускорение соответственно: углового перемещения ротора двигателя (/=1), линейного смещения червяка (/=2), углового перемещения червяка совместно с его валом (/=3), углового положения червячного колеса с выходным валом привода (/=4) и присоединенной к нему нагрузкой. М0 - момент силы на валу червяка, развиваемый двигателем, М1 - момент силы нагрузки, приведенный к валу червяка; М2 - момент силы трения червяка о червячное колесо. ^ - сила нагрузки привода, приведенная к червяку, - сила трения червяка о колесо, - сила трения в шлицах червяка.
Терминальный уплотнительный закон управления ЭП ТПА, традиционно применяемый в промышленности, предполагает выключение двигателя привода в момент достижения заданного значения момента усилия уплотнения. Недостатком такого закона управления является игнорирование инерционности процессов управления и существенной нестабильности параметров объекта управления. В результате из-за инерционного перебега фактически получаемое усилие герметизации существенно отличается от желаемого.
Традиционно применяемый в промышленности закон управления может быть усовершенствован на основе учета инерционности процессов управления, включая чистое запаздывание в пускателе двигателя, а также учете нестабильности параметров объекта управления.
Предлагаемый закон терминального управления моментом силы уплотнения в электроприводах трубопроводной арматуры реализуется следующим образом.
Двигатель привода выключается, когда прогнозируемое значение момента силы уплотнения оказывается равным заданному значению. Прогноз момента силы уплотнения рассчитывается в режиме ускоренного времени в контроллере привода с использованием динамической модели (1), (2), дополненной уравнениями двигателя [14-19] с учетом приведенного к валу привода момента инерции арматуры, а также моментов сил упругости и трения в элементах уплотнения арматуры.
При моделировании учитывается время чистого запаздывания пускателя при отработке команды выключения двигателя.
С целью парирования нестабильности параметров объекта управления параметры модели автоматически адаптируются к конкретной арматуре в процессе настройки и функционирования привода.
Адаптация реализуется на основе учета при каждом выключении двигателя полученной ошибки достижения заданного момента силы уплотнения (ошибки управления).
Параметры модели идентифицируются на основе метода обучающихся моделей [20]. Помимо основной динамической модели (1), (2), дополненной уравнениями двигателя [14-19], предложены ее упрощенные варианты.
Таким образом, применительно к задаче управления электроприводами запорной трубопроводной арматуры предложен закон терминального управления ЭП в режиме закрывания арматуры с уплотнением, учитывающий инерционность процессов управления и нестабильность параметров объекта управления, обеспечивающий высокую точность и быстродействие отработки заданий.
Список литературы
1. Гуревич Д.Ф., Заринский О.Н., Косых С.И. Трубопроводная арматура с автоматическим управлением. Л.: Машиностроение, 1982. 320 с.
2. Трубопроводная арматура с автоматическим управлением: справочник / под ред. С.И. Косых. М.: Энергоатомиздат, 1982. 389 с.
3. Гуревич Д.Ф., Шпаков О.Н. Справочник конструктора трубопроводной арматуры. М.: Энергоатомиздат, 1987. 570 с.
4. Фельдбаум А.А. О распределении корней характеристического уравнения системы регулирования. АиТ, N 4, 1948. С. 253 - 279.
5. Seal C.E., Stabberud A.R. On final value control // IEEE Trans. V. 7. № 2, 1969. P. 133 - 143.
6. Петров Б.Н., Портнов-Соколов Ю.П., Андриенко А.Я. Бортовые терминальные системы управления. Принципы построения и элементы теории: производственно-практическое издание. М.: Машиностроение, 1983. 200 с.
7. Батенко А.П. Системы терминального управления. М.: Радио и связь, 1984. 160 с.
8. Крутько П. Д. Алгоритмы терминального управления линейных динамических систем // Известия РАН. Теория и системы управления. 1998. №6. С. 33 - 45.
9. Зубер И.Е. Терминальное управление для нелинейных систем // Вестник СПбГУ. (К 3). 2001. Сер. 1. Вып. 1. С.15 - 22.
10. Шпаков О.Н. Диагностирование - важнейшее направление повышения конкурентоспособности приводов для арматуры // Арматуро-строение. 2005. №3. С. 50 - 54.
11. Макаров В.В., Андреев А.П., Васильев С.И. О создании диагностического паспорта трубопроводной арматуры // Арматуростроение. 2006. № 5. С. 49 - 53.
12. Мозжечков В.А. Общие тенденции развития электроприводов трубопроводной арматуры // Арматуростроение. 2009. №6. С. 34 - 40.
13. Айзерман М.А. Классическая механика: учеб. пособие для вузов. 2-е изд. М.: Наука, 1980. 367 с.
14. Мозжечков В.А., Савин А.С. Математическая модель электропривода трубопроводной арматуры с червячным механизмом измерения крутящего момента // Мехатроника, автоматизация, управление. № 1. 2012. С. 21 - 25.
15. Мозжечков В.А., Савин А.С. Модель датчика момента силы с подпружиненным червяком в качестве чувствительного элемента // Датчики и системы. № 2. 2012. С. 17 - 21.
16. Мозжечков В.А., Савин А.С. Анализ динамики функционирования электроприводов трубопроводной арматуры // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. Вып. 1. С. 133 - 142.
17. Мозжечков В.А., Савин А.С. Компьютерное моделирование электроприводов трубопроводной арматуры // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. Вып. 5. С. 341 - 346.
18. Мозжечков В.А., Савин А.С. Диагностика электроприводной трубопроводной арматуры с использованием датчика момента в составе червячного редуктора интеллектуального привода //Автоматизация в промышленности. № 11. 2011. С. 38 - 41.
19. Mozzhechkov V.A., Savin A.S. Industrial Valves with Electric Actuators: Technical Diagnostics by a Moment Sensor within Smart Actuator Worm-and-wheel Gearbox // Automation and Remote Control. Vol. 74. No. 12. 2013. P. 2131 - 2136.
20. Мозжечков В.А. Моделирование технических систем: учеб. пособие. Тула: ТулГТУ, 1992. 105 с.
Мозжечков Владимир Анатольевич, д-р техн. наук, проф., гл. инженер, vam@tula.net, Россия, Тула, ЗАО "ИТЦ "Привод",
Холматов Алишер Зарифжонович, асп., alisher. holmatov@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный универститет
AUTOMATIC CONTROL TORQUE ELECTRICALLY SEAL PIPELINE VALVES
V.A. Mozzhechkov, A.Z. Holmatov
With regard to the problem of automatic control of electric shut-off pipeline valves, proposed the law of terminal motor control during closing valves with seal, taking into account the inertia of the management processes and instability of the parameters of the control object, which provides high accuracy and speed of mining jobs.
Key words: automatic control, electric, valves, model the dynamics of torque.
Mozzhechkov Vladimir Anatolievich, doctor of technical sciences, professor, main engineer, vam@tula.net, Russia, Tula, JSC "ETC "Privod",
Holmatov Alisher Zarithgonovich, postgraduate, alisher.holmatov@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 004.825
СЛОЖНЫЕ СИСТЕМЫ И ПРОЦЕССЫ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
И.Н. Набродова
Рассмотрены процессы функционирования и управления сложной системы, а также характеристики ее состояний.
Ключевые слова: сложные системы, среда разнотипных данных, характеристики сложных систем, управление в сложных системах.
Системы делятся на простые, сложные и сверхсложные. Особое место среди всех видов систем занимают сложные. К ним относятся системы самой различной природы, начиная от космических и микроскопических объектов, завершая животными, людьми и обществом. Эти системы определяют различные аспекты жизнедеятельности людей.
190
