CC BY
32
В установившемся режиме в схемах управления мощностью для винта и двигателя, как правило, мощность равна Ргер Поэтому, используя (10), (16), (17), (20), (23) и (25), получим:
Td =
hT (n, x, 0)(1 -1)
hQ/3 (n, x, 0)
KQ0 Kt
,2/3
v KQ
K
T 0
Tref = SP (n, X, 0)Tr
ref ■
(28)
Выводы
1. Проведена структурная декомпозиция, и созданы основные математические предпосылки, позволяющие провести разработку математических моделей различных систем управления СЭУ буровых судов.
2. Эффективность процессов позиционирования для различных способов и схем управления может быть оценена с помощью создания виртуальных моделей СЭУ КПК в Ма&аЬ^тиИпк и последующей верификацией результатов реальными характеристиками ходовых испытаний различных типов ПУ.
Литература
1. Кашьяп Р.Л, Рао А.Р. Построение динамических стохастических моделей по экспериментальным данным. - М.: Наука, 1983. - 384 с.
2. Цурков В., Литвинчев И. Декомпозиция в динамических задачах с перекрестными связями. - М.: Физматлит, 1994. - 352 с.
3. Букарос А.Ю., Онищенко О.А. Коректор коефщенту потужносп для частотно-регульованого електроприводу // ^y^Bi пращ НТУ «КП1». Енергетика. Еколопя. Людина. -2012. - С. 11-17.
4. Woud H.K., Stapersma D. Design of propulsion and electric power generation systems. -London: IMarEST publications, 2003. - 494 р.
5. Oosterveld M.W.C., van Oossanen P. Further computer-analyzed Data of the Wageningen B-screw Series // Int. Shipbuilding Progress. - 1975. - Vol. 22, № 251. - P. 251-262.
6. Будашко В.В. Комп'ютерне моделювання багаторiвневого перетворення електроенерги допомiжноl гребно! енергетично! установки // Проблеми автоматики та електрообладнання транспортних засобiв: матерiали всеукрашсько! науково-техшчно! конференци з мiжнародною учас-тю (ПАЕТЗ-2007). - Микола!в: НУК. - 2007. - С. 27-32.
УДК 62-52:621.91
В.А. Водичев1, Мохамед Мусааб2, Али Алдаири1
'Одесский национальный политехнический университет, Украина, Одесса, 65044 2Университет Алзавии, Ливия, Алзавия, 16418 e-mail: [email protected]
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ МОЩНОСТИ РЕЗАНИЯ
С ФАЗЗИ-РЕГУЛЯТОРОМ
Рассмотрено применение фаззи-регулятора для управления электроприводом подачи в автоматизированной системе, которая поддерживает мощность резания металлообрабатывающего станка на заданном уровне и повышает производительность станка. Представлены результаты компьютерного моделирования системы.
Ключевые слова: фаззи-регулятор, подача, электропривод, мощность резания, станок, компьютерное моделирование.
V.A. Vodichev1, Mohamed Musaab 2, Ali Aldairi1 (1Odessa National Polytechnic University, Ukraine, Odessa, 65044, 2Alzawia University, Libya, Alzawia, 16418) Electromechanical stabilization system of cutting power with fuzzy controller
The paper deals with the application of fuzzy-regulator for feed electric drive control in the automated system, which maintains the cutting power of machine-tool on required level and increases machine tool productivity. The results of computer simulation of the system are presented.
Key words: fuzzy-regulator, feed, electric drive, cutting power, machine tool, computer simulation.
Ремонт машин и механизмов для судов океанского флота выполняется с использованием металлорежущих станков. От производительности станков и точности обработки деталей зависит эффективность проведения ремонтных работ. Автоматизированные системы управления рабочими движениями металлорежущих станков, которые стабилизируют мощность резания, обеспечивают повышение производительности и точности обработки деталей [1, 2]. Эти системы работают в условиях действия параметрических возмущений, которые обусловлены изменением глубины и ширины обработки, твердости материала заготовки, состояния режущего инструмента. Действие возмущений вызывает изменение коэффициента усиления объекта управления, что приводит к ухудшению качества переходных процессов в системе и может сделать систему стабилизации мощности резания неустойчивой.
Для обеспечения устойчивости системы стабилизации мощности резания и улучшения качества переходных процессов применяются устройства с упреждающей коррекций и с гибкой обратной связью по регулируемой координате [1, 2]. Для систем первого типа характерно значительное динамическое перерегулирование мощности при ступенчатом изменении глубины и ширины резания. Для систем второго типа не удается получить высокого качества переходных процессов и малой статической ошибки в установившемся режиме при широком диапазоне изменения условий обработки. В современных условиях во многих случаях недостатки классических систем управления технологическими процессами могут быть устранены применением нечетких регуляторов.
Целью данной работы является исследование возможности создания для металлообрабатывающего станка системы стабилизации мощности резания с высокими статическими и динамическими характеристиками на базе фаззи-регулятора.
Объектом управления в такой системе является технологический процесс металлообработки, управляющим воздействием - скорость подачи станка, основные возмущающие воздействия -изменение глубины резания и ширины обработки. Синтез системы стабилизации мощности резания выполнен для вертикально-фрезерного станка в пакете программного обеспечения Matlab с использованием библиотеки «Fuzzy Logic Tool Box» [3].
Модель системы (рис. 1) в Simulink содержит блоки моделей процесса резания с датчиком мощности резания, электропривода подачи станка и фаззи-контроллера. Разработанная математическая модель процесса фрезерования формируется на основе эмпирических зависимостей мощности обработки от подачи на зуб, скорости резания, глубины и ширины фрезерования [2]. Для учета динамических свойств процесса обработки в структуре модели использована передаточная функция апериодического звена первого порядка [1]. Информация о текущем значении мощности резания поступает на вход фаззи-регулятора от датчика активной мощности асинхронного двигателя главного движения станка. Для учета электромагнитной инерционности этих элементов системы они представлены в модели передаточными функциями апериодических звеньев первого порядка. Модель электропривода подачи станка соответствует системе с электродвигателем постоянного тока и транзисторным широтно-импульсным преобразователем, который имеет систему управления, содержащую пропорционально-интегральный регулятор скорости и релейный регулятор тока двигателя [2]. Механическая часть привода подачи представлена в модели в соответствии с двухмассовой расчетной схемой [4]. Она учитывает упругие свойства механической передачи фрезерного станка, которая состоит из понижающего редуктора, передачи винт - гайка и элементов их крепления. Входной сигнал задания скорости электропривода подачи является суммой двух сигналов: uzs, который определяет максимальную скорость подачи, и выходного сигнала ui интегратора, на входе которого действует сигнал ик, генерируемый с помощью фаззи-регулятора.
Рис. 1. Модель системы стабилизации мощности резания с фаззи-регулятором
Фаззи-регулятор анализирует состояние двух входных сигналов: ир, пропорционального мощности резания, и ип, пропорционального производной
1
0,5 0
0
0,5
1,5
2,5
1
0,5 0
-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2
0,2 0,4 0,6 0,8
ЛPP
лингвистической переменной «мощность» установлено три лингвистических терма: равна заданной, меньше заданной, больше заданной. Они соответствуют функциям принадлежности с именами: РЪ, PNB, РРВ (рис. 2, а).
Для входной переменной «производная мощности» установлено пять лингвистических термов: отрицательная большая NB, отрицательная малая нулевая Ъ,
положительная малая PS, положительная большая РВ (рис. 2, б). Выходной сигнал фаззи-регулятора ик устанавливает направление коррекции текущего значения скорости подачи. Выходная переменная «коррекция» соответствует семи лингвистическим термам: отрицательная большая NB, отрицательная средняя NM, отрицательная малая нулевая Ъ, положительная малая PS, положительная средняя РМ, положительная большая РВ (рис. 2, в).
Для формирования нечетких правил в качестве экспертных знаний использованы результаты анализа переходных процессов, которые были получены при моделировании
системы с классическим регулятором. Экспертные языковые выражения, которые показывают связь между переменной «мощность», «производная мощности» и «коррекция», представлены в таблице. Каждая строка таблицы соответствует одному правилу.
База правил фаззи-контроллера
1
0,5 0
ш ым ш г рб рм рв
Д / У\
-5 -4 -3 -2 -1
2 3
Рис. 2. Диаграммы функций принадлежности входных и выходных сигналов
№ Мощность Производная мощности Коррекция
1 Равна заданной Большая отрицательная Средняя положительная
2 Равна заданной Малая отрицательная Малая положительная
3 Равна заданной Нуль Нуль
4 Равна заданной Малая положительная Малая отрицательная
5 Равна заданной Большая положительная Средняя отрицательная
6 Больше заданной Большая отрицательная Малая положительная
7 Больше заданной Малая отрицательная Нуль
№ Мощность Производная мощности Коррекция
8 Больше заданной Нуль Малая отрицательная
9 Больше заданной Малая положительная Средняя отрицательная
10 Больше заданной Большая положительная Большая отрицательная
11 Меньше заданной Большая отрицательная Большая положительная
12 Меньше заданной Малая отрицательная Средняя положительная
13 Меньше заданной Нуль Малая положительная
14 Меньше заданной Малая положительная Нуль
15 Меньше заданной Большая положительная Средняя отрицательная
При синтезе системы инференции использован алгоритм вывода по Мамдани как наиболее простой. Дефаззификация выполняется методом центра тяжести.
Результаты исследования разработанной системы на модели (рис. 1) представлены в виде диаграмм зависимостей мощности резания Рг, скорости подачи станка и глубины резания Хр от времени t (рис. 3). Моделирование выполнено для процесса обработки на фрезерном станке с электроприводом главного движения на основе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором со ступенчатым изменением скорости шпинделя с помощью коробки передач. Заданное значение мощности резания принято равным номинальной мощности двигателя главного движения 1,5 кВт. Мощность потерь в коробке скоростей двигателя главного движения не учитывалась.
Р», кВт 1,5 1,0 0,5 0
£
мм/мин 200 100
Р», кВт 1,5 1,0 0,5
10
Эггэищ
Хр, мм 2 1
0 2 4 6 8 10 Х, с
—I-1-1-1-:-
0 2 4 6 8 10 Х, с
0
мм/мин 200 100
0
Хр, мм 2 1
0
™ Л*. л.
(.............................................
2 4
10
л--^-
2 4 6 8 10 Х, с
6 8
б
10 Х, с
Рис. 3. Динамические характеристики систем стабилизации мощности резания
2
4
6
8
х, с
6
8
с
2
4
а
Разработанная математическая модель процесса обработки соответствует фрезерованию стальной заготовки концевой фрезой диаметром 50 мм из быстрорежущей стали с шестью зубьями, вращающейся с частотой вращения 300 об/мин при постоянной ширине обработки 40 мм и изменяющейся глубине резания.
При моделировании выполнено сравнение разработанной системы с фаззи-регулятором с традиционной системой стабилизации с нелинейной технологической обратной связью и корректирующим устройством (нижнее положение переключателя на рис. 1). Как видно из диаграмм (рис. 3, а), традиционная система при изменении глубины фрезерования поддерживает заданную величину силы резания с ошибкой в установившемся режиме и при значительном изменении глубины резания Хр становится неустойчивой. Система с фаззи-регулятором в одинаковых условиях обработки поддерживает мощность резания на заданном уровне без ошибки (рис. 3, б), а переходные, которые вызваны ступенчатым изменением глубины резания, происходят без колебаний, и динамическая ошибка не превышает 14% от заданного значения мощности.
Проведенное исследование свидетельствует, что на основе нечетких регуляторов могут быть созданы системы стабилизации мощности процессов металлообработки с высокими статическими и динамическими характеристиками. При применении таких регуляторов можно использовать преимущества нечеткой технологии, состоящие в том, что для настройки регулятора
используются исходные данные, которые получены опытным путем и выражаются естественным языком. Преимуществом является также быстрая настройка регулятора и небольшой объем памяти, который занимает фаззи-регулятор в программируемой памяти контроллера.
Литература
1. Шапарев Н.К. Расчет автоматизированных электроприводов систем управления металлообработкой. - Киев: Лыбидь, 1992. - 272 с.
2. Bodinee В.А. Синтез i дослщження статично! системи стабшзаци потужносп рiзання ме-талообробного верстата // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - Херсон: ХГТУ. - 2002. - № 1 (10). - С. 104-110.
3. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzy TECH. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 736 с.
4. Ключев В.И. Теория электропривода: учеб. для вузов. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энер-гоатомиздат, 2001. - 704 с.
УДК 621.313.333
А.А. Марченко1, О.А. Онищенко2, С.Ю. Труднев1
'Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 2Одесская национальная морская академия, Украина, Одесса, 65029 e-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ НА ВОЗМОЖНОСТЬ НАГРУЖЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ ПОНИЖЕНИЯ ЧАСТОТЫ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
В данной статье рассматривается метод нагружения асинхронного электродвигателя без использования дополнительной нагрузки. Ранее данный способ не использовался из-за отсутствия специализированных нагрузочных стендов. В настоящее время получили распространение полупроводниковые преобразователи частоты, позволяющие изменять координаты электропривода в более широком диапазоне. Изменение частоты напряжения напрямую влияет на момент на валу машины и ток электродвигателя. Применяя эти свойства, можно получить средний ток и момент, эквивалентные номинальному току и моменту, что является необходимым при испытании машин после ремонта. Для проверки данной гипотезы авторами была разработана математическая модель асинхронного электродвигателя с возможностью изменения перечисленных параметров. Далее модель была перенесена в программу Simulink для осуществления быстрых расчетов. Кроме того, для объяснения и понимания процесса нагружения и результатов экспериментов в статье рассмотрены основные свойства электромеханической системы асинхронного двигателя при помощи векторных диаграмм. Также выявлены основные неблагоприятные воздействия динамических режимов. Полученные кривые токов и моментов не превышают заданного порогового значения и не являются опасными для механических узлов машины. Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о возможности получения номинального тока электродвигателя без участия механической нагрузки при циклическом переводе машины в кратковременный генераторный режим.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, динамическое нагружение, режим противовключения, электрический ток, механическая мощность, момент, коммутация, частота сети.
A.A. Marchencko1, O.A. Onishchenko2, S.Yu. Trudnev1 (^Kamchatka State Technical University, Petropav-lovsk-Kamchatsky 683003; 2Odesa National Maritime Academy, Ukraine, Odessa, 65029) Research of asynchronous electric motor model on loading possibility by means of underfrequency of feeding voltage
In this article the method of asynchronous electric motor loading without use of additional loading is considered. The given method wasn't used before due to the lack of specialized load stands. At present semiconductor frequency converters allowing to change electric drive coordinates in wider range became widespread. Change of voltage frequency influences directly the moment on the machine's shaft and electric motor current. Applying these properties it is possible to obtain average current and the moment equivalent to rated current and the moment re-
