НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Щесьняк Збігнев Владислав

УДК 681.3

МЕТОДИ І ПРИСТРОЇ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ ГІДРАВЛІЧНИХ ПРИВОДів НА ПРИКЛАДІ ПРОЦЕСУ ВІЛЬНОГО КУВАННЯ

05.13.05 – елементи та пристрої обчислювальної техніки

та систем керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в “Політехніце Сьвєнтокшицкєй”,

м. Кєльци, Польща

Науковий консультант

доктор технічних наук, професор

Мичуда Зиновій Романович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

професор кафедри “Автоматика та телемеханіка”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Грабко Володимир Віталійович,

Вінницький державний технічний університет,

перший проректор

доктор технічних наук, професор

Кисіль Ігор Степанович,

Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу,

завідувач кафедри “Методи та прилади контролю якості”

доктор технічних наук, професор

Сопрунюк Петро Маркіянович,

Фізико-механічний інститут ім.Г.В.Карпенка, м.Львів,

завідувач відділу електричних вимірювань фізичних величин

Провідна установа:

Науково-виробнича корпорація “Київський інститут автоматики” (НВК ”КІА”)

Міністерства промислової політики України (м. Київ), ДНВП “Автоматизовані інформаційні системи та технології”

Захист відбудеться “26” січня 2007 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, Львів, вул.С.Бандери, 12, ауд. 226 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, Львів, вул.Професорська, 1)

Автореферат розісланий “26” грудня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д.т.н., професор Луцик Я.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Основним способом кування великогабаритних деталей в одиночному і малосерійному виробництві є кування на гідравлічних пресах. Отримання високоточних поковок мінімізує надлишок, який усувається при подальшій обробці, а це має істотне економічне значення. З цього погляду важливою є ідентифікація параметрів об’єкту і пристрою керування в процесі кування, що в свою чергу має вплив на точність поковки. Оптимізуючи їх вплив відповідним формуванням вимірювальних сигналів у системах керування можна отримати високоточну поковку. Це загальний напрям досліджень, який треба уточняти індивідуально для кожного конкретного об’єкту керування.

При вступному аналізі об’єкту керування видно, що висота поковки залежить від:

1 Величини сили натиску – вона спричиняє пружну деформацію пресу, колони, столу наковальні.

2 Положення поковки на наковальні – при несиметричному положенні поковки відносно конструкції пресу під впливом діючого моменту сили поперечка разом пуансоном йде на перекос.

3 Виготовлення та експлуатації пуансонів та їх направляючих – під час процесу кування виникає:

· збільшення контактної деформації між втулками поперечки пресу і колонами, а також між столом наковальні і фундаментом пресу;

· знос пуансонів;

· приріст висоти пуансонів, викликаний тепловим розширенням і т.п.

4 Властивостей гідравлічного приводу пресу.

5 Динамічних властивостей конструкції пресу.

З аналізу літератури однозначно видно, що в керуванні процесом кування важливо враховувати стійкість конструкції пресу. Однак складність цього питання є причиною виразної тенденції проектування таких конструкційних рішень, для яких характерною є велика стійкість, що зменшує вплив цього фактору на точність поковки.

З аналізу конструкційних рішень світових фірм і огляду літератури на цю тему видно, що існує виразна тенденція до використання:

· Пресів з підрівневим приводом рамкової конструкції, які характеризуються:

- мінімальною висотою конструкції над підлогою;

- низьким положенням центру ваги;

- мінімальною навантаженням згину;

- відсутністю коливань, які виникають через значну довжину направляючих;

- більшою вагою рухомих частин;

- збільшенням коштів на виготовлення фундаменту.

· Пресів з надрівневим приводом рамкової (рамкової скошеної конструкції), які характеризуються великим ексцентричним навантаженням і зручним підходом;

- приводів безривкових (фаза перемикання у верхній і нижній поворотних точках проходить плавно), що виключає поломку трубопроводів, а тим самим зменшує небезпеку виникнення пожежі;

- гідравлічних масляних приводів.

Відомо, що математична модель гідравлічного пресу є:

- нелінійною;

- з невідомими коефіцієнтами;

- коефіцієнти змінюються в процесі експлуатації.

В розроблених на даний час математичних моделях, для керування поперечкою пресу з заданою точністю, під час процесу кування необхідно враховувати наступні параметри вимірювання:

- тиск в камерах циліндрів;

- швидкість та положення поперечки пресу;

- швидкість та положення головки головного клапана.

В системах керування приводами можна зауважити два протилежні напрямки досліджень: перший полягає в мінімізації інформації, отриманої від безпосередніх вимірювань, тоді як другий – навпаки, максимально використовує вимірювальну інформацію. В більшості систем керування гідравлічним приводом використовується вимірювання основних фізичних параметрів приводу, переважно його положення та швидкості, тиску в камерах циліндрів, а також швидкості та положення головки головного клапана.

З аналізу існуючих сьогодні керуючо-вимірювальних систем виробництва світових фірм та огляду літератури на цю тему видно виразну тенденцію до використання:

- цифрових методів вимірювання висоти поковки, в яких головною складовою частиною є первинний перетворювач (сенсор), перетворюючий аналогову величину зміни положення поперечки пресу і пуансону в цифрову. Електронна система вимірювача порівнює задані параметри розмірів поковки з її дійсними розмірами, що визначається положенням пуансона за сталим відносним рівнем переміщення, визначеного для площини нижньої наковальні. При мінімальному значенні різниці цих двох величин передається відповідний сигнал в систему керування пресом;

- цифрових методів керування пресом, які мають три основні точки перемикання (рух вниз – верхня точка; безпосередньо кування – перемикання на робочий тиск; рух вверх – нижня точка).

Преси, які застосовуються для вільного кування (у польській промисловості), характеризуються гнучкою конструкцією, тому математична модель, побудована з метою отримання високоточної поковки, повинна враховувати цей момент.

Оскільки точність поковки в існуючих конструкціях пресів з високою стійкістю і міцністю залежить від вищеперелічених факторів, побудова математичної моделі, яка б врахувала вплив цих факторів на процес керування є складною задачею і поки-що не розв’язаною.

З врахуванням вищесказаного в даній роботі розв’язано важливу проблему керування положенням гідравлічного приводу в процесі вільного кування, яка охоплює аналіз проблеми вимірювання основних параметрів приводу і відтворення її математичної моделі.

У зв’язку з потребою виробництва в отриманні важкої поковки з високою точністю, проблема висвітлена вище, є актуальною і цікавою з науково-дослідної точки зору.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана в рамках багаторічних наукових проектів, зокрема:

- „Модернізація системи керування гідравлічного пресу потужністю (силою) 8 МН і маніпулятора МК66 шляхом автоматизації процесу вільного кування”. Розробка №968/14 виконана в Інституті експлуатації машин при Політехніці Сьвєнтокшицькій для металургійного заводу в Островцу Сьвєнтокшицькім;

- „Розробка системи автоматичного вимірювання висоти поковки в виробничо-технічних умовах Варшавського металургійного заводу”. Розробка № Т-2/Z/540/85 виконана в Краківській політехніці ім.Т.Костюшко для Варшавського металургійного заводу;

- „Виготовлення електронного прототипу системи вимірювання висоти поковки для пресу силою 30 МН на Варшавському металургійному заводі. А також авторський нагляд за виготовленням та вводом її в експлуатацію”. Розробка №51/Wdr/88 виконана в Краківській політехніці ім.Костюшко для Варшавського металургійного заводу, а також науково-дослідницького проекту Комітету Наукових Досліджень;

- „Гідроприводи постійної дії з мікропроцесорним управлінням”. Розробка № 309359101 виконана в Політехніці Сьвєнтокшицькій, м.Кельце.

Здійснювався пошук методу і розв’язок побудови засобів для систем керування гідроприводами з високою точністю позиціонування.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення якості поковок та надійності керування гідравлічними пресами шляхом розробки нових методів, математичних моделей, алгоритмів і пристроїв для автоматичного керування процесами вільного кування, особливість яких полягає у вимірюванні лише одної величини, а саме, положення приводу.

У відповідності до поставленої мети завданнями досліджень були:

a) аналіз методів і принципів вимірювання та перетворення неелектричних величин приводу за допомогою електричних методів для забезпечення можливості їх використання в системі керування його положенням;

b) аналіз впливу умов праці приводу на значення параметрів його математичної моделі;

c) розробка простих та ефективних методів вимірювання та керування положенням приводу в процесі вільного кування з врахуванням існуючих вимог та норм;

d) верифікація аналізованих методів вимірювання, ідентифікації та керування;

e) впровадження результатів роботи у промисловість і навчальний процес.

Об’єкт дослідження – процес вільного кування в промисловій обробці металів.

Предмет дослідження– методи та пристрої автоматичного керування процесами вільного кування з підвищеною точністю і надійністю.

Методи досліджень. У роботі використовувалися методи теорії автоматичного керування для аналізу роботи системи гідравлічного пресу та регуляторів, диференціальних рівнянь для моделі приводу та конструкції гідравлічного пресу і регулювання положення приводу, методи імітаційного моделювання для визначення динамічних характеристик приводу гідравлічного пресу, системи регулювання положення приводу і визначення умов взаємодії перетворювача положення та поперечки пресу, алгебри логіки для систем визначення напрямку та швидкості руху оптоелектричних перетворювачів положення і систем перетворення висоти поковки. З метою верифікації результатів комп’ютерного моделювання системи регулювання положення виконано експериментальні дослідження з використанням реального об’єкту регулювання.

Наукова новизна основних результатів і положень, що виносяться на захист, полягає в подальшому розвитку теорії побудови математичних моделей і методів підвищення точності пристроїв систем керування гідравлічними приводами для підвищення якості та надійності обробки виробів в процесі вільного кування. У відповідності з цим у дисертації:

1. Вперше запропоновано математичні моделі та алгоритми вимірювання та керування для процесу вільного кування, які основані на вимірюванні лише одної величини, а саме, положення приводу, чим започатковано та розроблено новий напрямок побудови засобів автоматизації кування великогабаритних деталей у промисловому виробництві.

2. Вперше запропоновано метод вимірювання висоти поковки для еластичних конструкцій пресів і розроблено математичну модель, яка дозволяє оцінити вплив окремих елементів конструкції пресу на точність отриманої поковки і слугує основою для подальшого розвитку методів вимірювання висоти поковки та системи корекції.

3. Вперше показано, що для досягнення високої точності в математичну модель гідравлічного приводу пресу необхідно ввести затухання для рейки, яка з’єднує перетворювач з поперечкою пресу.

4. Вперше розроблено метод ідентифікації динамічних властивостей гідравлічного пресу в системі адапційного керування, який враховує особливості еластичних конструкцій і дозволяє виконувати: більш точне кування виробів на формовочних пресах,

5. Вперше запропоновано адаптаційний метод вимірювання та корекції положення поковки шляхом врахування в системі керування пресом впливу величин, які складно піддаються вимірюванню або змінних у часі експлуатації, зокрема, таких як сила технологічного опору; момент інерції; коефіцієнт волюмометричних втрат і інших, що дозволяє підвищити точність отриманої поковки.

6. Вперше запропоновано метод визначення положення на базі оптичних ефектів у напівпровідникових кристалах, який дозволяє роботу без підведення енергії живлення до сенсора.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

1. Розроблені математичні моделі, методи та пристрої систем керування гідравлічними приводами в процесах вільного кування можуть слугувати теоретичною базою для створення систем керування гідравлічними приводами різного призначення.

2. На основі ідентифікації техніко-технологічних проблем виконання поковки на гідравлічних пресах розроблено оригінальні алгоритми роботи вимірювальних пристроїв для процесів вільного кування.

3. Створено структуру мікропроцесорного пристрою вимірювання висоти поковки в процесі вільного кування, яка дозволяє підвищити точність.

4. Створено структуру електрогідравлічної цифрової системи регулювання положення, яка слугує лабораторним випробувальним стендом і дозволяє: ідентифікацію математичних моделей об’єкту регулювання; вибір алгоритмів регулювання при комп’ютерному моделюванні; експериментальну верифікацію вибраних алгоритмів регулювання.

5. Розроблений метод формування електричних сигналів, які використовуються в керуванні положенням приводу, дозволяє мінімізувати кількість інформації з об’єкту.

6. Створено структуру оптоелектронного перетворювача з динамічною компенсацією постійної складової, яка дозволяє значно підвищити точність визначення положення .

Реалізація та впровадження результатів роботи. Основний зміст дисертаційної роботи складають результати досліджень, що виконувалися на кафедрі засобів і систем автоматики відділу електротехніки, автоматики ті інформатики Політехніки Сьвєнтокшицької (м.Кєльци, Польща).

Під керівництвом і за участю автора розроблені та впроваджені:

-

-

-

-

-

-

Використані у розробках пристрої захищені патентами Польщі №№ 123837, 127477, 129228, 129918, 131164, 132196.

Акти впровадження та використання результатів дисертаційної роботи наведені у Додатку В.

Матеріали дисертації впроваджені також у навчальний процес у "Політехніці Свєнтокшицькій" в лекційних заняттях в курсах: теорія керування, основи робототехніки, основи автоматики, електронні системи автоматики, проектування електронних систем.

Розроблені за пропозицією та під керівництвом автора лабораторні макети для вивчення принципів побудови засобів автоматики використовуються в лабораторіях кафедри.

У розробленому в дисертації науковому напрямку під керівництвом автора успішно здійснюється науково-дослідна робота студентів. Наукові роботи студентів неодноразово нагороджувалися дипломами і відзначалися почесними грамотами на конкурсах кращих студентських робіт.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, пов’язані з тематикою дисертаційної роботи, автор представив у вигляді виступів і опублікував у матеріалах наступних конференцій:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Публікації. За темою дисертації автор опублікував 86 друкованих праць, серед яких 25 статей у фахових виданнях, з яких 15 виконано особисто і 10 у співавторстві, 7 матеріалів конференцій, 10 патентів, 10 експертних висновків, 34 науково-дослідних робіт виконаних для промисловості.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати отримані дисертантом самостійно. У роботах, які опубліковані у співавторстві, дисертанту належать: [1], [2], [3] – постановка задачі, розробка алгоритмів регулювання, аналіз керування; [17] – концепція побудови магнітооптичного перетворювача, аналіз і алгоритм перетворення; [19] [20], [21] - методи перетворення сигналів, математична модель, аналіз точності перетворення, алгоритми; [23], [24], [25] – розробка методів і алгоритмів керування. Долею участі співавторів було більш детальне опрацювання задач, що розв’язувалися, розробка програмного забезпечення та виконання розрахунків.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, викладених на 359 сторінках друкованого тексту, в тому числі 91 рисунок на 20 сторінках і 8 таблиць, а також - переліку цитованої літератури із 176 найменувань на 18 сторінках і додатків на 55 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображено актуальність проблеми, обгрунтовано мету та основні задачі дослідження. Показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Сформульовано наукову новизну та положення, що виносяться на захист. Розглянуто практичну цінність, реалізацію та впровадження результатів роботи. Наведено дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи і публікації.

У першому розділі проаналізовано питання сучасного стану систем керування гідравлічними приводами на прикладі процесу вільного кування.

Подано опис та результати експериментальних досліджень багатьох оригінальних вимірювальних систем, які застосовуються в автоматизації процесу вільного кування, а також представлено проблеми, що виникають в процесі автоматизації. На основі аналізу літератури, приведеної в цьому розділі виявлено відсутність розв’язків проблем щодо:

· Автоматичних систем вимірювання висоти поковки для пресів з надрівневим приводом гнучкої механічної конструкції з врахуванням корекції механічних властивостей конструкції, які суттєво впливають на точність поковки;

· Системи автоматичної корекції динамічних властивостей об’єкту (прес-маніпулятор), що мають серйозний вплив на точність положення поперечки пресу, рухомого механізму і стріли (витягу) маніпулятора.

В процесі проектування та модернізації системи керування блоком прес-маніпулятор необхідно враховувати існуючі світові тенденції в автоматизації процесу вільного кування. Системи керування ковальським обладнанням повинні забезпечувати потреби технології в точності деформації деталі, її подачі та окантовки.

Цього можна досягти за рахунок: цифрових методів вимірювання висоти поковки; цифрових методів керування пресом та маніпулятором; врахування властивостей гідравлічних приводів та конструкції пресу при вимірюванні та керуванні положенням поперечки пресу.

Методи і пристрої вимірювання основних характеристик приводу мають істотний вплив на якість керування пресом. Тому особлива увага звертається на проблему вимірювання положення та швидкості приводу. Проаналізовано вимірювання швидкості за допомогою тахогенератора, обертово-імпульсного перетворювача та трансформатора кутового положення. Виявлено, що динамічні характеристики та рівень шумів при застосуванні тахогенератора та перетворювачів частота-напруга подібні. Мінімальний рівень шумів зафіксовано у випадку цифрового вимірювання швидкості та положення приводу.

Другий розділ присвячено математичному моделюванню пристроїв систем керування гідравлічними приводами для розробки методів покращення їх характеристик. Подано загальну характеристику процесу вільного кування, циклограми процесу роботи пресів для вільного кування (рис.1), а також розроблено математичну модель гідравлічного приводу пресу.

Машинний цикл описується залежністю

(2)

де tj – час холостого ходу; t0 – час руху деформації поковки; tр – час зворотнього руху; ts – сума часу на переключання керуючих пристроїв

Час технологічного циклу виражається залежністю

(3)

де tt – час технологічної перерви, під час якої рухома поперечка знаходиться у вихідному положенні в стані спокою.

На основі комп’ютерного моделювання конструкції гідравлічного пресу визначено умови взаємодії перетворювача положення та поперечки пресу, які б забезпечували заданий показник якості регулювання.

Динамічна модель гідравлічного пресу представлена як лінійна коливальна система з великою кількістю ступенів свободи (рис.2).

Модель побудовано з наступними спрощеннями:

· коефіцієнт пружності робочих поверхонь пресу є безмежно великим;

· коефіцієнт затухання трубопроводу є нехтувано малим.

Змінними величинами вважаються: х1 – координата, визначаюча положення поперечки пресу (тіло масою mc); х2 – швидкість поперечки пресу (); х3 – координата, визначаюча положення зубчастої рейки (тіло масою m1); х4 – швидкість зубчастої рейки (); х5 – координата, визначаюча положення головки пресу (тіло масою m); х6 – швидкість головки пресу ().

Беручи до уваги силу, що діє окремі тіла, можна написати рівняння:

(4)

(5)

(6)

Умовою керування з заданою точністю є встигання положення вимірювального перетворювача [4], [13], визначеного координатою х3 (рис.2), за положенням пресу, визначеного координатою хі.

На основі комп’ютерного моделювання приводу гідравлічного пресу визначено його динамічні властивості, що суттєво впливають на точність позиціонування поперечки пресу (рис.3).

Для математичного опису подій, що відбуваються в аналізованій системі, прийнято наступні визначення: D – оператор диференціювання; Ec – об’ємний модуль стискання рідини; Fc - сумарна поверхня поршнів циліндрів пресу; Fp – сумарна поверхня поршнів підйому поперечки пресу; G – вага поперечки та рухомих елементів пресу; h – крок поперечки пресу; ke – коефіцієнт підсилення інтенсивності протікання водяної емульсії через клапан; kp – коефіцієнт підсилення інтенсивності протікання водяної емульсії через дросельний перехід; kQ – коефіцієнт підсилення інтенсивності протікання водяної емульсії через допоміжний дросельний перехід; k1, k2 – коефіцієнт волюмометричних втрат; Мс – маса рухомих елементів пресу та водяної емульсії приведена на вісь штока еквівалентного циліндра пресу; р1 – тиск в циліндрах пресу; р2 – тиск в підйомних циліндрах; р3 – тиск в подаючих патрубках; р4 – тиск в заливній ємкості; рz- тиск живлення водяної емульсії системи пресу; Р0 – сила технологічного опору; Рt1 – сила тертя (Кульомба); Qe – інтенсивність протікання водяної емульсії через клапан; Qр - інтенсивність протікання водяної емульсії через постійний перехід; Qh1 –поглинаюча здатність циліндра пресу при опусканні поперечки; Qs1, Qw1 - інтенсивність протікання водяної емульсії, направлена на покриття втрат, викликаних відповідно стискуванням рідини та волюмометричними втратами системи високого тиску водяного блоку в процесі опускання поперечки пресу; Qh2 – поглинаюча здатність циліндрів піднімання поперечки пресу; Qs2, Qw2 - інтенсивність протікання водяної емульсії, направлена на покриття втрат, викликаних відповідно стисливістю рідини та волюмометричними втратами системи зливу рідинного блоку в процесі опускання поперечки пресу; Qhр1 – поглинаюча здатність циліндра пресу при підйомі поперечки; Qsр1, Qwр1 - інтенсивність протікання водяної емульсії, направлена на покриття втрат, викликаних відповідно стискуванням рідини та волюмометричними втратами системи високого тиску рідинного блоку в процесі підйому поперечки пресу; Qhр2 – поглинаюча здатність підйомних циліндрів у фазі підйому поперечки пресу; Qsр2, Qwр2 - інтенсивність потоку водяної емульсії, направлена на покриття втрат, викликаних відповідно стискуванням рідини та волюмометричними втратами системи зливу рідинного блоку в процесі підйому поперечки пресу; V1 – об’єм водяної емульсії в блоці високого тиску; V2 – об’єм рідини в зливному блоці водяної системи; s – актуальне положення поперечки пресу; zH – актуальне положення головки клапана, керуючого інтенсивністю протікання водяної емульсії.

Рух опускання поперечки пресу (рис.3) описано наступними рівняннями:

- рівнянням динамічної рівноваги поперечки пресу

meD2s + Pt1 + Po + Fp p2 = G + Fr p1 (7)

- рівнянням балансу інтенсивності потоку рідини в поршневому блоці

Qe = Qh1 + Qs1 + Qw1 (8)

де Qh1 = Fr Ds (9)

(10)

(11)

(12)

або (13)

- рівнянням балансу інтенсивності потоку рідини в заливному блоці

(14)

де (15)

(16)

(17)

(18)

- рівнянням зворотного зв’язку

(19)

Аналіз динамічних властивостей гідравлічного приводу пресу проведено на основі представленої математичної моделі [8], приведеної у формі рівнянь, які можна розв’язати числовими методами. З досліджень видно, що перерегулювання положення поперечки пресу досягає значення , що має істотний вплив на точність позиціонування поперечки пресу.

У цьому розділі також проведено аналіз вимірювального кола для вимірювання положення та швидкості поперечки гідравлічного пресу з застосуванням оптоелектронного перетворювача з метою виявлення тих параметрів цього кола, що впливають на точність вимірювання.

Зауважимо, що динамічна модель з’єднувальної системи, з’єднуюча передача, оптоелектронний перетворювач, а також електронні методи перетворення положення та швидкості мають істотний вплив на точність перетворення вимірюваної величини [13].

В процесі вільного кування важливим є проаналізувати всі фактори, що впливають на отримання високоточної поковки.

Висота поковки – це ефект динамічної відстані між верхньою та нижньою робочими поверхнями пресу в процесі вільного кування.

Істотним є аналіз характеристик приводу гідравлічного пресу, його конструкції та кола перетворення сигналу положення поперечки пресу.

З аналізу представленої математичної моделі видно, що динаміка приводу має суттєвий вплив на позиціонування верхньої робочої поверхні пресу. Тому в процесі регулювання цього приводу (при проектуванні чи модернізації) треба враховувати цей фактор.

Представлена динамічна модель конструкції пресу дозволяє визначити динамічні, а далі і конструкційні властивості механічної системи зв’язку.

З аналізу вимірювального кола з застосуванням механічного зв’язку для з’єднання контрольованого механізму з оптоелектронним перетворювачем, видно що:

· конструкція з’єднання повинна забезпечити допустиму динамічну похибку встигання перетворювача за поперечкою пресу, забезпечуючи при цьому відповідний коефіцієнт затухання зубчастої рейки;

· застосована система не може приймати значення гістерезису.

Перетворення неелектричної величини (положення поперечки пресу) в електричний сигнал відбувається за допомогою оптоелектронного перетворювача положення. Точність його перетворення впливає на точність отриманої поковки.

В цифрових методах вимірювання можна зауважити два протилежні напрямки вимірювань, направлені на отримання високоточних результатів.

Перший з них полягає на прецизійній будові вимірювальної шкали перетворювача та використанням в його конструкції простих систем електронного перетворення, у другому - навпаки: при менш прецизійній будові перетворювача підвищення точності досягається за рахунок відповідного електронного перетворення сигналів вимірювання. В цьому розділі стверджено, що використання системи з високим коефіцієнтом помноження частоти імпульсів має вирішальний вплив на підвищення точності вимірювання положення та швидкості.

В залежності від області вимірювання швидкості поперечки пресу треба використовувати метод вимірювання великих або малих швидкостей, причому розмежуванням використання того чи іншого методу є значення відносної похибки вимірювання.

Третій розділ присвячено розробленню та дослідженню методів для підвищення точності систем керування гідравлічними приводами. Проведений аналіз конструкції пресу дозволяє стверджувати, що вона може працювати з симетричним чи несиметричним відносно своєї осі симетрії навантаженням, причому точність отриманої поковки є функцією сили тиску на поковку, моменту сили, що діє на поперечку пресу при несиметричному відносно конструкції пресу положенні поковки та температури, взаємодіючих елементів пресу.

З математичного аналізу деформації окремих елементів конструкції пресу видно, що прес характеризується гнучкістю конструкції (рис.4), що значно утруднює вимірювання висоти поковки (рис.5).

Висота поковки (рис.4), визначена зміною положення верхньої та нижньої робочих поверхонь пресу, для даної конструкції пресу виражається залежністю

H = H + (Дs – ДLkdT – ДLkgT + ДLkdњж +ДLkgњж ± Дsp + ДL + ДLw) (20)

де s – зміщення столу нижньої робочої поверхні; LkdТ – приріст висоти нижньої робочої поверхні при зміні її температури; LkgТ - приріст висоти верхньої робочої поверхні при зміні її температури; Lkdњc - приріст висоти нижньої робочої поверхні при зміні навантаження; Lkgњc - приріст висоти нижньої робочої поверхні при зміні навантаження; Sр - приріст висоти нижньої робочої поверхні при перекосі поперечки пресу; L - приріст довжини (висоти) колон пресу; Lw - відстань між верхньою і нижньою робочими поверхнями пресу при нижній позиції верхньої робочої поверхні.

У розробленому нами методі вимірювання висоти поковки в процесі вільного кування є можливість створення виробничих умов, які дозволяють [23,24,25]:

· зменшити використання матеріалу на одиницю готової продукції;

· наблизити форму і розміри поковки до готового виробу;

· збільшити пропускну здатність дуже дорогих та унікальних пресів;

· автоматизувати та модернізувати процес кування.

Аналіз точності вимірювання виконано для методу вимірювання висоти поковки по верхньому та нульовому відносному рівню переміщення.

Висота поковки визначається відповідно з точністю

H = /P – S – ДS/ + /±1,5Tw – ДLz + ДLkДT – ДLkДњж -ДLzДT ± ДSp/ (21)

H = /Ha + ДLw + ДS/ + /-1,5Tw – ДLz – ДLkДњж + ДLkДT – ДLzДT ± ДSp/ (22)

де Lz – міжзубний зазор зубчастого колеса та зубчастої передачі; Lр – зазор шарнірного з’єднання; Тw – квантування положення поперечки пресу (похибка вимірювання); LzТ – приріст довжини зубчастої передачі при зміні її температури; LkТ, Lkњж, LzТ - приріст довжини відповідних елементів пресу для визначення положення поперечки пресу в умовах відмінних від заданого рівня Р Lw.

Треба підкреслити, що розроблений в цьому розділі метод вимірювання висоти поковки враховує можливість корекції деформації деяких елементів пресу, що мають істотний вплив на точність отриманої поковки [9].

З врахуванням динамічних характеристик приводу цього об’єкту опрацьовано метод корекції його динаміки на підставі вимірювання параметрів положення в попередньому циклі його роботи (рис.5).

Для можливості ідентифікації динамічних властивостей у цьому методі встановлюється відносний (базовий) рівень переміщення, як Н1+Н0, відносно якого вимірюється значення переміщень поперечки пресу Н1, Н2, Н3 і т.д. в напрямку заданого рівня деформації Н1 для кожного з конкретних рухів поперечки. Одночасно задається таке коригувальне значення Н1kor/k, щоб з врахуванням динамічних властивостей отримати заданий рівень Н1.

Для даного класу об’єктів (з перерегулюванням чи без нього) для першого кроку деформації визначається задане коригувальне значення Н1kor/1

H1korekcyjne/1/ = H1 ± H0 (23)

яке встановлює значення відхилення Нр1 відносно рівня Н1. У наступному кроці деформації це значення становить

H1korekcyjne/2/ = H1 ± H0 + ДHp1 (24)

що дає можливість оцінити відхилення Нр2, і є основою для встановлення нового заданого коригувального значення

H1korekcyjne/3/ = H1 ± H0 + ДHp1 – ДHp2 (25)

і так далі.

Задане коригувальне значення для керування на довільному кроці деформації деталі (k1) можна подати як

H1korekcyjne/k+1/ = H1korekcyjne/k/ + ДHp/k/ (26)

де ДHp/k/ = H1 – [/H1 + H0/ - ДH/k/] (27)

H1korekcyjne/1/ = H1 ± H0 (28)

а також (29)

Необхідно підкреслити, що в системах коригування динамічних властивостей, принцип дії яких ґрунтується на цьому алгоритмі, імпульси керуючі рухом поперечки вниз зчитуються після дозволяючого сигналу компаратора (після виконання умови НН1+Н0), тобто в момент досягнення заданого вимірюваного положення для ідентифікації динамічних властивостей цього об’єкту.

Виявлено, що зменшення межі квантування переміщення об’єкту можна досягти за рахунок більш точної будови вимірювальної шкали перетворювача (рис.6) або шляхом відповідного перетворення сигналів з оптоелектронного перетворювача [6, 12, 14, 17, 21].

У розроблених системах електронного перетворення важливим є те, щоб з вимірювального сигналу виключити постійну складову [15]. У випадку роботи перетворювача у змінних навколишніх умовах (температура, вологість, запиленість і т.п.) необхідно використовувати динамічні методи компенсації постійної складової сигналу. Запропоновано метод компенсації постійної складової сигналу, що базується на генеруванні відповідно сформованих чотирьох сигналів вимірювального перетворювача [18].

Розміщуючи (рис.7) скануючі роздільчі решітки 1 з відповідним відносним зсувом до індексної решітки шкали 2 перетворювача, можна сформувати світловий потік, який падатиме на фотоелементи. Для фотоелектричної системи UА відносний зсув складає 00. Система Ub має зсув на ? періоду Т відносно системи Ua, яка розташована в позиції N2T+1/4T. Система Uc має зсув ? періоду Т відносно системи Ua, а система Ud має зсув на ? Т відносно системи Ub. Ці системи розташовані в довільному положенні відповідно N1T+1/2T, N4T+1/2T. Положення ділянок зчитування представлено на рис.7, де N, N1, N2, N3; N4 – кількість періодів Т.

Це дозволяє отримати на одному виході електронної системи сигнал перетворювача типу Asin, а на іншому сигнал перетворювача типу Acos. Тривалість сигналу співмірна ціні поділки вимірювальної шкали цього перетворювача.

Також розроблено метод підвищення точності фотоелектронного перетворювача за допомогою електронної інтерполяції (помноження частоти сигналів та перетворення у цифрову форму). Цей метод полягає у формуванні фазових напруг з заданим зсувом відносно базових сигналів відповідно до вимірювальної шкали перетворювача (в аналізованому випадку 180) [22]. Сигнали напруги з давача Asin і Acos, де (причому А – амплітуда сигналу, у – переміщення, Т – період сигналу) формують напругу на даному дільнику

(30)

причому

та (31)

де - кут фазового зсуву; R – прийняте відносне початкове(порівняльне) значення активного опору сигналу.

Після перетворення та з врахуванням вищесказаного

(32)

причому А1 – амплітуда сигналу з фазовим зсувом.

Після перетворення їх у цифровий вигляд отримуємо два прямокутні вимірювальні сигнали, взаємний фазовий зсув яких складає ? періоду, а точність оптоелектронного перетворювача підвищується у 5 разів.

На цих сигналах базуються розроблені методи визначення напрямку руху та вимірювання положення з можливістю додаткового підвищення точності оптоелектронного перетворювача, який співпрацює з об’єктом. Проаналізовано: 1) метод, реалізований на основі логічних функцій сигналів цього перетворювача; 2) метод, реалізований на основі логічних функцій сигналів та імпульсів руху, генерованих системами RC; 3) метод, оснований на логічних функціях сигналів, генерованих тригерними системами. З аналізу видно, що можливою є конструкція систем, що формують 1, 2 або 4 імпульси на період сигналу перетворювача та додатково підвищують точність вимірювання положення [10, 16].

Коли під час руху на виході WY2 отримуємо стан логічної “1”, то на виході WY1 – серію імпульсів

При русі в протилежний бік навпаки на виході WY1 отримуємо стан логічної “1”, то на виході WY2 – серію імпульсів. Значення зняті з виходів віднімаються від стану реверсивного лічильника під час попереднього руху .

Розроблені та представлені в цьому розділі цифрові методи вимірювання швидкості з застосуванням оптоелектронного перетворювача положення дозволяють правильно виміряти швидкість об’єкту, незалежно від напрямку його руху. Верхня межа частоти, яку може забезпечувати перетворювач, чи підрахувати система обчислення, є критерієм вибору мінімального значення часу вимірювання ТW [7].

Межею використання методу вимірювання великих чи малих швидкостей є значення відносної похибки вимірювання. Для даних параметрів імпульсного перетворювача, з метою вибору границь вимірювання та забезпечення заданої похибки вимірювання, використовують відповідну електронну систему помноження частоти імпульсів.

У четвертому розділі розроблено та досліджено пристрої для покращення точності систем керування гідравлічними приводами.

Розроблено структуру електрогідравлічної системи керування пресом. Алгоритм системи керування гідравлічним пресом передбачає виконання вибору: циклу роботи, типу роботи, значення сили кування, мінімальної швидкості кування, положення поперечки пресу [1,2].

Математична модель системи керування гідравлічним пресом використовується в адаптаційній системі керування, де висока стійкість конструкції дозволяє використання системи вимірювання висоти поковки, а вплив змінних параметрів об’єкту, зокрема коефіцієнта волюмометричних втрат, сили технологічного опору, моменту інерції, гальмівного моменту і т.п., тобто нестаціонарність об’єкту, враховується блоком ідентифікації динаміки та генератором керуючого сигналу [3].

Розроблено мікропроцесорний пристрій вимірювання висоти поковки в процесі вільного кування, структурна схема якого наведена на (рис.8) [9,21].

Використовуючи досягнення в проектуванні систем керування гідравлічним пресом та досягнення у створенні та промисловому використанні (Варшавський металургійний завод) мікропроцесорної системи вимірювання висоти поковки, спроектовано та розроблено електрогідравлічний цифровий регулятор положення або швидкості на базі типового мікрокомп’ютера, структурна схема якого наведена на рис.9.

Структура вказаної системи регулювання дозволяє: ідентифікацію математичних моделей об’єкту регулювання; вибір алгоритмів регулювання за допомогою комп’ютерного моделювання; експериментальну верифікацію вибраних алгоритмів регулювання.

Проведено аналіз для лінійної математичної моделі другого і третього порядку нестаціонарності з використанням електрогідравлічної системи позиціонування з мікрокомп’ютерним регулюванням.

Подано результати ідентифікації коефіцієнтів операторної функції переходу для висуву поршня сервомотора.

Для можливості ідентифікації математичних моделей об’єкту регулювання часові відклики переміщення у та швидкості Dy супорту на одиничні зміни сигналу напруги U, керуючого пропорційним регулюючим клапаном. Конструкційно-динамічні параметри експериментально ідентифікованого об’єкту мали наступні значення:

· дійсна поверхня поршня сервомотора односторонньої дії F1 = 1,256 * 10-3 m2, F2 = 0,876 * 10-3 m2;

· коефіцієнт об’ємних втрат Kv = O, l * 10-13 m5/N•s;

· маса блоку, що приводиться в дію поршнем, приведена на вісь поршня Kv = O, l * 10-13 m5/N•s;

· тиск живлення Kv = O, l * 10-13 m5/N•s.

На основі отриманих одиничних відкликів y та Dy реального об’єкту регулювання зроблено висновок, що об’єкт є лінійним. Тому його можна описати операторною функцією переходу

(33)

або

(34)

Використовуючи зареєстровані в пам’яті мікрокомп’ютера одиничні відклики сигналів y та Dy на комп’ютері проведено ідентифікацію невідомих коефіцієнтів К3, , Т3, К2 і Т2 для поступально-зворотного руху поршня сервомотора методом статичної оптимізації Нельдера-Міда, приймаючи показником якості ідентифікації вираз

(35)

де yі , Dyі – і-ті значення одиничних відкликів сигналів при дослідженні реального об’єкту, - і-ті значення одиничних відкликів сигналів при дослідженні математичного об’єкту за виразом (33) або (34), w1, w2 - вагові коефіцієнти.

На рис.10 представлено результати ідентифікації коефіцієнтів операторної функції переходу (33) для поступального руху поршня сервомотора.

З рис.10 видно, що коефіцієнти К3, , Т3 лінійної математичної моделі третього порядку є функціями сигналу напруги u, що керує пропорційно регулюючим клапаном. У зв’язку з цим, можна значно покращити точність опису об’єкту регулювання за допомогою лінійної моделі (33), якщо прийняти, що значення його коефіцієнтів є функцією напруги u, що в кінцевому результаті зводиться до прийняття лінійної нестаціонарної моделі об’єкту регулювання.

Для комп’ютерного моделювання залежність цих коефіцієнтів від напруги апроксимовано за допомогою методу лінійної регресії наступними многочленами

u < 0,5 V K3=0,035+0,08u

u ? 0,5 V K3=7,38•10-2

u < 2 V T3=0,0076-0,131u+0,086u2–0,019u3

u ? 2V T3=7,2.10-3 (35)

u < 0,3 V ж=0,59-l,35u

u > 0,3 V ж = -0,017+0,83u-0,14u2+0,0084u3

На рис.11 наведено одиничні відклики реального об’єкту (y, Dy) та його математичної моделі для .

При комп’ютерному моделюванні системи регулювання положення приводу використано не тільки регулятори P i PD, але також PI i PID. Регулятор може бути розташований на головній лінії регулювання, безпосередньо за блоком додавання, або в колі зворотного зв’язку.

Для визначення значень параметрів регуляторів виконано комп’ютерне моделювання системи регулювання положення приводу. Подано результати цих досліджень для покроково заданого положення приводу та відповідно регулятора P, PD, PI i PID.

З наведених одиничних відкликів видно, що найкращі динамічні та статистичні властивості має система з регулятором PD. Цей регулятор дозволяє отримати в аналізованій системі аперіодичне значення положення та найкоротший час тривалості перехідного процесу.

З метою верифікації результатів комп’ютерного моделювання системи регулювання положення проведено експериментальні дослідження з використанням реального об’єкту регулювання.

Дано оцінку точності позиціонування гідравлічних приводів. Показано, що технологічних процесах існує група систем, де суттєвою є точність положення в заданому стані без конкретних вимог до динамічної похибки положення (системою передбачено перерегулювання положення) та група систем, де динамічна похибка положення має вирішальне вплив на якість виробу (недопустимим є перевищення заданого в процесі регулювання значення). В цих системах для досягнення високої точності позиціонування використовуються електрогідравлічні перетворювачі керування приводом та відповідні регулятори. Отже, використання цифрової системи керування гідравлічним приводом вимагає застосування електричнокерованого клапану постійної зміни тиску проходження рідини, який би забезпечував роль з’єднуючого елемента між електронною та гідравлічною частинами системи приводу. У випадку нестаціонарних об’єктів, досягнення високої точності їх положення вимагає використання адаптаційних систем регулювання. В системах керування положенням особлива увага звертається на механічну конструкцію, яка має істотний вплив на точність положення приводу.

Проведено аналіз впливу параметрів кола вимірювання положення та швидкості на точність положення приводу.

Аналіз точності позиціонування системи керування гідравлічним приводом за умови стаціонарності його моделі та високої стійкості механічної конструкції показав, що для об’єкту масою m=215 кг мінімальну похибку регулювання отримано для регулятора PID. Значення цієї похибки знаходиться в межах від 2 до 6 м. Причиною розкиду значень похибки регулювання для різних прикладів є зазори в рухомих