Чубик Роман Васильович

УДК 629.3.03:62-837:62-531.7

АДАПТИВНА СИСТЕМА КЕРУВАННЯ РЕЖИМАМИ

РЕЗОНАНСНИХ ВІБРАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЧНИХ МАШИН

Спеціальність 05.13.07 – Автоматизація технологічних процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизації та комплексної механізації технологічних процесів Вінницького державного аграрного університету Міністерства аграрної політики України

Науковий керівник |

доктор технічних наук, професор

Берник Павло Степанович,

Вінницький державний аграрний університет,

завідувач кафедри "Автоматизації та комплексної

механізації технологічних процесів".

Офіційні опоненти | доктор технічних наук, професор

Стоцько Зіновій Антонович

директор інституту інженерної механіки та транспорту, завідувач кафедри електронного машинобудування Національного університету "Львівська політехніка"

доктор технічних наук, професор

Кутін Василь Михайлович,

професор кафедри електричних станцій та систем

Вінницького національного технічного університету

Провідна установа | Національний аграрний університет

Міністерства аграрної політики України,

кафедра "Автоматизації сільськогосподарського виробництва" м. Київ

Захист відбудеться 13 , квітня 2007 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.04 у Національному університеті "Львівська політехніка" за адресою 79013, м. Львів, вул. С. Бандери, 12, ауд. 226, гол. корп.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" за адресою 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий | "22" лютого 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради | |

Вашкурак Ю. З.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Використання вібротехнологій обумовлюється потребами підвищення інтенсивності, покращення якісних показників, а в деяких випадках і можливістю реалізації технологічних процесів. Унікальні можливості вібраційного поля дозволяють успішно здійснювати не тільки оздоблювально-зачисні та поверхнево-зміцнювальні операції, але і такі операції як сепарація, перемішування, шліфування, вібротранспортування за важких експлуатаційних умов, гомогенізація, фільтрування, сушіння, насичення середовища певними речовинами, руйнування поверхонь та ряд інших процесів. Це обумовлює ефективність застосування вібраційних технологічних машин у багатьох галузях: машинобудуванні та приладобудуванні, а також у гірничо-переробній промисловості. На сучасному етапі розвитку технологічних машин спостерігається чітка тенденція до розроблення та впровадження енергозберігаючих технологій та гнучких (швидко переналагоджуваних) технологічних ліній. Добитися мінімального споживання енергії вібраційними технологічними машинами (ВТМ) при оптимальних параметрах технологічного процесу та змінній масі завантаження робочого органу можливо тільки тоді, коли механічна система ВТМ буде знаходитись постійно в стані наближеному до резонансного. Тому доцільним є створення керованих вібраційних технологічних машин ВТМ резонансного типу, які б могли швидко переналагоджуватись та мали можливість: автоматично змінювати параметри вібраційного поля та підтримувати їх в заданому діапазоні на резонансній робочій частоті ВТМ, забезпечуючи мінімальні енергетичні затрати на електропривод. Керування якісними характеристиками вібраційного поля на резонансній частоті ВТМ можна забезпечити шляхом автоматичної зміни двох основних параметрів віброприводу: амплітуди та частоти циклічної вимушуючої сили. Застосування керованого віброприводу у ВТМ резонансного типу дозволить інтегрувати ВТМ в сучасні гнучкі високо автоматизовані технологічні лінії промислових підприємств, за рахунок зв'язку із зовнішніми глобальними системами керування та збору інформації.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконувалася згідно з тематичним планом науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт Вінницького державного аграрного університету (ВДАУ) та кафедри автоматизації та комплексної механізації технологічних процесів ВДАУ, а також відповідно до плану постійнодіючого науково технічного семінару (який проводиться під егідою академії технічних наук Російської Федерації) з проблем “Применение низкочастотных колебаний в технологических целях” з 2002 по 2006рік.

Мета і задачі дослідження. Покращення енергетичних та динамічних характеристик ВТМ шляхом застосування двополярної широтно-імпульсно модульованої (ШІМ) синусоїдальної напруги, яка автоматично забезпечує резонансний режим роботи ВТМ при оптимальних параметрах технологічного процесу.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

· провести аналіз існуючих керованих ВТМ з метою формулювання задач дослідження;

· теоретично обґрунтувати принципи адаптивного керування вібраційними технологічними машинами;

· дослідити статичні та динамічні характеристики АВТМ та її елементів. Розробити методику розрахунку керованих віброприводів АВТМ;

· розробити принципову схеми адаптивної системи керування. Виготовлення експериментального зразку, проведення лабораторних та промислових випробувань;

· оцінка ефективності застосування, запропонованої адаптивної системи керування параметрами віброприводу ВТМ.

Об’єкт дослідження. Процеси у електромеханічних системах вібраційних технологічних машин.

Предмет дослідження. Енергетичні та динамічні характеристики керованого дебалансного та електромагнітного віброприводу ВТМ при створенні ідентичних вібраційних полів.

Методи дослідження. Математичне моделювання двополярного ШІМ синусоїдального сигналу в електромагнітному віброприводі проводилось за допомогою функції Хевісайда. Для енергетичної оцінки ШІМ синусоїдального сигналу та оцінки перехідних процесів у ВТМ застосовувався спектральний аналіз та проводилось визначення спектральної густини потужності. При досліджені перехідних процесів у ВТМ сигнал від датчика вібрації оброблявся за допомогою програми SPTool (Signal Processing Tool), яка є складовою частиною програмного середовища MATLAB. Проводились дослідження енергетичних та динамічних характеристик ВТМ за допомогою оцінки ефективності вібраційної дії інтегральним енергетичним критерієм. Для оцінювання рівноцінності вібрацій різних частот застосовувався критерій інтенсивності вібрації введений В. Н. Шмигальським в 1959 р. Дослідження, забезпечення резонансного режиму роботи ВТМ проводилося за допомогою промислового мікроконтролера MITSUBISHI (ALPHA XL AL2-14MR - D) із програмним забезпеченням AL-PCS/WIN V2.31 та перетворювачем частоти на базі ШІМ фірми MITSUBISHI (FR-E540 0.75K – EC). Дослідження математичних моделей та статистична обробка експериментально отриманих даних проводилося з використанням програмного забезпечення Mathcad 11 Enterprise Edition, аналітичні вирази оброблялися за допомогою програмного середовища Maple 9.5. Дослідження та моделювання роботи адаптивної системи керування приводом ВТМ проводилось в середовищі MATLAB 7.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Отримала подальший розвиток теорія керування віброприводами, яка полягає в забезпеченні умов постійного резонансного режиму роботи вібраційних технологічних машин протягом технологічного процесу з врахуванням змін його характеристик, що дозволяє при мінімальних енергозатратах на вібропривод керувати параметрами технологічного процесу ВТМ.

2. Розроблено метод визначення статичного моменту площі дебалансів та потужності електродвигуна приводу дебалансів керованого дебалансного віброприводу вібраційних технологічних машин резонансного типу, який може бути використаний для розрахунків керованого дебалансного віброприводу з метою отримання заданих технологічно оптимальних параметрів вібраційного поля ВТМ.

3. Вперше розроблено, математичну модель для розрахунку основних конструктивних параметрів керованого електромагнітного віброприводу вібраційних технологічних машин резонансного типу, що дозволяє провести проектний розрахунок даного віброприводу враховуючи параметри двополярної широтно-імпульсно модульованої синусоїдальної напруги та задані технологічно оптимальні параметри вібраційного поля ВТМ.

Практичне значення отриманих результатів. Застосування розроблених алгоритмів у адаптивних системах керування параметрами приводів ВТМ, реалізованих на промислових мікроконтролерах із використанням ШІМ перетворювачів частоти дозволяє оптимізувати систему приводу ВТМ, шляхом автоматизації процесу настройки частоти і амплітуди вимушуючих коливань робочого органу вібромашини при змінних масах його завантаження на постійний резонансний режим роботи.

Для вібраційних технологічних машин із електромагнітним приводом застосування адаптивних систем керування приводом ВТМ дозволяє:

1. усунути трудомісткий та складний процес налагодження пружної системи ВТМ в зарезонансний режим роботи з врахуванням коефіцієнта відлагодження;

2. зменшити енергетичні затрати віброприводу вібромашини (3-10 рази);

3. стабілізувати продуктивність ВТМ (інтенсивність віброобробки) при змінній масі завантаження робочого органу;

4. інтегрувати ВТМ у глобальні автоматизовані технологічні системи.

Для вібраційних технологічних машин з дебалансним приводом застосування адаптивних систем керування приводом ВТМ дозволяє:

1. усунути сплески амплітуди при перехідних процесах у ВТМ;

2. зменшити металоємність конструкції дебалансного приводу ВТМ;

3. зменшити динамічні та статичні на вантаження на пари тертя в дебалансному приводі та збільшити термін експлуатації підшипників приводу ВТМ;

4. забезпечити резонансний режим роботи ВТМ із дебалансним приводом, що дозволяє отримати переваги які були характерні лише ВТМ з електромагнітним приводом та перераховані вище.

Впровадження результатів дисертаційної роботи проведено на КП НВО "ФОРТ" де при створенні машини для фінішної віброабразивної обробки крупногабаритних деталей, було застосовано вище розроблену методику розрахунку дебалансного віброприводу для резонансних ВТМ та адаптивну систему керування параметрами дебалансного віброприводу. Випробовування в промислових умовах показало, що застосування адаптивних вібраційних технологічних машин (АВТМ) дозволяє зменшити в 5-7 раз енергетичні затрати віброприводу, завдяки утримуванню постійного резонансного режиму роботи АВТМ.

Застосування розробленої методики розрахунку віброприводу АВТМ резонансного типу, дозволяє проводити розрахунок нових та модернізацію існуючих дебалансних віброприводів з метою покращення енергетичних та динамічних характеристик ВТМ.

Особистий внесок здобувача. Усі результати, які складають основний зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно.

У спільних роботах автору належить: ідея застосування двополярної ШІМ синусоїдальної напруги у вібраційних технологічних машинах [1, 2] з метою створення АВТМ резонансного типу; дослідження амплітудно–частотних (спектральних) та енергетичних характеристик двополярного ШІМ синусоїдального сигналу, що живить електромагнітний вібропривод [3, 4, 5]; дослідження закону зміни струму та зусилля на електромагнітному приводі резонансної вібромашини при живленні її від джерела двополярної ШІМ напруги описаної за допомогою функції Хевісайда [6]; розроблено та реалізовано практично алгоритм функціонування адаптивної системи керування приводом ВТМ [7, 10]; проведено оптимізацію частотно-силових параметрів керованого електродинамічного приводу ВТМ [9, 14]; проведено експериментальне та аналітичне дослідження енергетичних та амплітудно-частотних характеристик вібраційного поля при резонансному режимі роботи дебалансного приводу вібромашини [12], проведено аналіз структурних схем пристроїв для керування віброприводом ВТМ [13]; дослідження перехідних процесів у ВТМ з дебалансним приводом [18]; розроблено методики інженерного розрахунку дебалансного приводу ВТМ резонансного типу [8, 19]; розвиток теорії керованого приводу вібраційних технологічних машин резонансного типу; узагальнення експериментальних та теоретичних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на: V - ій міжнародній науково-технічній конференції “Вібрація в техніці та технологіях” (м. Вінниця, 17-21 жовтня 2004 р.), 7 – му міжнародному симпозіумі українських інженерів–механіків у Львові (м. Львів, 18-20 травня 2005 р.), П’ятій міжвузівській науково-практичній конференції аспірантів “Сучасна аграрна наука: напрями досліджень стан і перспективи” (м. Вінниця, 17-19 травня 2005 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Стан і перспективи розвитку переробної галузі АПК” (м. Мелітополь – Кирилівка, 16 – 18 червня 2005 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Вібрація в техніці та технологіях” (м. Полтава, 3-5 жовтня 2005 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Вибрационные машины и технологии” (г. Курск, 30 листопада – 2 грудня 2005 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Повышение качества, надежности и долговечности технологических систем и технологических процессов” (м. Шарм Ель Шейх (Єгипет), 4 – 11 грудня 2005 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Стан і перспективи розвитку сучасних технологій і обладнання переробних і харчових виробництв” (м. Вінниця, 1 – 4 червня), VI – ій міжнародній конференції “Прогресивна техніка і технологія - 2006” (м. Севастополь, 27 – 30 червня).

Публікації. З теми дисертації опубліковано 19 робіт, з яких 16 статей у фахових виданнях України та 3 патенти України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (159 найменувань) та 16 додатків. Загальний обсяг роботи 266 сторінок. Основна частина дисертації займає 185 сторінок, містить 133 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі досліджень, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проведено аналіз і класифікацію керованих систем віброприводу, резонансних вібраційних технологічних машин, за спільними ознаками дії приводу на робочий орган. На базі проведеного аналізу встановлено, що у ВТМ резонансного типу, де керування параметрами вібраційного поля відбувається шляхом зміни амплітудного значення циклічної вимушуючої сили керованого приводу (дебалансний вібропривод, електромагнітний вібропривод із тиристорним керуванням, електромагнітний вібропривод з індуктивним керуванням, …) основним недоліком, є відсутність автоматичної підтримки резонансного режиму роботи ВТМ. У ВТМ із таким типом керованого віброприводу спостерігається нестабільність амплітуди коливань робочого органу, обумовлена зміною приєднаної маси та зміною положення робочої точки на амплітудно-частотній характеристиці вібромашини. З’ясовано також, що у ВТМ резонансного типу де керування параметрами вібраційного поля відбувається шляхом зміни частоти циклічної вимушуючої сили керованого віброприводу або зміні жорсткості пружної системи ВТМ, основним недоліком є не спроможність керувати амплітудою коливань робочого органу (вимушуючою силою приводу) на резонансній частоті вібраційної технологічної машини. Це в свою чергу накладає певні обмеження на технологічні можливості вібромашин із таким типом керованого віброприводу. На основі проведеного аналізу також з’ясовано, що ВТМ, де керування параметрами вібраційного поля відбувається шляхом зміни жорсткості пружної системи ВТМ або зміні частоти циклічної вимушуючої сили керованого віброприводу спостерігаються менші енергетичні затрати завдяки тому, що керовані системи приводу такого типу можуть підтримувати резонансний режим роботи на певному діапазоні частот. Дана особливість з точки зору енергозбереження надає їм вагомих переваг над керованими ВТМ нерезонансного типу та ВТМ, де керування параметрами вібраційного поля відбувається завдяки зміні амплітудного значення циклічної вимушуючої сили. На базі аналізу переваг та недоліків існуючих керованих систем вібраційних приводів сформульовані відповідні мета і задачі для подальших досліджень.

У другому розділі для реалізації поставленої задачі побудовано математичну модель оптимальної системи віброприводу ВТМ, розроблено принципи керування [17, патент України UA 10971] та побудовано блок схему (рис.1) екстремальної адаптивної системи керування віброприводами ВТМ резонансного типу. Враховуючи те, що ВТМ є керованою ланкою, було встановлено основні характеристики ВТМ: передаточну, перехідну (1) та імпульсну перехідну функцію (2).

Завдяки проведеному аналізу закону зміни похідної в біля резонансному () режимі роботи (рис.2) екстремальної ланки адаптивної системи керування віброприводами, синтезовано структурну схему (рис.3) лінеаризованої системи підтримки екстремальної частоти віброприводу ВТМ.

(1)

(2)

Виходячи із замкненої передаточної функції (3) лінеаризованої системи підтримки екстремальної частоти віброприводу на основі критерію стійкості Гурвіца отримано умови (4), яким повинні задовольняти параметри ПІД - регулятора (ізодромний закон керування) для забезпечення стійкості системи підтримки екстремальної частоти віброприводу адаптивної вібраційної технологічної машини (АВТМ). Завдяки виразам (4) можна знайти значення параметрів ПІД – регулятора () (рис.3 та рис.1), які забезпечать стійкі-

сть системи підтримки екстремальної частоти віброприводу АВТМ. За допомогою критерію Найквіста та умов (4) встановлено зв’язок між максимально можливим часом запізнення екстремальної ланки та стійкістю системи керування АВТМ (рис. 4). Встановлено, що замкнена система є стійкою при зміні часу запізнення екстремальної ланки при значеннях параметрів ПІД – регулятора

(3)

.

, , (4)

(5)

(4) на 10% більших за мінімально допустимі.

Проведено оцінку якості керування ВТМ за допомогою (5) інтегральної квадратичної динамічної помилки. Фізична суть інтегральної квадратичної динамічної помилки для керованих АВТМ полягатиме в тому, що завдяки врахуванню інерційних (приведена маса) і дисипативних () характеристик ВТМ та пружно деформованих сил (жорсткість) у підвісці ВТМ можна оцінити наскільки якісно АВТМ відпрацьовує задане нове значення керованої величини. Розроблено та протестовано в середовищі MATLAB 7.0.1 алгоритми за якими функціонує екстремальна адаптивна система керування параметрами віброприводу АВТМ. Даний алгоритми реалізовано у спеціалізованому програмному пакеті AL-PCS/WIN V2.31 на промисловому мікроконтролері Alpha XL (AL2-14MR-D) із використанням перетворювача частоти FR-E540 0.75K–EC на базі двополярної ШІМ. Розроблено метод інженерного розрахунку параметрів дебалансного віброприводу резонансних АВТМ. Зважаючи на те, що циклічна вимушуюча сила дебалансного приводу є функцією від частоти , враховуючи динамічні характеристики пружної системи АВТМ, та ряд дисипативних характеристик (,) коливної системи АВТМ резонансного типу, встановлено зв'язок між статичним моментом площі дебалансів віброприводу та амплітудою коливань робочого органу АВТМ резонансного типу:

(6)

де - приведена маса АВТМ, - коефіцієнт відлагодження. Розроблена методика інжене-

рного розрахунку потуж-ності електродвигуна при-воду дебалансного валу (7) АВТМ резонансного типу, яка дозволяє визна-чити необхідну потуж-ність двигуна врахову-ючи геометричні пара-метри дебалансного при-

воду, приведену масу адаптивної вібраційної технологічної машини, дисипативні характеристики коливної системи та режим роботи АВТМ на певному робочому діапа-зоні частот (рис. 5), який зумов-лений зміною маси завантаження робочого органу та резонансним режимом роботи ВТМ.

На рис. 5 наведено зв'язок між енергетичними параметрами робо-чого органу та дебалансного приводу АВТМ резонансного типу де показано, що в робочому діапазоні частот (обумовленому зміною маси завантаження робочого органу) потужність споживана приводом дебалансного валу змінюється на 100%, але вона є меншою за потужність приводу в резонансному режимі роботи, тому запро-поновано проводити розрахунок

(7)

потужності двигуна приводу дебалансного вала за допомогою виразу (7), який характеризує потужність робочого органу при резонансному режимі роботи ВТМ. В результаті теоретичних та експериментальних досліджень розроблено комплекс методик та сформульовані наукові принципи розрахунку дебалансного віброприводу АВТМ резонансного типу.

У третьому розділі побудова модель екстремальної адаптивної системи керування електромагнітним віброприводом АВТМ резонансного типу. Запропоновано в керованих електромагнітних віброприводах застосовувати двополярну ШІМ синусоїдальну напругу. Побудована математична модель (8) двополярної широтно-імпульсно модульованої синусоїдальної напруги на базі функції Хевісайда.

, (8)

де, , , - кількість мікро-періодів за один період синусоїдальної напруги яка моделюється тривалостями імпульсів, - кількість періодів ШІМ синусоїди, яку моделюємо, T - тривалість мікроперіоду широтно-імпульсно модульованого синусоїдального сигналу (с), (- частота ШІМ синусоїди, що живить електромагнітний вібропривод), - функція Хевісайда, - максимальне значення миттєвої напруги однофазної мережі по модулю. Проведено аналіз параметрів ШІМ синусоїдальної напруги у керованих системах із електромагнітним віброприводом. В якості критерію оцінки ШІМ синусоїдального сигналу на електромагнітному віброприводі, застосовано коефіцієнт гармонік (коефіцієнт нелінійних спотворень), визначення якого проводилось для перших () гармонік спектру ШІМ синусоїдального сигналу.

Розроблена методика одержання необхідної частоти синусоїдального ШІМ сигналу який живить електромагнітний вібропривод, шляхом розрідження апріорно отриманого масиву (попередньо записаного в пам’ять мікро МЕОМ) тривалостей імпульсів ШІМ синусоїди, частота якої в декілька разів вища ніж максимальна частота синусоїди на електромагнітному віброприводі. Доведено, що застосування даного методу реалізації ШІМ не приводить до суттєвих спотворень () широтно-імпульсно модульованого сигналу, тому його доцільно застосовувати у системах керування електромагнітним віброприводом на однокристальних МЕОМ. Наведена методика, дозволяє правильно вибрати параметри ШІМ синусоїдального сигналу для забезпечення необхідних значень: похибок форми, частоти, та коефіцієнта нелінійних спотворень.

Побудована математична модель (рис. 6) ШІМ сигналу на виході силової частини екстремальної адаптивної системи керування електромагнітним віброприводом, яка дозволяє відслідковувати зміни коефіцієнта нелінійних спотворень ШІМ синусоїди залежно від:

напруги живлення комутаторів ШІМ (це в свою шпаристості, % ШІМ синусоїди (змінну шпаристість використано для чергу впливає на величину амплітуди пульсацій напруги джерела живлення, і як наслідок отримуємо ШІМ синусоїду промодельовану імпульсами ШІМ та додатково по амплітуді пульсаціями джерела живлення); керування амплітудою коливань робочого органу вібромашини); зсуву фаз, між пульсаціями напруги джерела живлення і ШІМ синусоїдою напругою із певною шпаристістю, %, який в момент включення може бути будьякий на проміжку (0…2); тривалості мікроперіоду ШІМ синусоїди. Результатом математичного моделювання ШІМ сигналу на виході силової частини екстремальної адаптивної системи керування електромагнітним віброприводом є матриця рис. 6. Запропонована методика дослідження та математична модель, дозволяють проводити оптимальний вибір тривалості ШІМ синусоїди для конкретного електро-магнітного віброприводу ВТМ із врахуванням власних коливань механічної системи, реально оцінити величини конкретного електромагнітного віброприводу на довільному робочому діапазоні частот при будь якій шпаристості. Розроблена методика розрахунку керованого електромагнітного віброприводу, яка пов’язує між собою основні параметрами ШІМ напруги та основні параметрами електромагнітного віброприводу:

- закон зміни струму, що протікає в котушці електромагнітного вібропри-воду, - активний опір електро-магнітного віброприводу, - індук-тивність електромагнітного вібропри-воду, яка обчислюється виразом:

де - кількість витків котушки електромагнітного віброприводу, - приведена відстань між якорем та осердям, - закон руху робочого органу АВТМ ().

В результаті проведених досліджень та математичного моделювання керованого електромагнітного віброприводу доведено, що при використанні широтно-імпульсно модульованої синусоїдальної напруги для живлення електромагнітного віброприводу АВТМ, сила яку розвиває електромагніт та переміщення якоря відносно осереддя відбувається за гармонійним синусоїдальним законом із частотою в двічі більшою ніж частота синусоїди, що сформована широтно–імпульсною модуляцією. В результаті комплексних досліджень запропонованої фізичної моделі екстремальної адаптивної системи керування електро-магнітним віброприводом АВТМ резонансного типу доведено її доцільність та ефективність. Розроблено методики вибору параметрів ШІМ синусоїдальної напруги та основних конструктивних параметрів електромагнітного віброприводу АВТМ резонансного типу.

У четвертому розділі побудовано фізичну модель екстремальної адаптивної системи керування дебалансним віброприводом АВТМ резонансного типу та реалізовано її практично. Описано конструкцію та експериментальні дослідження створеної (рис. 8) моделі адаптивної вібраційної технологічної машини резонансного типу з дебалансним віброприводом. Наведено результати експериментальних досліджень зв’язку амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) АВТМ із енергетичними затратами (рис. 9) на привод дебалансного валу віброприводу. Розроблена апроксимована математична модель енергетичних затрат яка описується відносно частоти вимушуючої сили дебалансного віброприводу за допомогою функції genfit рівнянням нелінійної регресії загального виду.

Проведено дослідження та встановлено зв’язок між енергетичними характеристиками вібраційного поля АВТМ резонансного типу та енергетичними затратами дебалансного віброприводу на їх створення. В результаті чого було виявлено різницю між енергетичними затратами на створення ідентичних вібраційних полів АВТМ резонансного типу. Енергетичні характеристики вібраційного поля експериментальної АВТМ досліджувались за трьома критеріями. За перший критерій прийнято коефіцієнт перевантаження (коефіцієнт ві-

брації), який визначається:. Аналізуючи отримані експериментальні дані зображені на рис. 10 можна зробити висновок, що підчас роботи дебалансного віброприводу в резонансному режимі можна отримати вібраційне поле із такими ж параметрами () як і в за резонансному режимі, але при менших енергетичних затратах віброприводом у 3.57-3,57. Для того щоб більш повніше порівняти енергетичні затрати на створення вібраційного поля в резонансі та в за резонансній зоні застосовують коефіцієнт інтенсивності вібрації:

.

Критерій рівноцінності вібрацій різних частот , рівний величині потужності вібраційної дії поля певної частоти, що припадає на одиницю коливної маси, тобто є питомою потужністю вібраційного поля. Результати такого дослідження зображено на рис. 11 а), б). Аналізуючи даний рисунок можна побачити, щоб створити вібраційне поле з однаковою потужністю вібраційної дії на одиницю маси в резонансному режимі затрачається в 5.3 рази менше електроенергії на привод.

При абразивній віброобробці деталей та оздоблювально-зачисній обробці зняття металу залишається постійним при збережені параметру незалежно від значення амплітуди та частоти. Де являє собою питому роботу вимушуючої сили (критерієм продуктивності вібропроцесу) тобто величину роботи вимушуючої сили, яка припадає на одиницю коливної маси та визначається: і являє собою питому потужність вібраційного поля. Результати експериментального дослідження вібраційного поля за критерієм продуктивності вібропроцесу АВТМ зображено на рис. 12 а), б). Аналізуючи рис. 12 а) можна побачити, що робота вимушуючої сили на одиницю коливної маси на резонансній частоті рівна при цьому енергетичні затрати в 10 раз менші ніж у за резонансному режимі роботи ВТМ. Проведені дослідження доводять перевагу АВТМ резонансного типу з енергетичної точки зору та необхідність постійної підтримки роботи АВТМ у резонансному режимі роботи.

В даному розділі також проведено (за допомогою SPTool, яка є складовою частиною програмного середовища MATLAB) спектральний аналіз пере-хідних процесів у АВТМ та доведено що, застосовуючи перетворювачі часто-ти у АВТМ здебалансним вібропри-водом можна цілком усунути сплески амплітуди перехідних процесів у АВТМ при запуску та зупинці можна цілком позбутися сплесків вібропереміщення при зупинці ВТМ за допомогою пригальмовування постійним струмом та зменшені часу зупинки електродви-гуна дебалансного приводу до 1с. Експериментально встановленою, що при запуску АВТМ у за резонансний режим роботи, щоб позбутися значних сплесків амплітуди вібропереміщення на власних резонансних ділянках АЧХ ВТМ необхідно проводити запуск електродвигуна дебалансного віброприводу із частоти, яка у 2–3 рази більша за власну резонансну резонансну, але менша за робочу частоту ВТМ.

Розроблена програма яка реалізо-вана в середовищі MATLAB та запропонована методика діагностики АВТМ яка дозволяє на базі апроксимації, за допомогою функції expfit (MathCAD), із масиву даних в який експериментально записано пере-хідний процес зупинки (запуску) АВТМ, визначити наступні дисипативні характеристики механічної коливної системи: коефіцієнт затухання, лога-рифммічний декремент затухання, коефіцієнт демферування, коефіці-єнт в’язкого демферування .

ВИСНОВКИ

У роботі наведено нове вирішення актуальної задачі зменшенню енергозатрат вібраційними технологічними машинами та покращенню їх динамічних характеристик шляхом забезпечення постійного резонансного режиму роботи ВТМ та стабілізації оптимальних технологічно обумовлених параметрів вібраційного поля на власній резонансній частоті ВТМ, що виявляється у вдосконаленні математичних моделей та розробці методів проектного розрахунку керованого електромагнітного та дебалансного віброприводу.

1. Проведений аналіз дозволив провести класифікацію керованих систем віброприводу, резонансних вібраційних технологічних машин, за спільними ознаками дії приводу на робочий орган. На підставі даного аналізу переваг та недоліків існуючих систем керування віброприводами та керованих віброприводів була сформульована задача: розробити адаптивну систему керування динамічними параметрами віброприводу резонансних вібраційних технологічних машин, яка повинна при мінімальних енергозатратах на вібропривод, ефективно керувати параметрами вібраційного поля та автоматично підтримувати їх на заданому технологічно оптимальному рівні при постійному резонансному режимі роботи вібраційної технологічної машини.

2. Реалізація розробленої адаптивної системи керування динамічними параметрами приводу вібраційних технологічних машин на базі промислового мікроконтролера та перетворювача частоти із використанням ШІМ, дозволяє повністю автоматизувати процес під налаштування частоти і амплітуди вимушених коливань приводу робочого органу вібромашини при запуску ВТМ та при зміні маси завантаження робочого органу, або у випадку необхідності зміни режиму роботи вібромашини до значень вібраційного поля, які є оптимальними для даного технологічного процесу або задані оператором, і відповідають резонансному режиму роботи ВТМ.

3. Проведені в даній роботі експериментальні дослідження показують що, при резонансному режимі роботи АВТМ із дебалансним приводом, існує економія електроенергії споживаної асинхронним двигуном приводу дебалансного валу в:

· 3.5 – 4 рази, якщо за критерій оцінки вібраційного поля, брати коефіцієнт перевантаження (коефіцієнт вібрації);

· 5 – 6 разів, якщо за критерій оцінки вібраційного поля, брати питому потужність вібраційного поля (коефіцієнтом інтенсивності вібрації);

· ? 10 разів, якщо за критерій оцінки вібраційного поля, брати питому роботу вібраційного поля (критерій продуктивності вібропроцесу);

4. Застосування розробленої систем керування параметрами приводу АВТМ дозволяє:

· цілком усунути сплески амплітуди при перехідних процесах у ВТМ із дебалансним приводом в момент запуску та зупинці;

· зменшити металоємність конструкції дебалансного приводу;

· зменшити динамічні та статичні навантаження на пари тертя в дебалансному приводі.

5. Запропонована методика та розроблена програма діагностики ВТМ та АВТМ, яка дозволяє, експериментально визначити наступні дисипативні характеристики будь - якої механічної коливної системи: коефіцієнт затухання , логарифмічний декремент затухання , коефіцієнт демферування , коефіцієнт в’язкого демферування .

6. Запропонована математична модель сигналу на виході силової частини системи керування електромагнітним приводом ВТМ та методика його діагностики дозволяє відслідковувати зміни коефіцієнта нелінійних спотворень ШІМ синусоїди залежно від:

· напруги живлення комутаторів (ключів) ШІМ (це в свою чергу впливає на величину амплітуди пульсацій напруги джерела живлення, як наслідок отримуємо ШІМ синусоїду промодельовану імпульсами ШІМ та додатково по амплітуді пульсаціями джерела живлення);

· шпаристості, % ШІМ синусоїди (змінну шпаристість використовують для керування амплітудою коливань вібромашини);

· зсуву фаз , між пульсаціями джерела живлення і ШІМ синусоїдою із певною шпаристістю , %, який в момент включення може бути будь-який на проміжку (0…2);

· тривалості мікроперіоду ШІМ синусоїди;

7. Запропонована методика інженерного розрахунку параметрів електромагнітного приводу АВТМ із використанням широтно–імпульсно модульованої напруги живлення для забезпечення необхідних параметрів вібраційного поля, яка дозволяє врахувати:

· параметри ШІМ сигналу (тривалість мікроперіоду , …);

· параметри механічної системи (дисипативні втрати в системі , …);

· параметри електромагнітного приводу (число витків обмотки змінного струму , площу торцевого перетину сердечника електромагніту , …),

8. Запропонована методика інженерного розрахунку (та модернізації існуючого) дебалансного приводу вібраційних технологічних машин резонансного типу дозволяє: провести розрахунок необхідного статичного моменту площі дебалансів приводу, для того щоб забезпечити технологічно задані динамічні параметри робочого органу АВТМ при резонансній частоті роботи.

9. Запропонована методика інженерного розрахунку потужності електродвигуна приводу дебалансного валу вібраційних технологічних машин (та АВТМ) резонансного типу, що дозволяє: визначити необхідну потужність двигуна спираючись на геометричні параметри дебалансного приводу, дисипативні характеристики коливної системи та режим роботи АВТМ на певному робочому діапазоні частот .

10. Запропонована математична модель на базі функції Хевісайда двополярної широтно–імпульсно синусоїдально модульованої напруги, що живить електромагнітний вібропривод адаптивних вібраційних технологічних машин.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Чубик Р.В., Таянов С.А. Система для дослідження режимів руху вібротранспортера за допомогою комп’ютерного моделювання форми напруги на електромагнітному віброзбуднику. // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні. Вісник НУ "Львівська політехніка". 2002. - № 467 - С.49-52.

2. Гаврильченко О.В., Таянов С.А., Чубик Р.В. Аналіз похибки форми та частоти при формуванні синусоїдального сигналу з допомогою ШІМ для системи керування вібротранспортером. // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні. Вісник НУ "Львівська політехніка". 2003. - № 480 - С.47-52.

3. Гаврильченко О.В., Таянов С.А., Чубик Р.В. Аналіз коефіцієнту нелінійних спотворень синусоїдального сигналу системи керування ШІМ вібротранспортером при відсутності фільтрів живлення. // Автоматизація виробничих процесів у машинобудуванні та приладобудуванні. Український міжвідомчий наук.-тех. зб. 2004. - № 38 - С.104-109.

4. Гаврильченко О.В., Таянов С.А., Чубик Р.В. Аналіз коефіцієнту нелінійних спотворень синусоїдального сигналу при керуванні амплітудою ШІМ синусоїди за допомогою зміни шпаристості. // "Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація". Вісник НУ "Львівська політехніка". 2004. - № 506 - С.183-187.

5. Берник П.С., Чубик Р.В., Таянов С.А. Математична модель сигналу на виході силової частини системи керування на базі ШІМ вібраційними технологічними машинами. // Вибрации в технике и технологиях. Всеукраїнський наук. -тех. журнал. - 2005. - № 1 (39) - С.1-7.

6. Таянов С.А., Чубик Р.В., Сенів С.Б. Дослідження закону зміни струму та зусилля на електромагніті резонансної вібромашини при живленні її від джерела широтно-імпульсно модульованої напруги. // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні. Вісник НУ "Львівська політехніка". 2005. -№ 535 - С.119-125.

7. Берник П.С., Чубик Р.В., Таянов С.А. Алгоритм для визначення частоти та амплітуди коливань вібромашин. // Вибрации в технике и технологиях. Всеукраїнський наук.-тех. журнал. 2005. - № 2 (40) - С.1-6.

8. Берник П.С., Чубик Р.В., Таянов С.А. Методика розрахунку дебалансного приводу резонансної вібраційної технологічної машини // Автоматизація виробничих процесів у машинобудуванні та приладобудуванні. Український міжвід. наук.-техн. зб. 2005. - № 39 - С.12-25.

9. Берник П.С., Горбатюк Р.М Чубик Р.В. Определение энергопотребления вибрационных машин для отделочно-зачистной обработки деталей. // Вибрационные машины и технологии. Сбор. научных трудов. Курский государственный технический университет. 2005. - С.268-273.

10. Берник П.С., Чубик Р.В., Таянов С.А. Алгоритм для визначення частоти коливань робочого органа вібромашини. // Машинознавство. 2005. - № 4 (94) - С.43-47.

11. Берник П.С., Чубик Р.В. Алгоритм функціонування адаптивної системи керування приводом вібраційних технологічних машин // Вибрации в технике и технологиях. Всеукраїнський наук.-тех. журнал. 2006. № 1 (43) № - С.4-10.

12. Берник П.С., Чубик Р.В. Дослідження енергетичних та амплітудно-частотних характеристик вібраційного поля при резонансному режимі роботи дебалансного приводу вібромашини. // Автоматизація виробничих процесів у машинобудуванні та приладобудуванні. Український міжвід. наук.-техн. зб. 2005. - № 39 - С.26-34.

13. Берник П. С., Чубик Р. В. Аналіз структурних схем пристроїв для керування віброприводом вібраційних технологічних машин. // Вибрации в технике и технологиях. Всеукраїнський наук.-тех. журнал. 2005. № 3 (41) - С.9-22.

14. Чубик Р.В., Сіденко П.В. Оптимізація частотно-силових параметрів електродинамічного приводу вібраційних технологічних машин. // Збірник наукових праць. - Полтава: 2005. - № 16 - С.305-312.

15. Пат. 10124 А Україна, B65BG27/24. Віброоброблюючий пристрой резонансного типу з дебалансним віброприводом. П. С. Берник, Р. В. Чубик, В. А. Пашистий. (Україна) - № 200502378; Опуб. 15.11.2005; Бюл. № 11, 4 ст.

16. Пат. 10123 А Україна, B65BG27/24. Пристрій для керування електромагнітним віброприводом. П.С. Берник, Р.В. Чубик, В.А. Пашистий. (Україна). - № 200502377; Опубл. 15.11.2005; Бюл. № 11, 4 ст.

17. Пат. 10971 А Україна, B65BG27/24. Спосіб керування роботою машини із коливними рухами робочих органів. П.С. Берник, Р.В. Чубик, В.А. Пашистий. (Україна). - № 200502375; Опубл. 15.12.2005; Бюл. № 12, 4 ст.

18. Берник П.С., Чубик Р.В., Таянов С.А. Перехідні процеси у вібраційних технологічних машинах із дебалансним приводом. // Автоматизація виробничих процесів у машинобудуванні та приладобудуванні. Український міжвідомчий наук.-тех. зб. 2006. - № 40 - С.25-34.

19. Берник П.С., Чубик Р.В. Методика розрахунку потужності електродвигуна приводу дебалансного валу резонансної вібраційної технологічної машини. // Вибрации в технике и технологиях. Всеукраїнський наук.-тех. журнал. 2006. - № 4 (42) - С.24-34.

анотаціЯ

Чубик Р. В. Адаптивна система керування режимами резонансних вібраційних технологічних машин. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – "Автоматизація технологічних процесів". Національний університет "Львівська політехніка" м. Львів, 2007.

Дисертація присвячена розробці, створенню та дослідженню енергоощадних АВТМ із керованими віброприводами. В дисертації проведено аналіз із класифікацію керованих систем віброприводу, резонансних вібраційних технологічних машин, за спільними ознаками дії віброприводу на робочий орган. На базі аналізу позитивних та негативних факторів існуючих керованих систем вібраційних приводів було синтезовано структурні схеми для керованих систем із дебалансним та електромагнітним віброприводом які дозволяють керувати параметрами вібраційного поля ВТМ на резонансній робочій частоті вібромашини та підтримувати постійний резонансний режим роботи ВТМ незалежно від зміни маси завантаження робочого органу. Розроблено алгоритм функціонування АВТМ резонансного типу. Даний алгоритм реалізовано на промисловому мікроконтролері та перетворювачі частоти на базі ШІМ. Розроблено комплексну методику розрахунку електромагнітного віброприводу із використанні ШІМ для живлення у АВТМ резонансного типу. Для АВТМ резонансного типу із дебалансним віброприводом проведено дослідження на експериментальній моделі адаптивної вібраційної технологічної машини. На базі проведених досліджень встановлено зв’язок між енергетичними характеристиками вібраційного поля АВТМ резонансного типу та енергетичними затратами дебалансного віброприводу на їх створення. Із врахуванням проведених експериментальних досліджень розроблено комплексну методику та принципи розрахунку дебалансного віброприводу резонансних АВТМ.

Ключові слова: привод вібраційної технологічної машини (ВТМ), керування віброприводом, адаптивна система керування динамічними параметрами віброприводу, керований електромагнітний вібропривод, керований дебалансний вібропривод, привод резонансних ВТМ.

аннотация

Чубык Р.В. Адаптивная система управления режимами резонансных вибрационных технологических машин. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.13.07 – "Автоматизация технологических процессов". Национальный университет " Львівська політехніка " г. Львов, 2007.

Диссертация посвященная разработке, созданию и исследованию адаптивных вибрационных технологических машин с управляемыми виброприводами. Проведен анализ с классификацией управляемых систем виброприводов, резонансных ВТМ, за общими признаками действия вибропривода на рабочий орган. Cинтезированы структурные схемы для управляемых систем с дебалансним и электромагнитным виброприводом, которые позволяют управлять параметрами вибрационного поля ВТМ на резонансной рабочей частоте вибромашины и поддерживать постоянный резонансный режим работы ВТМ независимо от изменения массы загрузки рабочего органа. Что в свою очередь обеспечивает минимальные энергетические затраты на вибропривод машины и позволяет эффективно управлять параметрами технологического процесса. Для реализации разработанных структурных схем управляемых приводов ВТМ резонансного типа разработан алгоритм функционирования АВТМ резонансного типа. Для АВТМ с электромагнитным виброприводом построенная математическая модель ШИМ сигнала на выходе силовой части системы управления электромагнитным виброприводом которая позволяет проследить изменения коэффициента нелинейных искажений ШИМ синусоидального напряжения, связывая между собой основные параметры ШИМ синусоиды и электромагнитного вибропривода АВТМ. Предложена методика управления амплитудой колебания АВТМ с электромагнитным виброприводом на резонансной рабочей частоте вибромашины за счет введения скважности в ШИМ синусоидальный сигнал. Разработана математическая модель ШИМ синусоидального сигнала на базе функций Хевисайда, применение данной математической модели позволяет установить связь между основными геометрическими параметрами вибропривода, параметрами ШИМ синусоиды и режимами работы АВТМ с электромагнитным виброприводом. Разработана комплексная методика расчета электромагнитного виброприводу с использованием ШИМ для питания в АВТМ резонансного типа. Для АВТМ резонансного типа с дебалансним виброприводом проведено исследование на экспериментальной модели адаптивной вибрационной технологической машины. Установлена связь между энергетическими характеристиками вибрационного поля АВТМ резонансного типа и энергетическими затратами дебалансного виброприводу на их создание. Проведенные экспериментальные исследования показали что на создание идентичного вибрационного поля в резонансном режиме работы АВТМ, в сравнении с классическими зарезонансными ВТМ, тратит: в 3.5–4 раза меньше энергии если за критерий брать коэффициентом вибрации; в 5–6 раз меньше энергии если за критерий брать удельную мощность вибрационного поля; в 10 раз меньше энергии если за критерий брать удельную работу вибрационного поля. Данное исследование экспериментально подтверждает энергетические преимущества АВТМ. На базе проведенных экспериментальных исследований разработана комплексная методика и принципы расчета дебалансного виброприводу резонансных ВТМ. Данная методика расчета