Энергосберегающие дискретные пневматические приводы технологических машин
1На правах рукописи
Леонова Вероника Петровна ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ДИСКРЕТНЫЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН Специальность 05.02.02 - машиноведение, системы приводов и детали машин
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владимир 2010 2
Работа выполнена во Владимирском государственном университете
Научный консультант: доктор технических наук, профессор А.И. Евдокимов
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор О.В. Веселов кандидат технических наук И.С. Жаров Ведущее предприятие: ОАО « Научно-исследовательский тракторный институт НАТИ», г. Москва
Защита состоится «» 2010г. в _ часов _ мин. на засе дании диссертационного совета Д 212.025.05 при ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет» по адресу: 600000, г.Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 211-1.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Владимир ского государственного университета.
Автореферат размещен на сайте уни верситета www.vlsu.ru.
Автореферат разослан «» 2010 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 600000, г.Владимир, ул.Горького,87;
E-mail: [email protected];
тел. 8(4922)479-928, факс.
(4922)53-25-
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Е.А. Новикова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Дискретные пневматические приводы получи ли широкое распространенные в технологических машинах (станках, мани пуляторах, промышленных роботах, приспособлениях и т.д.). Это объясняет ся тем, что они обладают простотой, компактностью, высокой надежностью и точностью, взрыво- и пожаробезопасностью.
Основными составляющими частями пнемоприводов являются двига тели и дискретные системы управления (логических управляющих уст ройств, ЭВМ). Двигатели как преобразователи пневматической энергии в ме ханическую проектируются, исследуются и управляются основываясь на тео рии динамических систем (дифференциальных, интегральных уравнений и др.), а устройства управления - на базе теории конечных автоматов (функций алгебры логики). Все эти устройства технологических машин по целям функционирования систем (изготовление продукции - полуфабрикатов, заго товок и т.д.) и замкнутым обменом информации (управление - обратная связь по результатам управления) являются единым целым, но описываются разно родными математическими моделями, которые разрабатываются и исследу ются отдельно. Это приводит при проектировании, исследовании и эксплуа тации приводов к значительным потерям времени и средств.
Практика показывает, что при разработке приводов доля затрат на стендовые и (или) натурные экспериментально-доводочные испытания со ставляет порядка 30-50% от общих затрат при создании приводов. В то же время затраты на собственно проектирование конструкций составляют около 10% от общей стоимости разработки. Значительной экономии расходов и времени можно добиться за счет уменьшения необходимого объема и стои мости доводочных работ и натурных испытаний путем перемещения опре деленного объема их из области экспериментальных работ в область теоре тических исследований (моделирования) на ЭВМ. Однако препятствием здесь также является разнородность математических моделей двигателей и устройств их управления. «Несовместимость» этих моделей была до настоя щего времени не преодолена.
К недостаткам известных математических моделей и алгоритмов отно сится их малая экономичность при их моделировании на ЭВМ, что приводит, в итоге, к существенным затратам машинного времени в диалоговом режиме «Разработчик - ЭВМ», и то, что они не учитывают (не адекватны) важные функциональные свойства двигателей приводов. В этой связи представляется актуальной задача разработки обобщенных математических моделей, едино образно описывающих как двигатели, так и устройства управления, что соз даст основу для эффективного исследования на ЭВМ свойств дискретных приводов. Учитывая это, в основу моделей должен быть положен информа ционный подход, учитывающий динамику, которая является одним из основ ных показателей производительности технологических машин.
Широкое распространение в промышленности получают промышлен ные роботы, функционирующие в полярной или сферической системе коор динат, двигатели приводов которых в процессе их работы изменяют свою пространственную ориентацию в широком диапазоне, вплоть до 360 в вер тикальной плоскости. Функциональные и энергосберегающие возможности приводов этого типа машин в настоящее время исследованы недостаточно.
Постоянный рост стоимости энергоносителей обуславливает особую акту альность поиска путей энергосбережения в приводах технологических ма шин. Одним из перспективных путей энергосбережения в приводах с широ ким диапазоном изменения углового положения двигателей в пространстве является использование сил гравитации (тяжести) масс, которые широко ис пользуются для энергосбережения в пневматических подъемниках со ста ционарно (вертикально) установленными двигателями. В этом же случае воз никает ряд вопросов (пространственные зоны, модели, динамика, алгоритмы управления, задержки и др.), требующих специального исследования.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является по вышение энергоэффективности и сокращение сроков проектирования дис кретных пневматических приводов технологических машин. Для достижения указанной цели необходимой решить следующие основные задачи:
1. Разработать алгоритмы управления, позволяющие реализовать энер госберегающие режимы работы дискретных пневматических приводов.
2. Выявить пространственные зоны ориентации дискретных двигате лей, в которых возможно использовать гравитацию (силы тяжести) в режи мах «самохода» выходных звеньев двигателей для энергосбережения в при водах.
3. Исследовать с позиции теории информации свойства дискретных пневматических двигателей и разработать модели, отражающие эти свойства.
4. Разработать обобщенные модели дискретных пневматических при водов, учитывающие в совокупности как логические, так и динамические свойства приводов, ориентированные на использование ЭВМ на стадии про ектирования.
5. Разработать алгоритмы, позволяющие, на базе обобщенных функ ций, осуществлять сокращение времени моделирования на ЭВМ в процессе проектирования приводов.
6. Разработать критерии минимизации алгоритмов моделирования управляющих функций приводов на ЭВМ.
7. Разработать экспериментальную установку и провести машинные и натурные испытания пневмопривода для подтверждения возможности реали зации энергосберегающих режимов работы пневматических приводов.
Научная новизна работы состоит в:
Выявлении двух пространственных зон ориентации двигателей, в которых возможно использовать гравитацию для энергосбережения пневмо приводов, их взаимосвязи с логическими функциями двигателей, весом пе ремещаемых масс и алгоритмами управления.
Алгоритмах управления, позволяющих реализовать как типовые, так и энергосберегающие режимы работы дискретных пневмоприводов.
Моделях, учитывающих информационные свойства дискретных пневматических типовых (двухкамерных) двигателей, в соответствии с кото рыми двигатели в зависимости от их пространственной ориентации могут реализовать логические функции Повторение (Да), Отрицание (НЕ) и функ цию «Память».
В формировании обобщенной логической функции, описывающей пневмопривод с единых позиций на основе критерия минимизации однотип ных переменных.
Практическая значимость работы заключается:
В применении математических моделей дискретных пневматических приводов и алгоритмов моделирования, которые позволяют:
сократить сроки и стоимость проектирования приводов и потребление энергии;
выявить на стадии моделирования влияние динамических и конструк тивных параметров приводов на производительность технологического обо рудования;
выполнять проектирование и расчет дискретных пневмоприводов, оп ределять динамические характеристики;
осуществлять комплексное автоматизированное проектирование на ЭВМ от задания исходных данных динамической и логической частей при вода до получения выходных данных в виде логических и временных желае мых параметров всей системы приводов с дискретным управлением.
Предложены рекомендации по применению разработанных моделей.
Методы исследования. Методы исследования работы используют раз витые теории конечных автоматов, систем приводов, дифференциальных уравнений, математического моделирования. При исследовании процессов дискретных пневмоприводов использовалось компьютерное моделирование и экспериментальные исследования.
Реализация результатов. Результаты работы используются:
Владимирским государственным университетом в учебном процессе при прохождении студентами лабораторного практикума и при чтении курса «Гидравлика»;
ОАО «Монди Сыктывкарский Лесоперерабатывающий комбинат».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
логические функции управления дискретными пневматическими приво дами в энергосберегающих режимах;
результаты научно-исследовательских испытаний опытного образца дис кретного пневмопривода в энергосберегающих режимах;
структурные логические схемы и логические функции, отражающие ус тановленные новые функциональные и преобразующие свойства дискретных пневматических двигателей, изменяющих свое пространственное положение;
обобщенные функции (модели) дискретных пневматических приводов;
структурная блок-схема дискретных пневмоприводов;
критерии минимизированного моделирования логических функций дис кретных приводов на ЭВМ;
алгоритмы «сквозного» (комплексного) моделирования дискретных пневматических приводов на ЭВМ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том чис ле две из статей в издании, реферируемом ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и приложений. Общий объем 170 страниц машино писного текста, включая 67 рисунков. Список использованной литературы содержит 77 наименований. Приложение состоит из 3 страниц, содержит два акта внедрения результатов работы, алгоритм-программу.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность научных исследований, формируется научная проблема и задачи диссертационной работы.
В первой главе дан обзор известных математических моделей дис кретных пневмоприводов, сформулированы требования к моделям дискрет ных приводов.
Разработка, расчет и исследование пневмоприводов освещены в много численных трудах, включая труды Е.В. Герц, Г.В. Крейнина, В.Г. Градецко го, С.Н. Сысоева, В.Н. Дмитриева, но в них двигатели приводов рассматри ваются (на базе теории линейных динамических систем) только как динами ческие звенья и не исследуются их логические (булевы) функции и модели.
Основными требованиями к современным моделям приводов являются:
наиболее полное (адекватное) отражение основных свойств приводов, эконо мичность, широкая универсальность, возможность на их базе проведения со кращающее время «сквозного» (комплексного) моделирования приводов на ЭВМ на этапе проектирования, возможность осуществления энергосбере гающих режимов приводов.
Анализ известных моделей дискретных приводов показал, что они не удовлетворяют современным требованиям к моделям. Существует насущная (теоретическая и практическая) необходимость в разработке математических моделей дискретных пневмоприводов с большей универсальностью, обоб щенностью и экономичностью, чем известные модели.
Широкое использование технологических машин в гибких производст венных системах (ГПС) предъявляет также требование к гибкости (легкой перепрограммируемости) математических моделей приводов. Внедрение в ГПС программных роботов с дискретными приводами, работающих в по лярной или сферической системе координат, в которых двигатели изменяют в широком диапазоне свое пространственное положение, открывает возмож ность использования явления гравитации масс и новых (выявленных) функ циональных свойств двигателей для реализации энергосберегающих режимов работы приводов.
Исходя из вышеизложенного, были сформулированы задачи исследо вания.
Во второй главе дискретные двигатели рассматриваются не только как устройства преобразования энергии, но и как устройства, которые передают, преобразовывают и хранят поступающую на них от систем управления дис кретную информацию, при этом одни и те же дискретные двигатели (силовые цилиндры, моторы) при изменении своего пространственного положения мо гут реализовывать различные логические функции (Да, Не, Память).
Двигатели рассматриваются как безынерционные и инерционные про стейшие конечные автоматы на логических элементах в базисе И, ИЛИ, НЕ.
Определены пространственные зоны положений двигателей, в которых реа лизуются двигателями те или иные логические функции.
Выявлены зоны «самохода» выходных звеньев (поступательного и вращательного движений) двигателей, который может быть использован для энергосбережения потребляемой приводом энергии. Получена аналитическая зависимость для оценки величины энергосбережения при «самоходе».
На рис.1 приведены схемы типовых дискретных двигателей, булевы функции и логические модели (структурные схемы) конечных автоматов двигателей. На рис.1, а приведена схема дискретного поршневого цилиндра одностороннего (с пружиной) действия. При отсутствии давления Р в порш невой камере (Р=0) шток 1 цилиндра занимает крайнее левое (нулевое – «0») положение. При подаче давления Р (условно P равен логической единице) шток займет крайнее правое положение (перемещение штока х примет ус ловное логическое значение «1». При снятии давления (Р=0) шток вновь по сле переходного процесса займет нулевое положение.
Двигатель выполняет логическую функцию Повторение (Да) х=Р как безынерционное (рис.1,д) устройство и логическую функцию х=Р(t-) как инерционное звено, где – задержка (запаздывание) в срабатывании двигате ля. Обычно задержки на срабатывание (1) и отключение (2) не равны. В этом случае логическая функция отражается структурной схемой, показанной на рис.1, е. Если пружина находится в поршневой полости двигателя, то он реа лизует функцию Отрицание (НЕ) х Р, где Р – давление в штоковой полости.
Аналогично для дискретных моторов (рис.1,б) логические (булевы) функции имеют вид n=Р, т.е. они реализуют функцию Повторение.
На рис. 1,г показан двигатель двухстороннего действия. Двигатель реа лизует (при горизонтальном положении оси 2, т.е. =0) функцию Память (рис.1,ж) х(t 1) ( х1,t x1,t 1 ) x 2,(t 1). При учете инерционных свойств ( 3, 4 ) дви гателя логическая функция двигателя отражается структурной логической схемой, показанной на рис. 1, з.
Рис.1.Схемы типовых дискретных двигателей, булевы функции и структурные ло гические(информационные) модели (схемы) дискретных двигателей: а – двигатель (ци линдр) одностороннего действия;
б – пневмомотор;
в – пневмогидродвигатель;
г – сило вой цилиндр (двигатель) двухстороннего действия;
д – безынеционная логическая модель (функция Повторение, ДА) двигателей (а,б,в);
е – инерционная логическая (информацион ная) модель (схема) двигателей (а,б,в);
ж – безынерционная информационная модель дви гателя (распределителя) двухстороннего действия (г);
з – инерционная логическая модель двигателя (распределителя) двухстороннего действия (г);
х, l, y – перемещение (выходной сигнал) штока цилиндра;
Р – давление;
Р – перепад давлений;
u – напряжение;
n – час тота вращения вала;
m – суммарная масса нагрузки;
NТП- сила трения покоя в приводе;
х1,(S), x2(R) – входные сигналы устройств;
1, 2, 3, 4, – задержки, (3,4,9,10);
1 – шток;
2 – осевая линия цилиндра;
5,7,11,12 – логические элементы И;
6 – элемент НЕ;
8 – логи ческий элемент ИЛИ;
Т – триггер (13) с раздельными входами (S,R);
t, t+1 – моменты времени;
-угол отклонения оси 2 от плоскости XOY;
14,15–распределители;
др-дроссель В приводах технологических машин, работающих в сферической или полярной системе координат, угол изменяется относительно плоскости XOY. В этом случае дискретный двигатель может реализовать последова тельно с изменением () три различных логических функции (рис.2):
x1 при N TП m g sin, x2 0 и * 180 0 * (самоход);
х x 2 при N TП m g sin, x1 0 и 180 0 * 360 0 * (самоход);
(1) ( x1,t x1,t 1 ) x 2,(t 1) при NTП m g sin ( Память) Рис. 2. Зоны реализации си ловым цилиндром логических функ ций и «самохода» в зависимости от его пространственного положения (): Т – зона реализации функции триггера с раздельными входами R, S;
Да – зона реализации логической функции х=x1;
НЕ – зона реализа ции логической функции х х 2 ;
mg= G – вес перемещаемых масс;
– продольная ось цилиндра, – угол отклонения оси 2 от горизонталь ной плоскости (XOY);
* – угол ко нуса (граница смены логической функции), *=arcsin(NTП/mg);
NТП – сила сухого трения покоя цилиндра (NТП(1,1 1,2)NT – сила сухого трения движения);
F=mgsin-NT – движущая сила от веса G в режи ме самохода;
1, 2 – углы зоны (I,II) самохода, 1,2 1800 2 * При вращении силового цилиндра пневмопривода вокруг вертикальной оси зоны «самохода» I,II описывают в коор динатном пространстве зоны I*, II* (рис.3) в виде смежных конусов («воро нок»). «Воронка» I* в результате дейст вия сил тяжести масс «втягивает» шток цилиндра, «воронка» II* - «выдвигает» шток из цилиндра.
Режим «самохода» выходного зве на двигателя позволяет за одну смену ( часов) работы технологического обору дования осуществить экономию (по сравнению с типовыми режимами работы приводов) энергии:
Э l Р n Дж (2) Рис.3. Пространственные зоны где – эффективная площадь поршня («воронки») энергосберегающих режи мов «самохода» пневмопривода: I*,II* рабочей камеры (м2);
Р – рабочее избы зоны «самохода», ПО – продольная осе точное давление (неиспользуемое, вая линия пневмодвигателя;
1 - втягива Н/м );
l – полный ход поршня (штока, ние штока, 2- выдвижение штока ци м);
n – число движений штока (пор- линдра под действием сил тяжести шня) привода в режиме самохода за массы m смену.
Широкое применение в промышленных манипуляторах и роботах на ходят пневматические приводы с силовыми цилиндрами с =(5080)10-4м2, P=0,60,8МПа, l=0,51м, которые при использовании режима «самохода» за один ход штока позволяют сэкономить (15006000)Дж энергии.
В третьей главе разработаны единообразные структурные логические схемы и булевы функции для дискретных приводов, состоящих из дискрет ных двигателей и дискретных управляющих устройств (распределителей), учитывающие их инерционные свойства. Рассмотрены способы свертывания (упрощения) структурных схем приводов. Разработаны структурные логиче ские схемы, реализующие типовые и энергосберегающие режимы работы приводов в зоне I и II.
На рис. 4 приведена структурная логическая схема, реализующая ре жим работы привода в зоне II (см. рис. 2).
Рис.4.Структурная логическая схе ма привода (двигатель – распределители) для пространственной зоны самохода II (см. рис.1,г) при типовых и энергосбере гающем режимах работы: 1 – 8 – логиче ские элементы конъюнкции (И), 9 – 12 – за держки (1, 2, 3, 4 ) в цепях (распредели тель-двигатель) при включении сигналов управления ( x1, x2 ) ;
13 – логический эле мент дизъюнкции (ИЛИ);
14 – триггер (Т) с раздельными входами (S,R);
у, ( у) – вы ходной дискретный сигнал (перемещение штока привода).
При сочетании входных сигналов х1 x 2 шток двигателя полностью (под действием давления питания (P)) выдвигается (см.рис. 1,г) – типовой режим, при сочетании входных сигналов x1 x2 – шток полностью (под действием давления Р) вдвигается – типовой режим, при переходе входных сигналов с набора х1 x2 на набор x1 x 2 осуществляется под действием силы тяжести масс (m) «самоход» штока на полное выдвижение – энергосберегающий режим, при котором давление не подается ни в одну полость двигателя (управление силовым цилиндром осуществляется с помощью двух трехлинейных двухпо зиционных распределителей, реализующих функцию Да, см. рис. 1, г).
Типовые режимы работы привода осуществляются с использованием энергии питающего давления (расхода). В режимах «самохода» эта энергия для перемещения выходного звена (нагрузки) не используется (экономится).
Структурная схема отражает связь режимов работы привода с длитель ностями задержек 1-4 в срабатывании привода. Сами задержки могут быть определены с помощью динамической теории непрерывных систем или экс периментально.
В работе использовано объединение булевых (дискретных) функций и динамических (непрерывных) функций дискретных пневматических приво дов, в основе которого лежит расширение определения классического терми на «конечный автомат».
В четвертой главе на основе введенного понятия (термина) «конечно непрерывный автомат», содержащего определение абстрактного конечного автомата и правые части уравнений доминантных задержек элементов (уст ройств), разработана система обобщенных функций (моделей) логических и непрерывных динамических устройств:
A0 t i f j (h)dh tl, m h2 ж k n Eb (h) Lg i1 (4) з 1 l i 1 h где Eb (h) –выходной (дискретный) сигнал, принимающий значение 0 или 1;
b 1, m ;
m–число выходных сигналов (выходов) элемента (устройства), при b=1 Eb (h) –обобщенная функция;
Lg –функция алгебры логики по выходу b, для статических режимов функция Lg определяется кодом устойчивых внут ренних состояний, матрицей входов, матрицей переходов промежуточных сигналов и матрицей выходов;
A0–входной дискретный сигнал (булева пере менная, аргумент), 0 1, и ;
и–число входных сигналов элемента (устройства);
t–время;
i –чистая (транспортная) задержка, характеризующая запаздывание в передаче сигнала в линии связи цепи, к примеру, i l / a, где l–длина ли нии связи, a–скорость передачи сигнала;
k–число чистых задержек в цепочке h f (h)dh –правая часть элемента (устройства);
уравнения задержки фронта i h (переднего, заднего) сигнала (напряжения, давления, температуры и т.д.) пе реходного процесса элемента (устройства);
h1, h2 –уровни срабатывания, от пускания (нижний и верхний пределы интеграла) элемента;
f i –функция не прерывного аргумента h;
m–число доминантных задержек фронтов переход ного процесса (сигналов) в элементе n t t max максимальное цепочки. l l время (задержки) перекладки (пере ходный процесс) выходного звена привода (элемента) при x xmax, где xmax –максимальный ход (угол пово рота) поршня (вала) от упора до упора (от исходного угла до за данного угла max, от исходной ско рости до заданной 3 ), где n– число шагов интегрирования урав нений привода, tl –шаг интегриро вания, ж–число фронтов переход ного процесса (сигналов) в цепочки от входа к выходу устройства.
Обобщенные функции, осно ванные на «вхождении» через за держки динамических (непрерыв ных) функций в состав логических функций приводов, позволяют осу ществлять единообразное матема тическое описание двигателей при водов и их систем управления, что, в свою очередь, позволяет осущест влять сокращающее время проекти рования (исследования) «сквозное» моделирование приводов на ЭВМ.
В главе рассмотрен вопрос Рис.5. Схема алгоритма логико- влияния динамических параметров динамической модели приводов: * – сум- (задержек) на производительность марная задержка привода;
Qц – цикловая приводов, разработана структурная производительность привода;
yi – сигнал блок схема конечного – управления;
i=1,2,…,n, где n – число управ ляющих входов привода;
ПП – параметры непрерывного автомата приводов, переходных процессов (фронтов) логиче- блок–схема (рис.5) алгоритма логи ских элементов (распределителей, двигате- ко-динамической модели дискрет ных приводов. Моделирование в лей и др.) и устройств соответствии с алгоритмом осуще ствляется по цепочке «динамика – логика». Алгоритм может быть реализован на любом машинном языке (Фортран, Паскаль и др.). В главе рассмотрены критерии и алгоритмы минимизированного моделирования логических функций управления дискретными приводами, моделирование уравнений (4) проводится на основе таблицы истинности (на базе логической функции в совершенной дизъюнктивной нормальной форме (СДНФ)). Таблица содер жит 2n=М строк (наборов), где n-число (обычно от 3 до 8) входных (х1,х2,…,хn) переменных, М1 строк, на которых выходная функция равна 1, и М0 строк, на которых выходная функция равна 0, при этом М=М1+М0.
Показателем экономичности алгоритма служит количество внутренних параметров, используемых в нем. Чем больше таких параметров, а их, с уче том логической части привода, может быть от нескольких десятков до сотен, тем больше, при отработке модели в процессе ее моделирования, затраты времени (трансляции и программирования) на ручной ввод их в ЭВМ. Общий коэффициент (критерий) экономии внутренних (логических) параметров мо дели (КЭП) при размещении вместо традиционного набора М в ЭВМ набора М1 или М0 будет иметь значение:
( M1 M 0 ) / M 0или ( 2 / M 0 ) при M1 M 0, ( Алг оритмА ), n К ЭП (5) ( M1 M 0 ) / M1или ( 2 / M1 ) при M1 M 0, ( Алг оритмА ).
n В памяти ЭВМ при моделировании размещаются (и сравниваются) де сятичные эквиваленты строк таблицы истинности. Сравнение информации, размещенной в памяти ЭВМ, с текущим значением входного набора пере менных (х1, х2, …, хn) осуществляется последовательно. При совпадении ин формации выходной логической функции (y) ставится в соответствие 1 (при размещении М1 в ЭВМ) или значение 0 (Алгоритм А1) при несовпадение ин формации. При размещении в ЭВМ набора М0 при совпадении информации y=0, при несовпадении – y=1 (Алгоритм А0). Ввод в ЭВМ минимального на бора из М1 и М0 значительно (в разы) уменьшает число ручных операций и время по вводу информации в ЭВМ, минимальное в этом случае КЭП соответ ствует 2. Коэффициент экономичности КЭП зависит от числа (n), резко воз растающего в ГПС, входных переменных и конкретных булевых функций управления приводами, которые при смене техпроцесса в ГПС также могут быть технологом-программистом изменены.
Получены аналитические зависимости, позволяющие определить чис ленно экономичность (ЭМ), от десятков до сотен минут при моделировании группы приводов, разработанных моделей в размерных:
ЭM tв 2 n (1 1/ К ЭП), с, (6) где t в - время ручного ввода в компьютер численного значения одного пара метра привода, и в безразмерных (см.рис. 6) параметрах:
К Э (nдп 2 n ) /( nдп 2 n / К ЭП ), (7) где nдп - количество динамических параметров дискретного привода.
Основные результаты работы внедрены в ОАО «Монди Сыктывкар ский Лесоперерабатывающий комбинат» г.Сыктывкар при проектировании пневмоприводов бумагоделательной машины и подающих транспортеров.
Использование при моделировании на ЭВМ информационно-динамических моделей и алгоритмов, разработанных в диссертации, позволяет сократить машинное время при моделировании пневматически приводов на 20…30 % по сравнению с временем моделирования при раздельном моделировании двигателя и устройства управления и использовании известных моделей.
Рис.6 – График зависимо сти экономичности (ЭМ) и коэф фициента экономичности (КЭ) ал горитма, при КЭП =2, nдп=20 и tв=20с, от числа (n) входных буле вых переменных дискретного при вода Использование таблицы истинности на базе СДНФ при программном моделировании логических функций и разработанных алгоритмов обеспечи вает гибкость (быструю перепрограммируемость) моделей в соответствии с меняющимися требованиями технологического процесса.
Результаты проведенного по разработанной программе машинно натурного эксперимента на ПМК подтвердили высокую экономичность (КЭП=4) разработанных алгоритмов, точность программной реализации функций алгебры логики, совместно описывающих дискретные двигатели и дискретное управляющее устройство, адекватность (повышенную по сравне нию с известными моделями универсальность разработанной математической модели, совокупно отражающей разнородные дискретные (логические) и динамические свойства приводов) обобщенных функций дискретному приводу и возможность «сквозного» моделирования обобщен ных функций дискретных приводов на ЭВМ на стадии их проектирования.
В главе даны рекомендации по применению логико-динамических моде лей.
В пятой главе получена аналитическая зависимость для оценки мини мального времени «самохода», приведены результаты эксперимента дина мического процесса «самохода».
В главе приводятся результаты проведенного компьютерного моделиро вания динамики пневмо привода в режимах «само хода» при различных углах ориентации двигателя и различных массах. Матема тическая модель пневмо привода, составлен-ная на основе классических урав нений термо- и газодинами ки, включает в себя систему дифференциальных уравне ний, содержащую уравне ние движения и дифферен циальные уравнения, учи тывающие изменение дав ления и температур в по лостях пневмодвигателя.
Приводятся также результа ты машинных и натурных экспериментов (см. рис.7,б) пневмопривода при «само ходе» под действием сил тяжести. На рис.7,а в качестве примера приведены переходные процессы пневмопривода при «самоходе».
В результате исследования установлена возможность использования режимов «самохода» для энергосбережения в широком диапазоне изменения угла () ориентации силового пневмоцилиндра в вертикальной плоскости, установлено также влияние Рис.7.Осциллограмма (а) экспериментальных этого угла и перемещаемых переходных процессов пневмопривода при «само масс на динамику привода. ходе», диаграмма (б) расчетных и эксперимен Время срабатывания () тальных данных зависимостей времени срабаты пневмопривода (в про- вания () пневмопривода при «самоходе» от угла () наклона силового пневмоцилиндра и массы (m):
странственных зонах 1, 2 Z–перемещение штока;
Р–давление в нижней ка от 60 до 120) находятся в мере пневмоцилиндра;
PМ=0,4МПа–давление пи пределах 1±0,4с. Данные тания;
1=0,1м–ход поршня;
d=2,510-3м – диа -4 расчета динамики пневмо- метр дросселя распределителя;
V=210 м – объ привода совпадают с дан- ем рабочей камеры;
NT=60Н – сила сухого трения;
ными эксперимента на 90%. - - - расчетные данные, экспериментальные результаты.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в диссертационной работе, позволили сформулировать следующие выводы:
1. Повышение энергоэффективности дискретных пневматических при водов достигается путем использования алгоритмов управления, разрабо танных на основании структурных схем и обобщенных функций управления, позволяющих реализовать энергосберегающие режимы работы пневмопри водов в выявленных пространственных зонах, в которых возможно примене ние сил гравитации выходных звеньев двигателей.
2. Дискретные двигатели пневмоприводов технологических машин представлены в виде устройств, осуществляющих преобразование, запоми нание и передачу поступающей на их вход информации от систем управле ния. Предложены структурные и функциональные модели данных устройств.
3. Разработан на базе предложенных обобщенных функций и реализо ван на ЭВМ алгоритм логико-динамической модели приводов, позволяющий комплексно моделировать основные составные части (двигатель и устройст ва управления) пневматических приводов, что в свою очередь сократит, на этапе моделирования, время проектирования приводов, а также их стоимость.
4. Установлено, что одни и те же дискретные двигатели технологиче ских машин, функционирующих в полярной или сферической системе коор динат, в зависимости от положения их в пространстве могут реализовать раз личные логические функции (Да, НЕ, Память). Получены аналитические за висимости, определяющие пространственные зоны, в которых реализуются двигателями те или иные логические функции. Установлено, что в зонах реа лизации логической функции Да и логической функции НЕ двигателям при сущ режим «самохода» выходного звена, который может быть использован для сбережения энергии, потребляемой технологической машиной. Получена аналитическая зависимость для оценки количественной величины энергосбе режения при «самоходе».
5. Разработаны: методика моделирования на ЭВМ логических функ ций на базе десятичных эквивалентов строк (наборов) таблиц истинности;
ал горитмы моделирования;
критерии минимизации алгоритмов, в основе кото рых лежит минимизация числа внутренних параметров модели и минимиза ция числа ручных операций при вводе исходных данных в ЭВМ.
6. Теоретически и экспериментально исследованы энергосберегающие процессы «самохода» выходного звена дискретного пневмопривода при раз личных углах ориентации в пространстве силового пневмоцилиндра и пере мещаемых массах. Расхождение расчетных данных и экспериментальных ре зультатов процессов «самохода» составляет не более 10%. В результате ис следования установлена возможность использования режимов «самохода» для энергосбережения в широком диапазоне изменения угла () ориентации силового пневмоцилиндра в вертикальной плоскости. Энергосбережение опытного образца пневмопривода с объемом рабочей камеры 200см3 и давле нием питания 0,4МПа в пространственных (от 60° до 120°) зонах «самохода» составляет 80Дж за один «самоход» штока.
7. Полученные в работе новые научные знания и результаты могут быть использованы в учебных курсах машиностроительных вузов для рас ширения и углубления понимания процессов, происходящих в дискретных приводах технологических машин-автоматов, а также положены в основу программ моделирования на ЭВМ и расчетов экономичных пневмоприводов при выполнении студентами курсовых и дипломных проектов.
Основные положения диссертации опубликованы в работах Статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Евдокимов, А. И., Кривошеев, Е.Б., Леонова, В. П. Энергосбере гающие пневматические приводы технологических машин/ А.И. Евдокимов, Е.Б. Кривошеев, В.П. Леонова//Компрессорная техника и пневматика. – 2010.
– №2. – с.22 – 24.
2. Рыжова, В.П. Приводы технологических машин как информацион но-динамические устройства/ В.П. Рыжова//Приборы и Системы. Управле ние, контроль, диагностика. – 2008. – №4. – с.19 – 22.
Материалы научно-технических конференций 3. Евдокимов, А.И. Рыжова, В.П. Новое в функциональных возмож ностях дискретных приводов технологических машин / А.И. Евдокимов, В.П.
Рыжова // Материалы V международной научно – технической конференции «Итоги строительной науки». – Владимир: Издательство Владимирского го сударственного университета, 2007. – С.278 –279.
4. Евдокимов, А.И., Рыжова, В.П., Зуев К.И. Информационный подход к рассмотрению работы дискретных приводов/ А.И. Евдокимов, В.П.
Рыжова, К.И. Зуев // Материалы V международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки». – Владимир: Издательство Вла димирского государственного университета, 2007. – С.275 – 277.
5. Рыжова, В.П., Евдокимов, А.И. Дискретные приводы как безынер ционные информационные устройства / В.П. Рыжова, А.И. Евдокимов// Ма териалы V международной научно-технической конференции «Итоги строи тельной науки». – Владимир: Издательство Владимирского государственного университета, 2007. – С.273 – 275.
6. Рыжова, В.П., Евдокимов, А.И., Зуев К.И. Дискретные двигатели технологических машин как инерционные информационно-логические уст ройства /В.П. Рыжова, А.И. Евдокимов, К.И. Зуев // Материалы V междуна родной научно-технической конференции «Итоги строительной науки». – Владимир: Издательство Владимирского государственного университета, 2007. – С.271 – 273.
7. Кривошеев, Е.Б., Леонова, В.П., Экспериментальные исследования пневматического привода в энергосберегающих режимах «самохода» / Е.Б.
Кривошеев, В.П. Леонова: материалы Всероссийской молодежной интернет конференции// Владим. гос. ун-т;
[редкол.: В.Ф. Коростелев и др.] – Влади мир: ВООО ВОИ ПУ «Рост», 2010. – С.135 –139.
Депонированные рукописи 8. Евдокимов, А. И., Рыжова, В. П. Дискретные двигатели техноло гических машин как устройства с изменяемыми логическими функциями:
реферат/ А.И. Евдокимов, В.П. Рыжова. – Деп. в ВИНИТИ 12.05.2008, № – В2008.
9. Евдокимов, А. И., Рыжова, В. П. Критерии и алгоритмы миними зированного программного моделирования логических функций управления дискретными приводами: реферат/ А.И. Евдокимов, В.П. Рыжова. – Деп. в ВИНИТИ 12.05.2008, № 404 – В2008.
10. Евдокимов, А. И., Рыжова, В. П. Структурная блок-схема инфор мационно-динамического автомата (ИДА) дискретных приводов технологи ческих машин: реферат/ А.И. Евдокимов, В.П. Рыжова. – Деп. в ВИНИТИ 12.05.2008, № 403 – В2008.
11. Евдокимов, А. И., Рыжова, В. П. Требования к математическим моделям дискретных приводов технологических машин гибких производст венных систем (ГПС): реферат/ А.И. Евдокимов, В.П. Рыжова. – Деп. в ВИ НИТИ 12.05.2008, № 402 – В2008.
12. Евдокимов, А. И., Рыжова, В. П. Цикловая производительность дискретных приводов технологических машин: реферат/ А.И. Евдокимов, В.П. Рыжова. – Деп. в ВИНИТИ 12.05.2008, № 401 – В2008.
13. Евдокимов, А. И., Рыжова, В. П., Кривошеев, Е.Б. Режимы энер госбережения дискретных приводов, изменяющих свое пространственное по ложение: реферат/ А.И. Евдокимов, В.П. Рыжова, Е.Б. Кривошеев. – Деп. в ВИНИТИ 12.05.2008, № 405 – В2008.
14. Леонова, В.П., Евдокимов, А. И., Кашинский, А.Н. Экономич ность информационно(логико) – динамических моделей (алгоритмов) дис кретных приводов технологических машин-автоматов: реферат/ В.П. Леоно ва, А.И. Евдокимов, А.Н. Кашинский. – Деп. в ВИНИТИ 03.08.2009, № 511 – В2009.
Личный вклад соискателя:
[1], [7] – состояние математической модели, теоретические и эксперимен тальные исследования времени срабатывания пневмопривода в энергосбере гающих режимах работы на созданном стенде;
[3], [4], [8], [11] – булевы функции (модели) дискретных двигателей;
[5], [6], [10] – структурные логи ческие схемы дискретных приводов;
[9] –алгоритмы моделирования логиче ских функций;
[12], [13] – аналитические зависимости производительности и энергосберегающих режимов дискретных приводов;
[14] –критерии (коэф фициенты) экономичности алгоритмов.