Разработка систем управления с прогнозированием для электроприводов механизмов с распределенными параметрами

Задачи об оптимальном управлении электроприводами являются весьма актуальными, имеют большое экономическое значение, поскольку повышение производительности механизмов в современных условиях во многом зависит от повышения производительности электропривода. В тоже время, производительность и эксплуатационные параметры электропривода часто зависят от закона управления и при переходе на оптимальное управление могут быть существенно увеличены. Особое значение это обстоятельство приобретает в наше время — время активного использования микропроцессорной технологии при проектировании систем управления электроприводами. Ведущие фирмы-поставщики электротехнического оборудования широко используют микропроцессорные автоматизированные системы управления электроприводов, обеспечивающие высокую точность, быстродействие, надежность и гибкость электропривода, что позволяет программно изменять его характеристики и выполняемые функции, не изменяя при этом элементной и схемной базы системы управления. Задачи оптимального управления приводами при сосредоточенных параметрах объекта достаточно подробно освещены в работах [1,2,3,4 и др.]. Причем приведенный в [1] анализ работы существующих систем показывает их ограниченную реакцией на факт наличия ошибки или воздействия способность получения оптимальных процессов функционирования. Существенно расширяются возможности систем, если судить о тенденциях развития процесса с учетом предьщущих состояний электропривода в каждый фиксированный момент времени за счет информации, полученной на стадии наладки, эксплуатации, или, если это невозможно, при моделировании. Поэтому в [1] предлагается алгоритм контроля или регулирования координат в системах управления электропривода механизмов с сосредоточенными параметрами, основанный на прогнозировании изменения ошибки регулирования путем предварительного тестирования системы. Однако многочисленной и весьма ответственной группой являются электроприводы, включающие звенья с распределенными параметрами. Реальными аналогами таких систем являются буровые электроприводы, в частности, приводы лебедки с повторно-кратковременным режимом работы и большой частотой включения. — 5 — В ряде практических задач, в частности, при бурении нефтяных скважин, при исследовании динамики горных машин [5] исследуемая система одновременно включает в себя разные однородные звенья с распределенными параметрами. В этом случае объектом управления является распределенная неоднородная, колебательная система, состоящая из разных однородных сред [6,7]. Указанные однородные звенья между собой связываются либо по последовательной, либо по разветвленной схеме. Процессы в таких системах носят ярко выраженный волновой характер и весьма инерционны, причем часто эта инерционность превышает время электромагнитных процессов в самом электроприводе. В этих условиях управление с прогнозированием поведения регулируемых координат позволяет скомпенсировать эту неизбежную физическую инерционность в работе электропривода. Последнее приобретает особое значение, если исполнительная часть и средство управления связаны между собой через элемент с такого рода свойствами, как это имеет место, например, в процессе бурения скважины с помощью регулятора подачи долота, где воздействие на породоразрушающий инструмент — долото — передается через колонну бурильных труб. Поскольку обратная связь по регулируемому параметру в связи с тяжелыми условиями на забое обеспечивается, как правило, косвенно — с помощью наземных датчиков, — то этом случае привод не только с запаздыванием воспринимает информацию об изменении нагрузки на буровой инструмент (вследствие изменения твердости разбуриваемой породы), но и воздействует на него через конечное время прохождения сигнала по колонне труб. Причем этот эффект наиболее явно выражен при бурении глубоких скважин, которое ведется с использованием регуляторов подачи долота активного действия, с помощью которых не только опускают, но и поднимают колонну бурильных труб. Применение принципа прогнозирования координат в таких системах видится особенно актуальным. Именно на примере такого регулятора, который оснащается, как правило, электроприводом постоянного тока, ставится и исследуется более общая задача: на основе сигнала ошибки в предшествующие управлению моменты времени прогнозировать развитие процесса и соответственно осуществлять управление по результатам этого прогноза в сложных электромеханических системах, особенно в системах с распределенными параметрами, где полноценный анализ и синтез динамических характеристик электропривода невозможен без учета волновых свойств механической части и дополнительная инерционность вносится из-за — 6 — конечного времени прохождения сигнала по распределенной системе, сравнимого со временем переходных процессов в самом электроприводе. Решение этой задачи предполагает определение возможности прогнозирования ошибки регулирования, момента возмущения и, в случае необходимости, других переменных (как внешних, так и внутренних) в исследуемых системах, разработку математического аппарата такого прогнозирования и возможности его реализации, а также выявление критериев практической целесообразности его использования в тех или иных системах. Ввиду сложности, ответственности и высокой стоимости таких электроприводов проведение этих исследований в промышленных условиях сопряжено с большими трудностями и потому потребовало создания цифровой модели, позволяющей анализировать характеристики исследуемых систем во временной области. Применение результатов этих исследований при управлении регулятором подачи долота позволило бы предложить способ улучшения качества управления за счет формирования динамических характеристик привода, обеспечивающих оптимальные условия отработки породоразрушающего инструмента в смысле снижения динамической ошибки регулирования и увеличения быстродействия системы. В условиях высокой интенсивности износа долота в процессе бурения, особенно на больших глубинах, вследствие испытываемых механических нагрузок, это неминуемо приведет к увеличению срока службы долота, снизит количество необходимых для его замены спускоподъемных операций, увеличит время работы долота с заданной (оптимальной) нагрузкой и, в конечном счете, повысит производительность буровых работ. Конечно, эффективная реализация разработанных алгоритмов возможна лишь при построении системы управления бурового электропривода на базе микропроцессорных средств. В настоящее время в мире накоплен значительный опыт разработки и создания систем автоматизации комплексов буровых электроприводов различного назначения. Так, мировой лидер в этой области, американская компания General Electric, поставляющая устройства, управляющие буровыми электроприводами по системе тиристорный преобразователь — двигатель постоянного тока, использует микропроцессорную технику для улучшения управления электроприводами буровых установок. Микропроцессоры используются в качестве регуляторов скорости и тока с одновременным выполнением функций импульснофазового управления тиристорами, а также контроля и диагностики электропри— 7 — вода. В современных моделях приводов типа Power Drill 2000 цифровые микропроцессорные системы управления позволяют также существенно сократить продолжительность наладочных работ. Уникальные устройства для самонастройки Quick Start и Otto Tune обеспечивают автоматическую настройку системы управления на оптимальный режим при каждом последующем пуске, для чего все необходимые наладочные параметры хранятся в памяти системы. В системах такого уровня модернизация системы управления сводится лишь к изменениям в программном обеспечении. В отечественной практике все попытки внедрения микропроцессорных систем управления на буровых установках Уралмашзавода и Волгоградского завода буровой техники в приводах буровых лебедок и насосов, предпринимаемые НИИЭлектропривод и другими организациями, несмотря на разработанное математическое обеспечение и алгоритмы управления [8] по ряду технических и экономических причин не вышли за пределы экспериментальных исследований и до сих пор не нашли широкого промышленного применения. Еще меньше можно привести примеров локальной автоматизации буровых электроприводов. Однако работы в этом направлении ведутся непрерывно. По мнению ведущих специалистов в области бурения сейчас создаются благоприятные условия для более интенсивного внедрения средств автоматизации, которые наряду со снижением эксплуатационных затрат при бурении обеспечат также высокий престиж фирме [ ]. Безусловно, автоматизация является одним из приоритетных направлений в развитии буровой техники. Причем при формировании более оптимального по технологическим соображениям сигнала задания для регулируемого параметра более жесткие требования предъявляются и к его отработке электроприводом. Надо сказать, что колонна бурильных труб как элемент с распределенными параметрами отличается значительной сложностью и может испытывать различные виды упругих деформаций. Однако в зависимости от режима, в котором ведется бурение, те или иные виды колебаний превалируют. Так, в режиме турбобурения, для которого проводились исследования в данной работе, в первую очередь интерес представляют продольные колебания колонны бурильных труб. Однако сходство математического описания позволяет распространить основные их результаты и на случай преобладания крутильных колебаний, как, например, при роторном бурении. Кроме того, полученные в работе результаты могут быть использованы проектными организациями при разработке и модернизации не только буро— 8 — вых электроприводов, но и приводов глубоконасосных установок, приводов насосов для перекачки нефти и воды на большие расстояния, а также электроприводов, содержащих такие элементы с распределенными параметрами, как канаты лифтовых подъемников и буксируемых систем, длинные кинематические передачи, выносные штанги промышленных роботов и манипуляторов, валы, трубы и т. д.Научная новизна результатов, полученных в результате теоретических исследований, заключается в следующем: — показано, что динамическая ошибка регулирования нагрузки на долото может быть снижена при введении на вход используемого регулятора веса программно-реализованного устройства, действующего по принципу прогнозирования ошибки нагрузки на долото- -исследовано влияние управляющих и возмущающих тестовых импульсов определенной амплитуды на ошибку системы регулирования- -определена форма импульса, компенсирующего влияние возмущений при удовлетворительном качестве переходного процесса по регулируемой координате и соблюдении технологических ограничений. — разработан прогнозирующий регулятор нагрузки на долото, включенный на входе скоростной подсистемы регулирования электропривода с целью снижения динамической ошибки и увеличения быстродействия- - показана эффективность работы прогнозирующего регулятора веса при действующих ограничениях координат электропривода- - исследовано влияние изменения параметров как самого регулятора, так и механической системы на качество регулирования выходной координаты в электроприводе с прогнозирующим регуляторомпри этом отмечено, что при довольно значительном изменении параметров системы электропривод с прогнозирующим регулятором позволяет достичь лучших динамических показателей, чем при традиционным путем оптимизированной системе управления- - доказано, что прогнозирование координат в системах с распределенными параметрами позволяет частично скомпенсировать неизбежную инерционность электропривода при конечном времени прохождения сигнала к рабочему органу, сравнимом со временем переходных процессов в самом электроприводе и связанном с волновым характером процессов в механической системе, и тем самым повысить влияние привода на процессы в механической части при удовлетворительном качестве переходных процессов в самом электроприводе. — 9 — Результаты диссертации рекомендуются к использованию организациями, разрабатывающими электроприводы механизмов, механическая часть которых представляет собой систему с распределенными параметрами, например, НИИЭлектропривод, НИИНефтемаш, а также предприятиям, занимающимся модернизацией электроприводов такого типа. Практическая ценность и реализация полученных результатов состоит в следующих положениях.1. Прогнозирующее устройство, работающее по предложенному алгоритму, обеспечивает существенное улучщение динамических характеристик работающих систем с распределенными параметрами за счет введения в них прогнозирования без перенастройки уже функционирующей системы в целом.2. Разработана методика оптимальной последовательной настройки прогнозирующего устройства.3. Разработанный регулятор нагрузки на долото с прогнозированием может использоваться при проектировании электроприводов подачи долота, в первую очередь, активного типа.4. Используемый алгоритм прогнозирования позволяет использовать для его реализации практически любую элементную базу. Материал диссертационной работы изложен следующим образом. В первой главе на основе анализа исследований последних лет дан сравнительный анализ систем управления, используемых в современных автоматизированных электроприводах, рассмотрены основные тенденции их построения. Показана перспективность прогнозирования поведения регулируемых координат в электроприводах механизмов с распределенными параметрами, особенно в том случае, когда через элемент с распределенными параметрами передается само воздействие электропривода на рабочий орган, как это имеет место, например, в электроприводе подачи долота, с помощью которого непосредственно ведется процесс бурения. Там же сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы, проблемы создания систем управления с прогнозированием для электроприводов механизмов с распределенными параметрами. Вторая глава посвящена созданию цифровой модели электропривода, содержащего элементы с распределенными параметрами на примере модели электропривода подачи долота и исследованию на ПЭВМ динамических характеристик этой системы. — 10 — в третьей главе показаны возможности прогнозирующего устройства, включенного на входе регулятора нагрузки на долото для улучшения динамических показателей электропривода подачи долота — снижения перерегулирования по осевой нагрузке и увеличения быстродействия. Разработана методика последовательной оптимизации коэффициентов ПУ и приведены примеры ее применения. В четвертой главе описываются принципы построения регулятора нагрузки на долото с прогнозированием, где используются тестовые возмущающие воздействия по каналам управления и возмущения с целью определения их параметров, и где оценивается величина возможной ошибки осевой нагрузки в последующие после вычислений моменты времени. Там же представлены алгоритмы функционирования регулятора с прогнозом ошибки при наличии ограничений, действующих на систему. Работоспособность данных алгоритмов анализируется с учетом возможных изменений параметров электромеханической системы. В пятой главе рассмотрены вопросы аппаратной реализации прогнозирующего регулятора нагрузки на долото. Приводится функциональная схема микропроцессорного устройства для реализации предлагаемого принципа управления и алгоритмы программы управления электроприводом. В заключении формируются основные выводы по диссертационной работе. Апробация работы: Работа прошла апробацию на заседании кафедры Автоматизированного электропривода Московского энергетического института, на I Международной (XII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу в г. СанктПетербурге 26−28 сентября 1995 г. и на конференции «Leistungselektroniscke Aktoren und intelligente Bewegunssteuerungen» в «Otto-von-Guericke-Universitat», Магдебург, 1996 г. — 11 —.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. На основании приведенного математического описания талевой системы, колонны бурильных труб с учетом условий на забое и системы управления разработана цифровая модель электропривода подачи долота, позволяющая анализировать динамические характеристики электропривода с распределенными параметрами во временной области.

2. Показано снижение динамической ошибки регулирования нагрузки на долото и увеличение темпа ее компенсации при введении на вход используемого регулятора нагрузки на долото программно-реализованного устройства, действующего по принципу прогнозирования ошибки регулирования осевой нагрузки. Разработана методика последовательной настройки параметров такого устройства.

3. Исследовано влияние управляющих и возмущающих тестовых импульсов определенной амплитуды на ошибку системы регулированияпоказано, что величина конечного рассогласования осевой нагрузки определяется амплитудами возмущающих и управляющих воздействий.

4. Определена форма управляющего воздействия, компенсирующего влияние возмущений при удовлетворительном качестве переходного процесса по регулируемой координате и соблюдении технологических ограничений. Наилучшие результаты имеют место при линейной и параболической формах управляющего воздействия.

5. Разработан прогнозирующий регулятор веса, включенный на входе скоростной подсистемы регулирования электропривода с целью снижения динамической ошибки и увеличения быстродействия.

6. Показана эффективность работы прогнозирующего регулятора веса при действующих ограничениях координат электропривода.

7. Исследовано влияние изменения параметров как самого регулятора, так и механической системы на качество регулирования выходной координаты в электроприводе с прогнозирующим регуляторомпри этом отмечено, что при технологически возможном изменении параметров системы электропривод с прогнозирующим регулятором позволяет достичь лучших динамических показателей, чем традиционным путем оптимизированная система управления. 132 —.

8. Доказано, что прогнозирование координат в системах с распределенными параметрами позволяет частично скомпенсировать неизбежную инерционность электропривода при конечном времени прохождения сигнала к рабочему органу, сравнимом со временем переходных процессов в самом электроприводе и связанном с волновым характером процессов в механической системе, и тем самым повысить влияние привода на процессы в механической части при удовлетворительном качестве переходных процессов в самом электроприводе.