Моделирование системы управления частотой вращения вала шнекового распределителя материала

Введение. При транспортировании асфальтобетонной смеси происходит температурная сегрегация. Для исключения температурной сегрегации асфальтобетонной смеси применяется технология с использованием перегружателя смеси из самосвала в асфальтоукладчик. Анти-сегрегационные шнеки перегружателя перемешивают материал непосредственно перед его загрузкой в асфальтоукладчик. Применение существующей технологии ведет к удорожанию строительства асфальтобетонного покрытия [1]. С целью упрощения технологии предлагается управление частотой вращения вала дополнительного шнекового устройства. Для автоматического управления частотой вращения вала применяется система сервоуправления частотой вращения вала шнекового распределителя.

Цель исследования: разработка и изучение системы сервоуправления частотой вращения вала шнекового распределителя материалов.

Условия и методы исследования . Объектом исследования является шнековый распределитель материала (рис. 1).

Рис. 1. Шнековый распределитель материала: 1 – опора вала; 2 – лопасти вала; 3 – вал распределителя; 4 – гидромотор

Приводом вала шнекового распределителя служит регулируемый гидромотор, содержащий корпус и крышку, соединенные с образованием полости для размещения блока цилиндров, установленного с возможностью качания для регулирования рабочего объема гидромотора.

В системах управления техническими объектами наибольшее распространение получили пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы. Структурная схема системы сервоуправления частотой вращения вала шнекового распределителя с ПИД-регулятором приведена на рисунке 2.

Математическое описание элементов системы управления выполнено на основе передаточных функций.

Передаточная функция гидромотора определяется из условия [2]:

ф = w;

1K w = -—W y +—5

TsTs где ф - угол поворота винтового шнека; ш - уг- ловая скорость вращения винтового шнека; δ – угол поворота качающего блока гидромотора; Ts – постоянная времени; K – постоянный коэффициент, имеющий размерность рад/с.

Измерительная система

Рис. 2. Структурная схема системы с сервоуправлением частотой вращения вала

Передаточная функция гидромотора [3] опи- сывается апериодическим звеном первого по- рядка:

R ( s ) =

.

T r S + 1

Передаточная функция объекта управления описывается звеном второго порядка:

P ( s) =

K

.

^{s (T} s s + 1)

Для измерения угла поворота качающего блока гидромотора используется потенциометр, математическая модель которого записывается в виде апериодического звена первого порядка с передаточной функцией:

H ( s ) =

.

T oc s + ¹

Передаточная функция идеального ПИД- регулятора

К      Ks ² + K„s + K

C (s)=K + Ki + Ks=----p---, psd            s где s – преобразователь Лапласа; Kp, K иKd - коэффициенты пропорциональности, интегрирования и дифференцирования, соответственно.

При моделировании системы сервоуправления частотой вращения вала определялось влияние составляющих регулятора на динамику переходных процессов системы последовательным подключением составляющих: пропорциональной (П), интегральной (И) и дифференциальной (Д).

Результаты моделирования шнекового распределителя с пропорциональным (П) регулятором приведены на рисунке 3.

Результаты исследований переходного процесса показали, что при применении непрерывного пропорционального регулятора переходный процесс колебательный с перерегулированием, время регулирования с учетом 5 %-й зоны составляет 20 с.

График переходного процесса, полученный имитационным моделированием системы с ПИ-регулятором, приведен на рисунке 4.

Рис. 3. График переходных процессов для модели с пропорциональным регулятором

Время, с

Рис. 4. График переходного процесса для модели с пропорционально-интегральным регулятором

Переходный процесс системы управления с ПИ-регулятором колебательный, с перерегулированием, время регулирования с учетом 5 %-й зоны составляет 15 с.

График переходного процесса для имитационной модели с ПИД-регулятором приведен на рисунке 5.

Рис. 5. График переходных процессов для модели с ПИД-регулятором

Переходный процесс системы с ПИД-регулятором апериодический без перерегулирования, время регулирования с учетом 5 %-й зоны составляет 4,5 с.

Заключение. Имитационное моделирование в среде MATLAB&Simulink системы управления шнековым распределителем с сервоприводом показало, что при использовании ПИД-регулятора по сравнению с П-, ПИ-регуляторами можно получить переходный процесс без перерегулирования, что особенно важно для оборудования с гидроприводом. Переходный процесс системы с П-, ПИ-регуляторами характеризуется колебательным процессом с значительным перерегулированием. Полученные результаты свидетельствуют о возможности значительного уменьшения времени переходного процесса, что особенно важно для систем с гидравлическим приводом.