Automatic control system of lock gate movement

Full Text

На верхних головах судоходных шлюзов в ряде случаев используются плоские ворота, с независимым электрогидравлическим приводом каждой из сторон. Подъём ворот осуществляется путём нагнетания масла в нижнюю полость цилиндра, опускание - за счёт стравливания масла из нижней полости. Нагнетание масла осуществляется гидронасосами с электроприводом. При этом должна быть решена задача синхронизации положения сторон подъёмно-опускных ворот. К системе синхронизации применяются жёсткие требования по предельно допустимому перекосу. В рамках реконструкции шлюзов №25 и №26, находящихся в Балаковском районе гидротехнических сооружений и судоходства, было проведено оснащение верхних рабочих ворот современной системой автоматического управления. Для реализации системы управления электроприводы гидронасосов были оснащены преобразователями частоты, проведена замена датчиков положения ворот инкрементальными энкодерами, с разрешением 0,1 мм/имп. Система автоматического управления реализована на базе программируемых логических контроллеров серии M340 компании Шнейдер Электрик. Каждая сторона работает под управлением отдельного контроллера. Между контроллерами и преобразователями частоты реализован обмен данными по сети Ethernet. Номинальная скорость перемещения ворот при подъёме - 40 мм/с. При этом предельно допустимый рабочий перекос ворот составляет 60 мм. Такие характеристики объекта предъявляют жёсткие требования к построению системы автоматического управления синхронизацией. Система автоматического управления перемещением каждой из сторон строилась по следующему принципу. При подаче команды на подъём ворот, электропривод включался на номинальную скорость вращения - 980 об/мин. В случае опережения управляемой стороной противоположной стороны, скорость вращения снижается пропорционально рассогласованию. Структурная схема регулятора представлена на рис. 1. Здесь , - изображение по Лапласу сигнала положения управляемой и противоположной сторон ворот соответственно, - передаточная функция объекта управления, учитывающая динамику преобразователя частоты, электропривода и гидравлической системы. Рис. 1. Структурная схема регулятора В идеальном случае электроприводы обеих сторон ворот вращаются с номинальной частотой, обе стороны ворот перемещаются с одинаковой скоростью. Зона нечувствительности в нелинейном элементе введена для уменьшения случаев изменения скорости вращения двигателя, поскольку это неблагоприятно сказывается на состоянии оборудования и приводит к преждевременному износу. Регулирование динамической величины перекоса осуществляется за счёт задания крутизны наклона нелинейной характеристики, при этом увеличение крутизны также неблагоприятно сказывается на оборудовании гидросистемы. После запуска системы автоматического управления в эксплуатацию были получены экспериментальные характеристики системы. Регистрация данных проводилась с максимально возможной скоростью - в каждом рабочем цикле контроллера. Средняя длительность цикла контроллера составила 50 мс. Обнаружено, что перемещение каждой из сторон ворот происходит рывками. Фрагмент графика перемещения стороны ворот приведён на рис. 2. Рис. 2. Фрагмент графика перемещения стороны ворот Такое поведение объекта управления связано с тем, что гидравлическая система выступает в качестве колебательного контура [1]. Для решения задачи снижения влияния этих колебаний на работу системы автоматического управления, было проведено исследование сигналов, циркулирующих в системе во время работы. Спектр сигнала перемещения, снимаемого с выхода системы, , после вычета из него постоянно возрастающей компоненты представлен на рис. 3. Сигналу присущи гармонические составляющие на частотах 2,5 Гц и 5 Гц. Эти составляющие обусловлены конструкцией маслонасоса и скоростью вращения электродвигателя. Для анализа влияния периодического сигнала на формирование управляющего воздействия, построена спектральная характеристика управляющего сигнала , сформированного регулятором на опережающей стороне. На рис. 4. приведён график соответствующий диапазону частот от нуля до трёх Герц. Далее график стремится к нулю. Рис. 3. Спектр сигнала помехи перемещения стороны ворот Рис. 4. Спектр управляющего сигнала График, представленный на рис. 4 позволяет сделать вывод о том, что высокочастотные помехи с частотой более двух Герц на формирование управляющего сигнала не влияют. В то же время, желательно уменьшить влияние помех с частотами от 0,1 до 0,5 Гц. Для снижения влияния помех в среде Matlab [2] проведён синтез полосно-заграждающего фильтра Баттерворта шестого порядка с частотами 0,02 и 0,4 Гц. Амплитудно-частотная характеристика фильтра представлена на рис. 5. При пропускании сигнала положения ворот через полосно-заграждающий фильтр, колебательность сигнала снижается, однако появляется ожидаемое «отставание» сигнала от реального (рис. 6, 7). Максимальное отставание при вычислительных экспериментах с реальными данными составило 97 имп., что соответствует примерно 10 мм. При эксплуатации экспериментальной системы с зоной нечувствительности установленной в 5 мм, максимальное зарегистрированное рассогласование составляет 18 мм, что намного меньше предельно допустимого 60 мм. Рис. 5. АЧХ полосно-заграждающего фильтра Рис. 6. Помеха в исходном сигнале и после фильтрации Рис. 7. Исходный сигнал по положению и после фильтрации Разработанный полосно-заграждающий фильтр позволит снизить амплитуду колебаний управляющего сигнала, что приведёт к повышению ресурса оборудования, сохранив значение перекоса ворот в допустимых пределах. Дополнительный запас по значению перекоса может быть получен за счёт установки в нуль величины зоны нечувствительности нелинейного элемента.

About the authors

Ivan A Danilushkin

Samara State Technical University

Email: idanilushkin@mail.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

Sergey A Kolpaschikov

Samara State Technical University

Email: idanilushkin@mail.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

Evgeny V Melnikov

Samara State Technical University

Email: idanilushkin@mail.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

References

Supplementary files