Пресс. Технологический процесс создания лопастей

• Название: Технологический процесс создания лопастей
• Анкор: Пресс
• Дата: 14.06.2022
• Размер: 3.05 Mb.
• Имя файла: press.doc
• Тип: Документы; #589867

Введение

Для выпускной квалификационной работы выбрано оборудование цеха по производству пустотелых лопастей, а именно пресс для сверхпластичной формовки FSP 160T. На данном оборудовании производятся широкие лопасти авиационных гражданских двигателей. Двигатели гражданской авиации требуют особо тщательного контроля и соблюдения всех норм, поскольку каждая деталь летательного аппарата обеспечивает надежную и безопасную транспортировку людей. Поэтому процесс создания двигателя обязан соответствовать всем показателям качества, прописанных в стандартах.

Рассмотренное оборудование установлено в цехе по производству пустотелых лопастей уфимского моторостроительного производственного объединения в 2010 году. По сегодняшний день проходит наладка, отладка и настройка оборудования, разрабатывается технология производства лопастей для двигателя ПД-14.

В ходе работы проанализирован весь технологический процесс создания лопастей, на исследуемой печи технологический процесс рассмотрен более детально. Изучена структура и архитектура управления печью, её подсистемы. Детально изучена система управления подачей газа.

Выпускная квалификационная работа сделана на основе технической документации, полученной в ходе производственной практики на ОАО «УМПО».

Технологический процесс создания лопастей

Оборудование фирмы ACB включает в себя вертикальную металлическую печь давления, формовочно-поворотный пресс, пресс горячей калибровки и пресс для сверхпластичной калибровки. Технологический процесс проходит последовательно через каждую установку.

В качестве заготовки выступает комплект титановых пластин: одна верхняя, одна нижняя и одна средняя, каждая из которых механически маркируется. Первоначально следует механическая зачистка и обработка, после чего на вспомогательном блоке химического фрезерования и травления титановых листов каждую пластину подготавливают к технологическому процессу: листы очищаются от масла и смазки, а затем на них наносится специальное покрытие для защиты от возможных загрязнений.

В чистом помещении класса 100 происходит блочный монтаж. С верхнего и нижнего листа снимается покрытие, удаляется остатки покрытия из установочных отверстий. Листы устанавливаются по одному в полуавтоматическое планшетное захватывающее устройство трафаретной печати, где на их внутреннюю сторону наносится герметичное защитное покрытие Y2O3 по шелковому трафарету. Это покрытие необходимо для последнего этапа технологического процесса. Для высушивания внешние листы фиксируются в вертикальном положении на 2 часа. С внутреннего листа снимают покрытия, удаляют остатки покрытия из его установочных и соединительных отверстий. Далее листы устанавливаются на сборочную оправку: сначала внешний нижний лист, затем внутренний и верхний внешний лист и во избежание смещения листов их сваривают прихваточным швом. Сваренные листы помещают в камеру с аргоном, где их сваривают вольфрамовым электродом по периметру для получения газонепроницаемого узла, после чего следует вакуумная продувка и заделка трубы при достижении заданного уровня вакуума. Далее в отсеке покраски с вытяжкой приточного воздуха наносят внешнюю защиту, которая заключается в покрытии азотистым бором обеих сторон узла. Полученный узел загружается в корзину печи под наддувом. Корзина вмещает в себя до 8 предварительно сваренных блоков.

Корзину загружают в вертикальную металлическую печь давления марки VMF-36-48-920-40bar для диффузионного соединения при температуре 920°С под давлением 4 МПа в среде аргона. После загрузки корзины в печь, её закрывают и отводят из неё воздух. Сначала нагнетают аргон с давлением до 1 МПа, после чего печь нагревают при 10°С/мин до 920°С и повышают давление до 4 МПа путём термического расширения. В подобных условиях печь поддерживают на протяжении 3 часов, после чего происходит охлаждение при 5°С/мин до 150°С. После сброса внутреннего давления до величины атмосферного печь под наддувом открывают и выгружают из неё корзину. Затем блоки очищают водой под давлением для удаления остатков защитного покрытия и производят ультразвуковой контроль качества и положения. При удовлетворении нормам качества, производят зачистку лопасти для удаления установочных отверстий и дуговую сварку вольфрамовым электродом в среде защитного газа, зачистку заусенцев , удаление смазки, нанесение азотистого бора на внешние поверхности сваренного диффузионным соединением блока.

После этих подготовительных операций блок загружают на манипулятор формовочно-поворотного пресса FCT 80T, который уже находится в рабочем режиме, а именно: температура 650-850°С (в зависимости от материала), инструменты загружены (инструмент гибки хвостовика, который состоит из верхней и нижней половины и опоры, на которую устанавливается нижний инструмент; верхний и нижний инструмент оснащены встроенной направляющей системой, обеспечивающей их соосность; «почтовый ящик» задвигается в поворотный захват пресса, он будет удерживать край лопасти во время операции кручения профиля). В формовочно-поворотном прессе происходит операция гибки хвостовика и кручения профиля в соответствии с циклом:

1. 
   поворотные захваты в горизонтальном положении, открытие передней двери;
   
2. 
   загрузка края лопасти в «почтовый ящик» и установка боковой части хвостовика в паз инструмента гибки хвостовика;
   
3. 
   нагрев лопасти до температуры формовки с заданным уровнем равномерности температуры (обычно 1 час);
   
4. 
   формовка хвостовика путем закрытия вертикального пресс-штока с предварительно заданным усилием, после закрытия пресса усилие сохраняется;
   
5. 
   кручение лопасти путем нескольких поворотов захватов вокруг своей оси с последующим снятием напряжения (обычно поворот на 10° прибл. в течение 1 минуты с последующим снятием напряжения в течение 10 минут);
   
6. 
   по достижении конечного положения края открытие передней двери для ввода манипулятора деталей;
   
7. 
   захват предварительно отформованной лопасти манипулятором деталей.
   

После завершения цикла деталь выгружают из формовочно-поворотного пресса. Перед следующим прессом проводят ряд подготовительных операций, а именно: зачистку заусенцев, пескоструйную обработку, химическое травление лопасти (около 0,1 мм с каждой стороны) для удаления поверхностного обогащенного кислородом слоя в блоке химического фрезерования и травления титановых листов, покрытие азотистым бором обеих сторон лопасти в отсеке покраски с вытяжкой приточного воздуха.

После совершенных операций лопасть загружают на манипулятор пресса горячей калибровки FCC 20T+50T, который должен уже находится в рабочем режиме: температура в диапазоне от 650 до 850°С в зависимости от материалов, инструменты загружены (нижнее основание с отпечатком лопасти, 2 боковых упора для направления лопасти по длине во время её калибровки, отпечаток хвостовика, направляющие стойки, инструмент пресс-штоков хвостовика и профиля). Процесс калибровки включает:

1. 
   открытие передней двери;
   
2. 
   загрузка края лопасти между двумя упорами, расположенными с противоположной стороны блока нижнего инструмента, и установка боковой части хвостовика в паз нижнего инструмента;
   
3. 
   нагрев лопасти до температуры формовки с заданным уровнем равномерности температуры (обычно 1 час);
   
4. 
   закрытие пресс-штока хвостовика с предварительно заданным усилием (после закрытия пресса усилие сохраняется);
   
5. 
   калибровка профиля путем закрытия пресс-штока профиля в соответствии с замкнутым контуром с позиционным управлением для поддержания степени искажения ползучей скорости на уровне 10^-3 с^-1
   
6. 
   по достижении конечного положения открытие передней двери для ввода манипулятора деталей;
   
7. 
   захват откалиброванной лопасти манипулятором деталей.
   

Лопасть выгружается из пресса горячей калибровки и охлаждается, после чего очищается водой под давлением для удаления накипи и подвергается химическому травлению в блоке химического фрезерования и травления титановых пластин для удаления поверхностного обогащенного кислородом слоя и окисей. Далее с лопасти срезается образец для проверки содержания водорода в материале на анализаторе водорода H₂ FRCT. Если уровень водорода недопустимый, то проводится дегидрогенизация в имеющейся вакуумной печи (примерно 2 часа при 600°С под вакуумом 10·10^-5), после чего или если уровень водорода допустимый сверлят отверстия на конце откалиброванной лопасти в камере с аргоном, там же сваривают трубы (положение отверстия и трубы точно определены, поскольку должны соответствовать шаблону внутреннего герметичного защитного покрытия). Затем проводится защита откалиброванной лопасти в отсеке покраски с вытяжкой приточного воздуха путём покрытия азотистым бором обеих сторон лопасти.

Следующим этапом технологического процесса является сверхпластичная формовка и окончательная калибровка на прессе для сверхпластичной формовки FSP 160T. При поступлении лопасти на пресс, он должен уже находится в рабочем режиме: температура около 920°С, инструмент загружен. Первоначально соединяют трубу лопасти с системой управления подачей газа, после чего подают аргон с заданным давлением внутрь лопасти и выполняют продувку путём подключения к вакуумному контуру. Во время продувки проверяют содержание О2 и H2O, при достижении уровня содержания О2 и Н2О допустимого значения завершают операцию продувки. После проводят нагрев лопасти до заданной температуры (около 1 часа), предварительно закрыв передний теплозащитный экран и установив верхний пресс-шток таким образом, чтобы между нижней поверхностью верхнего инструмента и верхней поверхностью лопасти оставался зазор в 50 мм. При достижении равномерного нагрева всей лопасти производят «прорыв», который заключается в открытии газового канала внутри лопасти. Этапы «прорыва»:

1. 
   закрытие верхнего пресс-штока на нижнем пресс-штоке с заданным усилием
   
2. 
   открытие газового баллона с аргоном (входит в систему управления подачей газа) и заполнение внутренней емкости лопасти
   
3. 
   проверка уровня давления, полученного через заданное время
   
4. 
   при получении удовлетворительного результата провести сверхпластичную формовку и горячую калибровку, в противном случае открыть второй баллон.
   

Сверхпластичная формовка и горячая калибровка: процесс выдувания лопасти точно контролируется для поддержания коэффициента деформации на уровне 10^-3 с^-1 в наивысшей по скорости точке деформации. Кривая зависимости давления от времени влияет на моделирование технологического процесса. В конце сверхпластичной формовки давление аргона увеличивается до 6 МПа для достижения окончательной калибровки мелких деталей. После завершения процесса сверхпластичной формовки давление аргона сбрасывается до величины атмосферного, поднимается верхний пресс-шток, открывается теплозащитный экран, и лопасть выгружается на оправку для остывания. Охлаждение лопасти контролируется: лопасть остаётся подключенной к системе управления подачей газа пресса, пока её температура не опустится ниже 500°С, после чего происходит окончательное охлаждение лопасти, очистка блоков водой под высоким давлением для удаления остатков защитного покрытия, контроль расположения внутренних рёбер на рентгеновском контроллере, контроль толщины внешних слоёв на ультразвуковом контроллере. Последним шагом технологического процесса создания полых лопастей является резка трубы и заделка отверстия.

Пресс для сверхпластичной формовки FSP 160T

Описание

Сверхпластичная формовка – это процесс обработки титановых лопастей, состоящий в выдувании полости полой массы титановых листов между 2 частями инструмента после достижения температуры формовки. Управление процессом выдувания выполняется в соответствии с предустановленной кривой давления. В течение цикла формовки пресс удерживает две половины инструмента закрытыми усилием пресс-штока.



Пресс представляет собой систему состоящую из нескольких подсистем:

• Механической подсистемы, включающей:

• 
  Раму
  
• 
  Нижнюю опорную планшайбу
  
• 
  Пресс-шток
  
• 
  Комплект теплозащитных экранов
  

• Газовой подсистемы

• Подсистемы охлаждения

• Гидравлической подсистемы

• Электрической подсистемы

• Подсистемы управления

Пресс предназначен для обработки титановых лопастей методом сверхпластичной формовки.

Пресс представляет собой механическую конструкцию, образующую печь с подвижной нижней опорной планшайбой. Система нагрева на опорный планшайбах нагревает печь до температуры формовки. Газовая система обеспечивает процесс выдувания лопастей в печи. Пресс оснащен гидравлической системой для обеспечения необходимого усилия для удержания пресс-формы в закрытом состоянии во время формовки лопасти. Вспомогательное оборудование – электрическое, пневматическое, и охлаждающее – обеспечивает безопасную работу пресса.

Конструкция пресса состоит из 4 колонн, 2 опор, пресс-штока, приводимого в действие четырьмя гидравлическими цилиндрами, и тележки. Пресс-шток и нижняя опора (для тележки) соответственно принимают вес верхней и нижней опорных нагревательных планшайб. Четыре боковых теплозащитных экрана закрывают широкую печь, в которой располагаются инструменты для сверхпластичной формовки. Нажатие на теплозащитные экраны сверху и снизу практически полностью закрывает печь.

Загрузка инструмента выполняется с задней стороны пресса. Для облегчения данной операции можно использовать тележку. Загрузка лопасти выполняется с лицевой стороны пресса.

Последовательность выполнения операций на прессе:



Система управления станком состоит из:

• 
  Контрольный персональный компьютер с программным обеспечением «человек-машина» интерфейсом для работы на платформе Windows
  
• 
  Стойка PLC Compact PCI для управления станком (PLC - Process loop controller (контроллер технологического цикла) - детерминированная система реального времени для контроля состояния технологического процесса.)
  
• 
  Одна или более удаленных стоек вводов/выводов, сканируемых при 10Гц
  

Рис. Схема системы управления

Архитектура программного обеспечения интерфейса «человек-машина»



ГИП (графический интерфейс пользователя) выполняет функцию мониторинга станка:

• 
  Отображает данные о станке: положения осей, усилия и пр.
  
• 
  Отображает текущие аварийные сигналы
  
• 
  Выбирает/Отображает/Изменяет программу обработки деталей
  
• 
  Отображает историю предыдущих аварийных сигналов
  
• 
  Запускает сбор графических данных
  
• 
  Выполняет операции обслуживания и диагностики
  
• 
  Задает параметры станка (коэффициент усиления, величину сдвига и пр.)
  

ISaGRAF позволяет осуществлять доступ к ПО PLC в режиме реального времени.

Специалист по техобслуживанию имеет возможность:

• 
  Выводить на экран всю программу PLC (схемы последовательных функций, многоступенчатые схемы),
  
• 
  Отображать значения каждой переменной PLC
  
• 
  Блокировать и изменить состояние любой входной/выходной переменной.
  

WinLAG (ПО для графического анализа) позволяет графически отображать значения датчиков и приводов. Отображение может производиться в режиме реального времени или по предварительно записанному файлу. Все показания могут экспортироваться как файл, совместимый с EXCEL.

ПО сервера UltraVNC обеспечивает доступ к контрольному ПК для удаленного обслуживания.

Удаленный доступ может осуществляться через:

• 
  RTC-модем
  
• 
  Интернет
  
• 
  VPN (IPSec, SSL)
  

Специалист ACB может:

• 
  Продиагностировать станок
  
• 
  Вывести на экран запущенные программы PLC
  
• 
  Получить файлы сбора данных для анализа
  
• 
  Загрузить обновления для ПО
  

Цикл формовки

Цикл формовки включает определенные действия, выполняемые последовательно в соответствии с представленной далее схемой. Последовательность этих действий может выполняться либо автоматически, либо после подтверждения оператора. Экран "Цикл линии 1/2" позволяет отслеживать процесс выполнения цикла. При несоблюдении хотя бы одного условия цикл не будет запущен. Экран позволяет узнать, какое из условий отсутствует.

Цикл состоит из следующих этапов:



Подключение детали: данная операция выполняется в ручном режиме. Оператор подключает газопровод от детали к газораспределительному шкафу. Теперь станок готов к запуску цикла.

Отвод кислорода: данная команда выполняется вне станка. Параметры заданы в программе обработки деталей. Для запуска данной последовательности оператор использует нажимную кнопку «Запуск цикла лини 1 или 2» на панели управления. Процедура отвода кислорода выполняется заданным числом повторяемых циклов в следующей последовательности:

• 
  Вакуумирование детали на протяжении определенного временного отрезка.
  
• 
  Убедиться, что полученное давление достигло корректного значения вакуума.
  
• 
  Изоляция детали на протяжении определенного временного отрезка.
  
• 
  Убедиться, что давление не превышено больше максимального допуска.
  
• 
  Очистка детали на протяжении определенного временного отрезка.
  
• 
  Убедиться, что полученное давление достигло минимального значения.
  
• 
  Изоляция детали на протяжении определенного временного отрезка.
  
• 
  Убедиться, что давление не упало больше максимального допуска.
  

Контроль чистоты: данная команда также выполняется вне станка. Параметры заданы в параметрах станка. Последовательность контроля чистоты проверяет уровень кислорода и влажности в детали. При сбое проверок последовательность контроля чистоты считается некорректной и цикла прерывается. Если проверки завершены успешно, то последовательность контроля чистоты считается корректной и деталь переводится в режим очистки.

Загрузка детали: данная операция выполняется в ручном режиме (либо с помощью устройства переноса для перемещения детали).

Быстрый прямой ход: параметр "Пресс-шток - нагрев детали" задан в программе обработки деталей. Он соответствует положению верхнего формующего инструмента во время начального нагрева детали.Для запуска данного движения оператор использует нажимную кнопку.

Нагрев детали: нагрев детали является промежуточным этапом для нагрева перед формовкой. Данный промежуточный этап начинается, как только пресс-шток достигает "Положения нагрева детали".

Медленный прямой ход: данное действие запускается автоматически по завершении нагрева детали (или после подтверждения оператора в случае несоответствия температуры печи). Пресс-шток автоматически перемещается до "Положения формовки инструмента" (заданного в программе обработки деталей). Движение прекращается после достижения пресс-формой данного положения или при обнаружении системой "Механического усилия" (также заданного в программе обработки деталей).

Прорыв: данное действие запускается автоматически, как только пресс-шток достигает "Положения формовки инструмента". Целью является удаление внутренней части детали. Последовательность действий:

• 
  Подать секцию трубопровода соответствующего объема.
  
• 
  Изолировать от источника питания.
  
• 
  Впустить газ в компонент.
  
• 
  Убедиться, что было достигнуто требуемое давление.
  
• 
  Дождаться спада давления до корректного значения.
  
• 
  Продуть деталь.
  
• 
  Переключиться на режим очистки на протяжении определенного временного отрезка.
  

Сверхпластичная формовка (SPF): данная последовательность состоит в подаче давления газа с помощью контура управления и его задувания внутрь детали для формирования полости при соответствующем напряжении и коэффициенте деформации для калибровки внешней формы в инструменте. Давление/изменение во времени заданы в программе обработки деталей в виде последовательности этапов и выдержек времени. Управление усилием активно во время выполнения последовательности.

Завершение сброса давления: данная последовательность выполняется для определения того, по-прежнему ли деталь находится под давлением. Последовательность проверочных действий:

• 
  Компонент продувается на протяжении заданного в программе обработки деталей отрезка времени.
  
• 
  Затем компонент изолируется, и если давление поднимается выше максимального значения (также заданного в программе обработки деталей):
  

• 
  Система повторяет проверку до достижения числа повторяемых циклов.
  
• 
  В противном случае система считает проверку пройденной.
  

Медленный возврат: данное действие начинается автоматически в конце "Завершение сброса давления". Пресс-шток формовки перемещается вверх на низкой скорости до положения, заданного в программе обработки деталей (Положение планки).

Проверка лопасти: если инструмент открыт, система управления:

• 
  Запускает звуковую сигнализацию и отображает сообщение
  
• 
  Ожидает оператора, чтобы:
  

• 
  Открыть левый/правый люк.
  
• 
  Убедиться, что деталь на застряла в «Верхнем инструменте». Если застряла, то он должен его разблокировать.
  
• 
  Снять оболочку, чтобы убедиться, что в нижнем инструменте нет заклинивания.
  
• 
  Закрыть левый и правый люки.
  
• 
  Нажать нажимную кнопку «Продолжение цикла».
  

Быстрый возврат: инструмент перемещается вверх до "Положения загрузки детали"

Выгрузка детали: данная операция выполняется в ручном режиме (либо с помощью устройства переноса деталей для перемещения лопастей).

Охлаждение детали: во время данной последовательности деталь подвергается очистке аргоном в течение заданного в программе обработки деталей периода.

Отключение детали: данное действие начинается автоматически в конце "Охлаждения детали". На дисплее ЧМИ появляется сообщение с запросом оператора на останов режима очистки. Оператор должен остановить режим очистки, затем он может отключить деталь.

Анализ газораспределительной системы пресса

Как уже говорилось выше, пресс FSP 160T представляет собой систему состоящую из нескольких подсистем:

• Механической подсистемы

• Газовой подсистемы

• Подсистемы охлаждения

• Гидравлической подсистемы

• Электрической подсистемы

• Подсистемы управления

Рассмотри газовую подсистему подробнее.

Газовая система обеспечивает процесс выдувания лопастей в печи, контролирует концентрацию и давление газов. Газовая система включает в себя газораспределительный шкаф, датчики содержания газа, давления, вакуумный насос, клапаны, регулятор.

Характеристики системы управления подачей газа:

• Макс. давление формовки: 80·10⁵ Па

• Датчик низкого давления формовки: 40·10⁵ Па.

• Датчик высокого давления формовки: 100·10⁵ Па.

• Точность датчиков давления (по всей шкале BSL): 0.04 %

• Скорость нарастания давления формовки: 6.2·10⁵ Па /мин.

• Вакуумметрическое давление на выходе шкафа: 0.5·10⁵ Па.

• Разрешение измерения газового давления (0-40·10⁵ Па): ±1 Па

• Точность измерения газового давления (0-40·10⁵ Па): ±1600 Па

• Допуск газового давления (0-40·10⁵ Па): ±8·10³ Па

• Разрешение измерения газового давления (40-100·10⁵ Па): ±10 Па

• Точность измерения газового давления(40-100·10⁵ Па):0.04%=4·10³ Па

• Допуск газового давления (40-100·10⁵ Па): ±10·10³ Па

• Давление продувки: от 0.1 до 0.3 ·10⁵ Па

• Допуск давления продувки: ±64 Па

• Внутренние размеры печи: 2200x1700х1600 мм

Упрощенную схему системы регулирования подачей газа можно представить в следующем виде:


g

P

ω

u

∆e


( - )

)_


e






Насос является исполнительным элементом, на который поступает сигнал с регулятора, на основании которого насос изменяет скорость вращения. В качестве объекта управления выступает камера печи, в которой располагаются датчик давления. Сигналы с датчика поступают в регулятор, который вырабатывает сигнал управления для исполнительного элемента – насоса.

Н
асос серии Е2М18 имеет прямой привод, является двуступенчатым.

Состав насоса:

1. Маслоналивной патрубок

2. Выходное сопло

3. Контроль равновесия газа

4. Вход контроля равновесия газа

5. Центрирующее кольцо и О-образное кольцо

6. Входной порт (адаптер фланца)

7. Соединитель

8. Мотор клеммной коробки

9. Переключатель Вкл / Выкл

10. Основание

11. Разъем для стока масла

12. Показатель уровня масла

13. Шилдик

Электрические характеристики насоса:

Напряжение: 220-240 В

Частота: 50 Гц

Ток нагрузки: 4,6 А

Ток пуска: 33 А

Мощность двигателя (при непрерывном режиме работы): 0,55 кВт

Скорость ротора мотора: 1440 об/мин

Насос представляет из себя асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который имеет передаточную функцию вида:



Рассчитаем коэффициент передачи исходя из характеристик насоса:









Исходя из условий задачи, подбираем оптимальные коэффициенты: _{ }. Тогда передаточная функция исполнительного элемента равна:



В дальнейшем коэффициент передачи этого звена принят за 1 ввиду цифровых свойств элемента. Рассчитанный коэффициент передачи равный 0,2 учитывается в последующих звеньях.

Электрический датчик давления представляет собой пропорциональное звено, так как входная величина – давление, и выходная величина – электрический ток, имеют пропорциональную зависимость:



В данной схеме применяются внесистемная единица измерения давления – фунт-сила на квадратный дюйм psi. Связь фунт-силы на квадратный дюйм с паскалем пропорциональная: 1 psi = 6894,76 Па.

Исходя из вышесказанного, получаем коэффициент передачи датчика:



Объект управления – камера печи – представляет собой апериодическое звено первого порядка и имеет вид:



В передаточную функцию введено звено 1/p для предотвращения ошибки деления на ноль в начальный момент времени.

Так как скорость нарастания давления формовки:

V=6.2·10⁵ Па /мин = 10⁴ Па/сек

Тогда постоянна времени примерно: _{ }

Рассчитаем коэффициент передачи:



Из технических характеристик насоса:





где: T – температура формовки, T = 920°C=1197°K

k – постоянная Больцмана, k = 1,38·10^-23м²с^-2К^-1

n – концентрация частиц газа



где V_m – молярный объем, V_m = 22,4 л/моль

N_A – постоянная Авагадро, N_A = 6,022·10²³ моль^-1

V – объем камеры печи V = 2,2·1,7·1,6=5,984 м³





Таким образом, объект управления имеет следующую передаточную функцию:



Объединяя передаточные функции, получаем схему, отражающую поведение пресса:


x

u



Представим эту схему в виде одного звена:


u

x



Представим данную модель в системе уравнений пространства состояний:



Где x – вектор состояния, матрица-столбец,

у – вектор выхода

А – квадратная матрица системы, отражающая коэффициенты системы,

В – матрица-столбец управления,

С – матрица-строка выхода.

Матрицы коэффициентов исследуемой системы:



Тогда структурная схема системы в пакете Matlab имеет следующий вид, где верхняя и нижняя цепь – это представление одной и той же системы в разных видах:

Синтез регулятора

Так как полученная в ходе производственной практики техническая документация носит преимущественно эксплуатационный характер, необходимых данных по регулятору не найдено. В следствие этого был разработан регулятор для данной системы самостоятельно.

Для получившейся системы синтезируем модальный регулятор по состояниям. Для этого выберем желаемое время переходного процесса: _{ }. Так как система четвертого порядка, то время переходного процесса при радиусе распределения корней полинома _{ }. Тогда _{ }.

Используя биномиальный полином найдем коэффициенты обратных связей системы. Биномиальный полином четвертого порядка имеет вид:



Коэффициенты обратных связей рассчитываются по формуле Аккермана:



Где _{ } - матричный полином, образованный путем использования коэффициентов желаемого характеристического уравнения _{ }.

Для исследуемой системы:



Где I – единичная матрица

В ходе вычислений находим матрицу коэффициентов обратных связей:



Тогда получаем следующую схему в пакете Matlab:



В ходе моделирования получается переходной процесс:



Переходной процесс занимает 0,8 секунд и проходит без перерегулирования.

Рассмотренный процесс является процессом нагнетания давления. Однако данная система может использоваться и для понижения давления вплоть до вакуума. Для этого из схемы исключается входное напряжение и система стремится к нулю:





Из графика переходного процесса видно, что переходной процесс проходит так же без перерегулирования за 0,8 секунд.

Таким образом, была синтезирована система регулирования нарастания и уменьшения давления методом модального статического регулирования.

Улучшим имеющуюся систему, добавив в нее наблюдателя состояния, который будет следить за изменением состояния объекта. Наблюдатель состояния формируется на базе модели объекта управления вида



и вырабатывает текущее значения оценки _{ } выходной переменной y и оценки _{ } вектора состояния x. Поведение модели корректируется за счет обратных связей по выходной ошибке: _{ } с помощью специального векторного воздействия наблюдателя _{ }.

Учитывая структуру наблюдателя, его модель можно преобразовать к модели вида:



где _{ }- матрица наблюдателя, определяющая его динамические свойства

G – матрица-столбец коэффициентов.

Для нахождения матрицы G используют формулу Аккермана:


где _{ } - матричный полином, образованный путем использования коэффициентов желаемого характеристического уравнения наблюдателя _{ }Для этого выберем желаемое время переходного процесса наблюдателя, оно берется приблизительно в 5 раз меньше желаемого время переходного процесса объекта: _{ }. Наблюдатель имеет тот же порядок, что и объект, следовательно _{ }.



Подставляя значения, получаем:





Используя полученные матрицы составляется схема системы регулирования с модальным регулятором и наблюдателем:





Анализируя полученный график переходного процесса, можно сказать, что система устанавливается без перерегулирования за 0,8 секунд. Таким образом показатели качества регулирования системы не изменились, а также стало возможным контролировать все переменные состояния системы.

Проверим систему на устойчивость возмущениям. Для этого добавим возмущения в схему и представим объект управления в виде колебательного, апериодического, интегрирующего и пропорционального звеньев:







При подаче возмущений на первой секунде на устоявшийся процесс, система возмущается и стабилизируется за время 0,4 сек с перерегулированием равным 0,001, что можно принять процесс без перерегулирования. Однако, несмотря на интегрирующее звено прямой цепи, возникает статическая ошибка равная 0,02. Так как технологический процесс данного оборудования требует четкого поддержания определенного уровня давления газа, статическая ошибка системы недопустима. Для ликвидации статической ошибки проведем синтез астатического модального регулятора.

Астатический модальный регулятор отличается повышенным порядком, то есть порядок регулятора равен для данной системы пяти. Создаются расширенные матрицы регулятора путем добавления в них новых строк и столбцов. Таким образом матрицы астатического модального регулятора равны:





Матрица коэффициентов обратных связей так же увеличилась на один неизвестный элемент, который необходимо найти. Для этого выберем желаемое время переходного процесса и рассчитаем радиус распределения корней полинома. Желаемое время переходного процесса примем такое же как у объекта управления: _{ }. Так как астатический модальный регулятор имеет более высокий порядок, время переходного процесса при _{ } Тогда _{ }.

Используем биномиальный полином пятого порядка. Он имеет вид:



Таким образом, формула для нахождения матрицы коэффициентов обратной связи астатического модального регулятора равна:





Таким образом, получаем матрицу коэффициентов обратных связей астатического модального регулятора:



Несмотря на то, что порядок астатического модального регулятора повышен, а значит увеличилось число полюсов, наблюдатель остается того же порядка, что и был, поскольку появившееся состояние отражает поведение самого регулятора, которое нас не интересует в данной задаче.

Составляем получившуюся схему в пакете Matlab:







Очевидно, система реагирует на возмущения, возникающие на 1ой секунде, и регулируется на установившееся значение с незначительным перерегулированием за время в 0,35 секунд. Статическая ошибка при данном методе регулирования отсутствует.

Выводы

В выпускной квалификационной работе был проведен анализ оборудования для создания пустотелых лопастей, а именно пресса сверхпластичной формовки FSP 160T по технической документации.

Рассмотрен весь технологический процесс создания лопастей, на исследуемой печи технологический процесс рассмотрен более детально.

Изучена структура и архитектура управления печью, её подсистемы. Детально изучена система управления подачей газа.

Газораспределительная система состоит из насоса, камеры печи, датчика обратной связи по давлению и регулятора. Насос представляет из себя асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, его можно представить в виде колебательного звена. Камера печи является объектом управления и представляет из себя произведение апериодического и интегрирующего звеньев. Датчик обратной связи является пропорциональным звеном. В технической документации отсутствовали сведения о регуляторе газораспределительной системы, поэтому была поставлена задача его синтезирования.

В качестве регулятора был выбран статический модальный регулятор или полный регулятор. Проведя его синтез и последующий анализ были сделаны выводы, что, во-первых, система получила показатели качества (время переходного процесса равное 0,8 секунд без перерегулирования), однако, во-вторых, система, справившись с возмущениями, приобретает статическую ошибку.

Для ее ликвидации составленный модальный регулятор был преобразован и создан астатический модальный регулятор, показатели качества которого устраивают заданным показателям качества.