Исследование и разработка системы стабилизации нагрузок электропривода резания проходческого комбайна
На правах рукописи
МЕЩЕРИНА ЮЛИЯ АЛЬБЕРТОВНА ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ НАГРУЗОК ЭЛЕКТРОПРИВОДА РЕЗАНИЯ ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово – 2009 2
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Пугачев Емельян Васильевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Каширских Вениамин Георгиевич кандидат технических наук Высоцкий Василий Павлович Ведущая организация – ОАО «ОУК «ЮжКузбассуголь»
Защита состоится «05» марта 2009 г. в 15 часов на заседании диссерта ционного совета Д 212.102.01 Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный тех нический университет» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Факс (3842) 36-16-87.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного об разовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбас ский государственный технический университет».
Автореферат разослан «30» января 2009 года.
Ученый секретарь диссертационного совета А.Г. Захарова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Проходческие комбайны работают в сложных горно-геологических условиях с высокими динамическими нагрузками, превы шающими величину, принимаемую в расчётах на прочность, что существенно снижает надежность машины. За базовый объект в работе принят проходческий комбайн 1ГПКС со стреловидным исполнительным органом и радиальной рез цовой коронкой. Комбайн оснащен нерегулируемым главным приводом – элек троприводом резания на основе асинхронного короткозамкнутого электродви гателя с ручным управлением нагрузки за счет маломощного исполнительного привода – быстродействующего гидропривода, управляющего скоростью пода чи исполнительного органа. Важным требованием к системе регулирования нагрузок проходческого комбайна является необходимость предотвращения длительных перегрузок и «опрокидывания» электродвигателя, которое проис ходит за время 0,3 – 0,4 с, в зависимости от скорости подачи и жесткости пре пятствия при контакте исполнительного органа с твёрдым включением. В настоящее время на действующих и вновь разрабатываемых проходческих ком байнах отсутствуют средства регулирования и ограничения нагрузок электро привода резания, что является сдерживающим фактором повышения произво дительности, надёжности и долговечности этих машин.
Таким образом, задача исследования и разработки быстродействующей с формированием плавных переходных процессов системы стабилизации нагру зок электродвигателя привода резания исполнительного органа проходческого комбайна является весьма актуальной.
Цель работы. Совершенствование электропривода резания исполнитель ного органа проходческого комбайна для обеспечения стабилизации и ограни чения его нагрузок.
Идея работы заключается в новом подходе к алгоритмическому и про граммному обеспечению дискретных регуляторов управления током электро двигателя привода резания и скорости подачи исполнительного привода в со ставе программно-аппаратной микроконтроллерной системы управления, что позволит разработать систему стабилизации нагрузок электропривода резания проходческого комбайна.
Задачи диссертационной работы.
1. Установить функциональную зависимость усилия и скорости подачи от угла поворота исполнительного органа и усилий на штоках гидроцилиндров исполнительного привода проходческого комбайна, что позволит обосновать способ выравнивания нагрузки электропривода резания вдоль линии разруше ния поверхности забоя.
2. Разработать метод синтеза аналогового прототипа дискретного регуля тора на основе принципов разнотемповых процессов и инверсии;
алгоритм, ис ключающий накопление интегрирующей составляющей дискретного регулято ра в режиме ограничения его выходного сигнала, что позволит создать быстро действующую (в диапазоне 0,2 – 0,25 с) с плавными переходными процессами систему стабилизации нагрузок электропривода резания комбайна.
3. Разработать алгоритм формирования задания на токи уставок электро привода резания в зависимости от крепости горной породы для стабилизации и ограничения нагрузок электродвигателя, технические требования к проектиро ванию и методику определения параметров системы управления.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Зависимости скорости и усилия подачи от угла поворота стрелы и поло жения плунжера золотникового распределителя характеризуют степень влия ния конструктивных факторов на нагрузку электропривода резания исполни тельного органа.
2. Выбор в качестве эталонного характеристического уравнения переда точной функции системы управления – многочлена второго порядка – опреде ляет функциональную зависимость параметров передаточной функции регуля тора от параметров объекта управления для обеспечения желаемых процессов в электроприводе резания.
3. Разработанный метод синтеза регуляторов на принципах разнотемповых процессов и инверсии выполнен на основе желаемой передаточной функции подсистемы медленных процессов объекта управления. Введение больших кор ней в характеристический полином передаточной функции регулятора обеспе чивает его физическую реализуемость без применения операции дифференци рования входного сигнала.
4. Разработанный алгоритм, исключающий накопление интегрирующей составляющей дискретного регулятора в зоне ограничения его выходного сиг нала, обеспечивает создание высокоэффективной системы управления электро приводом резания исполнительного органа проходческого комбайна.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработан нелинейный корректирующий алгоритм для обеспечения синтеза регулятора скорости подачи, отличающийся тем, что позволяет обосно вать способ выравнивания нагрузки электропривода резания исполнительного органа вдоль линии разрушения поверхности забоя.
2. Установлена функциональная связь параметров передаточной функции регулятора с параметрами объекта управления за счет выбора характеристиче ского уравнения второго порядка в качестве эталона синтезируемой системы управления, что обеспечивает желаемые динамические процессы в электропри воде резания проходческого комбайна.
3. Разработан метод синтеза регулятора, отличающийся тем, что выполнен на основе эталонной передаточной функции подсистемы медленных процессов объекта управления, а введение больших корней в характеристический поли ном передаточной функции регулятора позволяет получить его физическую ре ализуемость в случае, когда порядок полинома числителя больше порядка по линома знаменателя.
4. Разработан алгоритм управления, отличающийся тем, что исключает накопление выходного сигнала дискретного астатического регулятора в режиме его ограничения в контуре скорости подачи.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается следующими критериями:
корректностью постановки задач;
использованием традиционных математических методов;
модельными компьютерными исследованиями системы, состоящей из компенсирующей нелинейной функции, реализуемой в алгоритме коррекции, и модели нелинейного объекта управления, обеспечивающей линеаризацию ре зультирующей передаточной функции;
сходимостью результатов вычислительного эксперимента с использованием регуляторов, синтезированных по упрощенным моделям, с результатами компью терного моделирования на полной комплексной модели объекта управления;
использованием надежного программного симулятора микроконтролле ра интегрированной среды Microchip IDE в сочетании с компилятором Си для программирования и отладки программы системы стабилизации нагрузок при проведении модельных исследований.
Личный вклад автора заключается в следующем.
1. В формировании нелинейного корректирующего алгоритма в программ но-аппаратной микроконтроллерной системе управления исполнительным при водом, что позволяет обосновать способ выравнивания нагрузки электроприво да резания исполнительного органа проходческого комбайна.
2. В обосновании выбора передаточной функции второго порядка в каче стве эталона синтезируемой системы управления, что обеспечит функциональ ную связь параметров объекта управления с параметрами передаточной функ ции регулятора для получения желаемых процессов в электроприводе резания.
3. В разработке метода синтеза регулятора на принципах разнотемповых процессов и инверсии, выполненного на основе желаемой передаточной функ ции медленной подсистемы объекта управления, что позволяет формировать плавные переходные процессы и обеспечивать требуемое быстродействие элек тропривода резания, ограниченное только допустимыми характеристиками управляющих и исполнительных устройств. Введение в характеристический по лином передаточной функции регулятора компонент с быстрыми процессами обеспечивает его физическую реализуемость без применения чувствительной к помехам и ошибкам измерения операции дифференцирования входного сигнала.
4. В разработке алгоритма управления, исключающего накопление выход ного сигнала дискретного астатического регулятора в зоне его ограничения и программно-реализуемого алгоритма формирования задания на токи уставок электродвигателя, что позволяет эффективно управлять режимами работы элек тропривода резания и идентифицировать крепость горных пород.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные ре зультаты могут быть использованы при проектировании систем управления:
разработке устройства для выравнивания нагрузки электропривода реза ния исполнительного органа вдоль линии разрушения поверхности забоя;
совершенствовании метода синтеза аналоговых прототипов дискретных регуляторов многоконтурных систем управления, обеспечивающего формиро вание быстродействующих плавных переходных процессов с нулевой устано вившейся ошибкой движения, слабочувствительных (робастных) к изменению параметров системы стабилизации нагрузок электропривода резания;
разработке алгоритма управления, исключающего накопление интегри рующей составляющей дискретного регулятора и его программное обеспече ние, что позволит создать новое поколение систем управления электроприво дом резания проходческого комбайна;
разработке технических требований к проектированию, методики опре деления параметров системы автоматической стабилизации и ограничения нагрузок электродвигателя для создания регуляторов нагрузки в системах управления электроприводом резания современных проходческих комбайнов.
Реализация результатов работы. Получено решение о выдаче патента на изобретение «Устройство для управления стреловидным исполнительным ор ганом горного комбайна» по заявке № 2007130270/03(032981) от 07.08.2007.
Предложенные метод синтеза регуляторов систем управления с медленными и быстрыми процессами и шестнадцатеричный код программы системы стабили зации нагрузок электропривода резания исполнительного органа проходческого комбайна» для прошивки микроконтроллера переданы ООО Научно производственной фирме «ИНТЕХСИБ» для проектирования и выпуска изде лий. Система стабилизации нагрузок проходческого комбайна удостоена ди плома и «Золотой медали» на Международной выставке-ярмарке «Уголь Рос сии и Майнинг 2008». Научные результаты и практические рекомендации ис пользуются в учебном процессе ГОУ ВПО «СибГИУ» при обучении студентов по специальности 140601 – Электромеханика.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Системы и средства автоматизации», г. Новокузнецк, 1998 г., ежегодных Международ ных научно-практических конференциях «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов», проводимых ЗАО «Кузбасская ярмар ка» совместно с Сибирским государственным индустриальным университетом (г. Новокузнецк) в период с 2003 г. по 2004 г. и с 2006 г. по 2008 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано во семь печатных работ, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, библиографического списка из 99 наименований и ше сти приложений. Содержит 140 страниц машинописного текста, пять таблиц, рисунков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение посвящено общей характеристике работы, обоснованию акту альности темы, постановке цели и задач исследования.
В первом разделе обобщены результаты анализа условий эксплуатации про ходческих комбайнов на шахтах Кузбасса, процесса формирования нагрузок, средств их стабилизации и ограничения. На процесс формирования динамических нагрузок в электроприводе резания исполнительного органа, как показали исследо вания проф. В.А. Бреннера, член-корр. А.В. Докукина, проф. А.Б. Логова, А.Н. Коршунова, Ю.Д. Красникова, В.И. Нестерова, П.П. Палева, В.И. Солода и др., существенное влияние оказывают условия эксплуатации. Эти условия опреде ляются тем, что значительное число пластов в Кузбассе содержат крепкие и вязкие угли с одним – двумя, а иногда и более породными прослойками, мощностью 0,1 – 0,15 м, сложенными, в основном, аргиллитом, редко – алевролитом или песча ником с коэффициентом по шкале проф. М.М. Протодьяконова f = 2 – 5. Значи тельное влияние на надёжность и производительность проходческих комбайнов оказывает засоренность пластов твёрдыми включениями. Анализ распределения отказов по основным механизмам проходческих комбайнов (данные КузНИУИ) показал, что от 18,7 до 41,5 % отказов приходится на электропривод резания испол нительного органа, а среднее время их устранения зачастую превышает время устранения отказов по комбайну. Так, для комбайнов типа ГПК коэффициент го товности составлял 0,808. Наработка на отказ электропривода резания при разру шении угольных пластов с твёрдыми включениями низка и не превышает двух ме сяцев при трёхсменном режиме работы, в течение которых возникает до 1000 «сто порений» исполнительного органа, что приводит к интенсивному износу и появле нию повреждений.
Анализ существующих способов и средств показал, что имеется потребность в эффективных устройствах и системах регулирования и ограничения нагрузок электропривода резания исполнительного органа проходческого комбайна, а так же в методах синтеза быстродействующих систем управления, формирующих плавные переходные процессы.
Во втором разделе установлены нелинейные зависимости скорости и усилия подачи исполнительного органа от усилия на штоке гидроцилиндра – ГЦ и угла поворота стрелы, причиной которых является кинематическая схе ма преобразования линейной скорости перемещения штоков (VШТ ) гидроци линдров исполнительного привода в угловую скорость (П ) подачи стрелы.
Для обоснования способа выравнивания нагрузки электропривода резания вдоль линии разрушения поверхности забоя, предложено использовать в ис полнительном приводе подачи управляющее устройство – электрогидравличе ский усилитель – ЭГУ, который состоит из электромеханического преобразова теля – ЭМП, гидроусилителя типа «сопло – заслонка» – ГУ и золотникового распределителя – ЗР. Разработан алгоритм коррекции, компенсирующий функ цию нелинейной составляющей объекта управления – исполнительного приво да подачи, приведенный в выражении 1:
K K1 K K 2 cos( m ) YЛПP () xЗ, (1) K K3 sin( m ) (SП SШТ )х З А Л OГ K K1 R m (А ЛОГ )2 ;
K K2 2(R m АЛОГ ) ;
K K где ;
x ЗM АЛOГ, Rm – соответственно расстояние от центра крепления опор гидроцилиндра до оси вращения турели и радиус турели;
SП, SШТ – соответственно площади поршневой и штоковой полостей гидроцилиндра.
Результаты компьютерного моделирования приведены на рисунке 1, на котором кривая 1 соответствует скорости подачи исходной системы управле ния, кривая 2 – компенсирующему воздействию, а кривая 3 – скорости подачи системы управления с использованием алгоритма коррекции.
V, м/c Рисунок 1 – Зависимость скорости подачи от угла поворота исполнительного органа Включение в алгоритм управления исполнительного привода подачи кор ректирующей функциональной зависимости, компенсирующей нелинейность преобразования линейной скорости перемещения штока VШТ гидроцилиндров в угловую скорость П поворота турели, обеспечило программную линеаризацию физических нелинейностей передаточных функций объекта управления и син тез регулятора скорости подачи. Это позволило выровнять нагрузку электро привода резания вдоль линии разрушения поверхности забоя и получить прак тически одинаковые характеристики во всем диапазоне изменения входных воздействий исполнительного привода подачи.
Третий раздел посвящён разработке математических моделей исполни тельного привода подачи и электромеханической системы «Асинхронный элек тродвигатель – исполнительный орган» электропривода резания. В системе стаби лизации нагрузок проходческого комбайна контур скорости подачи выполняет функцию управления нагрузкой, то есть поддержания на заданном уровне тока электродвигателя главного привода резания. Заданием для внутреннего контура (скорости подачи) служит выходной сигнал регулятора тока внешнего контура. На рисунке 2 приведена структурная схема модели объекта управления – исполни тельного привода подачи.
Для включения модели трёхфазного асинхронного электродвигателя в контур управления током и упрощения синтеза регулятора тока разработана модель однофазного аналога с вращающимся магнитным полем. Модель одно фазного аналога асинхронного электродвигателя получена за счет суммиро вания магнитных потоков трёх фаз обмоток статора с учетом фазового сдвига во времени и пространстве. Это позволило получить результирующий вра щающийся в пространстве модуль магнитного потока и дало возможность представить трёхфазный асинхронный электродвигатель эквивалентной од нофазной моделью.
Структурная схема электромеханической системы электропривода резания с учетом двухмассовой механической подсистемы приведена на рисунке 3.
ШИМ – широтно-импульсный модулятор;
, UЭ, UПШ – соответственно коэффициент заполнения импульсов, выходное напряжение и напряжение питания ШИМ;
hЭ, – выход ЭМП и вход ГУ;
ХЗ – смещение плунжера ЗР от нейтрального положения;
ТГУ, ТДР, постоянные времени ГУ, ГЦ и ЗР;
ДР – коэффициент демпфирования ГЦ и ЗР;
КЭМП, КVX, КГУ – коэффициенты преобразования ЭМП, ГЦ и ЗР, усиления ГУ Рисунок 2 – Структурная схема модели объекта управления – исполнительного привода подачи R1, TЭ, p1, m1, 1, S, M, J1, R2 – сопротивление обмотки статора, эквивалентная электромагнитная постоянная времени, количество пар полюсов и фаз обмотки статора, угловые скорости вращения ротора и магнитного поля, вращающий момент, момент инерции и активное сопротивление обмотки ротора электродвигателя;
М12, МС, 2 – динамический момент, момент нагрузки и угловая скорость вращения резцового инструмента, 12, с12 – соответственно коэффициенты демпфирования и жёсткости, J2 – момент инерции редуктора и резцового инструмента Рисунок 3 – Структурная схема модели электропривода резания Для установления соответствия разработанной математической модели «Асинхронный электродвигатель – исполнительный орган» реальному объекту, численные значения параметров электродвигателя ЭДКОФ – 43/4, редуктора и ис полнительного органа подставлены в передаточные функции звеньев, составляю щих структурную схему, приведённую на рисунке 3. Результаты математического моделирования приведены на рисунке 4, на котором кривые переходных процессов соответствуют току электродвигателя привода резания (кривая 1), угловой скорости вращения коронки исполнительного органа (кривая 2), приведённой к валу ротора электродвигателя, (кривая 3) угловой скорости вращения ротора электродвигателя.
Рисунок 4 – Кривые переходных процессов в электромеханической системе «Асинхронный электродвигатель – исполнительный орган» при отключённой системе стабилизации тока На осциллограмме (рисунок 4) отражены два режима работы электродвигате ля привода резания. Первый режим соответствует прямому пуску электродвигате ля на холостом ходу, откуда следует, что характер переходного процесса в каче ственном отношении соответствует реальному пуску электродвигателя, а в коли чественном отношении максимальное значение тока по кривой 1 соответствует паспортным данным для пускового тока этого электродвигателя: IП = 7,0 IН = А.
Второй режим характеризует приложение к резцовой коронке исполнительно го органа возмущающего воздействия МС в виде ступенчатой функции, в момент времени t = 0,5 с. Кривая 1 на рисунке 4 характеризует изменение тока электродви гателя при набросе нагрузки. В упругой двухмассовой системе (механическая под система электропривода резания) возбуждаются затухающие высокочастотные ко лебания, изображённые на кривой 2, которые соответствуют угловой скорости вращения ротора.
В четвертом разделе предложен метод синтеза системы управления с медленными и быстрыми процессами, основанный на использовании принципа полной и неявной инверсии, когда регулятор точно или с некоторым прибли жением воспроизводит передаточную функцию, обратную передаточной функ ции объекта управления. Для обеспечения физической реализуемости регуля тора в характеристический полином передаточной функции вводятся большие корни. Влияние этих корней на динамические характеристики невелико, так как переходные процессы, связанные с ними, быстро затухают, а небольшие иска жения вносятся только в начальный период переходного процесса. Эти процес сы в работе названы быстрыми. Для синтеза любого контура САУ, внутреннего или внешнего, предлагается эталонная передаточная функция второго порядка:
Y(p) K 22. (2) х(p) TP p 2Р TP p Преимуществом передаточной функции (2) перед эталонными более высоких порядков является функциональная связь параметров объекта управления с пара метрами регулятора и желаемыми процессами в системе. Процессы, описываемые выражением (2), в работе названы медленными. Задаваясь постоянной времени TР и коэффициентом демпфирования Р характеристического полинома передаточной функции (2), можно получить требуемое, допускаемое ограниченными параметра ми объекта и преобразователей, быстродействие и перерегулирование, а также плавные переходные процессы. Поскольку эталонная передаточная функция ис пользуется для любого внутреннего или внешнего контура, быстродействие и пере регулирование всех контуров получается одинаковым. Структурная схема системы стабилизации нагрузок главного электропривода приведена на рисунке 5, функцио нальная – на рисунке 6. Передаточные функции аналоговых регуляторов контуров скорости подачи (3) и тока электродвигателя (4) имеют соответственно вид:
TГУ Т д р p Tдр (Т др 2др Т ГУ )p (2др Т др Т ГУ )p 2 3 (p) WРС (p), (3) U ПШ k ЭМП K ГУ K vx (Tб p 1)(Т р p 2 2р Т p p) / R Э DPТ (p) где DРТ (p) – двоичный код регулятора тока;
(р) – коэффициент заполнения импульсов ШИМ;
изменяется в пределах –1 1;
(Tp2 p 2 2p Tp 1)(TЭ Т М p 2 TM p 1) WPT (p). (4) b1K З K ДТ (Т р p 2 2р Tр p)(Tб p 1) Аналоговые регуляторы скорости подачи исполнительного привода и тока асинхронного электродвигателя привода резания можно представить в обоб щённом виде следующей передаточной функцией (5):
Y(p) b n p n b n 1p n 1... b 2 p 2 b1p b, (5) a n p n a n 1p n 1... a 2 p 2 a1p Х(p) где Х, Y – вход и выход регулятора;
ai, bi – коэффициенты полиномов знаменателя и числителя.
В результате дискретизации передаточной функции регулятора, у которой порядок полинома числителя равен порядку полинома знаменателя, разработан алгоритм управления, представленный системой разностных уравнений (6):
X1( k ) X1( k 1) tX 2( k 1), X 2( k ) X 2( k 1) tX3( k 1), (6) X3( k ) X3( k 1) tX 4( k 1), …………………………………..
X(n 1)(k) X(n 1)(k 1) tXn(k 1), a a n 1 a a t)Xn(k 1) ( n 2 X(n 1)(k 1)... 1 X2(k 1) 0 X1(k 1) X) t.
Xn (k) ( an an an an an Уравнение (7) связывает выходной сигнал регулятора со всеми перемен ными состояния X i.
a n 1 a )X n (b n 2 b n n 2 )X n 1...
Y (b n 1 b n (7) an an a (b1 bn 1 )X 2 b0 X1 X).
an an Если ограничить только выходной сигнал астатического регулятора скоро сти подачи Y, то равенство (8) нарушается:
Y=YТЕК.
если Y YMАХ, то Y = YMАХ, где YТЕК, YMАХ – соответственно текущее и максимальное значения выходного сигнала регулятора.
При ограничении Y=YMАХ будет происходить процесс накопления сигнала интегрирующей составляющей регулятора, так как в соответствии с (7) переменные состояния Хi входят в Y с весовыми коэффициентами bi, а в соот ветствии с уравнениями (6), переменные состояния Хi продолжают изменяться.
Равенство (7) при ограничении Y нарушается, и имеет место накопление инте грирующей составляющей регулятора:
YМАХ bn Xnk bn 1Xn bn 2 Xn 1... b1X2 b0 X1. (8) Слагаемые в правой части неравенства (8) продолжают расти. Происходит накопление сигнала и ограниченный сигнал остаётся меньше сигнала суммы пра вой части уравнения (8), которое прекратится только в момент сравнения сигнала задания с сигналом обратной связи. После этого правая часть последнего неравен ства начнет уменьшаться, но некоторое время неравенство будет выполняться.
Чтобы исключить накопление выходного сигнала регулятора, необходимо огра ничить все переменные состояния согласно следующего алгоритма:
Y=YТЕК.
если Y YMАХ, то Xnk = Xnk,п, Xn = Xnп, Xn-1 = Xn-1,п … X1 = X1,n, где Xnk,п, Xnп,, Xn-1,п, … X1,n – значения переменных состояния на предыдущем интервале дискретизации.
YМАХ bn Xnk bn1Xn bn 2 Xn 1... b1X2 b0 X1. (9) Переходной процесс в контуре скорости подачи (контур управления нагрузкой электропривода резания) с регулятором без накопления сигнала по казан на рисунке 7 (кривая 1). Время разгона исполнительного привода подачи от нулевого значения до максимального с учётом алгоритма управления с ис ключением накопления составляет 0,06 с. Если же этот алгоритм не использо вать, то время увеличивается до 0,2 с (рисунок 7, кривая 2). Переходной про цесс сопровождается перерегулированием до 50 %.
Рисунок 5 – Структурная схема полной модели для объекта управления контура тока электродвигателя привода резания исполнительного органа проходческого комбайна с упрощённой моделью объекта управления контура скорости подачи Таким образом, разработанный алгоритм управления с исключением накоп ления интегрирующей составляющей дискретного регулятора в режиме ограниче ния его выходного сигнала обеспечивает требуемый по быстродействию и плав ности переходной процесс регулятора скорости подачи без превышения запаса мощности управляющих и исполнительных устройств. Работа электропривода резания определяется повторно-кратковременным режимом при ПВ = 40 % и временем цикла Т = 30 мин. Расчетный ток I Р соответствует допустимому нагреву электродвигателя в режиме ПВ и определяется из выражения (10):
IР k ПК I H (10), ПВ% где k ПК – коэффициент, учитывающий изменение мощности электродвига теля в зависимости от режима его работы;
k ПК = 0,85.
Диапазон изменения крепости угля и горных пород составляет f = 2 – 5, а твёрдых включений – f = 4,4 – 6,8 по шкале проф. М.М. Протодьяконова. В свя зи с этим уставки по току электродвигателя составляют: I 0,68 I H для крепо сти угля f = 2 при максимальной скорости подачи VП = 3,54 м/мин;
для крепо сти горной породы f = 3 уставка по току I IH ;
для более высокой крепости горной породы I IР 1,34 I H. Средний размер твёрдых включений примерно равен 0,35 м (линзо- и лепешковидные формы).
Рисунок 6 – Функциональная схема системы приводов исполнительного органа с управлением режимами работы проходческого комбайна При длине резцовой коронки LК 0,64 м, расположение резцов на ней, при общем количестве m = 30, пропорционально размеру твёрдого включения – 54,7 % (17 резцов) и части коронки, работающей по углю – 45,3 % (13 резцов).
Величина текущего значения тока I не должна превышать I Р, а скорость подачи при максимальной крепости твёрдого включения снижается до 0,46 м/мин. При контакте исполнительного органа с твёрдым включением по размерам, превы шающим его средние значения, скорость подачи падает практически до нуля. В этом случае целесообразно произвести форсировку тока до значения 1,5 I Н в те чение 120 с. Если и это условие не помогает, то автоматически выполняется от вод исполнительного органа из зоны перегрузки, с последующей окаймляющей выборкой твёрдого включения.
Рисунок 7 – Переходные процессы исполнительного привода подачи при ступенчатом управляющем воздействии Как отмечалось ранее, синтез регуляторов скорости подачи исполнительного привода и тока электродвигателя привода резания выполнен по упрощенным моде лям объектов управления. Это позволило выполнить предварительный анализ соот ветствия результатов компьютерного моделирования процессов – реальным, кото рое составило 6,3 %, при исследовании переходных процессов полных моделей объектов управления. На рисунке 8 показаны переходные процессы электроприво да резания при набросе нагрузки, в момент времени t = 0,6 с. Компьютерное моде лирование системы приводов проходческого комбайна с системой стабилизации и ограничения нагрузок на полной модели объекта управления установило, что пока затели качества переходных процессов имеют следующие количественные оценки:
быстродействие системы по току электродвигателя привода резания не превышает 0,2 с;
перерегулирование отсутствует, поскольку = 1, то переходной процесс плавный. Полученные результаты по компьютерному моделированию позволи ли разработать технические требования к проектированию и методику опреде ления параметров системы стабилизации нагрузок. Это позволяет предотвра щать «опрокидывание» асинхронного электродвигателя привода резания при контакте исполнительного органа с твёрдым включением, что расширяет функ циональные возможности проходческого комбайна в условиях действия нагру зок, превышающих предельно допустимые. Плавность переходных процессов обеспечит, при наложенных ограничениях, максимум производительности, по вышение надежности и долговечности проходческого комбайна.
Рисунок 8 – Переходные процессы по току, угловой скорости вращения ротора электродвигателя привода резания и скорости подачи исполнительного привода проходческого комбайна ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на осно вании выполненных автором исследований дано решение актуальной задачи, име ющей важное теоретическое и практическое значение для повышения эффективно сти проведения подготовительных выработок на угольных шахтах Кузбасса.
Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему.
1. Установлены нелинейные функциональные зависимости скорости и усилия подачи исполнительного привода от угла поворота стрелы и усилий на штоках гидро цилиндров, используемые для алгоритмической линеаризации передаточных функций объекта управления – контура скорости подачи исполнительного органа и формиро вания алгоритма коррекции, обеспечивающего выравнивание нагрузки электроприво да резания вдоль линии разрушения поверхности забоя. Снижение усилия подачи от центра к борту выработки не превышает 5 – 8 % при применении устройства для вы равнивания нагрузок электропривода резания.
2. Разработана комплексная нелинейная модель приводов исполнительного органа, состоящая из моделей исполнительного привода подачи и электромеха нической системы «Асинхронный электродвигатель – исполнительный орган», с включением в ее состав модели эквивалентного однофазного асинхронного электродвигателя с вращающимся магнитным полем. Анализ результатов ком пьютерного моделирования работы однофазного аналога подтвердил адекват ность процессов: по пусковому режиму IП = 7,0 IН = 460 А, что соответствует паспортным данным;
по режиму наброса нагрузки (быстродействие и перерегули рование в модели и реальном электродвигателе не превышает 10 %).
3. Разработан метод синтеза систем управления с медленными и быстрыми процессами, в которых подсистема медленных процессов обеспечивает синтез мно гоконтурных систем управления с требуемыми переходными и установившимися процессами и одинаковым быстродействием как внутренних, так и внешних кон туров. Это достигается использованием в качестве эталонной – передаточной функции второго порядка, отличающейся тем, что устанавливается функциональ ная зависимость параметров передаточной функции регулятора от параметров объ екта управления для получения заданных показателей качества процесса регулиро вания. Быстрые процессы обеспечивают физическую реализуемость регуляторов.
4. Разработан метод синтеза аналоговых прототипов дискретных регулято ров на основе принципов разнотемповых процессов и инверсии, что обеспечи вает создание быстродействующих многоконтурных систем управления с плав ными переходными процессами и нулевой установившейся ошибкой движения.
5. Сформирована модель звена «Исполнительный орган – забой», позволив шая разработать структурную схему системы управления во взаимосвязи контуров скорости подачи и регулирования тока электродвигателя привода резания.
6. Разработан алгоритм управления с исключением накопления дискретного астатического регулятора в режиме ограничения его выходного сигнала. С целью обеспечения желаемого переходного процесса в контуре скорости подачи требу ется выполнить ограничения для двух управляющих устройств. Это ШИМ, напряжение на выходе которого изменяется до 170 В, что в 34 раза превышает UН обмотки управления ЭМП. Одновременное ограничение максимального напря жения ШИМ до 15 В и применение алгоритма, исключающего накопление инте грирующей составляющей регулятора, позволяет получить плавность переходного процесса и требуемое быстродействие – 0,06 с. Вторым устройством является плунжер реверсивного золотникового распределителя ЭГУ, ход которого требует ся ограничить на 20 % для обеспечения линейности характеристики и требуе мого быстродействия, исходя из запаса мощности управляющего устройства.
7. Разработан алгоритм автоматического задания на токи уставок электро двигателя привода резания при изменении крепости горной породы с выделе нием «защитных» зон, исключающих кратковременный выброс помех. Токи уставок электродвигателя выбраны для крепости горной породы f = I 0,68 IН;
f = 3 I = IН;
для f 3 I = 1,34 IН. При средней крепости горной породы f 5, осуществляется форсировка тока до 1,5 I Н в течение 120 с, если это условие не помогает, то производится отвод исполнительного органа из зоны перегрузки.
8. Сформированы переходные и установившиеся процессы с заданными показа телями быстродействия, которое составило 0,2 с, точности и перерегулирования, сла бочувствительные (робастные) к изменению параметров системы стабилизации нагру зок электропривода резания, что позволило получить при наложенных ограничениях максимум производительности, повышение надёжности и долговечности проходче ского комбайна в условиях действия нагрузок, превышающих предельно допустимые.
9. Установлено соответствие данных вычислительного эксперимента с исполь зованием регуляторов, синтезированных по упрощённым моделям (желаемым пере даточным функциям второго порядка), с результатами компьютерного моделирова ния на полной комплексной модели объекта управления, которое составляет 6,3 %.
10. Разработаны исходный текст и шестнадцатеричный код программы си стемы стабилизации нагрузок электропривода резания стреловидного исполни тельного органа проходческого комбайна для прошивки микроконтроллера.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Мещерина, Ю.А. Влияние углов поворота на скорость перемещения стрело видного исполнительного органа проходческого комбайна [Текст] / Ю.А. Мещерина // Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых: межд. науч. техн. сб.;
СибГИУ. – Новокузнецк, 2005. – Вып. 7. – С. 175 – 181.
2. Мещерина, Ю.А. Однофазная модель электромагнитных процессов трех фазного асинхронного электродвигателя [Текст] / Ю.А. Мещерина // Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: cб. науч. статей.
межд. науч.-практ. конф.;
СибГИУ. – Новокузнецк, 2008. – С. 215 – 220.
3. Мещерина, Ю.А. Метод синтеза систем с заданными переходными и установившимися процессами [Текст] / Ю.А. Мещерина // Наукоёмкие техно логии разработки и использования минеральных ресурсов: cб. науч. статей межд. науч.-практ. конф.;
СибГИУ. – Новокузнецк, 2008. – С. 210 – 215.
4. Мещерина Ю.А. Стабилизация мощности подачи стреловидного испол нительного органа проходческого комбайна [Текст] / Ю.А. Мещерина // Техни ка и технология разработки месторождений полезных ископаемых: межд. науч. техн. сб.;
СибГИУ. – Новокузнецк, 2005. – Вып. 7. – С. 156 – 161.
5. Мещерина, Ю.А. Микроконтроллерная система управления режимами работы исполнительного органа проходческого комбайна [Текст] / Ю.А. Меще рина, Е.В. Пугачев // Горный информационно-аналитический бюллетень;
МГГУ. – М.: 2008. – № 10. – С. 87 – 94.
6. Мещерина, Ю.А. Алгоритмическая компенсация нелинейной зависимо сти усилия подачи от угла поворота исполнительного органа проходческого комбайна [Текст] / Ю.А. Мещерина // Горный информационно-аналитический бюллетень;
МГГУ. – М.: 2008. – № 10. – С. 95 – 98.
7. Герике, Б.Л. Формирование нагрузки в приводе подачи стреловидного исполнительного органа проходческого комбайна при его повороте в горизон тальной плоскости [Текст] / Б.Л. Герике, Ю.А. Мещерина // Вестник Кузбасc.
гос. техн. ун-та. – Кемерово: КузГТУ, 2005. – № 2. – С. 98 – 100.
8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008615816 «Микроконтроллерная управляющая система стабилизации нагрузок электропривода резания исполнительного органа проходческого ком байна» по заявке № 2008614798 от 21.10.2008 г., зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 05.12.2008 г. [Текст] / П.Н. Кунинин, А.Т. Мещерин, Ю.А. Мещерина // Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. – М.: 2008.
Подписано в печать 22.01.2009г.
Формат бумаги 60х84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная.
Ус. печ. л. 1,05. Уч.-изд. л. 1,17. Тираж 100 экз. Заказ № ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» 654007, г.Новокузнецк, ул. Кирова, 42.
Типография СибГИУ.