Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Технико-экономические предпосылки автоматизации процесса регулирования нагрузки шнекових буровых машин большого диаметра 10
1.2. Краткий обзор существующих систем автоматического управления и регулирования процессов бурения 17
1.3. Объект и задачи исследования 23
Глава 2. Динамические свойства шнековои буровой машины большого диаметра как объекта регулирования 29
2.1. Общие динамические свойства и выбор метода идентификации объекта 29
2.2. Уравнения движения бурового органа в забое 36
2.3. Экспериментальные исследования сигнала тока двигателя 46
2.4. Оценка коэффициентов дифференциальных уравнений объекта 49
2.5. Оценка адекватности математической модели буровой машины, анализ ее основных особенностей 58
Глава 3. Синтез автоматического регулятора нагрузки електропривода буровой машины 61
3.1. Основные требования к системе регулирования. Выбор и обоснование структуры автоматического регулятора нагрузки 61
3.2. Аналитическое исследование системы регулирования нагрузки в частотной области 69
3.3. Математическое моделирование системы регулирования нагрузки на ЭВМ 81
Глава 4. Техншеская реализация автоматического регулятора нагрузки электропривода буровой машины 93
4.1. Функциональная схема автоматического регулятора 93
4.2. Разработка информационных и усилительно-преобразующих элементов автоматического регулятора 95
4.3. Исследование автоматического регулятора с время-импульсным преобразователем на ЭВМ НО
4.4. Конструктивное исполнение автоматического регулятора 113
Глава 5. Производственные испытания автоматического регулятора нагрузки электропривода буровой машины 117
5.1. Цель и условия проведения производственных испытаний 117
5.2. Результаты производственных испытаний 118
5.3. Технико-экономическая эффективность проведенных исследований 122
Заключение 126
Литература 129
Приложение 139
- Краткий обзор существующих систем автоматического управления и регулирования процессов бурения
- Оценка адекватности математической модели буровой машины, анализ ее основных особенностей
- Аналитическое исследование системы регулирования нагрузки в частотной области
- Разработка информационных и усилительно-преобразующих элементов автоматического регулятора
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года предусмотрено "... Повысить эффективность капитального строительства, последовательно осуществлять его индустриализацию, обеспечить качественное совершенствование основных фондов, более быстрый ввод в действие и1 освоение производственных- мощностей, ускорить ре -конструкцию действующих предприятий." [I]
В материалах ноябрьского (1982 года) Пленума ЦК КПСС особо отмечалась необходимость повышения эффективности капитальных вложений в строительное производство/27.
В решении крупномасштабных задач, поставленных перед строительным производством, важное место принадлежит совершенствованию технологии и механизации работ по возведению оснований и
фундаментов промышленных и гражданских объектов, продолжительность которых составляет до 20$ от общей продолжительности строительства.
Одним из наиболее перспективных видов фундаментов промышленных и гражданских объектов являются буронабивные сваи, которые представляют собой монолитные железобетонные опоры, выпол -ненные в скважинах большого диаметра, пробуренных в грунте.
Применение буронабивных свай позволяет сократить объем земляных работ на 70...8С$, бетонных - на 35...4С$, трудозатраты -в 2...2,5 раза, общую сметную стоимость работ нулевого цикла на 50...6($/~37.
Высокую эффективность применения буронабивных свай подтверждает и богатый опыт зарубежных промншленно развитых стран /47.
Учитывая актуальность и большое народнохозяйственное значение решения проблемы скорейшего внедрения прогрессивных типов
5 фундаментов в строительное производство, в 1980 году постановлением Совета Министров СССР при Минтяжстрое СССР было создано специализированное Научно-производственное объединение фундамен-тостроя (ШО "Союзспецфундаменттяжстрой"), основными задачами которого являются разработка и совершенствование технологии, создание средств комплексной механизации и автоматизации работ по устройству оснований и фундаментов.
Наиболее трудоемкой операцией в технологическом процессе -устройства буронабивннх свай является проходка скважин большого диаметра. Долгое время широкое внедрение буронабивннх свайных фундаментов сдерживалось отсутствием отечественных буровых машин
большого диаметра, предназначенных для работы в разнообразных
грунтовых условиях. В последние годы в результате научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проведенных в Красноярском филиале ВНИИ "Стройдормаш", в проектно-конструкторском отделе института "Гидропроект" им. С.Я.Жука, в центральном научно-исследовательском институте строительства, в Научно-исследовательской лаборатории строительного производства при Карагандинском политехническом институте, в НПО "Союзспецфундаменттяж-строй" и в других организациях создан и внедрен в производство ряд машин, предназначенных для бурения скважин под буронабивные сваи. Среди них наибольшее распространение получили буровые машины СО-2, C0-I200, МБС-1,7, БУК-600, CAC-I200, БС0-І, БМ-І500, БМ-2000/~3...77. Тем самым созданы предпосылки для широкого внедрения в строительное производство буронабивннх свайных фундаментов и. создания средств комплексной механизации работ нулевого цикла.
Однако опыт эксплуатации буровых машин большого диаметра показывает, что их реальная производительность на 30...40$ ниже тех показателей, которые обусловлены их техническими возможное-
тями. Это объясняется главным образом сложностью ручного регулирования режимов бурения грунтов изменяющейся прочности с целью достижения надежной и высокопроизводительной работы бурового оборудования в различных условиях. Так анализ диаграмм нагрузки привода вращателя шнековых буровых машин, которые в настоящее время наиболее широко применяются при устройстве буро-набивных свай, показывает, что средняя мощность привода составляет 60...7($ от установленной и в то же время наблюдаются час -не случаи его опрокидывания 57. Это обусловлено в первую очередь высокой динамичностью нагрузок, вызванных изменчивостью прочностных свойств буримых грунтов.
Таким образом, дальнейшее совершенствование технологического процесса устройства буронабивных свай требует решения вопросов повышения эффективности использования буровых машин для проходки скважин большого диаметра. Естественным путем повышения эффективности работы рассматриваемых средств механизации в строительном производстве является их автоматизация и в первую очередь автоматизация режимов работы привода вращателя рабочего органа, определяющего эффективность основной операции в технологическом процессе бурения - разрушение грунта и удаление буровой мелочи.
В связи с этим возникает научно-техническая задача автоматического регулирования нагрузки привода вращателя рабочего органа буровой машины большого диаметра, решение которой вскрывает важные резервы интенсификации технологического процесса устройства буронабивных свайных фундаментов.
На основе изложенного целью настоящей работы является разработка и практическая реализация системы автоматического регулирования нагрузки привода вращателя шнековой буровой машины
большого диаметра, обеспечивающей повышение технической и эксп-
луатационной производительности бурения, улучшение условий труда обслуживающего персонала и обладающей высокими показателями качества процесса регулирования в широком диапазоне-изменения свойств буримых грунтов,
В соответствии с поставленной целью в работе проведен анализ существующих систем и средств автоматического регулирования буровых машин различного назначения и используемых как в строительстве, так в других отраслях народного хозяйства - горнодобывающей, геологоразведочной; выбран объект исследования, согласно которому сформулирована основная идея и конкретные задачи исследования (глава первая).
Во второй главе исследована динамика объекта автоматизации, установлены его основные особенности, каналы и характер возмущающего воздействия. При этом использован комбинированный подход, когда структура динамической модели устанавливалась аналитически из уравнений движения бурового органа, а неизвестные параметры оценивались в ходе экспериментально-статистических исследований.
В третьей главе сформулированы и обоснованы основные требования к системе автоматического регулирования нагрузки привода шнековой буровой машины большого диаметра, проведен синтез ее структуры и установлены параметры, обеспечивающие заданные показатели качества САР. Исследование движения замкнутой системы проводилось как в частотной так и во временной областях с использованием методов гармонической линеаризации и моделирования на ЭВМ.
В четвертой главе представлены результаты технической реализации синтезированного регулятора на базе современных средств интегральной микроэлектроники и гидроавтоматики, исследованы
динамические свойства системы автоматического регулирования с учетом реальных характеристик элементов регулятора.
Производственные испытания автоматических регуляторов, проведенные на испытательном полигоне НПО "Союзспецфундаменттяжстрой", подтвердили работоспособность и технико-экономическую эффективность системы автоматического регулирования нагрузки электропривода применительно к шнековой буровой машине БУК-600 (глава пятая).
К защите представляются следующие основные положения:
математическая модель шнековой буровой машины большого диаметра как объекта автоматического регулирования;
структура автоматического регулятора и методика установления его параметров, обеспечивающих высокое качество регулирования нагрузки при бурении грунтов изменяющейся прочности;
функциональная схема автоматического регулятора с электрогидравлическим исполнительным механизмом, позволяющая реализовать принцип регулирования с переменной структурой.
Работа выполнена в НПО "Союзспецфундаменттяжстрой" и на кафедре автоматизации производственных процессов Карагандинского политехнического института.
Исследования проводились в соответствии с тематическим
планом НПО "Союзспецфундаменттяжстрой" и отраслевой программой И 0.55.18.235 Минтяжстроя СССР на I98I-I985 годы.
В результате исследований разработана техническая документация на опытную партию автоматических регуляторов, которая была изготовлена на Кемеровском опытном ремонтно-механическом заводе объединения "Союзспецтяжстрой" Минтяжстроя СССР.
Автоматические регуляторы после испытаний на полигоне НПО "Союзспецфундаменттяжстрой" в настоящее время внедряются в прои-
изводство на буровых машинах БУК-600, работающих на строительных объектах Минтяжстроя СССР,
Экономический эффект от внедрения автоматического регулятора на одной буровой машине класса БУК-600 составляет 8800 рублей в год.
Автоматический регулятор нагрузки экспонировался на тематической выставке "Автоматизация строительных, дорожных машин и оборудования", проводимой ВДНХ СССР в 1980 году и был отмечен бронзовой медалью.
Основные положения работы апробировались на областной научно-технической конференции молодых ученых и ^специалистов г.Караганды в 1982 году, на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Карагандинского политехнического института /І980-І983ГГ./, на секциях механизации НПО "Союзспецфундаменттяжстрой" /1980-1983гг./. По материалам исследований опубликовано 8 печатных работ и получено I авторское свидетельство на изобретение.
Работа выполнена на /^страницах и включает 24 страниц приложения, 37 рисунков и список используемой литературы 10j наименования.
Автор выражает благодарность кандидату технических наук, доценту В.В.Харченко за полезные советы и консультации по вопросам технологии.
Краткий обзор существующих систем автоматического управления и регулирования процессов бурения
Рассмотрим основные принципы построения систем автоматизации буровых машин. Начиная с 50-х годов, в связи с широким развитием открытых горных работ, начаты исследования по автомати -зации буровых машин, предназначенных для бурения взрывных скважин на карьерах, В І959-І96ІГ.Г. в институте "Гипроуглеавтома-тизация" (ГУА) была разработана система автоматического управления станков шарошечного бурения типа БШ, СШ/І7/. Эти станки применяются при бурении крепких пород, где требуется глубокое регулирование скорости резания.
Система имеет два канала управления - осевое усилие и скорость вращения. Управление осевым усилием производится с помощью астатической системы стабилизации тока якоря двигателя вращателя, а скорость вращения регулируется в функции скорости бурения.
Основные недостатки системы ІУА/І8Д9/ заключаются в стабилизации тока якоря за счет изменения осевого усилия, что ведет к установлению малых значений осевого усилия при бурении пород, разрушение которых требует значительного крутящего момента, вследствие чего система оказывается неработоспособной при бурении перемежающихся пород. Система ГУА на протяжении ряда лет выпускалась серийно, однако широкого промышленного применения не нашла.
В 1961 году в Челябинском политехническом институте (ЧПИ) была разработана система управления, реализующая принцип минимальной себестоимости единицы длины скважины/207. Задача САУ заключается в оценке физико-механических свойств, в функции которых устанавливаются оптимальные значения угловой скорости и осевого усилия. Таким образом в системе обеспечивается инвариантность экстремальных значений критерия относительно вариаций свойств пород. Система успешно прошла комплекс промышленных испытаний на станках 2СБШ-200. Свойства буримых пород в рассматриваемой системе оценивались по величине устанавливающегося осевого усилия на забой, равного при соответствующей настройке оптимальному значению для каждой породы.
Научно-исследовательский институт открытых горных работ (ЕНИИОГР) (гЛеляюинск) совместно с Северо-Кавказским филиалом ВНЙКй Цветметавтоматики ввели усовершенствование в системы ТУ к и ЧЕЙ и получили достаточно эффективные системы для станков БСШ-ІМ, БСШ-2М и 2СШ-200/ 2і7. В данной системе осевое усилие устанавли-вается в функции физико-механических свойств забоя, а скорость вращения устанавливается из условия стабилизации тока якоря (нагрузки). Кроме того, в системе ЕНИИОГР физико-механические свойства породы оцениваются по устанавливающейся механической скорости бурения.
Перечисленные системы не получили широкого применения главным образом из-за сложности установления априорных моделей, используемых при реализации функциональных зависимостей, а также отсутствия информации о величине затупления бурового инструмента, что снижает эффективность управления.
Другой принцип управления был реализован в системе, разработанной в ИГД АН Каз.ССР/227. Система имеет канал управления усилием подачи, содержащий датчики сигналов скорости и усилия подачи, а также их производных, и канал управления скоростью вращения, имеющий функциональный преобразователь и регулируемый привод вращения. Для поиска оптимального значения усилия подачи задается уставка, которая сравнивается со значением частной производной скорости подачи по усилию подачи. Функциональный преобразователь канала регулирования скорости вращения связан с каналом усилия подачи таким образом, что при увеличении усилия подачи формируемый им сигнал приводит к уменьшению скорости вращения. Недостатком системы является наличие блоков дифференцирования, снижающих ее помехоустойчивость. Совместно с системой применялся экстремальный регулятор, управляющий количеством воды, подаваемой в скважину. Система обладает довольно значительным временем поиска экстремума (10...30с). Промышленные испытания системы дали положительные результаты, что подтверждает эффективность использования сигналов производных для управления буровыми станками.
Оценка адекватности математической модели буровой машины, анализ ее основных особенностей
Для оценки степени адекватности математической модели (ЗЛІ, 3.21) реальному объекту воспользуемся методом сопоставления теоретических и экспериментальных переходных функций. В качестве меры адекватности выберем функционал 39 где & - количественная оценка меры адекватности на -ом интервале оценки; hi t /? - значения теоретической (вычисленной по модели) и экспериментальной переходных функций на г- -ом интервале; бгі - длительность переходного процесса на -ом интервале. Сопоставление переходных функций по каналам otfeJ sefj ; оС f-б) — f#fe) Для выборочных интервалов наблюдения представлено на рис.2.9. Вычисление оценок меры адекватности по формуле (2.40) для выборочных интервалов наблюдения показало, что значение не превышает 10$. Это свидетельствует о правомерности принятых при составлении математической модели соотношений и допущений и является основанием для использования полученной модели в решении дальнейших задач исследования. В заключение отметим характерные особенности динамической модели шнековой буровой машины большого диаметра как объекта регулирования, которые служат отправным моментом для решения задачи синтеза системы автоматического регулирования нагрузки электропривода вращателя, 1.
В реальных условиях бурения грунтов изменяющейся прочности объект подвержен двум видам возмущения - аддитивному и мультипликативному» 2. Аддитивное возмущение проявляется в виде случайного изме нения момента сопротивления на валу привода вращателя и представ ляет собой две компоненты, одна из которых гармоническая высоко частотная (2,7...7 Гц) со случайной амплитудой, а другая низко частотная в виде импульса сброса и наброса нагрузки, причем дли тельность импульсов достигает 10 12 с, а интервал между им пульсами 25.,.30 с. 3. Мультипликативное возмущение проявляется как случайное изменение коэффициентов дифференциальных уравнений, интервал корреляции которых составляет 70...80 с. 4. В динамической модели объекта присутствуют звенья чистого запаздывания, а также коэффициенты, зависящие от координат объекта. Задача синтеза автоматического регулятора в общем виде заключается в реализации статических и динамических характеристик замкнутой системы автоматического регулирования, наилучшим об -разом отвечающих поставленным требованиям /727« В соответствии с целью исследований основными требованиями в нашем случае яв -ляются высокая точность стабилизации нагрузки электропривода шнековой буровой машины и быстродействие системы регулирования в широком диапазоне изменения физико-механических свойств буримых грунтов. Рассмотрим вопрос количественной оценки основных показателей качества системы автоматического регулирования нагрузки привода вращателя буровой машины исследуемого класса с учетом указанных требований Динамическая точность. При формулировании требований к динамической точности от -цравным моментом является наиболее полное использование электродвигателя привода по нагреву при условии обеспечения его перегрузочной способности. Тепловой режим двигателя достаточно полно характеризуется величиной эквивалентного по нагреву тока 1&с /667 где Ту - уставка тока, равная номинальному значению нагрузки. Функционал (3.1) удобно использовать в дальнейшем в качестве целевой функции при оптимизации параметров автоматического регулятора.
Перерегулирование. Величина допустимого перерегулирования 6А выбирается из условия обеспечения перегрузочной способности электродвигателя привода вращателя. Перегрузочная способность Лп асинхронного электродвигателя по току определяется выражением/667: 1 где Tg /7 г - максимально допустимое значение тока двигателя. Величину Jgmajc - максимально допустимое значение динамической ошибки стабилизации представим в виде Поскольку величина перерегулирования определяется выражением /72 7 то с учетом (3.2) получим неравенство, определяющее допустимую величину перерегулирования На практике для обеспечения устойчивой работы электропривода при колебаниях напряжения питающей сети необходимо в полученное выражение ввести поправочный коэффициент /бб7 где Л - коэффициент запаса. (Для рассматриваемого электропривода /ґз - 0,7; Л - 2). Быстродействие. Быстродействие системы целесообразно оценивать длительностью переходного процесса « при отработке импульсного аддитивного возмущения. Для обеспечения устойчивой работы привода с учетом характера импульсного воздействия потребуем, чтобы величина л не превышала 2,5...3 с. Статическая чувствительность. При выборе допустимой величины статической чувствительности воспользуемся рекомендациями /l3,3l7, сформулированными для автоматических регуляторов нагрузки выемочных горных машин: Сформулированные требования должны выполняться во всем диапазоне изменения физико-механических свойств грунтов, на которых используются буровые машины исследуемого класса. Поскольку возмущения со стороны грунтового массива имеют как аддитивную, так и мультипликативную составляющие, система регулирования должна учитывать нестационарность динамических свойств объекта, обус -ловленную изменением коэффициентов /( №), ХрҐА) , динамичео -кой модели объекта.
Следует отметить, что не существует однозначного решения задачи синтеза системы автоматического регулирования по заданным показателям. Как правило в начальной стадии проектирования системы приходится сужать область возможных решений, основываясь на априорных сведениях об объекте регулирования, условиях функционирования разрабатываемой системы, возможности реализации синте зированных алгоритмов в виде простых и надежных устройств В теории автоматического регулирования проблема синтеза рассматривается в узком и в широком смысле/73 7. Под синтезом в узком смысле понимается выбор параметров системы при заданной структуре. Синтез в широком смысле имеет целью определение, структуры, в рамках которой могут быть получены требуемые свойства. В рассматриваемом случае основными особенностями объекта регулирования являются нестационарность его динамических свойств и наличие звеньев чистого запаздывания. С учетом перечисленных особенностей динамического функционирования объекта, рассмотрим первоначально вопрос синтеза автоматического регулятора нагрузки в широком смысле. Изложим основные принципы подхода к выбору структуры автоматического регулятора, обладающей свойством компенсации нестационарности динамических характеристик объекта. Первый подход основан на включении в контур управления идентификатора, который оценивает нестационарные параметры объекта в реальном масштабе времени и формирует управляющее воздействие с учетом полученной информации. Такой принцип управления используется в адаптивных системах/74,767. Эти системы обеспечивают высокие показатели качества процесса автоматического регулирования, однако их реализация требует применений вычисли -тельных устройств и дополнительных датчиков, необходимых для оперативной идентификации объекта. Применение адаптивных систем оправдано, как правило, для управления сложными системами.
Аналитическое исследование системы регулирования нагрузки в частотной области
При аналитическом исследовании движения системы с переменной структурой используется три основных метода - метод фазовой плоскости, методы теорий дифференциальных уравнений с разрывной правой частью и метод гармонической линеаризации/77...807. Первые два метода успешно используются при анализе СПС в сколь- . зящем режиме. Поскольку в скользящем режиме аналитическое опи -сание замкнутой системы существенно упрощается/78/, данные методы позволяют получить моотношения, описывающие качественные показатели системы регулирования в аналитическом виде. Однако, в случаях, когда режим работы СПС отличен от скользящего, следует отдать предпочтение частотному методу анализа - методу гармонической линеаризации/80,847. Для дальнейших исследований системы регулирования в частотной области необходимо установить передаточные функции объекта регулирования и исполнительного устройства по соответствующим каналам (рис.3.1). Построение передаточной функции объекта регулирования осложняется тем обстоятельством, что применение преобразования Лапласа к системе нелинейных нестационарных уравнений (2.26, 2.27) в общем случае неправомерно. Указанные затруднения можно преодолеть, если для описания объекта воспользоваться линеаризованной системой уравнений объекта (2.32, 2.33), и применить к ней метод замораживания коэффициентов/86 7. Сущность метода состоит в замене непрерывной нестационарной системы кусочно-стационарной, коэффициенты которой на определенных интервалах времени принимаются постоянными.
Принимая в качестве оценок переменных коэффициентов их средние значения и применив к уравнениям (2.26, 2.27) преобразование Лапласа, получим структурную схему объекта, представ -ленную на рис. 3.2. Передаточная функция объекта по каналу управляющего воз -действия имеет вид В качестве исполнительного устройства исходя из конструк -тивного исполнения системы управления подающим механизмом буровой машины, принимаем гидравлический сервопривод интегрирующего типа. Передаточная функция исполнительного устройства имеет вид где /(а - коэффициент передачи сервопривода. Для установления параметров автоматического регулятора, обеспечивающих затухающее периодическое движение системы, при использовании метода гармонической линеаризации координату объекта -у У представим в виде где А#(К ы - значения амплитуды и частоты колебаний; fi - затухание периодического движения. Уравнение гармонически линеаризованного регулятора с переменной структурой в S -области имеет вид/80,847 где о , - коэффициенты гармонической линеаризации, опреде -ленные по формулам: Углы, соответствующие моментам переключения ti»=iv, определим из условий переключения структуры (3.4) После подстановки (З.П, 3.12) в (3.13) после преобразования получим Для установления области существования нелинейной функции изобразим качественно кривые #fej и yfc) на графике (рис. 3.3). Из рис.3.3 определим углы, соответствующие моментам переключения структуры С учетом (3.15) определим коэффициенты гармонической линеаризации из (3.9, 3.10) Пренебрегая изменением функции ЛМ) на интервалах ЇЄ/іЬ.Я ]]/ V/t&. &J , после интегрирования уравнений (3.16) по лучим: После подстановки в (3.17) значения 4/ из (3.15) получим Условие существования периодического движения с заданными значениями частоты со и затухания 5 получим из характеристического уравнения замкнутой линеаризованной системы, структурная схема которой представлена на рис.3.4: Полагая S-3+/60 , перепишем (3.20) в виде где Выделив в (3.21) вещественную и мнимую части и приравняв их нулю, получим систему уравнений, разрешимых относительно коэффициентов гармонической линеаризации: Решив систему (3.22) совместно, получим Значения величин /?&, &&, Jfrrp Jfag, полученных из переда -точной функции объекта определяются по формулам: Пользуясь соотношениями (3.23...3.25), с учетом (3.18, 3.19), можно вывести соотношения, определяющие основные параметры наотройки регулятора /Ґ/, /СІ , обеспечивающие заданные значения затухания 8 и частоты и периодического движения.
Исходные данные и результаты расчета параметров настройки регулятора представлены в табл. 3.1, 3.2, а на рис.3.5 приведены зависимости параметров регулятора / Ч л от коэффициентов /V/ J /f/ f 4) , моделирующих физико-механические свой -ства буримых грунтов. Анализ полученных результатов показывает, что параметры настройки регулятора с переменной структурой . ІЇ существенно зависят от коэффициентов, моделирующих свойства буримых грунтов Для того, чтобы выбрать единственным образом параметры регулятора Ж/ #г из области их значений, установленной в табл.3.2, необходимо оценить основные показатели качества системы регулирования нагрузки с фиксированными параметрами регулятора в услови -ях бурения грунтов различной прочности. Для этой цели установили аналитические зависимости 3"= /( , р) , связывающие величину затухания переходной характеристики 3 с коэффициентами fo(A) /CpfA) , моделирующими свойства буримых грунтов, при X , /СІ = &/? Получение указанных зависимостей из характеристического уравнения системы (3.20) в аналитическом виде не представляется возможным, поскольку после подстановки в это уравнение значений QQ cu+5) , fyu +5) из (3.25) и разделения вещественных и мнимых частей получается трансцендентное уравнение, не разреши -мое относительно 5. Воспользуемся приближенным методом решения поставленной задачи, линеаризовав зависимости &tyc +3J. , fy c&+3)u Для этого разложим выражения (/ср+б) %.-/?Q iv+8)- по степеням 3 в ряд Тэйлора и отбросим члены при степенях, старше второй/897
Разработка информационных и усилительно-преобразующих элементов автоматического регулятора
Блок формирования информации. На рис. 4.3 представлена принципиальная схема блока формирования информации. Первичная обмотка трансформатора тока (ТТ) включена непосредственно в фазу электродвигателя вращателя буровой машины, а вторичная обмотка замкнута на сопротивление & , величина которого не должна превышать допустимого значения Для преобразования синусоидального напряжения в постоянное в устройстве применен прецезионный двухполупериодный выпрямитель/85-877, собранный на операционных интегральных усилителях AI, А2 и диодах Vi и Vi , включенных в цепь обратной связи операционного усилителя AI. Такое включение уменьшает прямое падение напряжения и влияние нелинейности диодов в число раз, равное коэффициенту усиления в контуре обратной связи. Схема обладает высоким входным сопротивлением и не требует буферного усилителя. Усилитель AI управляет усилителем А2 таким образом, чтобы осуществить процесс двухполупериодного выпрямления входного сигнала Z4/. Определим соотношения, при которых модуль коэффициента передачи выпрямителя будет одинаковым при положительном и отрицательном жодних напряжениях. При 1/и/ О , когда //ш-УбЬ / Выделение средней составляющей выпрямленного сигнала , а также подавление его высокочастотных составляющих целесообразно осуществлять с помощью активного &S -фильтра. Такая необходимость обусловлена наличием во входном сигнале периодических высокочастотных компонент, которые были выявлены при экспериментально-статистическом исследовании сигнала тока двигателя.
А как известно /87, даже при наличии у объекта регулирования свойств низкочастотного фильтра, присутствие высокочастотных периодических возмущений, действующих в системе с переменной структурой, служат причиной возникновения автоколебаний, снижения точности и ухудшения динамических свойств. Рассмотрим основные подходы к расчету параметров фильтров, предназначенных для подавления помех. Первый подход основан на синтезе передаточной функции оптимального фильтра из решения интегрального уравнения Винера-Хопфа/93,947 где /f/л и - взаимная корреляционная функцию между входным и выходным сигналами фильтра; /?»feJ - импульсная переходная функция оптимального фильтра; /Г / - корреляционная функция сигнала г/ Такой подход позволяет реализовать фильтры, оптимальные по критерию минимума среднеквадратического значения ошибки фильтрации, предполагает наличие информации об корреляционных функциях /fa , /% » в аналитическом виде, что ограничивает область его применения. Второй подход основан на использовании одной из типовых передаточных функций для проектирования фильтра по стандартным методикам/97/. При этом задается лишь частота среза синтези -руемого четырехполюсника и его порядок. В рассматриваемом случае, когда надежную информацию о корреляционных функциях /(г/, %/?г ,и« , получить затруднительно, наиболее приемлемым следует считать применение второго подхода. При расчете фильтра нижних частот приходится учитывать противоречивые требования - обеспечение достаточного затухания высоких частот и искаженной передачи полезного сигнала.
Известны и широко применяются три вида активных фильтров /71,977, отличающихся друг от друга подходами к нахождению наилучшей ап -прокоимапии. Это фильтры Баттерворта, Чебышева и Бесселя. Сравнение амплитудно-частотных и переходных характеристик указанных фильтров показывает, что наилучшее затухание амплитудно -частотной характеристики обеспечивает фильтр Чебышева, у фильтра Бесселя спад АЧХ наиболее пологий, фильтр Баттерворта занимает промежуточное положение. Однако фильтр Бесселя обладает лучшими переходными характеристиками, а фильтр Баттерворта занимает и здесь промежуточное положение. Поэтому для фильтрации высокочастотных помех и выделения средней составляющей полезного сигнала, используем фильтр.Баттерворта 2-го порядка. Нормированная передаточная функция фильтра второго порядка предаю -лагается в виде где коэффициенты ол , ы! для фильтра Баттерворта равны /867: А» = I, оС = 1,414. Передаточную функцию (4.2) перед реализацией необходимо денормировать - привести к виду, обеспечиваю. -щему получение заданной частоты среза & Для этого в соот -ношении (4.2) переменную S необходимо заменить переменной
