Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ исследований по управлению ленточным конвейером 9
1.1. Управление ленточным конвейером по грузопотоку 9
1.2. Задачи исследований 25
Глава 2. Разработка математической и цифровой ква зианалоговой модели системы управления ленточным конвейером по грузопотоку 27
2.1. Математическая модель ленточного конвейера, типичного для условий Болгарского карьера "Трояново-3" - Марица-Восток 27
2.2. Математическая модель асинхронного электропривода с частотным управлением 45
2.3. Математическая модель карьерного грузопотока по данным, полученным в реальных производственных условиях 52
2.4. Квазианалоговая модель системы 61
2.5. Цифровая квазианалоговая модель ленточного конвейера с асинхронным электроприводом с частотным управлением 62
2.6. Цифровая квазианалоговая модель случайного грузопотока 63
Выводы 66
Глава 3. Разработка алгоритма управления скоростью движения ленточного конвейера 68
3.1. Алгоритмы вычисления основной составляющей сигнала задания 68
3.2. Алгоритм вычисления дополнительных составляющих сигнала задания 74
3.3. Цифровая модель формирования алгоритма управления скоростью ленточного конвейера ... 79
3.4. Алгоритм вычисления показателей качества задания 86
Выводы 86
Глава 4. Разработка структуры системы автоматического управления скоростью движения ленты 88
4.1.Исследования структуры системы автоматичес кого управления скоростью движения ленты с контуром по скорости и по поточной нагрузке 88
4.2. Исследования структуры системы управления с контуром по прогнозированию - оптимиза ции параметров настройки контуров 96
4.3.Методика разработки системы управления -методика выбора оптимальных параметров регуляторов и прогнозирующего устройства 98
4.4.Технико-экономический анализ 102
Выводы 105
Заключение 106
Литература 108
Приложение 114
- Математическая модель асинхронного электропривода с частотным управлением
- Цифровая квазианалоговая модель ленточного конвейера с асинхронным электроприводом с частотным управлением
- Цифровая модель формирования алгоритма управления скоростью ленточного конвейера
- Исследования структуры системы управления с контуром по прогнозированию - оптимиза ции параметров настройки контуров
Введение к работе
Уголь имеет большое значение для народного хозяйства всех социалистических стран. Наиболее ярко это выразил В.ИДеяин, назвав уголь "хлебом для промышленности".
Решения ХХУІ съезда КПСС и ХП съезда БКП предусматривают дальнейшее повышение производительности труда в народном хозяйстве, в том числе и в угольной промышленности. Ускоряется внедрение поточной технологии с применением непрерывного конвейерного транспорта для пород вскрыши и полезных ископаемых.
Ленточные конвейеры являются одним из основных средств непрерывного транспорта на горных предприятиях. Увеличение производительности конвейеров, действующих на карьерах, их надежность, долговечность их синтетических и резияотросо-вых лент, вместе с тем и экономия электроэнергии являются одним из важнейших условий повышения технического уровня и эффективности горного производства. Анализ режимов работы конвейерного транспорта и хронометражних наблюдений показал наличие резервов повышения производительности транспортного оборудования, поскольку использование конвейерных установок по производительности в настоящее время составляют 25-40$ и во времени 60-80$. В большинстве случаев значительно недоиспользуются расчетные параметры конвейеров.
Существенное повышение эффективности использования конвейерного транспорта может быть достигнуто путем регулирования скорости конвейеров в зависимости от интенсивности грузопотока.
Задача разработки системы автоматического управления скоростью ленточного конвейера в зависимости от грузопотока с целью повышения эффективности использования конвейера за счет сокращения длины пробега его тягового органа, сокращения износа трущихся деталей и экономии электроэнергии является актуальной задачей.
Цель работы. Разработка алгоритма управления, структуры и рекомендаций по технической реализации системы автоматического управления скоростью ленточного конвейера в зависимости от входного грузопотока, обеспечивающей повышение эффективности использования конвейера за счет сокращения длины пробега ленты, сокращения износа трущихся деталей и экономии электроэнергии.
Идея работы. Стабилизировать погонную нагрузку ленточного конвейера частотным регулированием скорости асинхронного электропривода с учетом характеристик грузопотока.
Научные положения, разработанные лично соискателем и новизна:
1. Цифровая квазианалоговая математическая модель системы управления ленточным конвейером, отличающаяся тем, что позволяет учитывать динамику случайного грузопотока, формировать показатель качества управления, изменять структуру системы управления и оптимизировать переходной процесс по минимуму среднеквадратического отклонения.
2. Алгоритм управления скоростью движения ленточного конвейера, позволяющий определять значение необходимой скорости движения леяты, отличается тем, что осуществляет формирование управляющего сигнала в зависимости от прогнозируемых характеристик случайного грузопотока, отклонения от задания скорости и текущей погонной нагрузки.
3. Система автоматического управления скоростью движения ленты по грузопотоку, отличающаяся тем, что ее структура содержит помимо контура регулирования по скорости, дополнительные контуры по погонной нагрузке и по прогнозированию.
В соответствии с основной идеей и поставленной целью в диссертации сформулированы следующие основные задачи исследования:
1. На основе экспериментальных исследований карьерного грузопотока, проведенных для условий болгарского карьера "Трояново-3" -Марица-Восток и их обработки и анализа с помощью вероятностно-статистических методов, определить динамические характеристики карьерных грузопотоков и разработать математическую модель этого случайного процесса;
2. Создать математическую модель ленточного конвейера и асинхронного электропривода с частотным управлением, типичного для условий карьера "Трояново-З";
3. Создать цифровую квазианалоговую модель для разработки структуры и алгоритма функционирования системы автоматического управления скоростью ленточного конвейера по входному грузопотоку;
4. Разработать структуру прогнозирующего фильтра и синтезировать прогнозирующий регулятор;
5. Разработать методику расчета параметров регуляторов, формирующих рациональный режим работы конвейера и рекомендации по технической реализации системы автоматического управления.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций:
В работе использовались теория статистического и математического моделирования, методы оптимизации и теория автоматического управления. Экспериментальные исследования производились в условиях болгарского карьера "Трояяово-3"-Марица-Восток.
Модель системы управления скоростью ленточного конвейера в зависимости от входного грузопотока отлаживалась и исследовалась на ЭВМ на базе прикладных программ "МАСС".
Значение работы.
Научное значение работы заключается в том, что разработанные цифровая квазианалоговая модель и алгоритм управления позволяет синтезировать структуру системы управления скоростью ленточных конвейеров и имеют значение для развития методов анализа и синтеза системы управления горнотранс-портяыми машинами.
Практическое значение работы заключается:
- в разработке методики создания системы управления скоростью движения ленточных конвейеров в зависимости от случайного характера грузопотока, в частности рекомендаций по технической реализации, которая позволяет на стадии проектирования научно обосновывать и оптимизировать выбор рациональных параметров системы управления конвейером и его электроприводом;
- в установлении модели карьерного грузопотока роторного комплекса RS -2000 (карьер Трояново-3 НРБ), представляющего собой гауссовский случайный процесс, модулированный пуассояовским потоком, на основании которого разработано прогнозирующее устройство, позволяющее получать значение грузопотока при управлении реальной автоматической системой.
Апробация работы. Основное содержание и отдельные положения диссертации доложены на "УТ научной конференции болгарских аспирантов, обучающихся в СССР", Москва, 1983.
Публикация. Основное содержание диссертации опубликовано в I печатной работе.
Автор искренне благодарен ассистенту кафедры вычислительных машин к.т.я. Ияу Александру Харитояовичу за помощь, оказанную при составлении и отладке программ, сотруднице научно-исследовательской части НОВОВОЙ Елене Григорьевне за помощь, оказанную при оформлении настоящей работы, а также коллективу кафедры автоматизированные системы управления за постоянную помощь и содействие.
Математическая модель асинхронного электропривода с частотным управлением
Для мощных ленточных конвейеров наибольшее распространение получил привод с электродвигателем с фазным ротором. В настоящей работе тоже рассматривается конвейер с таким приводом. Он обеспечивает хороший пуск с любым заданным ускорением и любой длительностью разгона конвейерной ленты. В этом приводе легко осуществляется заданное распределение тягового усилия между приводными барабанами.
Обеспечение плавного пуска в таких электроприводах осуществляется введением сопротивления в роторную цепь электродвигателя. В качестве сопротивления используют металлический ступенчатый реостат или бесступенчатый - жидкостный. Жидкостный реостат позволяет получить наиболее благоприятную пусковую характеристику.
Привод с асинхронным электродвигателем с фазным ротором не удовлетворяет требованию обеспечения длительного движения ленты с пониженной скоростью, необходимой для проведения ревизии ленты, ремонтных работ и при отсутствии груза. Движение конвейерной ленты с пониженной скоростью, достигаемое путем введения в цепь ротора ступеней реостата, связано с большими потерями энергии и, кроме того, крайне неустойчиво, так как происходит при весьма смягченной характеристике.
Управляемость асинхронного электропривода обеспечивается путем одновременного регулирования напряжения и частоты переменного тока, подводимого к статору двигателя. Для реализации этого способа питание двигателя должно осуществляться по системе ПЧ-АД, причем преобразователь частоты может обладать свойствами либо источника напряжения, либо источника тока /41/.
Для надежной работы электропривода необходимо, чтобы максимальный момент двигателя всегда был больше момен та нагрузки, т.е. двигатель обладал достаточной перегрузочной способностью.
Поэтому статический закон частотного управления обычно выводится из условия сохраяеяия перегрузочной способности при любой скорости либо по отношению к текущему значению момента нагрузки, либо по отношению к предельному расчетному моменту /42/.
Закон частотного управления из условия сохраяеяия перегрузочной способности при синусоидальной форме напряжения установлен М.П.Костенко. Этот закон записывается следующим образом: где М и МИ - электромагнитные моменты двигателя.
Известны его частные случаи для регулирования по граничному моменту: а) при постоянном моменте нагрузки U/f = const J б) при нагрузке с постоянной мощностью в) при вентиляторной нагрузке
Эти законы пригодны для двигателей большой мощности, регулируемых в небольшом диапазоне /2:1/.
У исследуемого конвейера применен асинхронный электропривод со следующими техническими данными: Р=560 кВт; Ц, = 6000 В; 1М = 66А; 1М 455А; ІІгн = 755В; /7 = 987 об/мин, COS 9 = 0,86:
На карьере "Трояяово-3" -Марица-Восток были получены реализации карьерного грузопотока для некоторых базовых интервалов времени, при помощи измерительного устройства, непрерывно регистрирующего ток статора асинхронного двигателя верхнего конвейера роторного комплекса R5 -2000, для системы конвейеров в одной из технологических линий. Для регистрации количества груза на конвейере применен быстродействующий самопишущий прибор ЇЇ-320-І, позволяющий непрерывно записывать на диаграммной бумаге величину тока статора. В качестве минимального мерного интервала был принят интервал равный 10 сек. Продолжительность замеров составляла 3 полных рабочих смены, следующих подряд. Ежечасные данные имеются в течение 2 месяцев.
Статистическая обработка сделана по методике, описанной в /39/. Процесс поступления груза на конвейер можно описать как временной ряд, подверженный нерегулярным флукту-ациям. Исследуются 12 пятиминутных реализации (временные ряды) 360 наблюдений, которые представляют собой поступление груза в течение одного часа. Одна из этих реализаций грузопотока показана на рис.7. Чтобы сравнить два временных ряда пользуемся выборочными оценками корреляционных функций (каждый ряд состоит из 30 чисел), которые можно получить, разделив выборочные оценки ковариаций на выборочную оценку дисперсии, т.е.
Цифровая квазианалоговая модель ленточного конвейера с асинхронным электроприводом с частотным управлением
В терминах "МАСС" цифровая квазианалоговая модель ленточного конвейера состоит из трех блоков - блок запаздывания ДТ и двух интеграторов, связанных между собой как это показано на рис.10. Модель создана по аналитическому выражению (П-37). Интеграторы использованы на место блок-колебательного звена из-за возможности варьировать с / Т соотношениями -=Y и ІД, . /у // 2) Цифровая квазиаяалоговая модель электропривода с частотным управлением. Модель асинхронного электропривода построена по аналитическому выражению (ц_43 ) и показана на рис. II. Она состоит из одного блока-интегратора с одной обратной связью. Программа "МАСС" позволяет в широких пределах изменять постоянную времени ияерпиояного звена Т, не изменяя других параметров. Модель устройства формирующего грузопоток с нормальным распределением ( формула Ц-54 ) (в), модель устройства для переключения грузопотока, чтобы его присутствие и отсутствие были по соответствующему экспоненциальному закону (формула Ц-56 и Ц-57 (б) и модель устройства для получения импульсов через 20 с (а) показана на рис. 12. Она состоит из блоков: а) Р U - блок импульсов б) I - интегратор в) Я 2 - переключение 2
Таким образом, грузопоток моделируется последовательностью случайных чисел (генерируемых через 20 с), представляющих интенсивность грузопотока кг/с за определенный отрезок времени. Во время присутствия груза статистические свойства грузопотока эквивалентны статистическим свойствам нормального случайного процесса с параметрами (П-55). Достоинством нормального распределения является возможность простого нахождения необходимого значения грузопотока с заданной вероятностью /44/. Так с вероятностью Р = 0,995, используя табулированную функцию Лапласа имеем с вероятностью Р = 0,95 1. Математическая модель ленточного конвейера принята дифференциальным уравнением второй степени с запаздыванием. 2. Математическая модель асинхронного электропривода принята дифференциальным уравнением первой степени и моделируется апериодическим звеном. 3. Плотность распределения вероятностей грузопотока, для болгарского карьера "Трояново-3" с интервалами времени, связанными с отсутствием груза, нормальная с параметрами: /77а =5,32 м3/10 с; 2)& = 4,91 м3/Ю с2 и плотность рас лределения вероятностей грузопотока при исключении ЭТИХ ИН- -тервалов также нормальная, с параметрами: ППQ =5,36 м3/Ю с; Da = 5,бЗ(мэ/ю ф? Интервалы присутствия и отсутствия груза.подчиняются экспоненциальному закону с параметрами: Л = 0,00378 с"1; А0 = 0,0286 о"1.
Корреляционная функция случайного грузопотока с погрешностью не более Ь% является гармонически экспоненциальной с параметрами об = 0,01405; С00 = 0,0374 с"1; JDa = 5,бз(м3/ю с):2, 4. Разработанная цифровая квазианалоговая модель грузопотока учитывает его динамику. I) Определение зависимости частоты питающего напряжения от интенсивности грузопотока. Скорость ленточного конвейера К/м/с/ выражается через номинальный груз Ц fvxj,находящийся на конвейере, т.е. то количество груза, которое может принять и практически без просыпей транспортировать конвейер, через интенсивность потока, поступающего на конвейер Л/кг/сУ и через длину конвейера L [м ] следующим образом: Скорость ленточного конвейера выражается через скорость вращения двигателя СОдв [с у, радиус барабана Rsap. Еы1 и передаточное отношение редуктора L следующим образом: где S - скольжение двигателя; Cj - синхронная скорость асинхронного двигателя, с"1. Используя формулы (Ш-І) и (Ш-2) получаем функциональную зависимость скорости вращения двигателя от частоты питающего напряжения / :
Цифровая модель формирования алгоритма управления скоростью ленточного конвейера
Цифровая квазиаяалоговая модель регулятора, работащвго" на основании прогноза и разности между реальным и прогнозируемым грузопотоком, показана на рис. 16. Параметры регулятора получены по программе оптимизации системы, включенной в основную программу "МАСС". Чтобы подать прогнозируемый или реальный грузопоток на вход системы, разработана цифровая квазианалоговая модель устройства для переключения этих сигналов. Устройство подает последовательяо одия из двух сигналов через 10с, Модель показана на рис. 17. Эта структура содержит две цепи, которые поочередно с нуля интегрируют время.и автоматически переключаются, когда оно достигает 10 с. I) Цифровая квазианалоговая модель устройства для получения погонной нагрузки на конвейер в зависимости от интенсивности грузопотока цифровая модель этого устройства состоит из двух цепей, которые работают поочередно соответственно до первых 150 метров (длина одного участка) - первая цепь, до прохождения следующих 150 метров - вторая цепь и т.д. Погонная нагрузка на конвейер получается на выходе интеграто Выход устройства для формирования критерия эффективности работы системы связан со системой оптимизации, с помощью которой находятся коэффициенты регуляторов. Вывод:
Алгоритм управления скоростью ленточного конвейера позволяет определять значение необходимой скорости движения в зависимости от грузопотока, осуществлять формирование управляющего сигнала в зависимости от прогнозируемых характеристик случайного грузопотока, от отклонения реальной скорости от заданной и от отклонения текущей но-_ гонной нагрузки от номинальной. I) Структура системы без вычислительного устройства скорости и без регуляторов показана на рис. 22. Она состоит из следующих элементов: датчик грузопотока, ленточный конвейер с постоянной (нерегулируемой) скоростью, асинхронный электропривод. Эти элементы представляются, соответственно, моделями грузопотока, ленточного конвейера и электропривода. Кроме того, в структуре этой системы входят устройство для определения времени прохождения одного участка конвейера /150 м/ ж устройство для получения погонной нагрузки на выходе конвейера. В структуре оценка эффективности работы системы формируется средиеквадрати-ческим отклонением текущей погонной нагрузки от номинальной для исследуемых интервалов времени. Скорость исследуемого конвейера - 5,24 м/с. Выводились на печать блоки: 152 - блок, на выходе которого получается интенсивность грузопотока; 33 - блок, показывающий реальную скорость движения конвейера в точке его загрузки; II - блок, определяющий количество 150-метровых участков длины ленты конвейера за время исследования системы; - блок, интегрирующий среднеквадратическую ошибку отклонения погонной нагрузки от номинальной за время исследования системы. Результаты средяеквадратической ошибки отклонения реальной погонной нагрузки от номинальной для системы без устройства, вычисляющего скорость в зависимости от входящего грузопотока ( V =5,24 м/с) и без регуляторов приведены в табл. 7,.
Исследования структуры системы управления с контуром по прогнозированию - оптимиза ции параметров настройки контуров
Исследования проводились в два варианта: I) Исследовались модель, алгоритм и структурная схема системы управления с устройством, вычислящим скорость в зависимости от грузопотока, без регуляторов и с прогнозирующим устройством (его алгоритм описан формулой Ш-І8), С помощью программы оптимизации подобраны следующие параметры прогнозирующего устройства (табл.11). Результаты работы системы - средяеквад ратическое отклонение погонной нагрузки от номинальной, увеличение самой погонной нагрузки на конвейер и уменьшение средней скорости движения конвейерной ленты даны в таблице 12. 2) Исследуемая система управления содержит кроме вычислительного устройства скорости в зависимости от грузопотока, регуляторов по скорости и по погонной нагрузке и устройства, прогнозирующего грузопоток и регулятор, работающий на основании прогноза (его алгоритм выражен зависимостью Ш-І9). Подобранные коэффициенты регуляторов для второго ва-рианата с помощью программы оптимизации даны в табл.13, а результаты среднеквадратической ошибки отклонения погонной нагрузки от номинальной, самал погонная нагрузка и средняя скорость движения ленты - в табл. 14. Структурные схемы исследуемых систем показаны на Последняя структурная схема (рис.26) состоит из следующих элементов: устройство, моделирующее грузопоток, модель электропривода и модель ленточного конвейера, модель устройства для получения погонной нагрузки на выходе конвейера, модель устройства для определения времени прохождения регулируемого участка, сравнивающие устройства, устройство для вычисления скорости в зависимости от грузопотока, регуляторы по скорости, по погонной нагрузке и по прогнозированию.
На основании возможностей, которые предоставляет содержащаяся в программе "МАСС" подпрограмма оптимизации и на основании проведенных исследований создана методика выбора параметров синтезированных регуляторов (по погонной нагрузке, по скорости и по прогнозированию) и прогнозирующего устройства. Она состоит в следующем: 1) определяется блок из разработанной структуры, выход которого будет оптимизироваться (минимизироваться) в связи с принятой оценкой критерия эффективности системы -в случае - среднеквадратическая ошибка отклонения погонной нагрузки от номинальной (зависимость Ш-23) 2) определяются пределы изменения переменных в зависимости от выбранного метода оптимизации. Так как в настоящее время нет методов, позволяющих по виду структурной схемы или по виду дифференциальных уравнений модели определить наиболее эффективный для данной задачи численный метод интегрирования автоР пользовался выбором подпрограмм численного интегрирования.
В "МАСС" библиотека подпрограмм состоит из процедур, реализующих одяошаговые формулы Рунге-Кутта второго и четвертого порядков с постоянным и автоматически подбираемым . шагом интегрирования, формулы трапеций (усовершенствованный метод Эйлера) с постоянным и переменным шагом. Для разработанной структуры самой удачный оказался метод Рунге-Кутта (четвертого порядка), 3) поиск оптимальных параметров модели (движения к экстремуму критерия) осуществляется в автоматическом режиме. Библиотека готовых стратегий движения к экстремуму включает в себя машинные реализации методов Фибоначчи _ Гаусса-Зейделя, Розенброка, симплексного метода планирова ния эксперимента и случайного поиска. Реализация функциональных ограничений осуществляется в "МАСС" с помощью блоков входного языка и специального блока прекращения расчета. По разработанной методике исследовалась и настоящая система. Полученные результаты описаны в 4.1 и 4.2. Подробный технико-экономический расчет для конвейера без регулирования скорости и для конвейера, оснащенного системой управления скоростью ленты, сделан по методике, описанной в /20/ дан в приложении П-2. 1) Коэффициент готовности работы конвейера f{ - 0,725, а коэффициент пробега ленты [{ - 0,91. 2) На основании проведенных исследований установлены следующие погонные нагрузки для конвейера без регулирования и для конвейера, оснащенного системой управления скоростью ленты 3) Расход электроэнергии в случае регулирования скорости конвейера получается (по расчету) на 37$ меньше, чем при работе конвейера без регулирования скорости. 4) При регулировании скорости конвейера с разработанной системой срок службы роликов на грузовой ветви получается в 1,58 раз меньше, а на порожняковой - в 2,4 раза больше, чем для конвейера без регулирования скорости ленты. 5) Срок службы ленты для конвейера, оснащенного систе мой управления скоростью ленты по фактору износа обкладок, получается в 2,4 раза больше по сравнению с конвейером без регулирования скорости. 6) Срок эксплуатации конвейерной ленты по критерию.усталости для конвейера, оснащенного разработанной системой, увеличивается в 1,4 раза. 7) Расчетный экономический эффект (табл. 15 П-2) показывает, что капитальные затраты для конвейера, оснащенного системой регулирования скорости, возрастают на 28 тыс.руб. из-за внедрения частотного преобразователя, эксплуатационные затраты уменьшаются на 30 тыс.руб. из-за увеличения долго \; вечности ленты, В результате разности приведенных годовых затрат получается общий экономический эффект в 20 тыс.руб/год, при этом удельные приведенные затраты стоимости транспортирования угля уменьшаются на 0,17 коп/т»км.
