Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор исследований динамических режимов и систем управления шахтных подъемных установок
1.1. Формирование оптимальных программ движения шахтных подъемных установок 9
1.2. Методы исследования и оптимизации электромеханических систем шахтного подъема с учетом упругих свойств каната 13
1.3. Регулируемый электропривод переменного тока в шахтном подъеме 19
1.4. Электропривод постоянного тока и системы управления ШПУ f 27
1.5. Выводы 31
2. Построение математической модели шахтной подъемной установки с учетом упругих свойств подъемных канатов 33
2.1. Сравнительный анализ расчетных схем двухмассовой системы с одной инертной упругой связью 33
2.2. Математическая модель двухконцевой подъемной установки 43
2.3. Влияние упругих свойств подъемных канатов на движение сосредоточенных масс 47
.2.4.. Влияние внутренней обратной связи по э.д.с. двигателя на динамику электро механической системы *4
2.5. Выводы 57
Разработка задающих устройств и функциональной схемы унифицированной системы управления скиповой шахтной подъемной установкой 59
3.1. Формирование управляющих воздействий,
обеспечивающих заданный кинематический режим работы ШПУ 59
3.2. Задающее устройство системы управления ШПУ е многопериодной диаграммой скорости 76
3.3. Построение функциональной схемы унифици рованной системы управления электропри водом шахтной подъемной установки 84
3.4. Выводы 90
Построение двухканальной системы подчиненного управления ШПУ с асинхронным электроприводом 91
4.1. Динамические характеристики основных звеньев асинхронного электропривода с тиристорним коммутатором в цепи ротора 91
4.2. Разработка модели двухканальной САУ асинхронным приводом ШПУ и компенсация ее нелинейностей 100
4.3. Моделирование пуска ШПУ с асинхронным электроприводом на АБМ 112
4.4. Исследование динамики САУ в режиме поддержания постоянной скорости 128
4.5. Выводы 151
Исследование динамики и синтез корректирующих устройств унифицированной САУ ШПУ 153
5.1. Построение структурной схемы унифициро ванной системы управления ШПУ Ї53
5.2. Моделирование унифицированной САУ ШПУ на АВМ, синтез корректирующих устройств для оптимизации перемещений концевого груза 161
5.3. Повышение точности системы в динамических режимах с помощью дополнительной коррекции
по задающему воздействию 179
5.4. Синтез регуляторов унифицированной системы
с учетом инерционных свойств датчиков 190
5.5. Выводы 196
Заключение 198
Список литературы .
- Методы исследования и оптимизации электромеханических систем шахтного подъема с учетом упругих свойств каната
- Математическая модель двухконцевой подъемной установки
- Задающее устройство системы управления ШПУ е многопериодной диаграммой скорости
- Разработка модели двухканальной САУ асинхронным приводом ШПУ и компенсация ее нелинейностей
Введение к работе
Среди основных задач развития горнодобывающей промышленности, намеченных "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" в XI пятилетке предусматривается увеличение объема добычи угля и руды на 7-12$ / I /. В современных условиях интенсификации производства ( увеличение мощности и глубины шахт, грузоподъемности подъемных сосудов, скорости их перемещения и др. ) решение этой задачи связано с комплексной механизацией и автоматизацией всех звеньев производственного процесса, среди которых особое место занимает шахтный подъем. Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О мерах по ускорению технического перевооружения шахт Министерства угольной промышленности СССР" предусматривается довести уровень автоматизации стационарных шахтных установок до 88$ / 2 /. Применение автоматических и автоматизированных систем управления шахтными подъемными установками ( ШПУ ) позволяет повысить их производительность, а также надежность и долговечность электромеханического оборудования / 63, 92, 94, 136 /. Поэтому задачи исследования, разработки и совершенствования систем управления ШПУ являются весьма актуальными.
Различия в регулировочных свойствах применяемых электроприводов ШПУ и требованиях к управлению в зависимости от типа и назначения установки послужили причиной для создания систем управления, существенно отличающихся друг от друга, что создает определенные трудности в изготовлении, наладке и эксплуатации подъемного оборудования. Наметившиеся тенденции роста единичной мощности электроприводов постоянного и переменного тока, улучшения их регулировочных характеристик, а также унификации силового
преобразовательного оборудования являются предпосылкой унификации систем управления на единой серийной аппаратурной базе.
Основной целью диссертационной работы является повышение технике-экономических показателей эксплуатации скиповых шахтных подъемных установок путем унификации систем управления и оптимизации динамических режимов работы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать математическую модель унифицированной системы управления скоростью ШПУ с учетом конструктивных особенностей ее элементов.
Синтезировать задающие устройства, обеспечивающие формирование оптимальных по быстродействию многопериодных диаграмм скорости в функции времени и пути.
Разработать и исследовать двухканальную систему подчиненного управления ШПУ с асинхронным тиристорным электроприводом.
4. Синтезировать корректирующие устройства многоканальной системы подчиненного управления ШУ с целью оптимизации динамических режимов ее работы.
Научная новизна работы:
- разработана математическая модель двухконтурной системы подчиненного регулирования скорости ШПУ ( с внутренним контуром регулирования тока ) с учетом упругих свойств подъемного каната в передаточной функции объекта управления каждого контура;
-предложена методика синтеза и разработаны задающие устрой-
ства систем управления ШПУ, обеспечивающие формирование оптимальных по быстродействию управляющих воздействий с ограничением
фазовых координат при любой задаваемой скорости движения подъемных сосудов;
разработана и исследована в различных режимах работы двухканальная система подчиненного управления асинхронным электроприводом с пусковым реостатом и тиристорным коммутатором в цепи ротора двигателя, обеспечивающая плавный разгон и замедление ШПУ;
решена задача синтеза корректирующих устройств для компенсации естественных нелинейностей тиристорного асинхронного электропривода, что позволяет осуществить стандартные настройки контуров регулирования;
предложена методика оптимизации динамики электромеханической системы ШПУ в переходных режимах работы путем комбинированного управления по задающему воздействию.
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана унифицированная система управления скиповыми ШПУ, которая прошла промышленные испытания на шахте им. Кирова-Западная п/о Советскуголь и рекомендована к изготовлению и внедрению на опытно-промышленной партии установок с асинхронным электроприводом. Техническая документация на систему управления, выполненную на элементах УБСР-АИ, и силовую часть электропривода с тиристорным коммутатором в роторной цепи подъемного двигателя передана для производства на Донецкий машиностроительный завод им. ЛКУ и Александрийский электромеханический завод. На защиту выносятся следующие основные положения: I. Разработанная математическая модель двухконтурной систе-
мы подчиненного управления скоростью ШПУ с учетом упругости подъемных канатов.
Принципы построения задающих устройств, обеспечивающих формирование многопериодных диаграмм скорости ШПУ, и методика их синтеза при различных задаваемых законах движения подъемных сосудов.
Разработанная двухканальная система подчиненного управления асинхронным электроприводом с пусковым реостатом и тиристорним коммутатором в цепи ротора двигателя и ее исследования.
Методика синтеза дополнительных корректирующих устройств по каналу управления для оптимизации электромеханической системы ШПУ.
Обоснование целесообразности применения многоканальной двухконтурной системы подчиненного регулирования скорости в качестве унифицированной для скиповых ШПУ при различных системах электропривода.
Методы исследования и оптимизации электромеханических систем шахтного подъема с учетом упругих свойств каната
Одной из основных проблем шахтного подъема является повышение надежности и долговечности электромеханического оборудования. Ее решение связано с оптимизацией динамических нагрузок в подъем - 14 -ных канатах. Исследование механических свойств подъемных канатов / 104 / и расчетной схемы "головной канат-груз" / 105, 127 / с представлением каната в виде упругой или упруговязкой нити постоянной ( переменной ) длины позволило поставить задачу создания общей теории динамики подъемной установки. Предложенные математические модели базируются на уравнениях математической физики, формы решений которых с учетом граничных и начальных условий представляют определенные трудности при анализе и синтезе систем автоматического управления (САУ). Использование методов асимптотического разложения трансцендентных характеристических уравнений замкнутых систем регулирования скорости ШПУ позволяет оценить устойчивость и качество переходных процессов по общим правилам исследования линейных систем / 77, 78 /. Однако математические модели даже при учете одной ветви каната оказываются сложными.
Механическая часть ШПУ относится к системам с большим числом степеней свободы. В зависимости от целей конкретных исследований она может быть сведена к эквивалентной системе, содержащей не более четырех степеней свободы / 129 /.
Для исследования процессов пуска-торможения и определения экстремальных нагрузок подъемной установки разработаны модели с двумя степенями свободы / 45, 89 и др. /. В / 45 / динамические деформации в канате учитываются по принципу Релея с линейным законом распределения вдоль каната. Это эквивалентно представлению каната как невесомой упругой связи и присоединению одной третьей части его массы к сосредоточенным концевым массам.
Рассмотрение сложной механической системы в виде сосредоточенных масс, соединенных идеальными упругими связями, позволило разработать динамическую модель шахтной подъемной машины с одно - 15 -двигательным приводом и учетом упругости всех ее элементов / 34, 38 /. Механическая часть ШПУ может также рассматриваться как одномерная система из двух или трех сосредоточенных масс, соединенных упругими звеньями с распределенными параметрами / 112 /. Вынужденные движения такой системы исследуются путем разложения по собственным формам колебаний.
При разработке САУ ШПУ необходимо учитывать влияние упругих колебаний в механической части на переходные процессы в электроприводе или тормозной системе. Для этих целей предложены различные методы, позволяющие рассматривать процессы в электрических и механических звеньях с единых позиций. На основе идентичности процессов распространения упругих колебаний в подъемных канатах без трения и процессов распространения электромагнитных колебаний в длинных линиях без потерь схемы замещения последних могут быть использованы в качестве динамической модели механической части ШПУ. Для целей исследования и синтеза САУ предложена методика приведения полученной модели к двухмассовой системе с невесомым канатом / 115 /.
Использование метода граничных упругих связей при описании упругих звеньев с распределенными параметрами и структурное моделирование / 67, 129, 130 / позволяют рассматривать подъемную установку как единую электромеханическую систему, в которой электрические и механические звенья органически взаимосвязаны. Полученные в этих работах передаточные функции ветвей канатов, связывающие изображения перемещений сечений каната в точках присоединения к сосредоточенным массам или соответствующие им упругие усилия с изображением динамических усилий, прикладываемых к упругому стержню ( канату ), позволяют исследовать электромеханическую систему подъема методами теории автоматического управления.
Математическая модель двухконцевой подъемной установки
Механическая часть двухконцевой подъемной установки состоит из трех сосредоточенных масс и двух упругих звеньев ( канатов ) с распределенными параметрами ( рис. 2.4,а ) Структурная схема такой системы с двигателем постоянного тока независимого возбужжения, полученная методом структурного моделирования / 67, 136 /, приведена на рис. 2.4,6.
На рисунках приняты обозначения: /77/ - масса приведенных к окружности органа навивки всех вращающихся звеньев системы; /7?а , /7?з - соответственно масса поднимающегося и опускающегося подъемных сосудов с учетом масс соответствующих ветвей уравновешивающих канатов; LKI , /Г2 -соответственно длина поднимающейся и опускающейся ветвей канатов; /77дч , /77/С2 " массы ветвей канатов; Еп - э.д.с. преобразовательного агрегата; /"J , Lg - соответственно сопротивление и ток якорной цепи двигателя; 7 - электромагнитная постоянная времени; С„ - в системе СИ коэффициент, связывающий при постоянном потоке возбуждения э.д.с. двигателя с его угловой ско-ростью Со и электромагнитный момент с якорным током; tp передаточное число редуктора; Йш - радиус органа навивки; Jf -приведенный к валу органа навивки момент инерции, соответствую Для перехода от механической системы с упругими связями к абсолютно жесткой достаточно в выражениях ( 2.15 ) принять ЬК ЬК&= І ізб /. тогда WKi(P) = /Cn ; WK2(P)=/ o І а динамические составляющие усилий ( рис. 2.4,a ): F1tj пц С з. + где Рдцн. дЁ +Fc j Ffig л Fc - соответственно приведенные к окружности органа навивки усилия двигателя и статических сопротивлений; /77р =/77,+/77a+/773+/77/r/+/77/f2 - приведенная к окружности органа навивки суммарная масса механического оборудования.
Суммарное усилие, действующее на орган навивки С - Г Г Г" - Я?/ г - г где Уд - приведенный к валу органа навивки момент инерции, соответствующий массе ІЇІо Если подъемные сосуды находятся в крайних положениях в стволе ( начало или окончание рабочего цикла ), то при неуравновешенной системе подъема можно пренебречь упругими свойствами короткой ветви каната и рассматривать механическую систему как двухмассовую. Для исследования процессов в начале цикла примем Ька = оо и с н = rnKi /ml = тк /(гпі +тъ +тк&) . тогда fyy (Р) определяется выражением ( 2.7 ), а изображение динамической составляющей суммарного усилия согласно ( 2 Л ) где 1Ь (1-Ъ)= т}/т0. Реакция усилия Я у на ступенчатое приложение при 7 = 0 согласно ( 2.7 ) и ( 2»14 ) где Q/ yf - круговая частота упругих колебаний. При C0Sй -- " / /Vy = /у«0 = У/ / (& Гуі/Ту ) коэффициент динамичности к" - т -а Уі "Awr у р -" "W (2Л7 Из ( 2 17 ) следует, что К„ не зависит от парциальной частоты Ькі » а определяется соотношением масс» Сравнивая выражения Tyj И Ту , леГКО уСТаНОВИТЬ, ЧТО КОЭффиЦИеНТ Кпци уменьшается с увеличением &ц Если с #- 0 и 1 - 0 ( механическая система с невесомой упругой связью, например одноконцевой подъем при верхнем положении скипа ), то /Сщ 2. При стопорений канатоведущего шкива ( я - О ) дцн. Увели"" чивается с уменьшением сК/ ( увеличение концевого груза ) При застревании подъемного сосуда в стволе ( о(/2 - 0 ) А » увеличивается с уменьшением о # .
Задающее устройство системы управления ШПУ е многопериодной диаграммой скорости
Различия в регулировочных свойствах применяемых в шахтных подъемных установках приводов и требованиях к управлению в зависимости от типа и назначения установки послужили причиной создания большого числа систем управления, существенно отличающихся друг от друга. Причем отличие состоит не только в элементной базе, но и в принципе построения системы, а следовательно, и в точности воспроизведения заданной диаграммы скорости.
Серийное производство унифицированной блочной системы регу - 85 -ляторов / 108, 125 / в сочетании с многоканальным управлением / 131, 132 / позволяет создать унифицированную систему управления ШПУ, которая может применяться при любом роде привода, В основу построения такой системы должно быть положено общее для всех подъемных установок требование - перемещение подъемного сосуда на заданное расстояние за минимальное время при ограничениях, накладываемых на скорость, ускорение, рывок. Для исключения сложных обратных связей по производным пути и скорости, а также для повышения надежности управления задающие напряжения Up Uc » Ud t пропорциональные соответственно заданным значениям перемещения X , скорости V » и динамической состав-ляющей тока д////, должны формироваться в функции времени специальным задающим устройством и подаваться на регуляторы перемещения ( РП ), скорости ( PC ) и тока ( РТ ), соединенные по принципу подчиненного регулирования ( рис. 3,1 ) / 133, 134 /. Задающие напряжения сравниваются на входах соответствующих регуляторов с напряжениями U , Ис.д. » г.д. датчиков перемещения ( ДП ), скорости ( ДС ) и тока ( ДТ )
В двухканальной системе управления / 43, 133, 135 / задающее устройство формирует воздействия, пропорциональные заданной скорости Uc и ее производной по времени U-a » которые сравниваются с напряжениями Ucj и U xd, датчиков скорости и тока.
Основным воздействием на привод является выходное напряжение регуляторов тока Ищ , подаваемое на вход регулируемого усилителя мощности ( РУМ ) двигателя ( Д ). Воздействие Ua , изменяющееся во времени пропорционально заданному ускорению, может обеспечить требуемый закон изменения управляемых координат только при полном отсутствии нагрузки и безынерционных РУМ и Д. Поэтому для компенсации возникающих погрешностей в системе используется PC.
В асинхронных приводах с регулированием скорости изменением сопротивления в роторной цепи двигателя РУМ должен включать ( рис. 3.12 ) устройство автоматического переключения резисторов в функции сигнала Uyj и тиристорний коммутатор ( ТК ) с системой импульсно-фазового управления ( СИФУ ), обеспечивающие плавное регулирование скорости путем бесступенчатого изменения параметров вторичной цепи двигателя / 43, 133, 135 /. Для получения тормозных режимов используется дополнительный канал управления по скорости с регулятором динамического торможения ( РДТ ), в состав которого входят управляемый преобразователь динамического торможения ( УПДТ ), нелинейный элемент ( НЭ2 ) и контактор динамического торможения ( КДТ ).
При появлении на выходе РТ напряжения управления Uyi под действием выходного сигнала СИФУ U& открываются тиристоры коммутатора ТК, причем угол открывания тиристоров пропорционален величине Ы . Переключение очередной ступени роторных сопротивлений происходит при достижении выходного сигнала 11щ значения, равного порогу срабатывания Пущ НЭ1, ПРИ котором тиристоры коммутатора полностью открыты. Поскольку сигнал llyj постоянно подается на СИФУ, то при Uyj Llym осуществляется фазовое управление тиристорами в цепи ротора и переключение ступеней сопротивления не происходит.
Разработка модели двухканальной САУ асинхронным приводом ШПУ и компенсация ее нелинейностей
Для компенсации уменьшения напряжения на выходе БД, по сравнению с напряжением LLyj , в прямой канал введен усилитель с коэффициентом передачи /Of = д/.д/. . Если величина напряжения управления Щ Up А , то Ср 1. Учитывая выражения ( 4.14 ) и ( 4.15 ), по структурной схеме на рис. 4.7 найдем изображение составляющей момента двигателя по управляющему воздействию м (р) = JksJLl. и (р) (4.16) Введение БД позволило осуществить техническую линеаризацию исходной модели АД с ТК в цепи ротора ( рис. 4.6 ) при изменении момента между характеристиками I и Е ( рис. 4.3,а ).
Если в процессе пуска Ш1У момент двигателя при полностью открытых тиристорах M-M0+Mi меньше среднего пускового момента "п.ср. то по каналу управления система оказывается разомкнутой. Поэтому необходимо изменить жесткость механической характеристики электропривода путем отключения очередной ступени резисторов в цепи ротора. Переключения в роторной цепи двигателя можно осуществлять при М1+М0 МП.СР. С 4.17) или по величине входного напряжения СШЇ Ui U0 -Д ( 4.18 )
Если во всех элементах структурной схемы ( рис. 4.7 ) дискретно изменять коэффициенты жесткости механических характеристик при выполнении условия ( 4.17 ) или ( 4.18 ), то для U{ U0 будет справедливо выражение. ( 4.16 ). Для этого случая структурная схема двухканальной системы с подчиненным ( внутренним ) КРТ приведена на рис. 4.8. Эта схема может быть использована для выбора параметров регуляторов.
При исследовании процесса пуска ШПУ необходимо учитывать переходные процессы в системе, вызываемые переключениями в цепях пускового реостата, время срабатывания контакторов ( 0,4-0,6 с ), а также изменения параметров некоторых звеньев. Поэтому целесообразно осуществить моделирование пуска на АВМ.
Структурная схема модели асинхронного электропривода с ТК в цепи ротора подъемного двигателя ( рис. 4.9 ) разработана с учетом приведенных выше функциональной С рис. 3.12 ) и структурных (рис. 4.5 - 4.8 ) схем. Структурная схема модели ЗУ приведена в главе 5.
На операционном усилителе ( ОУ ) 4 ( рис. 4.9 ) реализован НЭ, характеризующий степень регулирования момента двигателя по каналу бесступенчатого управления С с использованием ТК ). Один уровень ограничения выходного напряжения 0У4 устанавливается равным нулю; а второй - 100 В. Включение конденсатора параллельно резистору в цепи обратной связи ОУ 4 позволяет учесть инерционные свойства звена СИФУ-ТК ( принято Ттк - 0,02 с ). -моделируются 0У5. Коэффициенты жесткости механических характеристик электропривода и соответствующие им значения сопротивлений резисторов в цепи обратной связи 0У5 ( табл. 4.2 ) рассчитаны для скиповой подъемной установки шахты им. Кирова-Западная при подключении ТК по схеме, приведенной на рис. 4.3,6. Расчеты проведены по выражению - 2МК . Хк _ Q59 355 с 1
Изменение коэффициентов передачи 0У5 осуществляется переключающим устройством ( ПУ ) ( рис. 4.10 ), которое не входит в состав АВМ. Сигнал на переключение подается блоком программного управления ( БПУ ) АВМ при достижении выходного напряжения 0У4 80-100 В. Для моделирования задержки включения контакторов в цепи пускового реостата в состав ПУ ( рис, 4.10 ) введены генератор тактовых импульсов ( микросхема 01 ) и делитель частоты ( микросхема 0 2 ), на выходе которого появляется импульс через 0,5 с после замыкания контактов 1-3 БПУ. При этом код в двоичном счетчике ( микросхема 03 ) увеличивается на единицу и на соответствующем выходе дешифратора ( микросхема 04 ) появляется сигнал, разрешающий включение очередного реле и, следовательно, изменение коэффициента передачи 0У5 ( рис. 4.9 ).
Напряжения на выходах 0УІІ, 0УІО и 0У7 соответствуют сигналам СОс - СО , М и М0 на выходах элементов структурной схемы, приведенной на рис. 4.7. Для моделирования силовой части электропривода с подключением ТК последовательно с резисторами реостата необходимо на схеме модели выход 0УІО отключить от входа 2 0У8 и подключить к входу 2 0У7. При исследовании одноконтурной САУ выход ОУб отключается от входа 2 0У2 и выход БД от входа І 0У4, а выход 0У2 подключается к входу 2 0У4. Для регулирования момента двигателя в начале изменения задающих воздействий необходимо подключать ТК непосредственно к пусковому реостату, а не через контакты контактора. В этом случае на схеме модели исключается контакт Р1 , шунтирующий резистор /?/ в цепи обратной связи 0У5.
Электромагнитная постоянная времени ( Т$ = 0,007 с ) и постоянная времени датчика момента ( тока ) ( 7 д « 0,05 с ) учитываются включением конденсаторов в цепи обратных связей 0У8 и ОУб. Постоянные времени Ттк , Тэ и Тды приняты по их максимальным значениям. Объект управления реализован на 0У9.
Анализ проведенных исследований показал, что лучшее качество переходных процессов обеспечивается в двухконтурной двухка-нальной САУ с П-регуляторами скорости и тока, а также с БД в прямом канале KPT ( момента ). Введение канала управления по заданному ускорению позволило устранить ошибку системы по управляющему воздействию ( при постоянном Мс ). При этом график скорости объекта практически не отличается от графика заданной скорости ( рис. 4.II,а ). Для уменьшения влияния задержки включения контакторов на динамику САУ необходимо подавать команду на переключения пускового реостата при неполностью открытых тиристорах ( 80-90 В на выходе 0У4 ).
