Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор систем управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна 10
1.1. Современное состояние проходческих комбайнов 10
1.2. Анализ путей совершенствования проходческих комбайнов и устройств для их реализации 14
1.3. Анализ статических и динамических характеристик привода подачи 25
1.4. Выбор аппарата теории автоматического управления для синтеза системы управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна 29
Выводы по первой главе 47
Цели и задачи диссертационного исследования 49
Глава 2. Математическая модель канала формирования нагрузок электропривода резания проходческого комбайна при пространственном перемещении исполнительного органа 51
2.1. Кинематический и динамический анализ привода подачи проходческого комбайна 51
2.2. Анализ динамических режимов работы электропривода резания проходческого комбайна 62
2.3. Математическая модель взаимодействия забоя, электропривода резания и привода подачи проходческого комбайна 66
2.4. Построение упрощенной модели канала формирования нагрузок электропривода резания проходческого комбайна при пространственном перемещении исполнительного органа 70
Выводы по второй главе 80
Глава 3. Разработка системы управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна 83
3.1. Разработка функциональной схемы системы управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна при пространственном перемещении исполнительного органа 83
3.2. Синтез нелинейного регулятора скорости подачи системы управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна при линейном перемещении исполнительного органа 88
3.3. Синтез нелинейного регулятора скорости подачи системы управления нагрузкой электропривода резания при пространственном перемещении исполнительного органа 109
3.4. Анализ чувствительности разработанной системы управления нагрузкой электропривода резания по отношению к отклонениям параметров объекта управления 115
3.5. Анализ эффективности разработанной системы управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна 119
Выводы по главе 3 125
Глава 4. Проведение экспериментальных исследований и техническая реализация системы управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна 127
4.1 Проведение имитационных экспериментов в специализированной вычислительной среде SimulationX 127
4.2. Техническая реализация системы управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна 136
Выводы по главе 4 142
Заключение 144
Список литературы 146
Приложение А 159
Приложение Б
- Анализ путей совершенствования проходческих комбайнов и устройств для их реализации
- Анализ динамических режимов работы электропривода резания проходческого комбайна
- Синтез нелинейного регулятора скорости подачи системы управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна при линейном перемещении исполнительного органа
- Техническая реализация системы управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна
Введение к работе
Актуальность работы. Проходческие комбайны являются одним из основных механизированных способов при проведении подготовительных работ. Практика эксплуатации проходческих комбайнов показывает, что значительная доля отказов приходится на электропривод резания, оснащенного нерегулируемым асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором. Сложные горно-геологические условия и стохастический характер изменения нагрузок способствуют появлениям перегрузок и стопорения электродвигателя привода резания, время возникновения которого составляет 0,3-0,4 секунды в зависимости от состояния резцов и скорости подачи. Данное условие в значительной степени является сдерживающим фактором повышения производительности проходческих комбайнов.
В настоящее время наиболее эффективным способом регулирования и ограничения нагрузок электропривода резания является применение регулируемого привода подачи исполнительного органа. Синтез существующих систем управления нагрузкой электропривода резания на основе регулируемого привода подачи осуществляется, как правило, по приближенным линейным моделям, что приводит к потере качества управления. При таком подходе достижение заданного качества процесса управления осуществляется за счет ограничения функциональных возможностей привода подачи. Под ограниченной функциональной возможностью понимается намеренное накладываемое ограничение на работу одного из узлов привода подачи, например, ограничение хода плунжера золотникового распределителя пределами + 20 % для обеспечения линейности его характеристики.
Таким образом, имеет место противоречие между применяемым аппаратом синтеза, функциональными возможностями привода подачи и эффективностью управления нагрузками электропривода резания, которое можно разрешить посредством применения нелинейных управляющих систем, учитывающих изменения динамики привода подачи и горно-геологических условий.
Изложенное выше в полной мере определяет актуальность задач, решаемых в данной диссертационной работе.
Цель работы. Развитие подхода к разработке систем управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна на основе упрощенной нелинейной модели объекта управления.
Задачи диссертационной работы. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи исследования:
Анализ условий эксплуатации проходческих комбайнов и выполненных исследований в области синтеза систем управления нагрузкой электропривода резания проходческих комбайнов.
Разработка структуры модели канала формирования нагрузок электропривода резания проходческого комбайна, учитывающей пространственное перемещение исполнительного органа, конструктивные особенности привода подачи, нелинейные характеристики и неопределенности параметров электрогидравлических золотниковых распределителей, а также процесс разрушения
горного массива, с целью синтеза алгоритмов управления и оценки их эффективности.
Синтез структуры и алгоритма работы нелинейного регулятора скорости подачи в системе управления нагрузкой электропривода резания, позволяющего компенсировать нелинейность характеристик привода подачи, обладающего нечувствительностью по отношению к неопределенности параметров золотникового распределителя и забоя и обеспечивающего стабилизацию тока электродвигателя привода резания при пространственном перемещении исполнительного органа.
Проверка работоспособности синтезированной нелинейной системы управления нагрузкой электропривода резания в специализированной вычислительной среде SimulationX.
Методы исследований. Для достижения поставленных задач в работе использованы методы теории автоматического управления, теории механизмов и машин, теорий гидро- и электропривода, аппарат линейной алгебры и дифференциальных уравнений. Математическое и имитационное моделирование выполнено в системах MATCAD, MATLAB/Simulink и SimulationX.
Научная новизна диссертационной работы.
Комплексная и упрощенная математические модели канала формирования нагрузок электропривода резания при пространственном перемещении исполнительного органа, отличающиеся от известных тем, что учитывают конструктивные особенности привода подачи при модернизации гидравлической схемы привода подачи, нелинейные характеристики и параметры электрогидравлических золотниковых распределителей и забоя, характеризующиеся неопределенностью.
Условие согласования скоростей перемещения поршней правого и левого гидроцилиндров привода подачи исполнительного органа проходческого комбайна, обеспечивающее снижение давления жидкости в сливных полостях гидроцилиндров более чем в два раза, что позволяет более эффективно использовать источник гидравлической энергии.
Методика синтеза нелинейного регулятора скорости подачи для управления сложным динамическим объектом с запаздыванием «гидравлический привод подачи - забой», отличающаяся тем, что синтез регулятора выполнен на основе упрощенной нелинейной модели «электрогидравлический золотниковый распределитель - силовой гидроцилиндр» 5 порядка, содержащей время запаздывания и средние значения параметров электрогидравлического золотникового распределителя и забоя.
Структура и алгоритм работы нелинейного регулятора скорости подачи исполнительного органа в системе управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна, отличающиеся тем, что позволяют компенсировать нелинейность характеристик привода подачи, обладают нечувствительностью по отношению к неопределенности параметров золотникового распределителя и забоя и обеспечивают стабилизацию тока электродвигателя привода резания при пространственном перемещении исполнительного органа за счет формирования нелинейных компенсирующих функций.
Достоверность научных результатов. Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается использованием традиционных математических методов, сопоставимостью результатов исследований с существующими положениями теории автоматического управления; полученной погрешностью результатов имитационного моделирования в средах MATLAB/Simulink и SimulationX относительно экспериментальных данных, которая не превышает 9%.
Практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы:
на этапе разработки опытных образцов систем управления нагрузкой, ограничения и защит электропривода резания проходческого комбайна в специализированной среде SimulationX, с использованием разработанных компонент и моделей, к которым относятся: комплексная модель электропривода резания и привода подачи; компонента, реализующая функции нелинейного регулятора скорости подачи и условия согласования скоростей перемещения поршней гидроцилиндров привода подачи; компонента, реализующая процесс разрушения горного массива;
для обучения студентов и повышения квалификации специалистов в области автоматизации проходческих работ.
Реализация результатов работы. Разработанные имитационная модель проходческого комбайна в специализированной среде SimulationX и метод синтеза нелинейного регулятора переданы ООО «Научно - производственной фирме «ИНТЕХСИБ» (г. Новокузнецк) в качестве инструмента для проектирования систем управления нагрузкой электропривода резания проходческих комбайнов. Научные результаты и практические рекомендации используются в учебном процессе ГОУ ВПО «СибГИУ» при обучении студентов по специальностям 140601- Электромеханика и 150402 - Горные машины и оборудование.
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся
Комплексная и упрощенная математические модели канала формирования нагрузок электропривода резания при пространственном перемещении исполнительного органа с учетом модернизированной гидравлической схемы привода подачи.
Условие согласования скоростей перемещения поршней правого и левого гидроцилиндров привода подачи исполнительного органа проходческого комбайна.
Методика синтеза нелинейного регулятора скорости подачи для параметрически неопределенного объекта управления с запаздыванием «гидравлический привод подачи - забой».
Структура и алгоритм работы нелинейного регулятора скорости подачи исполнительного органа в системе управления нагрузкой электропривода резания.
Апробация результатов работы. Основные теоретические и практические положения диссертации обсуждались на ежегодных международных научно-практических конференциях «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк, 2008- 2010), XIII Международной научно-практической конференция «Природные и интеллектуальные
ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 2010), IV Всероссийской научно-практической конференция «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в образовании, науке и производстве» (г. Новокузнецк, 2010), всероссийских научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения», (г. Новокузнецк, 2008-2010), научно-технических семинарах кафедры Электромеханики СибГИУ (г. Новокузнецк, 2009-2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из них 1 статья в журналах, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка литературы, включающего 127 наименований. Основная часть диссертации изложена на 142 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 44 рисунков, 3 таблицы и 2 приложения.
Анализ путей совершенствования проходческих комбайнов и устройств для их реализации
На сегодняшний день, основными направлениями совершенствования горных машин и повышения их эксплуатационных характеристик являются: 1. Конструкционный [15,24,25], когда на стадии проектирования горной машины улучшаются узлы конструкции, оптимизируется; гидравлическая схема, укрупняются элементы конструкции и др. 2. Применение регулируемого привода подачи и частотно-регулируемого привода резания с целью снижения динамических и статических нагрузок электропривода резания, защиты от экстремальных перегрузок. Очевидно, что наиболее эффективным путем совершенствования проходческих комбайнов является одновременное использование обозначенных выше подходов. Поэтому анализ существующих способов повышения надежности; проходческих комбайнов наиболее рационально провести в рамках использования регулируемого привода и частичной модернизации гидравлической схемы механизма подачи. Эффективность использования частотно-регулируемого электропривода резания в составе горных машин подтверждается многочисленными исследованиями, проведенными авторами [26-30]. При этом преимущество использования регулируемого привода резания заключается в следующем: - повышается ресурс горной машины при исчерпывающих конструктивных решениях; - снижаются динамические нагрузки при изменении сил сопротивления на режущем инструменте; - исключаются пусковые токи и падения напряжения в электрической сети при пуске электропривода; - обеспечивается безаварийная работа электропривода резания с номинальными нагрузками и перегрузками при падении напряжения в сети.
Другим направлением совершенствования проходческих и очистных комбайнов является применение регуляторов нагрузки электропривода резания на основе регулируемого привода подачи [11,31-33]. Задание регулируемой координаты - скорости подачи - формируется регулятором нагрузки, задающим скорость подачи в функции тока статора электродвигателя привода резания. Для проходческих комбайнов разработаны и промышленно освоены регуляторы нагрузки с регулируемым приводом подачи «ПРИЗ», «ИПИР» [34].
Из перечисленных выше направлений совершенствования проходческих комбайнов перспективным является переход на полностью частотно-регулируемый электропривод резания переменного тока совместно с применением регулируемого привода подачи [35-42]. Однако значительная мощность электродвигателя главного привода резания и подвижный характер работы горной машины являются основными препятствиями для внедрения частотных преобразователей, поэтому наиболее эффективным методом выравнивания нагрузок электропривода резания является использование регулируемого привода подачи. В развитие данного метода вне 16 ели вклад ученые В.И. Вавиловский, А.Б. Логов, А.Т. Мещерин, Ю.А. Мещери-на, Е.В. Пугачев и др. Серийно выпускаемые регуляторы нагрузки проходческих комбайнов «ПРИЗ» и «ИПИР-ЗМ» обеспечивают [34J: - автоматическую стабилизацию нагрузки электрического двигателя привода режущего органа за счет изменения скорости подачи на забой; - защиту двигателя привода резания от опрокидывания; - выбор автоматического или ручного режима управления нагрузками привода резания. В обозначенных регуляторах нагрузки изменение скорости подачи на забой достигается за счет использования каскадного электрогидравлического золотникового распределителя. При этом задание скорости подачи формируется на основании тока статора электродвигателя привода резания, как величины однозначно отражающей нагрузки электропривода резания. С точки зрения теории автоматического управления, системы управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна в регуляторах нагрузки «ПРИЗ» и «ИПИР-ЗМ» построены по принципу подчиненного регулирования координат и состоят из внутреннего контура регулирования скорости подачи и внешнего контура стабилизации тока электродвигателя привода резания. Однако алгоритмы функционирования регуляторов соответствующих контуров для регуляторов нагрузки «ПРИЗ» и «ИПИР-ЗМ» имеют существенные различия. Регулятор контура скорости подачи в регуляторе нагрузке «ПРИЗ» синтезирован методами теории систем с переменной структурой. Очевидно, что данный подход не является предпочтительным, так как обеспечение идеального скользящего режима в таких системах затруднительно. На практике данное обстоятельство выражается в частых переключениях управляющего воздействия, которые вызывают удары в механических частях привода подачи, что способствует накоплению усталостных проявлений в узлах конструкции проходческого комбайна. Регулятор контура скорости подачи в регуляторе нагрузке «ИПИР-ЗМ» представляет собой импульсный пропорционально-интегральный регулятор, обеспечивающий хорошее качество процесса регулирования и позволяющий значительно снизить вероятность опрокидывания электродвигателя привода резания при больших технологических перегрузках. В тоже время при использовании данного регулятора скорость подачи исполнительного органа проходческого комбайна изменяется рывками, что объясняется конструктивными особенностями механизма подачи [34].
Следует добавить, что недостатком систем управления нагрузкой электропривода резания в серийных регуляторах нагрузки «ПРИЗ» и «ИПИР-ЗМ» является выравнивание только статических нагрузок, при этом ограничение динамических перегрузок не происходит, что приводит к необходимости использования дополнительных средств защиты двух приводов. Обозначенные модификации средств защиты двух приводов отражены в авторских свидетельствах на изобретения №№ 1149008, 1301968, 1507969, 989065, 898057, промышленное распространение получили аппараты защиты электродвигателей «КОРД» [14,34,43-46]. Устранение сказанных выше недостатков серийных регуляторов нагрузки основывается на использовании нового подхода к алгоритмическому обеспече . нию регуляторов скорости подачи и тока электродвигателя привода резания [47]. При этом автором данной работы обоснованы следующие факторы, влияющие на формирования нагрузок электропривода резания: - нелинейная функциональная зависимость скорости подачи от угла поворота исполнительного органа; - нелинейные характеристики электрогидравлического золотникового распределителя. Данные факторы приводят к возникновению дополнительных нагрузок на электропривод резания и существенно усложняют синтез систем управления нагрузкой электропривода резания [11,48-54].
Анализ динамических режимов работы электропривода резания проходческого комбайна
Электропривод резания проходческого комбайна включает в себя три основные составляющие, которые функционируют во взаимодействии: - асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором; - трансмиссии (редуктора); - вала с резцовой коронкой.
Асинхронный электродвигатель при относительной простоте конструкции, надежности и невысокой стоимости нашел широкое применение в различных областях промышленности в качестве электромеханического преобразователя энергии. В тоже время как объект управления асинхронный электродвигатель является сложной нелинейной динамической системой.
При разработке систем управления асинхронными электроприводами распространение получила двухфазная математическая модель на базе обобщенной электрической машины, вследствие относительной простоты модели и достаточно точном математическом описании происходящих динамических процессов [119].
Адекватность данной модели подтверждена многочисленными исследованиями, например в [119] и приведенной автором литературой. Стоит отметить, что в настоящее время разработано несколько типов математических моделей асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, а именно, одно-, двух- и трехфазные математические модели. Принципиальные отличия данных моделей- заключаются в количестве переменных, описывающих динамические процессы электрической машины. При этом одно-, двух- и трехфазные математические модели асинхронных электроприводов применяются при их управлении от регулируемого источника переменного напряжения или тока в соответствии с заданными целями и количеством непосредственно измеряемых параметров машины [11,119,120] Применительно к данному исследованию выбор двухфазной модели асинхронного электродвигателя обоснован тем, что данная модель является стандартной компонентой программных сред MATLAB/Simulink и SimulationX.
Однако выбор уравнения (2.30) в качестве модели электродвигателя значительно усложняет синтез корректирующих устройств. Ввиду того, что электропривод резания проходческого комбайна не является регулируемым приводом, а регулируемым параметром является момент сопротивления Мр, то целесообразно проанализировать влияние данного параметра на протекающие динамические процессы в электродвигателе.
Проходческий комбайн как объект автоматического управления представляет собой систему из взаимосвязанных приводов резания и подачи; взаимодействующих через забой. Поэтому для объединения установленных ранее динамических свойств привода подачи и электропривода резания в единую математическую модель необходимо проанализировать энергетические свойства забоя при его механическом разрушении и влиянии этих свойств на привод подачи и электропривод резания.
При этом эксперименты показали, что соотношение (2.42) справедливо во всем диапазоне работы комбайна и зависит, в основном, от состояния резцов резцовой коронки [14,68]. Причем, соотношение (2.42) справедливо как в статическом, так и динамическом режиме разрушения горного массива, так как нагрузки при разрушении забоя передаются на электропривод резания и привод подачи практически мгновенно с момента их возникновения [68].
С учетом принятых выше допущений, связь силовых параметров электропривода резания и привода подачи в процессе разрушения горного массива описывается следующей системой уравнений [68]: Мер (0 = ар + п bi Як Ш, Mcn(t) = яп + п h стр h(t), где ар, ап — соответственно моменты сопротивления резанию и подачи; b±, Ь2 — коэффициенты, характеризующие сопротивляемость массива к разрушению соответственно резанию»и подаче; RK — радиус вылета резца; /стр — длина стрелы исполнительного органа; п — количество резцов режущей коронки, находящихся одновременно в зацеплении с забоем; h(t) — толщина среза стружки. Основным физическим процессом, характеризующим разрушение забоя, является процесс стружкообразования. Сложность математического описания данного процесса заключается в том, что параметры, характеризующие энергетические затраты при механическом разрушении забоя, изменяются случайным образом вследствие следующих факторов: - неоднородности и изменчивости параметров разрушаемого массива; - изменчивости параметров резцового инструмента. Причем многие из обозначенных факторов не поддаются точному математическому описанию, например, затупление резцов или изменение геометрии реза при пространственном перемещении исполнительного органа. Упрощение математического описания процесса стружкообразования достигается посредством того, что коэффициенты Ьх и Ъ2 в уравнении (2.43) имеют фиксированное значение при образовании единичной стружки, и, в целом, изменение коэффициентов Ъг и Ь2 происходит в установленных границах при фиксированных максимальной и минимальной границах, которые опреде 68 ляются допустимыми условиями эксплуатации и изменяются линейно в зависимости от толщины стружки. При принятых допущениях процесс образования стружки описывается следующим уравнением [68]: ВД = стр _т wc() dt, (2.44) где т = время образования единичной стружки; vK — частота вращения коронки исполнительного органа. Адекватность математической модели процесса стружкообразования (2.44) подтверждена в работе [68]. В уравнении (2.44) допускается, что процесс стружкообразования протекает в течении некоторого фиксированного времени чистого запаздывания т и пропорционален интегралу угловой скорости подачи й)с. При этом в режимах стопорения и опрокидывания электродвигателя привода резания скорость резания падает до нуля за промежуток времени меньший по сравнению с т [14].
Анализируя уравнения (2.43-2.47), получаем, что уравнение (2.44) учитывает процесс стружкообразования, входным воздействием которого является скорость подачи а)с, а выходным толщина стружки /i(t). Уравнение (2.45) учитывает динамический процесс взаимодействия электропривода резания и забоя, входным воздействием которого является скорость подачи й)с, а выходным момент сопротивления резанию Мср. Уравнение (2.47) учитывает динамический процесс взаимодействия привода подачи и забоя, входным воздействием которого является скорость подачи сос, а выходным момент сопротивления подачи Мсп. При этом возмущающее воздействие на привод резания и подачи пропорционально произведению управляющего воздействия сос и параметра Ьг, напрямую связанного с крепостью разрушаемого забоя, изменяющегося случайным образом, и не измеряемым ни косвенно, ни непосредственно. Следовательно, параметр Ьг ± еЬг характеризуется неопределенностью своего значения в модели взаимодействия забоя, электропривода резания и привода подачи. Изменение значения этого параметра необходимо учитывать при синтезе системы управления нагрузкой электропривода резания.
Синтез нелинейного регулятора скорости подачи системы управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна при линейном перемещении исполнительного органа
Для синтеза нелинейного регулятора скорости подачи исполнительного органа проходческого комбайна принят метод точной линеаризации. Математическая модель перемещения исполнительного органа проходческого комбайна при взаимодействии с забоем содержит локальные унифицированные модели «электрогидравлический золотниковый распределитель — силовой гидроцилиндр», связи между которыми отражают основные кинематические особенности привода подачи.
Очевидно, что локальные модели скоростей перемещения поршней правого и левого гидроцилиндров механизма поворота и скоростей перемещения поршней гидроцилиндров механизма подъема имеют одинаковую структуру. Это означает, что структура нелинейного регулятора скорости исполнительного органа включает локальные регуляторы скоростей перемещения поршней гидроцилиндров механизма подачи с введенными корректирующим алгоритмом скорости подачи и условием согласования. При этом синтез нелинейного регулятора скорости подачи исполнительного органа методом точной линеаризации может быть рассмотрен на примере регулирования скорости перемещения одного из поршней механизма поворота или механизма подъема. Поэтому синтез нелинейного регулятора методом точной линеаризации рассматривается на примере регулирования скорости перемещения поршня правого гидроцилиндра. Использование теории синтеза нелинейных корректирующих устройств для объектов с нелинейными характеристиками позволяет получать желаемые переходные процессы с большим быстродействием, малым перерегулированием и малой колебательностью, что в рассматриваемом случае имеет значительное преимущество, с точки зрения, снижения усталостных проявлений в металлоконструкции проходческого комбайна при возникновении кратковременных перегрузок электропривода резания, вызванных контактом резцового инструмента с твердым включением небольшого размера.
В параграфе 1.4 отмечено, что для эффективного применения метода точной линеаризации в качестве аппарата синтеза регулятора скорости подачи необходимо решить следующие частные задачи . - анализ применения данного аппарата при синтезе нелинейных динамических систем с запаздыванием; - оценка параметров объекта управления в условиях известной информации о части вектора состояния; - обеспечение нечувствительности системы управления по отношению к неопределенности параметров объекта управления, таких как крепость горной породы, разброс параметров гидравлического привода подачи. Задача синтеза структуры и алгоритма работы нелинейного регуля тора скорости подачи исполнительного органа в системе управления на грузкой электропривода резания проходческого комбайна представлена сле дующим образом. Исходные данные и условия задачи: 1) известные методы синтеза регуляторов скорости подачи (В.И. Вавиловский, А.Т. Мещерин, Ю.А. Мещерина); 2) известный метод синтеза регуляторов, использующий аппарат дифференциальной геометрии (С. Byrnes, A. Isidori, P. Tomei и др.); 3) упро щенная нелинейная математическая модель канала формирования нагрузок электропривода резания, содержащая нелинейные дифференциальные уравне ния со средними значениями параметров ЭГЗ и забоя, звенья чистого запазды вания; 4) требования к технологическому процессу разрушения горного масси ва, представленные в следующем виде: /Qtn ід()гі - const , limt_tn Эд(0 - 05 гДе эд - ток электродвигателя; tn = 0,4 секунды - время пе 91 реходного процесса; эд( 0 рассогласование контура стабилизации тока электродвигателя; limt_ tu) а)с(0 " 0 гДе с - скорость подачи; tu)c 0,1 секунды; ы (t) - рассогласование контура скорости подачи. Требуется 1) синтезировать нелинейный регулятор скорости подачи; 2) оценить чувствительность нелинейного регулятора скорости подачи по отношению к неточности модели объекта управления, а таюке к изменению параметров привода подачи и забоя; 3) разработать структуру регулятора скорости подачи, позволяющего стабилизировать нагрузки электропривода резания проходческого комбайна при пространственном перемещении исполнительного органа; 4) оценить эффективность разработанной системы управления нагрузкой электропривода резания.
Методика решения задачи синтеза нелинейного регулятора скорости подачи. Идея метода точной линеаризации основана на нахождении алгоритма координатного преобразования, с учетом которого исходная нелинейная модель преобразуется к эквивалентной линейной модели в новых координатах. Поиск алгоритма координатного преобразования основывается на методах дифференциальной геометрии, а именно на нахождении производных Ли:
Для нахождения алгоритма координатного преобразования нелинейной локальной модели «электрогидравлический золотниковый распределитель - силовой гидроцилиндр» (2.56, 2.57) определяются производные Ли от функции 9П вдоль векторного поля/п(л:п), при этом дифференцирование функции $п ограничивается производной, при которой выводится явная зависимость между управлением иП и выходной переменной #п.
Техническая реализация системы управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна
Результаты, проведенных имитационных экспериментов в программных средах MATLAB/Simulink и SimulationX, позволяют говорить о работоспособности синтезированных регуляторов и целесообразности технической реализации системы управления нагрузкой электропривода резания. Функциональная схема опытного образца системы управления нагрузкой электропривода резания, реализованная на базе программируемого микроконтроллера, представлена на рисунке 4.6. Система управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна включает: - два программируемых микроконтроллера (МК1, МК2); -пульт управления комбайном; - устройство сопряжения с электронным блоком электрогидравлического золотникового распределителя (УС1-УС2); - электрогидравлические золотниковые распределители (ЭГЗ).
В качестве датчика тока электродвигателя привода резания предложено использовать датчик тока на основе эффекта Холла. В настоящий момент рынок данной продукции представлен различными компаниями, как отечественными, так и зарубежными, поэтому в качестве примера предложено использовать датчик тока CSLA2EM фирмы HONEYWELL, США. Выбор данного датчика тока обоснован его малыми габаритами с максимальным током измерения равным 765А, что позволяет интегрировать данный прибор в существующую станцию управления электрооборудованием проходческого комбайна без дополнительных конструкторских переработок. Значение тока электродвигателя привода резания, однозначно связанного с его нагрузками, поступает в модуль аналого-цифрового преобразователя (АЦП7) микроконтроллера и используется для формирования задания регулятора тока системы стабилизации нагрузок электропривода резания.
Изображенный на рисунке 4.6 блок «Пульт» представляет собой стандартный пульт управления проходческим комбайном, так как предлагаемая система стабилизации нагрузок электропривода резания не требует переработки его реконструкции. Оператор (комбайнер) посредством нажатия на кнопки «Вверх», «Вниз», «Лево», «Право» задает направление пространственного перемещения исполнительного органа, а разработанная система управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна в автоматическом режиме перераспределяет нагрузку между механизмами поворота и подъема исполнительного органа, и тем самым, поддерживает заданную нагрузку электропривода резания в зависимости от горно-геологических условий.
Представленная лабораторная установка позволяет проводить испытания синтезированных регуляторов тока и скорости подачи системы управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна методом натурно-математического моделирования, в развитие которого внесли вклад отечественные ученые В.П. Авдеев, А.К. Еналеев, СР. Зельцер, СМ. Кулаков, Л.П. Мышляев, и др.
Разработанные дополнительные компоненты «Нелинейный регулятор», «Исполнительный орган - забой», а также имитационная модель проходческого комбайна в специализированной среде SimulationX переданы ООО «Научно -производственной фирме «ИНТЕХСИБ» в качестве инструмента для проектирования систем управления нагрузкой электропривода резания проходческих комбайнов (Приложение А). Полученные выводы и рекомендации диссертационного исследования внедрены в учебный процесс подготовки специалистов в Сибирском государственном университете (Приложение Б).
1. Разработан в виде дополнительной компоненты программный модуль «Исполнительный орган - забой» в специализированной системе имитационного моделирования SiraulationX на языке программирования Си, имитирующий процесс разрушения забоя, что позволило подтвердить адекватность ряда математических зависимостей, принимаемых при разработке математической модели канала формирования нагрузок электропривода резания проходческого комбайна.
2. Разработана комплексная имитационная модель взаимодействия электропривода резания, привода подачи и забоя в системе имитационного моделирования SimulationX. Данная модель в наибольшей степени имитирует работу электропривода резания и привода подачи, а также процесс разрушения забоя, что позволяет использовать ее для проведения дальнейших исследований.
3. Разработана дополнительная компонента специализированной среды SimulationX, реализующая алгоритм работы системы управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна, что позволило подтвердить ее эффективность и работоспособность.
4. Установлено, что погрешность результатов имитационного моделирования в средах MATLAB/Siraulink и SimulationX относительно экспериментальных данных, полученных при работе проходческого комбайна в забое, не превышает 9%. На основании полученных результатов предложен опытный образец системы управления нагрузкой электропривода резания проходческого комбайна.
