Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ нагрузок электропривода резания исполнительного органа проходческого комбайна, средств их стабилизацией и ограничения 12
1.1 Причины отказов электропривода резания исполнительного органа проходческого комбайна и пути их устранения 12
1.2 Зависимость угловой скорости подачи исполнительного органа от угла его поворота и скорости линейного перемещения штока гидроцилиндра исполнительного привода 16
1.3 Зависимость усилия подачи исполнительного органа от угла поворота стрелы и усилия на штоке гидроцилиндра 18
1.4 Защита электродвигателя привода резания исполнительного органа от перегрузок и «опрокидывания» 21
1.5 Анализ существующих систем автоматического управления режимами работы электропривода резания исполнительного органа проходческого комбайна 24
Выводы и постановка задач исследования 30
2 Особенности конструкции исполнительного органа проходческого комбайна и алгоритмическая компенсация нелинейной зависимости скорости и усилия подачи от угла поворота стрелы 33
2.1 Тангенциальные составляющие усилий подачи в точках соединения штоков гидроцилиндров с турелью в функции угла поворота исполнительного органа и усилий на штоках гидроцилиндров 33
2.2 Анализ распределения тангенциальных составляющих усилий в точках шарнирного соединения штоков гидроцилиндров с турелью в функции угла поворота исполнительного органа 45
2.3 Зависимость скорости поворота турели от угла поворота а и положения плунжера золотникового распределителя ЭГУ 47
2.4 Анализ зависимости скорости поворота турели в функции угла поворота при неизменном положении золотникового распределителя 54
2.5 Разработка алгоритма выравнивания тангенциальных составляющих скоростей поворота турели от усилий левого и правого гидроцилиндров при изменении угла ее поворота 57
Выводы 65
3 Модели исполнительного привода подачи и электропривода резания исполнительного органа проходческого комбайна 67
3.1 Особенности системы приводов исполнительного органа 67
3.2 Передаточные функции, структурные схемы и математическое описание исполнительного привода подачи 68
3.3 Эквивалентная однофазная модель с вращающимся магнитным полем трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя привода резания исполнительного органа 78
3.4 Соответствие электромеханической модели «Асинхронный электродвигатель - исполнительный орган» физической системе 95
Выводы 96
4 Анализ и синтез микроконтроллерной системы управления электроприводом резания исполнительного органа проходческого комбайна 97
4.1 Разработка метода синтеза регуляторов быстродействующих систем с заданными переходными и установившимися процессами.. 97
4.2 Особенности синтеза регуляторов микроконтроллерной системы управления 104
4.3 Контур управления скоростью подачи исполнительного органа 107
4.4 Синтез аналогового прототипа регулятора скорости подачи 112
4.5 Синтез регулятора контура управления током асинхронного электродвигателя привода резания исполнительного органа 118
4.6 Дискретизация аналоговых передаточных функций регуляторов с преобразованием в алгоритм управления 131
4.7 Модельное исследование системы управления и ограничения выходного сигнала регулятора скорости подачи 135
4.8 Алгоритм управления с исключением накопления дискретного астатического регулятора в режиме ограничении его выходного 140
сигнала
4.9 Идентификация крепости горной породы и формирование заданий регулятору тока 143
4.10 Микроконтроллерная система стабилизации нагрузок
электропривода резания проходческого комбайна 150
Выводы 155
Заключение 157
Библиографический список 160
Приложение А 170
- Причины отказов электропривода резания исполнительного органа проходческого комбайна и пути их устранения
- Тангенциальные составляющие усилий подачи в точках соединения штоков гидроцилиндров с турелью в функции угла поворота исполнительного органа и усилий на штоках гидроцилиндров
- Передаточные функции, структурные схемы и математическое описание исполнительного привода подачи
- Особенности синтеза регуляторов микроконтроллерной системы управления
Введение к работе
Проходческие комбайны работают в сложных горно-геологических условиях с высокими динамическими нагрузками, превышающими величину, принимаемую в расчётах на прочность, что существенно снижает надежность машины. За базовый объект в работе принят проходческий комбайн 1ГПКС со стреловидным исполнительным органом и радиальной резцовой коронкой. Комбайн оснащен нерегулируемым главным приводом — электроприводом резания на основе асинхронного короткозамкнутого электродвигателя с ручным управлением нагрузки за счет маломощного исполнительного привода - быстродействующего гидропривода, управляющего скоростью подачи исполнительного органа. Важным требованием к системе регулирования нагрузок проходческого комбайна является необходимость предотвращения длительных перегрузок и «опрокидывания» электродвигателя, которое происходит за время 0,3 - 0,4 с, в зависимости от скорости подачи и жёсткости препятствия при контакте исполнительного органа с твёрдым включением. В настоящее время на действующих и вновь разрабатываемых проходческих комбайнах отсутствуют средства регулирования и ограничения нагрузок электропривода резания, что является сдерживающим фактором повышения производительности, надёжности и долговечности этих машин.
Таким образом, задача исследования и разработки быстродействующей с формированием плавных переходных процессов системы стабилизации нагрузок электродвигателя привода резания исполнительного органа проходческого комбайна является весьма актуальной.
Цель работы. Совершенствование электропривода резания исполнительного органа проходческого комбайна для обеспечения стабилизации и ограничения его нагрузок.
Идея работы заключается в новом подходе к алгоритмическому и программному обеспечению дискретных регуляторов управления током электродвигателя привода резания и скорости подачи исполнительного привода в составе программно-аппаратной микроконтроллерной системы управления, что позволит разработать систему стабилизации нагрузок электропривода резания проходческого комбайна.
Задачи диссертационной работы.
1. Установить функциональную зависимость усилия и скорости подачи от угла поворота исполнительного органа и усилий на штоках гидроцилиндров исполнительного привода проходческого комбайна, что позволит обосновать способ выравнивания нагрузки электропривода резания вдоль линии разрушения поверхности забоя.
2. Разработать метод синтеза аналогового прототипа дискретного регулятора на основе принципов разнотемповых процессов и инверсии; алгоритм, исключающий накопление интегрирующей составляющей дискретного регулятора в режиме ограничения его выходного сигнала, что позволит создать быстродействующую (в диапазоне 0,2 - 0,25 с) с плавными переходными процессами систему стабилизации нагрузок электропривода резания комбайна.
3. Разработать алгоритм формирования задания на токи уставок электропривода резания в зависимости от крепости горной породы для стабилизации и ограничения нагрузок электродвигателя, технические требования к проектированию и методику определения параметров системы управления.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Зависимости скорости и усилия подачи от угла поворота стрелы и положения плунжера золотникового распределителя характеризуют степень влияния конструктивных факторов на нагрузку электропривода резания исполнительного органа.
2. Выбор в качестве эталонного характеристического уравнения передаточной функции системы управления - многочлена второго порядка - определяет функциональную зависимость параметров передаточной функции регулятора от параметров объекта управления для обеспечения желаемых процессов в электроприводе резания.
3. Разработанный метод синтеза регуляторов на принципах разнотемповых процессов и инверсии выполнен на основе желаемой передаточной функции подсистемы медленных процессов объекта управления. Введение больших корней в характеристический полином передаточной функции регулятора обеспечивает его физическую реализуемость без применения операции дифференцирования входного сигнала.
4. Разработанный алгоритм, исключающий накопление интегрирующей составляющей дискретного регулятора в зоне ограничения его выходного сигнала, обеспечивает создание высокоэффективной системы управления электроприводом резания исполнительного органа проходческого комбайна.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработан нелинейный корректирующий алгоритм для обеспечения синтеза регулятора скорости подачи, отличающийся тем, что позволяет обосновать способ выравнивания нагрузки электропривода резания исполнительного органа вдоль линии разрушения поверхности забоя.
2. Установлена функциональная связь параметров передаточной функции регулятора с параметрами объекта управления за счет выбора характеристического уравнения второго порядка в качестве эталона синтезируемой системы управления, что обеспечивает желаемые динамические процессы в электроприводе резания проходческого комбайна.
3. Разработан метод синтеза регулятора, отличающийся тем, что выполнен на основе эталонной передаточной функции подсистемы медленных процессов объекта управления, а введение больших корней в характеристический полином передаточной функции регулятора позволяет получить его физическую реализуемость в случае, когда порядок полинома числителя больше порядка полинома знаменателя.
4. Разработан алгоритм управления, отличающийся тем, что исключает накопление выходного сигнала дискретного астатического регулятора в режиме его ограничения в контуре скорости подачи.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается следующими критериями: - корректностью постановки задач; - использованием традиционных математических методов;
- модельными компьютерными исследованиями системы, состоящей из компенсирующей нелинейной функции, реализуемой в алгоритме коррекции, и модели нелинейного объекта управления, обеспечивающей линеаризацию результирующей передаточной функции;
- сходимостью результатов вычислительного эксперимента с использованием регуляторов, синтезированных по упрощенным моделям, с результатами компьютерного моделирования на полной комплексной модели объекта управления;
- использованием надежного программного симулятора микроконтроллера интегрированной среды Microchip IDE в сочетании с компилятором Си для программирования и отладки программы системы стабилизации нагрузок при проведении модельных исследований.
Личный вклад автора заключается в следующем.
1. В формировании нелинейного корректирующего алгоритма в программно-аппаратной микроконтроллерной системе управления исполнительным приводом, что позволяет обосновать способ выравнивания нагрузки электропривода резания исполнительного органа проходческого комбайна.
2. В обосновании выбора передаточной функции второго порядка в качестве эталона синтезируемой системы управления, что обеспечит функциональную связь параметров объекта управления с параметрами передаточной функции регулятора для получения желаемых процессов в электроприводе резания.
3. В разработке метода синтеза регулятора на принципах разнотемповых процессов и инверсии, выполненного на основе желаемой передаточной функции медленной подсистемы объекта управления, что позволяет формировать плавные переходные процессы и обеспечивать требуемое быстродействие электропривода резания, ограниченное только допустимыми характеристиками управляющих и исполнительных устройств. Введение в характеристический полином передаточной функции регулятора компонент с быстрыми процессами обеспечивает его физическую реализуемость без применения чувствительной к помехам и ошибкам измерения операции дифференцирования входного сигнала. 4. В разработке алгоритма управления, исключающего накопление выходного сигнала дискретного астатического регулятора в зоне его ограничения и программно-реализуемого алгоритма формирования задания на токи уставок электродвигателя, что позволяет эффективно управлять режимами работы электропривода резания и идентифицировать крепость горных пород.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы при проектировании систем управления:
- разработке устройства для выравнивания нагрузки электропривода резания исполнительного органа вдоль линии разрушения поверхности забоя;
- совершенствовании метода синтеза аналоговых прототипов дискретных регуляторов многоконтурных систем управления, обеспечивающего формирование быстродействующих плавных переходных процессов с нулевой установившейся ошибкой движения, слабочувствительных (робастных) к изменению параметров системы стабилизации нагрузок электропривода резания;
- разработке алгоритма управления, исключающего накопление интегрирующей составляющей дискретного регулятора и его программное обеспечение, что позволит создать новое поколение систем управления электроприводом резания проходческого комбайна;
- разработке технических требований к проектированию, методики определения параметров системы автоматической стабилизации и ограничения нагрузок электродвигателя для создания регуляторов нагрузки в системах управления электроприводом резания современных проходческих комбайнов.
Реализация результатов работы. Получено решение о выдаче патента на изобретение «Устройство для управления стреловидным исполнительным органом горного комбайна» по заявке № 2007130270/03(032981) от 07.08.2007. Предложенные метод синтеза регуляторов систем управления с медленными и быстрыми процессами и шестнадцатеричный код программы системы стабилизации нагрузок электропривода резания исполнительного органа проходческого комбайна для прошивки микроконтроллера переданы ООО Научно-производственной фирме «ИНТЕХСИБ» для проектирования и выпуска изде 9 лий. Система стабилизации нагрузок проходческого комбайна удостоена диплома и «Золотой медали» на Международной выставке-ярмарке «Уголь России и Майнинг 2008». Научные результаты и практические рекомендации используются в учебном процессе ГОУ ВПО «СибГИУ» при обучении студентов по специальности 140601 -Электромеханика.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Системы и средства автоматизации», г. Новокузнецк, 1998 г., ежегодных Международных научно-практических конференциях «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов», проводимых ЗАО «Кузбасская ярмарка» совместно с Сибирским государственным индустриальным университетом (г. Новокузнецк) в период с 2003 г. по 2004 г. и с 2006 г. по 2008 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано восемь печатных работ, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, библиографического списка из 99 наименований и шести приложений. Содержит 140 страниц машинописного текста, пять таблиц, 45 рисунков.
В первом разделе обобщены результаты анализа условий эксплуатации проходческих комбайнов на шахтах Кузбасса, приведены численные значения отказов электропривода резания исполнительного органа в связи с воздействием максимальных нагрузок при резании твердых включений. Произведен критический анализ литературных источников, выявлены особенности, преимущества и недостатки существующих систем регулирования и ограничения нагрузок. На основе проведенного анализа сформулированы задачи диссертационной работы. Доказано, что из-за сложности объекта управления ни один из известных методов не обеспечивает синтез быстродействующих систем управления с плавными переходными процессами.
Во втором разделе установлено, что исполнительный привод управляет нагрузкой электропривода резания. Показано, что при постоянной скорости дви 10 жения штоков гидроцилиндров и постоянном давлении, развиваемым насосом, скорость и усилие подачи исполнительного органа изменяется по сложному нелинейному закону в зависимости от угла поворота стрелы и усилий на штоках гидроцилиндров. Изучены статические характеристики исполнительного привода скорости подачи как объекта автоматической стабилизации нагрузок с целью определения влияния конструктивных факторов механической системы этого привода на неравномерность усилия и скорости подачи. Включение в алгоритм управления контуром скорости подачи корректирующей функциональной зависимости, компенсирующей нелинейность преобразования линейной скорости движения штоков гидроцилиндров в угловую скорость поворота исполнительного органа, позволит обосновать способ выравнивания нагрузки электропривода резания вдоль линии разрушения забоя.
Третий раздел посвящен разработке математической модели системы приводов исполнительного органа (объекта управления) проходческого комбайна, эквивалентной эталонным моделям аналоговых замкнутых контуров системы, особенностью которых является однозначная связь показателей качества процесса регулирования с параметрами моделей. Эталонные модели обеспечивают реализацию любых, наперед заданных, показателей качества по времени регулирования, перерегулирования и статической точности с доступной реализуемостью астатизма системы приводов. В состав двухмассовой электромеханической системы «Асинхронный электродвигатель - исполнительный орган» электропривода резания включен эквивалентный однофазный аналог трехфазного асинхронного электродвигателя с вращающимся модулем магнитного поля.
Четвертый раздел посвящен разработке метода синтеза аналоговых прототипов регуляторов и их физической реализуемости в дискретном микроконтроллерном варианте. Разработаны алгоритмы с исключением накопления дискретного астатического регулятора в зоне ограничения его выходного сигнала и определения задания на ток электродвигателя привода резания в зависимости от изменения крепости горной породы с выделением «защитных» зон этих вставок. Проведены компьютерные исследования математической модели микроконтроллерной системы управления электроприводом резания для получения переходных и установившихся процессов с заданными показателями качества по быстродействию, которое составило 0,2 с, точности и перерегулированию, робастных к изменению параметров системы управления. Это позволило обеспечить, при наложенных ограничениях, максимум производительности, повышение надежности и долговечности проходческого комбайна в условиях действия нагрузок, превышающих предельно допустимые.
Разработаны технические требования к проектированию и определены основные параметры микроконтроллерной системы стабилизации и ограничения нагрузок электропривода резания исполнительного органа.
Разработка прикладных программ осуществлялась в интегрированной среде MPLAB, свободно распространяемой разработчиком. Отладка программы дискретных регуляторов производилась в симуляторе (программной модели микроконтроллера).
Причины отказов электропривода резания исполнительного органа проходческого комбайна и пути их устранения
Для проведения подготовительных выработок в Кузбассе наибольшее распространение получили проходческие комбайны со стреловидным исполнительным органом, в частности, комбайны 1ГПКС, П-110, КГТ-21, СМ-130К, причем число комбайнов 1ГПКС только в ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» составляет около 130 штук. Комбайн 1ГПКС является базовым объектом исследования в работе.
Проходческий комбайн является сложной динамической системой, исполнительный орган которой оборудован главным электроприводом резания и исполнительным приводом (быстродействующим гидроприводом подачи), управляющим нагрузкой главного электропривода [1, 2, 3, 4]. На процесс формирования динамических нагрузок в электроприводе резания исполнительного органа, как показали исследования проф. В.А. Бреннера, член.-корр. А.В. Докукина, проф. А.Б. Логова, А.Н. Коршунова, Ю.Д. Красникова, В.И. Нестерова, П.П. Палева, В.И. Солода и др., существенное влияние оказывают условия эксплуатации. Значительное число пластов в Кузбассе содержат крепкие и вязкие угли с одним — двумя, а иногда и более породными прослойками мощностью 0,1 - 0,15 м, сложенными, в основном, аргиллитом, редко - алевролитом или песчаником с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова f=2-5 [5,6,7,8].
Прочность и надёжность элементов проходческих комбайнов определяется не только средними нагрузками, но и интенсивностью их изменения, зависящей от крепости разрушаемой горной породы [9, 10]. Как показывают исследования [11, 12, 13, 14], крепость горной породы, наряду с регулярной средней, имеет случайные составляющие, которые, согласно работы [14], характеризуются нестационарным случайным процессом. Значительное влияние на надёжность и производительность проходческих комбайнов оказывает засоренность пластов твердыми включениями [5, 6]. В Кузбассе 32 % пластов содержат твердые включения, в основном двух типов: сидеритовые породы, имеющие агрегатное строение; карбонатные породы оолитового (слоистого) строения. Форма этих включений линзо- и лепешковидная, округлые и сильно вытянутые формы встречаются редко [6]. Удельное содержание твёрдых включений характеризуется коэффициентом конкрециеносности Кк — процентным содержанием твердых включений в угольных пластах. В Ленинском и Беловском районах Кк = 0,45 - 2,68 %, в Байдаевском и Осинниковском районах Кк = 1,05 — 7,43 %, в Прокопьевско-Киселевском районе Кк = 0,2 - 3,3 % [6, 15, 16]. Мощность твердых включений и частота их залегания в угольных пластах невелики, однако, обладая высокими физико-механическими свойствами разрушаемости сопротивляемость резанию А = 680 — 715Н/мм, крепость f = 4,4 —6,8 [2], эти включения осложняют выемку углей горными машинами и проведение выработок проходческими комбайнами [2, 17, 18, 19].
Анализ распределения отказов по основным механизмам проходческих комбайнов (данные КузНИУИ) показал, что от 18,7 до 41,5 % отказов приходится на электропривод резания исполнительного органа, а среднее время их устранения зачастую превышает время устранения отказов по комбайну. Так, для комбайнов типа ГПК коэффициент готовности составлял 0,808. Наработка на отказ электропривода резания при разрушении угольных пластов с твердыми включениями низка и не превышает двух месяцев при трёхсменном режиме работы, в течение которых возникает до 1000 «стопорений» исполнительного органа, что приводит к появлению повреждений на фоне усталостных явлений, повышенному износу, преждевременному выходу из строя отдельных узлов и деталей электропривода резания и исполнительного органа. Кроме того, перегрузки и «опрокидывание» электродвигателя, происходящие при контакте исполнительного органа с твёрдыми включениями, снижают срок его службы из-за перегрева обмоток статора токами, превышающими предельно допустимые значения [2, 20 - 25]. Анализ функционирования электропривода резания исполнительного органа выемочной машины и проходческого комбайна, приведенный в работах [26, 27], показывает, что в системах без ограничения нагрузки исполнительного органа, значение возникшего момента значительно превышает величину, принимаемую в расчетах на прочность машины. Это свидетельствует о необходимости оснащения выемочных машин и проходческих комбайнов средствами, стабильно ограничивающими максимальное значение нагрузок в электроприводе резания [28, 29, 30, 31], исключающими перегрузки и «опрокидывание» электродвигателя.
На наш взгляд, точное прогнозирование предельных нагрузок и конструирование комбайнов с их учетом не является лучшим вариантом повышения надежности и безотказности электромеханического оборудования проходческих комбайнов. В работе [32] доказано, что существует соотношение шага и глубины резания, обеспечивающее минимальное значение удельной энергоемкости при заданной производительности. Поэтому целью повышения эффективности работы проходческого комбайна должно быть определение необходимой производительности, оптимального режима разрушения горной породы и оснащение главного электропривода резания исполнительного органа быстродействующей системой управления током электродвигателя, которая стабилизирует его нагрузку. Источником перегрузок являются также колебания, провоцируемые упругими связями между распределенными массами механической системы главного электропривода [33, 34, 35, 36], развитию которых способствуют резкие изменения управляющих воздействий, протекающих с перерегулированием. Существующие системы управления не обладают свойством подавления колебаний, характеризуются резкими изменениями управляющих воздействий и большим перерегулированием. В работе [36] доказано, что ограничение ускорения способствует снижению динамических усилий, мягкому раскрытию зазоров, плавному нагружению упругих механических элементов. При этом колебания в упругой системе не возбуждаются, поскольку динамические нагрузки прямо зависят от величины ускорения. Оптимальным с точки зрения подавле 15 ния возникающих и развивающихся упругих колебаний являются разгон и торможение с постоянным ускорением или формирование переходных процессов без перерегулирования в электроприводе.
Согласно [12], механическая система электропривода резания исполнительного органа достаточно точно описывается двухмассовой моделью «Ротор асинхронного электродвигателя - исполнительный орган». Такие системы в той или иной мере подвержены колебаниям при изменении нагрузки. Подавить колебания можно, если разработать систему управления, плавно отрабатывающую резкопеременную нагрузку.
При нерегулируемом электродвигателе привода резания управление режимами работы можно обеспечить за счет исполнительного привода подачи, то есть за счет регулирования скорости подачи. В этом случае изменяется толщина стружки и, как следствие, изменяется момент сопротивления резанию. Разрушение линзо- и лепешковидной формы твердых включений средних размеров (d = 0,35м) возможно при стабилизации тока электродвигателя, соответствующего режиму работы с ПВ = 40 %. При контакте исполнительного органа с твердым включением больших размеров (валун) возможен режим работы, при котором момент, развиваемый электродвигателем, окажется недостаточным для разрушения встретившегося препятствия, толщина стружки уменьшится вплоть до нулевого значения, и мощность электродвигателя будет затрачена на преодоление трения резцов о твёрдое включение. Тогда система управления должна выполнить команду на отвод исполнительного органа из зоны перегрузки электропривода резания и в последующем обеспечить окаймляющую выборку этого твёрдого включения. Определяющим фактором эффективной работы проходческого комбайна является создание системы автоматического управления с расширенными функциональными возможностями, обеспечивающей ограничение максимальных нагрузок и исключение аварийных остановок в условиях действия нагрузок, превышающих предельно допустимые значения.
Тангенциальные составляющие усилий подачи в точках соединения штоков гидроцилиндров с турелью в функции угла поворота исполнительного органа и усилий на штоках гидроцилиндров
В качестве управляющего устройства в системе исполнительного привода подачи применим электрогидравлический усилитель (ЭГУ) типа «С 100-20», из 34 готовленный на ПК ЗАО «Завод Гидроавтоматики», г. С.-Петербург [65]. ЭГУ состоит из электромеханического преобразователя (ЭМП) сухого типа и гидроусилителя (ГУ) типа «Сопло-заслонка», управляющего плунжером реверсивного золотникового распределителя (ЗР).
Кинематическая схема механизма поворота исполнительного органа в горизонтальной плоскости, составленная на основе технической документации на комбайн 1ГПКС, представлена на левый и правый гидроцилиндры горизонтального поворота исполнительного органа; Ор - вертикальная ось поворота турели со стрелой в горизонтальной плоскости; Ов — горизонтальная ось вертикального подъема стрелы исполнительного органа; SmT, Sn - площади сечений штоковой и поршневой полостей гидроцилиндров; Рп - давление на входе золотникового распределителя-
Кинематическая схема механизма поворота исполнительного органа и распределения схемы усилий Рл, Fn в точках соединения штоков гидроцилиндров с турелью при ее повороте по ходу часовой стрелки; соединение гидроцилиндров и ЗР Точками Ал и Ап на рисунке 2.1а и 2.16 обозначены места шарнирного крепления опор корпусов левого и правого гидроцилиндров поворота к платформе комбайна, а точками ВЛо и ВПо — места шарнирного соединения штоков гидроцилиндров с поворотной турелью. Они расположены на окружности радиуса Rm с центром в точке Ог. Исходное положение стрелы исполнительного органа показано на рисунке 2.1а штриховыми линиями, а сплошными линиями отображено положение стрелы, повернутое относительного исходного положения на произвольный угол а поворота стрелы, а 0 соответствует повороту стрелы влево, а 0 — повороту стрелы вправо от продольной оси комбайна, «max - максимальный угол горизонтального поворота стрелы.
Точки Вл и Вп, соответствуют положению точек ВЛо и Впо после поворота турели на угол а. Штрихпунктирными линиями показаны крайнее левое (линия АлОг) и крайнее правое (линия АЛВЛК) положения левого гидроцилиндра, а также крайнее правое положение правого гидроцилиндра АпОг.
Поворот турели, а вместе с ней стрелы исполнительного органа, осуществляется с помощью двух гидроцилиндров исполнительного привода подачи. Схема соединения гидроцилиндров ГЦ и ЗР приведена на рисунке 2.16. Расположение гидроцилиндров на схемах 2.16 и 2.1а показывают линии сечений АА на обоих чертежах. Исходному положению стрелы соответствует состояние гидроцилиндров и золотникового распределителя, показанное на рисунке 2.16: Рщ - давление в напорной гидромагистрали исполнительного привода подачи; Ро= 0 - давление в сливной гидромагистрали исполнительного привода подачи.
Левый и правый гидроцилиндры соединены по перекрестной схеме. Поршневая полость левого гидроцилиндра непосредственно соединена со што-ковой полостью правого гидроцилиндра, а поршневая полость правого — со штоковой полостью левого (рисунок 2.16). Управление обоими гидроцилиндрами осуществляется общим ЭГУ с выходным четырехдроссельным реверсивным золотниковым распределителем ЗР. В нейтральном положении плунжера золотникового распределителя ЗР, его входной сигнал х3 = 0 (рисунок 2.16), рабочая жидкость под давлением Рп от насоса поступает через щели между кромками среднего паза гильзы и средние дросселирующие кромки плунжера ЗР в полости I и II в равных объемах. Из полостей I и II рабочая жидкость поступает в сливную гидромагистраль. Равенство расходов и перепадов давления во всех щелях плунжера ЗР обеспечивает одинаковые давления в камерах I и II и отсутствие расхода рабочей жидкости в гидроцилиндрах. Гидроцилиндры находятся в неподвижном состоянии.
Для математического описания зависимостей тангенциальных составляющих усилий FJI И Fn В точках соединения ВЛо и ВПо турели с левым и правым гидроцилиндрами, от усилий, развиваемых на штоках левого FmTJi и правого Fium гидроцилиндров, рассмотрим положение исполнительного органа при произвольном угле поворота а, которое на рисунке 2.1а показано сплошными линиями. Для этого положения исполнительного органа усилия на штоках левого Рштл и правого РШтп гидроцилиндров, направленные вдоль продольных осей штоков, разложим на тангенциальные составляющие Рл и Fn, касательные к окружности с радиусом Rm турели, и радиальные составляющие Fjir и Fnr, направленные к оси Ог поворота турели. По направлению тангенциальных составляющих определяем, что в рассматриваемом случае турель поворачивается против хода часовой стрелки. В работах [66, 67] показано, что скорость и усилия подачи исполнительного органа зависят от угла его поворота, ухудшая энергетические показатели проходческого комбайна. Рассмотрим задачу более детально.
Передаточные функции, структурные схемы и математическое описание исполнительного привода подачи
Электрогидравлический усилитель типа «Сопло-заслонка». Предложенный в качестве управляющего устройства исполнительного привода подачи электрогидравлический усилитель (ЭГУ) типа «Сопло-заслонка» состоит из собственно гидравлического усилителя (ГУ) с золотниковым распределителем на выходе и электромеханического преобразователя (ЭМП), который представляет линейный электромагнит с двумя катушками, включёнными по дифференциальной схеме, и сердечника, жестко соединенного с заслонкой.
Рабочая жидкость подается через два первых сопла под торцы золотника и сливается через вторую пару сопел. Заслонка, расположенная между соплами, отклоняется под действием силы, вызванной действием токов в обмотках ЭМП при подаче на них управляющего напряжения с широтно-импульсного модулятора. Отклонение заслонки вызывает перепад давления в камерах золотникового распределителя.
Под действием созданной перепадом давления силы плунжер ЗР смещается, соединяя одну полость гидроцилиндра с напорной, а другую - со сливной гидромагистралями. Вследствие возникшей разности давлений поршень гидро 69 цилиндра начинает перемещаться. ЭГУ оснащен индуктивными датчиками, которые дают возможность образовать обратную связь по положению или скорости перемещения плунжера ЗР.
Электрогидравлический усилитель при расходе рабочей жидкости 3,0 л/мин = 5-Ю"5 м /с характеризуется следующими техническими данными, рассчитанными по методике, изложенной в работах [54, 55, 56, 75], и приведенными без доказательства: Преобразование двоичного кода регулятора тока, управляющего контуром скорости подачи, в пропорциональное ему напряжение может быть осуществ 70 лено через встроенные в микроконтроллер ЦАП или ШИМ с выходом по напряжению. Применим более простое, то есть с меньшими собственными шумами по сравнению с ЦАП, преобразование с ШИМ. Входным сигналом для передаточной функции (3.2) является ток катушек управления ЭМП. Чтобы перейти от тока к напряжению, составим передаточную функцию, связывающую выходное напряжение ШИМ с входным током 1э ЭМП: Передаточная функция механизма подачи исполнительного органа. Параметры исполнительного привода подачи зависят от объемов гидромагистрали и гидроцилиндров, вращающихся масс механизма подачи и движущейся жидкости, потому требуется их расчет применительно к исполнительному органу конкретного проходческого комбайна.
При составлении уравнений движения и неразрывности потока исполнительного привода подачи исполнительного органа с электрогидравлическим усилителем можно ввести ряд допущений. Прежде всего, силами вязкого трения между слоями и инерцией рабочей жидкости можно пренебречь, поскольку длина трубопроводов в исполнительном приводе подачи небольшая. Поршень гидроцилиндра достаточно надежно уплотнен, и утечки между его полостями отсутствуют.
Для составления дифференциальных уравнений движения исполнительного привода подачи необходимо момент инерции вращающихся масс механизма подачи привести к штоку гидроцилиндра, согласно работы [57]. С этой целью составим расчетную эквивалентную схему механизма подачи исполнительного органа, приведенную на рисунке 3.1. mm, тгд, тэл, mn, mH, mp, mB, mK - массы турели, гидроцилиндров, электродвигателя, платформы, направляющих, редуктора, вала, коронки соответственно, причем предполагается, что массы сосредоточены в центрах тяжести соответствующего оборудования, а связи между массами абсолютно жесткие, кг; Rm, К-гд 1 эл Rm Rib Rp RB RR раССТОЯНИЯ ОТ ОСИ ПОВОрОТа ТуреЛИ ДО центра тяжести соответствующих масс, м Рисунок 3.1- Расчётная схема механизма подачи исполнительного органа Приведем к штоку гидроцилиндра вращающиеся массы механизма подачи исполнительного органа: где S - сечение трубопровода, STp = 0,000314м2; 1тр - длина трубопровода, 1 = 2,0 м; S3KB - площадь эквивалентного гидроцилиндра, равная сумме площадей штоковой и поршневой полостей двух гидроцилиндров горизонтального поворота, включенных по перекрестной схеме, S3KB =0,02171 м2; Нтах - максимальное перемещение поршня гидроцилиндра горизонтального поворота стрелы, Hmax = 0,5 м. В соответствии с данными, приведенными в работе [37], момент инерции механизма подачи исполнительного органа определяется следующим образом: - для механизма поворота стрелы:
Особенности синтеза регуляторов микроконтроллерной системы управления
Одной из основных задач, решаемых при создании микроконтроллерных систем управления, является разработка управляющего алгоритма (регулятора). Алгоритм управления формируется на базе модели объекта управления и должен удовлетворять требованиям к свойствам систем в переходных и установившихся режимах движения.
Аналоговые модели непрерывных объектов создаются на базе физических законов и строятся, как правило, в форме передаточных функций, обыкновенных дифференциальных уравнений и уравнений состояния. В то же время регулятор в микроконтроллерной системе управления по физической сущности является дискретным, и имеет место определенная функциональная несовместимость дискретного микроконтроллерного регулятора с непрерывным объектом управления. Кроме того, на начальном этапе развития теории дискретных микропроцессорных систем закономерным было стремление использовать опыт, накопленный при разработке и проектировании систем с аналоговыми управляющими устройствами. Это предопределило то, что теория проектирования дискретных регуляторов микропроцессорных систем для управления непрерывными объектами развивалась в двух принципиально различных направлениях.
К моменту зарождения идеи применить цифровые вычислительные машины для решения задач управления процессами был накоплен огромный опыт по исследованию математических моделей непрерывных систем автоматического управления. Для этих целей широко применяются численные методы решения систем дифференциальных уравнений, разрешенных относительно производных (в нормальной форме Коши). Методы основаны на замене дифференциалов малыми конечными приращениями. А это уже простейшие способы дискретизации непрерывных процессов [61, 62]. Идеей первого направления является синтез аналогового регулятора. Затем известными методами необходимо подвергнуть его процедуре дискретизации (квантования) по времени для применения в дискретной микроконтроллерной системе.
При втором подходе создаётся дискретная динамическая модель непрерывного объекта управления, а затем на её основе проектируется дискретный регулятор с применением z-преобразования. Но здесь появляются трудноразрешимые проблемы. Невозможно создать дискретную модель, близкую к непрерывной по частотным характеристикам, поскольку в отличие от частотных характеристик непрерывных передаточных функций, аналогичные характеристики z-передаточных функций периодические.
Кроме того, в многоконтурных системах управления необходимо создавать внутренние обратные связи, так что необходимо сохранить доступными для измерения координаты, которые используются в цепях обратных связей или в виде возмущающих воздействий. Это вынуждает непрерывные звенья между двумя контролируемыми координатами преобразовывать в дискретную форму по отдельности. Но при этом нарушается правило, по которому передаточная функция последовательно соединённых непрерывных звеньев равна произведению передаточных функций этих звеньев. Чтобы сохранить это свойство для z-передаточных функций, необходимо на входе каждого дискретизируемого непрерывного звена устанавливать экстраполятор, как правило, нулевого порядка,
106 поскольку экстраполяторы более высоких порядков повышают порядок передаточной функции. А это неоправданно усложняет систему. Попутно накапливается ошибка преобразования, так что достигаемые результаты всегда хуже, чем результаты, полученные с непрерывными регуляторами. Решающий недостаток второго подхода заключается в том, что в результате преобразования теряется связь параметров регулятора и объекта управления. Кроме того, полученные передаточные функции чувствительны к изменению периода дискретизации, при изменении которого решение задачи синтеза системы, по сути, приходится повторять с самого начала, включая и программирование, что весьма существенно. Это же свойство препятствует созданию желаемых передаточных функций регулятора.
Практически неразрешимой представляется проблема накопления сигнала на выходе регуляторов с интегрирующей составляющей в режиме ограничения, что приводит к неоправданному увеличению перерегулирования [61, 62], устранить которое при применении z-преобразования практически невозможно.
В микроконтроллерных системах управления не трудно построить регуляторы со сложными алгоритмами, широко использующими информацию из предыдущих интервалов дискретизации. Дополнительная информация о ходе процесса обеспечивает повышение точности алгоритма при неизменном шаге дискретизации или увеличение шага дискретизации при заданной точности. Для создания таких алгоритмов можно использовать и аналоговые регуляторы со сложными структурами, которые трудно- или нереализуемы в аналоговой форме, но легко преобразуются в дискретную и цифровую формы, с последующим программированием по разностным уравнениям.
В этом отношении привлекательной представляется разработка передаточной функции дискретного регулятора по аналоговому прототипу с последующим преобразованием в дифференциальное, а затем в разностное уравнение, в то же время изменение программы при изменении периода дискретизации и параметров регуляторов заключается только в перемене констант в блоке начальной инициализации, при этом программа остается прежней. К этому же типу относятся регуляторы систем с медленными и быстрыми процессами. Поскольку процессы в этих системах описываются дифференциальным уравнением второго порядка, сохраняется функциональная связь параметров регуляторов с параметрами объекта управления. Кроме того, решается проблема с накоплением астатических регуляторов. В связи с этим синтез микроконтроллерных регуляторов будем производить по аналоговому прототипу в соответствии с методом, предложенным в работе.
