Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ объекта исследования 15
1.1 Экскаватор как объект автоматизации открытой добычи полезных ископаемых 15
1.1.1 Электромеханическая система управления процессом экскавации 16
1.1.2 Автоматизация технологических процессов экскавации 18
1.1.3 Экскаваторный электропривод как система автоматического регулирования скорости и момента 20
1.1.4 Обзор результатов совершенствования экскаваторного электропривода 24
1.2 Математическое описание объекта управления 30
1.2.1 Электрическая часть электропривода поворота экскаватора 30
1.2.2 Механическая часть электропривода поворота экскаватора 31
1.2.3 Трех-, двух- и одномассовая электромеханическая система поворота экскаватора.ЗЗ
1.3 Классические системы последовательной коррекции 37
1.4 Унифицированная структура экскаваторного электропривода 42
1.5 Выводы 47
1.6 Постановка задачи исследования 48
2 Электропривод поворота экскаватора с многоконтурной системой подчиненного регулирования 50
2.1 Синтез регуляторов системы управления 50
2.1.1 Расчет четырехконтурной системы подчиненного регулирования 52
2.1.2 Расчет пятиконтурной системы подчиненного регулирования 53
2.2 Синтез компенсирующих обратных связей системы управления 56
2.2.1 Коррекция четырехконтурной системы подчиненного регулирования 56
2.2.2 Коррекция пятиконтурной системы подчиненного регулирования 59
2.3 Исследование динамики электропривода с многоконтурными системами подчиненного регулирования 61
2.4 Выводы 71
3 Исследование электропривода поворота экскаватора с оптимальной системой управления 72
3.1 Синтез системы оптимального управления электроприводом 72
3.1.1 Введение избыточности в вектор состояния объекта управления 72
3.1.2 Выбор квадратичного критерия оптимальности 75
3.1.3 Методика синтеза аналитически конструируемого оптимального регулятора электропривода поворота экскаватора 84
3.2 Разработка метода выбора весовых матриц критерия оптимальности 87
3.2.1 Исследование уровня влияния весовых коэффициентов функционала на качество регулирования 87
3.2.2 Методика определения весовых коэффициентов критерия оптимальности 104
3.3 Исследование динамики электропривода с оптимальной системой управления 105
3.4 Выводы 117
4 Электропривод поворота экскаватора с комбинированной оптимальной системой управления 118
4.1 Исследование комбинированных оптимальных систем управления без учета допущений при синтезе 118
4.2 Синтез комбинированных оптимальных систем управления с учетом допущений при синтезе 123
4.2.1 Комбинированная оптимальная система управления с коррекцией питающего напряжения 126
4.2.2 Комбинированная оптимальная система управления с последовательной коррекцией координат 129
4.3 Исследование динамики электропривода с комбинированной оптимальной системой
управления 136
4.4 Выводы 148
Заключение 149
Литература
- Экскаватор как объект автоматизации открытой добычи полезных ископаемых
- Расчет четырехконтурной системы подчиненного регулирования
- Введение избыточности в вектор состояния объекта управления
- Исследование комбинированных оптимальных систем управления без учета допущений при синтезе
Экскаватор как объект автоматизации открытой добычи полезных ископаемых
Открытым способом в России добывается свыше 75% полезных ископаемых, а в мире - около 60% металлических руд, 85% неметаллических руд, около 100% нерудных полезных ископаемых и около 35% угля. Такому способу добычи соответствует открытая технология ведения горных работ в отличие от шахтной и скважинной. Основные технологические процессы, которые можно выделить при ведении открытой разработки месторождений - буровзрывные работы, выемочно-погрузочные, транспортные. При этом обеспечение равномерной и бесперебойной подачи полезных ископаемых определяется именно выемочно-погрузочными работами. Выемочно-погрузочные работы выполняются экскаваторами, являющимися основным средством механизации при открытых горных работах. По характеру рабочего процесса экскаваторы бывают циклического действия - одноковшовые, и непрерывного действия - многоковшовые. Одноковшовые экскаваторы имеют рабочий цикл, включающий черпание, перемещение породы к месту выгрузки, выгрузка и возвращение рабочего органа в исходное положение. По конструктивной связи ковша со стрелой различают экскаваторы с жесткой связью (прямая и обратная лопата) и гибкой (драглайн, грейфер). По типу ходовых устройств экскаваторы разделяют на гусеничные, пневмоколесные, железнодорожные, шагающие и плавучие. По типу силовых установок - электрические, дизельные, дизель-электрические, дизель- или электрогидравлические. В зависимости от емкости ковша: экскавато-ры малой мощности (с ковшом емкостью до 2 м ), средней мощности (2-8 м ) и большой мощности (более 8 м3).
Карьерные экскаваторы применяются при разработке наиболее тяжелых, скальных пород. Наиболее типичным для наших карьеров является использование карьерных гусеничных экскаваторов большой и средней мощности, которые имеют электрический привод. Главным условием повышения эффективности производства открытых горных работ является совершенствование силовой части электромеханической системы управления технологическим процессом добычи, улучшение использования существующего оборудования при помощи автоматизации и оптимизации управления технологическими процессами экскавации.
Современный мощный экскаватор является сложной высокопроизводительной машиной, которая по насыщенности электрооборудованием, по общей установленной мощности электрических машин сравнима со средним промышленным предприятием. Совершенство технологического процесса экскавации зависит от совершенства применяемого экскаваторного электропривода.
На рис. 1-1 приведен один из примеров схемы электромеханической системы управления процессом экскавации карьерных экскаваторов. В схеме: ТВ -тиристорный возбудитель; ОВ - обмотка возбуждения генератора; Г - генератор; Ынап, Мпод - двигатели напора и подъема; М - двигатель поворота; UHyan, Uy06, Uу -задающие воздействия на приводы напора, подъема и поворота; J"an (J"od) - приведенный к валу двигателя напора (подъема) суммарный момент инерции этого двигателя и его редуктора; Jn, Jn — приведенные к валам двигателей поворота суммарные моменты инерции этих двигателей и их редукторов; J T і бд) - приведенный к валу двигателя напора (подъема) момент инерции барабана; Jn - приведенный момент инерции поворотной платформы экскаватора со стрелой; JK - приведенный момент инерции рукояти и ковша с грузом; QT QT » сп - эквивалентные жесткости редукторов; Cg", C f -эквивалентные жесткости канатов, С23 - эквивалентная жесткость рукояти; р"» $п Р12 коэффициенты вязкого трения; Аф3,, Афз2 - зазоры в передачах.
Схема ЭМС карьерных экскаваторов Все основные механизмы оборудованы индивидуальными электроприводами постоянного тока по системе управляемый преобразователь-двигатель (УП-Д), с силовым тиристорным преобразователем ТП-Д (система тиристор-ный преобразователь-двигатель) или с машинным преобразователем Г-Д (генератор-двигатель). В качестве возбудителя генератора используются либо электромашинный усилитель, либо магнитный усилитель (система МУ-Г-Д), либо тиристорный возбудитель (система ТВ-Г-Д).
Расчет четырехконтурной системы подчиненного регулирования
При синтезе регуляторов многоконтурных систем подчиненного регулирования в расчетных схемах (рис. 2-1, рис. 2-2) было сделано пренебрежение внутренними перекрестными обратными связями по ЭДС двигателя, упругому моменту и скорости второй массы. Наличие в реальной системе обратной связи по ЭДС двигателя приводит к динамической ошибке регулирования тока, а введение обратных связей по упругому моменту и скорости второй массы приводит к неработоспособности рассчитанного электропривода. Поэтому предлагаем рассматривать данные сигналы как внутренние возмущающие воздействия, которые необходимо компенсировать.
Кроме того, согласно метода «технического оптимума» для синтеза регуляторов пренебрегается членами высокого порядка в передаточных функциях замкнутых контуров. При расчете же компенсирующих обратных связей используем точные выражения передаточных функций.
В результате произведенных выше расчетов получаем структурные схемы электропривода с четырехконтурной (рис. 2-15) и пятиконтурной (рис. 2-16) системами подчиненного регулирования с компенсацией внутренних возмущений по ЭДС двигателя, упругому моменту и скорости второй массы для двух-массового объекта управления (рис. 1-8).
Можно также рассмотреть вариант четырехконтурной СПР с ПИ- регулятором тока якоря, при котором некомпенсируемая постоянная Т =Тв+Та. Однако большая инерционность, прежде всего контура тока, не позволяет с учетом связи объекта управления. Это приводит к плохому качеству переходных процессов, поэтому результаты данных исследований системы электропривода не приводятся.
На рис. 2-17 показаны переходные процессы электропривода с четырех-контурной СПР без ограничения ускорений при четырехкратном коэффициенте форсировки генератора и учете насыщения регуляторов. Анализируя полученные результаты, видно, что члены высокого порядка в передаточных функциях компенсирующих связей оказывают незначительное влияние на динамику системы, и ими можно пренебречь, что существенно облегчает практическую реализацию такого электропривода. При учете приведенного зазора в 1 рад по сравнению с унифицированной структурой (рис. 1-20) время переходного процесса меньше на 18% при бросках упругого момента, не превышающих на 5% допустимое.
На рис. 2-18 показаны переходные процессы электропривода с пятикон-турной СПР без ограничения ускорений при четырехкратном коэффициенте форсировки генератора и учете насыщения регуляторов. Результаты показывают, что также можно пренебречь членами высокого порядка в передаточных функциях компенсирующих связей. При учете приведенного зазора в 1 рад по сравнению с унифицированной структурой (рис. 1-20) при времени переходного процесса меньшем на 6% броски упругого момента не превышают на 5% допустимое.
На рис. 2-19 показаны переходные процессы электропривода с четырех-контурной СПР без ограничения ускорений при четырехкратном форсировании генератора и учете насыщения регуляторов для трехмассового объекта управления (рис. 1-6) при введении приведенных зазоров 0.2 и 1 рад в передачах первого и второго двигателей соответственно. Анализируя полученные результаты, видно, что по сравнению с унифицированной структурой (рис. 1-21) время переходного процесса меньше на 20% при меньших бросках упругих моментов в передачах каждого двигателя на 9 и 45%.
Введение избыточности в вектор состояния объекта управления
Представлен синтез систем управления электроприводом при всех возможных вариантах наличия информации об объекте управления: по координатам одномассовой ЭМС и всем их производным, по координатам двухмассовой ЭМС и их всевозможным производным и по координатам трехмассовой ЭМС и их производным. Алгоритмы управления, минимизирующие квадратичный функционал, получены в виде совокупности пропорциональных регуляторов по выбранным координатам (или коэффициентов оптимальных обратных связей). Рассмотрен процесс выбора весовой матрицы критерия оптимальности. Исследована динамика электромеханической системы поворотного механизма экскаватора с синтезированными системами управления.
Показаны результаты исследований динамики электропривода поворотного механизма на примере экскаватора ЭКГ-8. Исследование переходных процессов ЭМС производилось при помощи пакета MATLAB v6.0 и разработанной компьютерной программы составления уравнения Риккати и вычисления коэффициентов оптимальных обратных связей по координатам и их производным.
Электропривод с оптимальной системой управления - это такая электромеханическая система, алгоритм управления которой определяется одним из методов оптимального управления при минимизации выбранного критерия оптимальности.
Для того чтобы увеличить быстродействие и ограничить динамические нагрузки привода, необходимо осуществить регулирование по дополнительным координатам. Обычно в наличии есть информация только по электрическим ко ординатам, и можно получить дополнительно сигналы по производным электрических координат. Если есть информация и по механическим координатам, то можно получить дополнительно сигналы по производным всех координат. Для этого необходимо иметь соответствующие модели объектов регулирования, которые удобно представить в относительных единицах. Принимаем за базовые следующие величины. Ток возбуждения базовый равен номинальному току возбуждения: Івб = івн. Ток якоря базовый равен максимальному (стопорному) значению тока якоря двигателя: 1аб = Iamax. Напряжение управление базовое равно номинальному напряжению управления: U6 = U . Угловая скорость базовая равна номинальной угловой скорости двигателя: об = адн. Аналогичным образом получаем математическое описание двухмассово-го и трехмассового объектов управления в относительных единицах с введением дополнительной информации о производных координат (ПРИЛОЖЕНИЕ Б). Таким образом, при введении дополнительного регулирования по производным порядок объекта регулирования увеличивается. Для одномассовой системы электропривода могут быть использованы сигналы производных по току якоря и скорости механизма, а также их комбинации между собой. Порядок объекта регулирования увеличится с 3-го до 5-го порядка. Для двухмассовой системы электропривода могут быть использованы сигналы производных по току якоря, скорости двигателя, упругому моменту и скорости механизма, а также их комбинации между собой. Порядок объекта регулирования увеличится с 5-го до 9-го порядка. Для трехмассовой системы электропривода могут быть использованы сигналы производных по току якоря, скоростям первого и второго двигателя, упругим моментам и скорости механизма, а также их комбинации между собой. Порядок объекта регулирования увеличится с 7-го до 13-го порядка.
Общий случай. В общем случае имеем объект регулирования, изображенный на рис. 3-1, который представим как линейную динамическую систему:
X = A(t)x + B(tp, Y = C(t)X, где X - вектор состояния; U - вектор управлений; Y - вектор выхода; A(t) матрица коэффициентов при координатах размера их л; B(t) - матрица коэффи -циентов при управляющих воздействиях размера nxr; C(t) — матрица размера тхп , 0 т г п. . Разомкнутая система
Пусть Z - желаемый вектор выхода. Требуется управлять системой (3.5) так, чтобы выходной вектор Y был максимально близок к вектору Z. Определяем вектор ошибки Е = Z - Y. Другими словами нужно найти такое управление, чтобы ошибка была минимальной.
Если допустить, что управление не ограничено по величине, то возможны случаи, когда u(t) требует недопустимо больших усилений в контуре управления. Поэтому, с одной стороны ошибка должна быть достаточно малой, а с другой - не использовать недопустимо больших управлений.
Эти физические требования можно перевести в форму того или иного математического функционала. Рассмотрим частный класс функционалов, имеющих квадратичный характер.
Исследование комбинированных оптимальных систем управления без учета допущений при синтезе
Известно, что классические комбинированные системы сочетают регулирование по управлению и возмущению. В отличие от классических, комбинированные оптимальные системы управления проф. Кочеткова сочетают подчиненное регулирование внутренних и оптимальное регулирование внешних координат электропривода.
Замечено, что электропривод с СПР по сравнению с АКОР может иметь при управляющем воздействии небольшое преимущество по быстродействию, но уступает последним при возмущающем воздействии. Поэтому целесообразно строить системы комбинированного оптимального управления, учитывающие как положительные свойства систем подчиненного регулирования, так и систем с АКОР.
Комбинированную систему оптимального управления можно составить из системы, представляющей одно-, двух- или трехконтурную систему последовательной коррекции больших и средних постоянных времени и системы, огра ничивающей динамические нагрузки в механической части при помощи АКОР. Можно осуществить как частичную коррекцию постоянных времени электрических величин, так и полную, включая электромеханическую постоянную времени двигателя. КОСУ можно разбить на две группы: системы с коррекцией питающего напряжения и системы с последовательной коррекцией внутренних координат.
Рассмотрим одномассовый расчетный объект управления (3.1). Первое уравнение системы (3.1) описывает внутреннюю координату - ток возбуждения (или питающее напряжение), которую необходимо скорректировать методом СПР. Структурная схема контура питающего напряжения приведена на рис. 4-1. Принимаем некомпенсируемую постоянную Тц=Тв.
Согласно теории комбинированных оптимальных систем, изложенной в [74], для дальнейшего синтеза необходимо пренебречь некомпенсируемой постоянной времени. Тогда W3H{p)=KH, Кн =\lkoE.
Остальные два уравнения системы (3.1) описывают внешние координаты -ток якоря и скорость одномассовой системы, которые необходимо скорректировать методом АКОР. Для этого из математического описания (3.1) исключаем первое уравнение уже скорректированной координаты JC0, а во второе уравнение системы (3.1) добавляем слагаемое bU, где b = KH-U6/La-Ia6. Получаем математическую модель уже скорректированной части системы
Далее представляем (4.1) в форме (3.20) и, используя (3.22), решаем задачу ми нимизации критерия (3.21) при помощи программы (ПРИЛОЖЕНИЕ Г). В результате получаем структуру электропривода с КОСУ (рис. 4-2), в которой внутренняя координата х0 регулируется методом СПР (ПИ-регулятор РН), а остальные (внешние) координаты и х2 регулируются методом АКОР (КООС у і иу2).
Структурная схема электропривода с КОСУ
Если в данной системе в качестве расчетного рассмотреть одномассовый объект управления с избыточностью вектора состояния (3.2 3.4), то получим дополнительные КООС по комбинациям производных координат хх и х2. Аналогичным образом получают КОСУ с коррекцией питающего напряжения для двух- (Б.1 -f-Б.Іб) и трехмассового (Б.17-ьБ.32) расчетного объекта управления.
Теория комбинированных оптимальных систем управления проф. Кочет-кова предусматривает также последовательную коррекцию двух внутренних координат (питающее напряжение и ток якоря) и АКОР остальных (внешних) координат и их производных, а также последовательную коррекцию трех внутренних координат (питающее напряжение, ток якоря и скорость первой массы) и АКОР остальных (внешних) координат и их производных [74].
По проведенным в [74] исследованиям КОСУ дают некоторый полезный эффект для приводов подъема и напора экскаватора при использовании общего критерия оптимальности и критерия возмущения, электропривод поворота с КОСУ не рассмотрен.
При исследовании электропривода поворота экскаватора с КОСУ не удалось получить переходные процессы приемлемого качества (графики не приводятся). В КОСУ с коррекцией питающего напряжения время переходного процесса лишь на 5% меньше, чем в системе с АКОР, а броски упругого момента в три с лишним раза превышают допустимые. Попытки исследовать различные варианты введения дополнительных КООС, в том числе по производным координат, а также варьировать весовыми коэффициентами критерия оптимальности в большинстве случаев не улучшают динамику системы по сравнению с существующими. Лишь в некоторых случаях удается получить похожие по качеству переходные процессы. Исследования динамики КОСУ с последовательной коррекцией двух и трех координат не дают хороших результатов, система электропривода становится неустойчивой. Все это создает предпосылки для дальнейшего развития теории комбинированных оптимальных систем с целью сделать ее более приемлемой для электропривода поворота экскаватора.
