Введение к работе
Актуальность работы. Современный научно-технический прогресс в отрасли іанспортного машиностроения неразрьшно связан с расширяющимся применением іектрической тяти, отличающейся низкой материалоемкостью, высокой хнологичностью, простотой управления н эксплуатации.
Индустриализация методов строительства, создание новых технологических гьектов повышенной мощности и значительных габаритов, обусловили потребность этического обеспечения автомобильных перевозок крупногабаритных неделимых грузов, обенно в условиях движения по малоподготовленным поверхностям, характерным для шоосвоенных территорий страны. Мировой опыт подобных перевозок свидетельствует о релективно ста модульного построения большегрузных автотранспортных средств АТС) с индивидуальным тяговым приводом пневмоколес (ПК) активных модулей, узонесущая платформа БАТС образуется жесткой сцепкой активных (с тяговым вводом колес) и пассивных (поддерживающих) модулей. Количество, соотношение и шмное расположение модулей определяется массой и габаритами перевозимого груза, им обеспечивается необходимые грузоподъемность, конфигурация и тяговая мощность шины, высокая маневренность которой достигается индивидуальным управлением рсовым положением ПК. Вместе с тем, эксплуатация БАТС связана с преодолением отиворечнй между требованиями реализации заданного курсового двігаічтя и нкцноннрованием многоколесного движителя с индивидуальным тяговым приводом, условленных конструктивной невозможностью обеспечения динамической и статической -ласованности рабочих режимов отдельных ПК при управлении скоростью транспортного детва (ГС) или изменении свойств поверхности движения. Противоречия обусловлены і,что:
-недостижима динамическая и статическая идентичность характеристик устройств улнрования и тяговых двигателей (ТД);
-локальное изменение свойств опорной поверхности крупногабаритного БАТС вы-іает индивидуальное изменение буксования ПК;
-невозможен инднвидуальньш визуальный контроль работы пневмоколесного двнжи-я, а создание эффективных управляющих систем движением БАТС затруднено аппа-ной и алгоритмической сложностью измерения координат регулирования - продольных жовых перемещении, тяговых моментов и усилий, а также их производных.
Отмеченные спецефическне особенности функционирования тяговых многодвигз-ьных систем приводят к нарушению требуемого распределения частот вращения и тяго-: усилий ПК движителя и нарушению устойчивости заданного движения, увеличивают ігозатратьі на транспортирование тяжеловесного оборудования и повышают сложность явления транспортным средством.
Таким образом, решение научной, гтоблеми создавая оеяош теория тягових БА ТС с яяояеядуольяим яаектротмеодом коме, базарунщсася /м шзаямосеят ти зверговреобразоеатщ ущмижяая и Ьшямеатя mm адаттщ/т юиемекояссяого деямеч тмеяша» ееойсте опорной поверхности и методах ивформагаинтого обеспечения елях еграштюшх еозмомсяостеа изшреяяя регулируемых координат, имеет еамж роЬяохозяйстеенаое значаще, способствует поечтет» коякуреятоепособносяш 6л фузвой аетомобятяой техшося та меакёуяародномриаке.
Цель работы. Создание тсорвн построения тяговых систем БАТС, учитьпм взэдмообусловленность в взаимосвязь процессов звергопреобразованнв в упрявлс млогодангательном тяговом электроприводе (ГЭП) и пвевноколесвом движителе, j ботка способов в методов расчета статических и динамических характеристик оеш элементов и систем, обеспечивающих эксплуатацию БАТС в условиях вашого кал подготовка поверхности движения,
Научная новизна роботи. Разработаны основы теории Титовых систем БАТС і тотао-вжкадаым электроприводом аа основе предложенной н научаю обоснованной цепции вх построении, созданы необходимые математические модели и методы ра< основных характеристик тягового частотно-каскадного электропривода в систем упр. вия. Научная новизна заключается в том, что:
-впервые сформулированы основные требования к тяговой системе БАТС, ув вающне произвольность его конфигурация, многодвнгательность тягового привода, оі стеке технической возможности непосредственного измерения целого ряда регулируе велнчип, неоднозначность взаимосвязей формировании управляющих воздействий;
-разработана новая концепция построения тяговых систем БАТС и предложен структурная реализация, основанная ва системном подходе, физических представленні принципат взаимообусловленности в взаимосвязи процессов эпергопреобразованк управлення в многоооорном пвевмоколееном двяжнтеле с нндивидуя пьным тяговым прт дом. Предложенная концепция предусматривает:
- реализацию тяговой системы на основе многодвигательного частот
каскадного электропривода с двухканальным взаимонезависимым регулированием часто,
вращения ТД;
-формирование алгоритмов управления с учетом буксования пневмокол ного движителя:
информационную поддержку управления, основанную на использован моделей взаимодействия ПК в ооставе многоопорного движителя с опорной поверхностьк различных режимах движения, транспортного средства произвольной конфигурации в пп
АДФ в структуре замкнутой системы частотного и импульсного регулирований часто-еращения;
- впервые разработаны ориентированные для решения задач управления матемяти-кие модели пневмоколесного движителя в составе BATQ
-выявлены новые взаимосвязи н предложены новые структуры локальных систем «явления (СУ) рабочим режимом осн пневмоколесного движителя транспортного сред-:а н многодвнгательпым тяговым приводом, обеспечивающие выполнение задаваемой (граммы движения БАТС инвариантно локальному изменению свойств опорной паверх-:ти без непосредственного измерения регулируемых величин;
-научно обоснована целесообразность применения частотно - каскадного тягового жтропривода путем сравнительного анализа технике - экономических показателей свій многодвигательного ТЭП и процессов зяергопреобразования в тяговой системе БАТС;
разработан новый метод инверсии входных воздействий, дополняющий метод ком-ексно-сопряженных амплитуд, отражающий специфику электромагнитного преобразо-шя энергии в асинхронном двигателе с фазным ротором (АДФ) при включення в его ро-) выпрямителя. Получены новые зависимости и разработаны инженерные методы рясче-статических характеристик электродвигателей переменного тока па основе предло-вной схемы замещения АДФ с выпрямителем в цепи ротора;
-впервые разработан метод кусочно-линейной аппроксимации процессов нм-льсного (индивидуального) регулирования частоты вращения АДФ по цепи выпрямлен-го тока ротора и установлены новые взаимосвязи управляющих воздействий и управ-емых величин, определяющие ТД элементом системы автоматического управления.
Пракяшчгсхое зштате роботи определяется решение» ss основ* результатов нщЧс-X исследований прикладных задач проектирования тяговых систем БАТС. Создана >овая структура тяговых систем, основанная ва взаимосвязи процессов энергопреобразо-вия и управления в тяговом приводе н пневмоколесном движителе в различных режимах иженняБАТС.
Введение в алгоритмы управления моделей, отражающих требуемые характеристики оцессов, позволяет повысить их качество и точность воспроизведения заданной тряекто-в при централизованном управлении БАТС, стимулирует н алгоритмически шдцераи-ет практическое внедрение цифровых комплексов.
Разработаны инженерные методы расчета статических н динамических характерник, закладывающие практическую основу проектирования управляемых систем: частот--каскадного электропривода.
Установленные взаимосвязи и закономерности управленая АДФ в частотно-скадном электроприводе, их количественные зависимости, создают основу для расчета
параметров ТД, определения энергетических в регулировочных возможностей га< привода.
Разработаны реализующие предложенные алгоритмы конструкции элемен устройств автоматизации (А.С. NN 805344, 849896,847816, 930148, 793191, 7! 1063229, 962817, 978306,801263), я предложенное испытательное устройство (АЛ 1063759) обеспечивает экспериментальную поддержку исследований тяговых ев БАТС
Создан стенд для исследований нового функционально ориентированного тяг частотно-каскадного электропривода (А.С. NN 844401,983961,888788), отвечающего виям эксплуатации БАТС.
Привод характеризуется повышенными, по сравнению с другнмн системами тройного электропривода, энергопреобрахующими свойствами, позволяет полнее нспо вать ограниченные энергетические возможности автономной тяговой системы пневі лесной машины.
Реашзаяря роботи. Результаты работы прошли промыт денную проверку и но зуются при разработке алгоритмов управления многодвигательными системами с асик выми двигателями на Белгородском комбинате асбестоцементных изделий, ЦНИИ01 (г-Москва), НПО "Электроника'' (г.Воронеж), на ОАО "Челябинский машинострои выв завод автомобильных прицепов", в 21 НИИИ автомобильной техники МО (г.Брошшцы), в учебном процессе при подготовке ввжеверов по специалы "Автоматизация технологических процессов", а также аспирантов по специалы 05.09.03 "Электротехнические комплексы в системы, включая их регулирование и уювн ниє" в ВГАСА и МАМИ.
Вклад asmopa в разработку цроблеми: научная постановка задач теоретическ экспериментальных исследований; разработка методических вопросов и содержания и< довапнй; создание математических моделей движения колеса с пневматической ви развитие метода комплексно-сопряженных амплитуд применительно к анализу pal асинхронного электродвигателя с выпрямителем в цепи ротора; разработка Метода кум линейной аппроксимации процессов в цепи выпрямленного тока ротора при вмпулы регулировании частоты вращения электродвигателя; анализ и обобщение результате] следований; формулировка исходных требований к научным и практическим разрабп-тягового электропривода и его систем управления; научное обоснование взапиоса управления, обеспечивающих адаптацию режима работы привода к условиям дві иия транспортного средства. Экспериментальные исследования, разработка программ ЭВМ, разработка конструктивяыт устройств управления приводом, проведены иид и ным руководством и непосредственном участив автора.
Доашнсряость а о6осно4шои>еть полученных результапин определяется испол ванием экспериментально подтвержденных положений при разработке математических
7 пнеюгоколесшго дишнтелн, классических и распространенных методов опяса-шямических процессов электромеханических систем я систем автоматического регу-ания.
Правомерность математической модели пневмоколесвого движителя а также остюв-іоложення и методы, сформулированные при аналитическом исследовании процессов шреобразоваяии в частотно-каскадном электроприводе, подтверждены эксперимен-ю.
Работоспособность и реализация прогнозируемых качественных показателей_про-в регулирования подтверждены совместными с коллективом кафедры ЭКЭМС МА-жсяернментяльными иеследовавкями физической модели частотно-каскадного злек-іивода с цифровой системой управления, оснащенной необходимой измерительной и трирующей аппаратурой.
Осяо*яшпол0мжтядассерт<врш,*ыги>спмиеназвщя1пу 1.Математяческие модели движения пневматического колеса в составе многоопорно-янспортного средства, ориентированные для решения задач управления Б АТС.
2. Концепция и алгоритмы управления многодвигательным тяговым электропрнво-фи криволинейном движении БАТС.
З.Новые принципы формирования управляющих воздействий, локальные схемы вления БАТС, обеспечивающие инвариантность движения относительно возмущения ведения устройств измерения регулируемых координат в динамических составляющих нов управления.
4.Метод и результаты технико-экономического обосновании структуры упрзвляе-> ТЭП для тяги пвевмоколесных машин с улучшенными регулировочными и эшегетн-нми показателями.
5.Метод расчета установившихся режимов АДФ при частотно-каскадном управлении стемеТЭП.
(.Схема замещения и основные расчетные выражения статических характеристик «тно-каскадного электропривода.
7.Метод линеаризации микропереходных процессов коммутации при импульсном ре-фованин скольжения и динамическая модель АДФ в частотно - каскадном электропри-
8.М стоды расчета параметров СУ частотно-каскадным ТЭП.
Ащюбадряработы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на конференциях, в том числе на Всесоюзной научно-технической конференция временные задачи преобразовательной техники"ДСиев, 1975, на Всероссийских науч-гехнических конференциях "YII НТК по вопросам автоматизации производства", [ск, 1973; "Актуальные проблемы строительства'%Воронеж,1987, па международных фереяциях (I International Conference on Electromecbamci and EJtctrotechnology. Snzdnl,
8 Russia, 12-16 September 1994; International Scientific-Technical Conference on Unconri Electromechanical and Ekctrotechnical Systems. Sevastopol, Ukraine, July 10-15, 1 International Conference on Electronucbamcs and Qectrotecimoloey. Krym, Ukraini Octonber, 1996), ва международном научно-техпнческом семинаре "Электромехаш системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в их ро( рованном производстве" Суздаль, 22-26 февраля 1993 г., на научно-технических кое пнях с международным участием "Научно-технический прогресс в автомобнлестр МоскваД994; "Проблемы промышленных электромеханических систем и перспекті развитии", Ульяновск, 11 - 14 октября, 1996; на S Международной школс-сеї "Перспективные системы управления ва железнодорожном, промышленном и горі транспорте", Алушта, Украина, 1995 г, 464 (1988 г.), 47-й (1989 г.) и 48-й (1990 г.) в методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ, ежегодных в практических конференциях ВИСИ и ВГАСА (1973 -1997 rx).
Пубпакаггра. Основное содержание работы опубликовано в 55 научных работ зультаты исследований отражены в 10 отчетах НИР, в выполнении которых автор і мал непосредственное участие, являясь ответственным исполнителем или руководи темы.
Структура а объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, зал ній, списка литературы из 196 наименований и приложений, изложена на 393 стра машинописного текста, иллюстрирована 159 рисунками и 10 таблицами.
