Введение к работе
Актуальность темы. Переход к технике управления нового поколения характеризуется функциональным и конструктивным объединением электромеханических преобразователей с энергетическими и информационными компонентами с высоким уровнем организации процессов управления, т.е., созданием мехатронных комплексов. Для современных горных машин особое значение имеет энергетическая эффективность их функционирования. При передаче электрической энергии от источника к двигателям горной машины происходит преобразование ее параметров, сопровождающееся, во-первых, потерями во всех элементах, и, во-вторых, снижением ее качества, проявляющееся в колебаниях, отклонениях и искажениях формы напряжения. При торможении механических масс происходит рекуперация энергии, эффективность использования которой зависит от схемотехнического решения и алгоритмов управления мехатронной системой.
В связи с этим моделирование энергетических процессов имеет определяющее значение при конструировании мехатронных систем для горных машин. В настоящее время эта задача приобретает особую актуальность в связи с принципиальным обновлением технических средств управления. Это определяет необходимость модификации методов расчета и проектирования и сравнительного анализа вариантов. Возрастающие функциональные возможности средств вычислительной техники, увеличение мощности компьютеров и совершенствование программных сред обеспечивают условия для развития новых концепций исследования и моделирования мехатронных и других систем междисциплинарного характера.
Существующее противоречие между практической потребностью повышения энергетической эффективности, с одной стороны, и ограниченными возможностями современных методов исследования и моделирования мехатронных систем и их элементов для экскаваторов, с другой стороны, определяют актуальность исследований в данном направлении.
Работа выполнялась в период с 2008 по 2011 г. на кафедре промышленной экологии Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского - МАТИ (г. Москва) и соответствует Приоритетному направлению развития науки, технологий и техники Российской Федерации №8 «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика» и п. 26 «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии» Перечня критических технологий Российской Федерации, утвержденных Указом Президента РФ № 899 от 7 июля 2011 г. Научно-исследовательская работа проводилась в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры иннова-
ционной России» на 2009 - 2013 годы (государственные контракты № П-236 и№ 16.740.11.0397).
Цель и задача работы. Цель работы состоит в повышении эффективности использования электрической энергии в мехатронных системах карьерных экскаваторов на основе совершенствования моделей и технологии математического и компьютерного моделирования для проектирования, выбора компонентов и синтеза алгоритмов управления.
Для достижения указанной цели сформулирована научная задача: составить математические модели процессов преобразования энергии и информации в мехатронных системах экскаваторов; на основе полученного математического описания разработать методику, алгоритмы и программные средства моделирования, позволяющие проводить анализ и синтез мехатронных систем, обладающих повышенной энергетической эффективностью.
Решение этой научной задачи предполагает:
1. Составление моделей мехатронных систем экскаваторов, ориенти
рованных на энергетические исследования и повышение энергетической
эффективности работы оборудования.
-
Исследование моделей и критериев эффективности электроэнергетических процессов в мехатронных системах.
-
Разработку методологии и программного обеспечения компьютерного моделирования процессов управления и преобразования энергии и информации в мехатронных системах.
-
Компьютерное моделирование и исследование эффективности использования энергии в мехатронных комплексах экскаваторах.
-
Сравнительный анализ и синтез структур и компонентов мехатронных систем по критерию эффективного использования энергетических ресурсов.
Методы исследования. Для решения сформулированной научной задачи использованы математические методы моделирования физических процессов, вычислительные методы решения нелинейных дифференциальных уравнений, современная теория автоматического управления, классическая электромеханика, натурные и вычислительные эксперименты, методы обработки данных.
Основные положения, защищаемые автором.
1. Математическое описание мехатронных комплексов экскаваторов,
основанное на структурном представлении систем и ориентированное на
исследование процессов и эффективности преобразования энергии.
2. Математические модели и программные комплексы для компью
терного моделирования процессов управления и преобразования энергии в
мехатронных системах карьерных экскаваторов.
-
Результаты вычислительных и натурных экспериментов и сравнительный анализ энергетической эффективности мехатронных систем современных экскаваторов при различных схемотехнических решениях.
-
Новые схемотехнические решения мехатронных комплексов карьерных экскаваторов, обеспечивающие повышение энергетической эффективности.
-
Методика приближенного оценивания погрешностей, обусловленных квантованием, при цифровом измерении мощности и расхода электроэнергии.
-
Прогнозирующая модель деградационных процессов в изоляции и основанный на ее использовании способ контроля сопротивления изоляции в мехатронных системах экскаваторов.
-
Способ визуализации работы экскаватора с использованием рабочих сигналов мехатронного комплекса.
Научная новизна работы заключается в:
математических моделях мехатронных систем карьерных экскаваторов, ориентированных на исследование энергетических процессов;
алгоритмическом и программном обеспечении для компьютерного моделирования энергетических процессов в мехатронных системах, сравнительного анализа различных схемотехнических решений по критерию энергоэффективности и синтеза специальных алгоритмов управления;
моделировании и сравнительном анализе современных и перспективных мехатронных систем экскаваторов с выходом на энергетические характеристики мехатронных систем с новыми элементами преобразования и накопления энергии;
в новой структурной схеме мехатронного комплекса экскаватора, обеспечивающей использование рекуперированной энергии и алгоритме контроля сопротивления изоляции в мехатронных системах с преобразователями рода тока;
способе визуализации работы экскаватора с использованием рабочих сигналов мехатронных систем.
Практическая ценность работы заключается в:
- возможности оценки энергетических характеристик мехатронных
систем экскаваторов на этапе проектирования;
- сравнительном анализе различных схемотехнических решений, обес
печивающих значительное ускорение расчетов и исследования приводных
систем, позволяющих существенно сократить сроки проведения проектно-
конструкторских работ по созданию новых - моделях мехатронных систем
и программном обеспечении, позволяющих проводить целенаправленный
синтез новых структур, объектно-ориентированных подсистем и элементов
электроприводов, обеспечивающих снижение потерь энергии и электромаг
нитную совместимость оборудования.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: результатами теоретических исследований, основанных на фундаментальных положениях механики, электротехники, электромеханики, математического анализа; корректностью сделанных допущений при построении математических моделей; сопоставлением результатов математического моделирования и экспериментальных данных, полученных в условиях реального забоя, и подтвердивших высокую сходимость результатов теоретических исследований.
Реализация результатов работы. Теоретические результаты и математические модели, прикладные программы, рекомендации, алгоритмы и практические разработки, в том числе защищенные патентами Российской Федерации, использованы в ООО «Компания «Объединенная Энергия», г. Москва при проектировании и производстве карьерных экскаваторов с транзисторными преобразователями ЭКГ-5, ЭКГ-10, ЭКГ-12, ЭКГ-18Р.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:
-
XVI и XVII Международных конференциях по вычислительной механике и современным прикладным программным системам ВМСППС2009 и ВМСППС'2011 (Алушта, 2009, 2011).
-
Международной научной конференции «Дифференциальные уравнения и динамические системы» (Суздаль, 2 -7 июля 2010).
3. Всероссийской научно-технической конференции «Исследование,
проектирование, испытания и эксплуатация информационно-измерительных
устройств военной техники» (Владимир, 2010).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в журналах по Перечню ВАК РФ и получено 3 патента на изобретения.
Объём работы. Диссертация изложена на 200 с. машинописного текста, содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы из 146 наименований, 3 приложения и иллюстрируется 75 рис.
