Исследование и разработка системы стабилизации нагрузок электропривода резания проходческого комбайна

Актуальность работы. 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 инверсииалгоритм, 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 лииии 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 № 2 007 130 270/03(32 981) 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 изделий. 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 140 601 — 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.

Выводы.

1. Разработан метод синтеза регуляторов контуров многоконтурных систем с медленными и быстрыми процессами на основе желаемой передаточной функции медленных процессов объекта управления, а введение больших корней в знаменатель передаточной функции регулятора обеспечило его физическую и алгоритмическую реализуемость без применения чувствительной к помехам и ошибкам измерения операции дифференцирования входного сигнала.

2. В качестве эталонной предложена передаточная функция медленных процессов второго порядка, которая устанавливает функциональную зависимость параметров передаточных функций регулятора и объекта управления, формирующей условия для задания желаемых показателей качества системы управления в переходных и установившихся режимах, а передаточная функция подсистемы быстрых процессов обеспечивает физическую реализуемость регуляторов.

3. Разработана модель динамического звена «Исполнительный орган — забой», позволившая составить структурную схему системы управления во взаимодействии контуров скорости подачи и регулирования тока электродвигателя привода резания.

4. Выполнены исследования контуров скорости подачи исполнительного привода и стабилизации тока электродвигателя главного привода. Исследования подтвердили соответствие процессов созданной системы управления техническим требованиям к микроконтроллерной системе стабилизации нагрузок электропривода резания исполнительного органа проходческого комбайна.

5. Разработан алгоритм управления с исключением накопления выходного сигнала дискретного регулятора с интегрирующей составляющей при работе в зоне ограничения его выходного сигнала, что обеспечило плавный переходной процесс.

6. Разработан алгоритм автоматического задания на токи уставок электродвигателя привода резания при изменении крепости горной породы с выделением «защитных» зон этих уставок.

7. Сформированы переходные и установившиеся процессы с заданными показателями быстродействия, которое составило 0,2 с, точности и перерегулирования, слабочувствительные (робастные) к изменению параметров микроконтроллерной системы управления режимами работы исполнительного органа, что дало возможность получить при наложенных ограничениях максимум производительности, повышение надежности и долговечности проходческого комбайна в условиях действия нагрузок, превышающих предельно допустимые.

8. Получено соответствие данных вычислительного эксперимента с использованием регуляторов, синтезированных по упрощенным моделям (желаемым передаточным функциям второго порядка), с результатами компьютерного моделирования на полной комплексной модели объекта управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований дано решение актуальной задачи, имеющей важное теоретическое и практическое значение для повышения эффективности проведения подготовительных выработок на угольных шахтах Кузбасса.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему.

1. Установлены нелинейные функциональные зависимости скорости и усилия подачи исполнительного привода от угла поворота стрелы и усилий на штоках гидроцилиндров, используемые для алгоритмической линеаризации передаточных функций объекта управления — контура скорости подачи исполнительного органа и формирования алгоритма коррекции, обеспечивающего выравнивание нагрузки электропривода резания вдоль линии разрушения поверхности забоя. Снижение усилия подачи от центра к борту выработки не превышает 5 — 8% при применении устройства для выравнивания нагрузок электропривода резания.

2. Разработана комплексная нелинейная модель приводов исполнительного органа, состоящая из моделей исполнительного привода подачи и электромеханической системы «Асинхронный электродвигатель — исполнительный орган», с включением в ее состав модели эквивалентного однофазного асинхронного электродвигателя с вращающимся магнитным полем. Анализ результатов компьютерного моделирования работы однофазного аналога подтвердил адекватность процессов по пусковому режиму 1п = 7,01ц = 460 А, что соответствует паспортным даннымпо режиму наброса нагрузки (быстродействие и перерегулирование в модели и реальном электродвигателе не превышает 10%).

3. Разработан метод синтеза систем управления с медленными и быстрыми процессами, в которых подсистема медленных процессов обеспечивает синтез многоконтурных систем управления с требуемыми переходными и установившимися процессами и одинаковым быстродействием как внутренних, так и внешних контуров. Это достигается использованием в качестве эталонной — передаточной функции второго порядка, отличающейся тем, что устанавливается функциональная зависимость параметров передаточной функции регулятора от параметров объекта управления для получения заданных показателей качества процесса регулирования. Быстрые процессы обеспечивают физическую реализуемость регуляторов.

4. Разработан метод синтеза аналоговых прототипов дискретных регуляторов на основе принципов разнотемповых процессов и инверсии, что обеспечивает создание быстродействующих многоконтурных систем управления с плавными переходными процессами и нулевой установившейся ошибкой движения.

5. Сформирована модель звена «Исполнительный орган — забой», позволившая разработать структурную схему системы управления во взаимосвязи контуров скорости подачи и регулирования тока электродвигателя привода резания.

6. Разработан алгоритм управления с исключением накопления дискретного астатического регулятора в режиме ограничения его выходного сигнала. С целью обеспечения желаемого переходного процесса в контуре скорости подачи требуется выполнить ограничения для двух управляющих устройств. Это ШИМ, напряжение на выходе которого изменяется до 170 В, что в 34 раза превышает Uh обмотки управления ЭМП. Одновременное ограничение максимального напряжения ШИМ до 15 В и применение алгоритма, исключающего накопление интегрирующей составляющей регулятора, позволяет получить плавность переходного процесса и требуемое быстродействие — 0,06 с. Вторым устройством является плунжер реверсивного золотникового распределителя ЭГУ, ход которого требуется ограничить на ± 20% для обеспечения линейности характеристики и требуемого быстродействия, исходя из запаса мощггости управляющего устройства.

7. Разработан алгоритм автоматического задания на токи уставок электродвигателя привода резания при изменении крепости горной породы с выделением «защитных» зон, исключающих кратковременный выброс помех. Токи уставок электродвигателя выбраны для крепости горной породы f = 2 1 = 0,681ыf=3 I = Iiiдля f > 3 I = 1,34 1Н. При средней крепости горной породы f > 5, осуществляется форсировка тока до 1,5 1н в течение 120 с, если это условие не помогает, то производится отвод исполнительного органа из зоны перегрузки.

8. Сформированы переходные и установившиеся процессы с заданными показателями быстродействия, которое составило 0,2 с, точности и перерегулирования, слабочувствительные (робастные) к изменению параметров системы стабилизации нагрузок электропривода резания, что позволило получить при наложенных ограничениях максимум производительности, повышение надёжности и долговечности проходческого комбайна в условиях действия нагрузок, превышающих предельно допустимые.

9. Установлено соответствие данных вычислительного эксперимента с использованием регуляторов, синтезированных по упрощённым моделям (желаемым передаточным функциям второго порядка), с результатами компьютерного моделирования на полной комплексной модели объекта управления, которое составляет 6,3%.

10. Разработаны исходный текст и шестнадцатеричный код программы системы стабилизации нагрузок электропривода резания стреловидного исполнительного органа проходческого комбайна для прошивки микроконтроллера.