автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Синтез систем управления автоматизированным экскаваторным электроприводом с использованием скользящих режимов

На правах рукописи

ообочиис* ,

У/ >' ,

...

Коловский Алексей Владимирович

Синтез систем управления автоматизированным экскаваторным электроприводом с использованием скользящих режимов.

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 0 023 2С;2

Томск 2012

005010065

Работа выполнена в Хакасском техническом институте -филиале ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

Кочетков Владимир Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Ещин Евгений Константинович

Кандидат технических наук, доцент, Филипас Александр Александрович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» (г. Новокузнецк)

Защита диссертации состоится "02" марта 2012 г. в 15:00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.11 при ФГБОУ ВПО «Национально исследовательский Томский политехнический университет» в ауд. 217 8 учебного корпуса Томского политехнического университета по адресу: 634050, г. Томск, ул. Усова, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Национально исследовательский Томский политехнический университет»

Автореферат разослан « %}-» января 2012

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций к.т.н., доцент Ю.Н.Дементьев

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. В настоящее время в России существует большой парк экскаваторов, среди которого карьерные экскаваторы функционируют в наиболее трудных условиях при разработке скальных пород и мерзлых грунтов.

Электропривод механизма копания карьерного экскаватора представляет собой сложную многомассовую систему и, следовательно, на его динамику большое влияние оказывают зазоры в передачах и действие упругих элементов. Также жесткость упругой связи и момент инерции исполнительного органа меняются в процессе технологического цикла и зависят от геометрического положения исполнительного органа в пространстве.

Обеспечение требуемого качества управления технологическим процессом экскавации целиком возлагается на систему управления.

Одним из перспективных подходов к синтезу систем управления сложными динамическими объектами является применение систем с переменной структурой (СПС). Наиболее широкое признание и применение в этой теории получило направление, изучающее скользящие режимы. В этих режимах движение изображающей точки определяется уравнением поверхности переключения и не зависит от свойств объекта управления. То есть система, находящаяся в скользящем режиме, инвариантна к параметрическим и внешним возмущениям.

Цель работы: синтез и исследование систем управления с переменой структурой для электроприводов копающих механизмов экскаваторов, позволяющих повысить показатели качества динамических процессов.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

-синтез комбинированной системы управления с переменной структурой электроприводом копающих механизмов экскаваторов посредством последовательной коррекции внутренних координат электропривода и СПС внешних координат;

- оптимизация динамики экскаваторного электропривода с помощью организации скользящего режима, минимизирующего квадратичный критерий оптимальности;

-определение влияния весовых коэффициентов критерия оптимальности на динамику ЭМС;

-синтез системы управления с переменной структурой экскаваторным электроприводом с явной эталонной моделью и определение ее параметров;

- проверка эффективности разработанных систем разрывного управления экскаваторным электроприводом при помощи структурного моделирования.

Методы исследований: дифференциального и интегрального исчислений, пространства состояния, для описания и анализа динамики ЭМС; модального управления и АКОР для синтеза поверхности переключения; теории систем с переменной структурой и функции Ляпунова для синтеза законов управления. Расчеты и компьютерное моделирование проводились с использованием программного пакета MATLAB для подъемного механизма экскаватора ЭКГ-8И.

Научная новизна и научные результаты, выносимые на защиту:

— способ синтеза комбинированных систем управления с переменной

структурой, заключающийся в последовательной коррекции внутренних координат (тока возбуждения или тока якорной цепи) и использованием теории систем с переменной структурой для регулирования внешними координатами электропривода; -

— впервые для управления экскаваторным электроприводом применена система с переменной структурой, поверхность переключения которой выбрана таким образом, что движению по ней соответствует минимум квадратичного функционала;

— на основании анализа влияния весовых коэффициентов критерия оптимальности на динамику электропривода предложен способ выбора коэффициентов критерия оптимальности, заключающийся в разделении координат на группы с последующим выбором весовых коэффициентов для каждой группы с учетом максимально допустимого отношения весовых коэффициентов при каждой группе;

— экскаваторный электропривод с системой управления с переменной структурой с явной эталонной моделью и способ выбора ее параметров заключающийся в синтезе замкнутой следящей оптимальной системы при средних параметрах объекта управления, математическое описание которой и является эталонной моделью.

Достоверность полученных результатов работы определяется обоснованностью принятых допущений, удовлетворительным совпадением результатов модельного и физического экспериментов.

Практическая ценность результатов работы заключается в том, что используемые законы управления позволяют повысить качество отработки задающих воздействий электромеханическими системами в динамических режимах и снизить величину упругого момента в режиме жесткого стопорения.

Использование результатов диссертации. Материалы диссертационной работы, касающиеся моделирования и синтеза систем управления с переменной структурой электроприводами, использованы на предприятиях разрез «Нерюнгринский» филиал ОАО ХК «Якутуголь» и ООО «СУЭК-ХАКАССИЯ» разрез «Черногорский», а также в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов студентами кафедры «Электроэнергетика» Хакасского технического института - филиала ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы непосредственно докладывались и обсуждались на следующих конференциях: V Международной конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007. (г. Санкт - Петербург, 2007 г.), IV МНПК «Электронные средства и системы управления опыт инновационного развития» (г. Томск, 2007 г.), XIV, XV МНПК студентов, аспирантов, и молодых ученых «Современная техника и технологи» (г. Томск, 2008, 2009 г.г.), XVII МНПК «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-17-2011) (г. Томск, 2011 г), III, IV ВНПК «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях»

(г. Новокузнецк, 2006, 2010 г.г.), VI ВНПК «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (г. Новокузнецк, 2007 г.), ВНТК студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука: начало XXI века» (г. Красноярск, 2008 г.), ВНТК «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!» (г. Омск, 2008 г.), ВНК «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2008 г.), 6-й Региональной НПК «Интеллектуальные ресурсы ХТИ - филиала СФУ - Хакасии 2007 (наука, техника, образование)» (г. Абакан, 2007 г.), I, II Межрегиональных научно-практических конференциях

«Инновационное развитие, модернизация и реконструкция объектов ЖКХ в современных условиях» (г. Абакан, 2010, 2011 г.г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 27 работах (основные приведены в списке публикаций). Из них 3 статьи в изданиях по перечню ВАК, 1 учебное пособие, 2 патента РФ, 2 статьи в научных журналах не входящих в перечень ВАК, 15 статей в сборниках докладов Международных и Всероссийских конференций, 4 статьи в сборниках докладов Межрегиональных и Региональных конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа представлена на 173 страницах, включающей 149 страниц основного текста, содержит 87 рисунков, 6 таблиц и 6 приложений на 8 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 132 наименований на 16 страницах. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы: «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления».

Содержание работы.

В первом разделе рассмотрен экскаватор и электропривод экскаватора как объект управления, проанализированы известные принципы построения систем управления экскаваторного электропривода. Выявлены особенности и недостатки таких систем, поставлена задача дальнейшего исследования.

В России для экскаваторов средней мощности серийно применяют систему генератор-двигатель (Г-Д), а для экскаваторов ЭКГ-20 систему тиристорный преобразователь-двигатель (ТП-Д). Несмотря на явное преимущество системы ТП-Д и ПЧ-АД перед системой Г-Д, особенно для привода экскаваторов средней мощности, серийно продолжает выпускаться система Г-Д, т.к. идеально подходит для слабых карьерных сетей и наиболее удобен для обслуживания.

На экскаваторных электроприводах наибольшее распространение получили системы подчиненного регулирования. Несомненным достоинством таких систем является простота настройки и реализации, как в аналоговом, так и в цифровом виде. Недостатком используемых СПР является синтез только двух или трех контуров регулирования, что вынуждает рассматривать объект управления как одномассовый.

В копающих механизмах жесткость упругой связи и момент инерции исполнительного органа меняется в процессе экскавации и зависит от геометрического положения ковша в пространстве и заполнения ковша породой. В этих условиях не всегда удается с помощью систем подчиненного

регулирования обеспечить качественное регулирование координат ЭМС в динамических режимах.

Результаты моделирования показали, что системы подчиненного регулирования нуждаются в дополнительных корректирующих связях для снятия динамической ошибки по току якоря. В режиме жесткого стопорения классические СПР не способны ограничить величину упругого момента.

Во втором разделе рассмотрен синтез систем с переменной структурой для электропривода копающего механизма, когда состояние управляемого процесса полностью определяется ошибкой выходной координаты (скорости двигателя) и ее производными.

Алгоритмические схемы систем управления автоматизированными электроприводами подъемного механизма экскаватора, выполненными по системе Г-Д и управляемый преобразователь - двигатель (УП-Д) изображены на рисунках 1 и 2 соответственно.

УУ

Т,р-И

Ф-*

ЯЦ

1/д.

7>+|

-ш-

МЕ

С'„

Рис. 1. Алгоритмическая схема системы управления автоматизированным экскаваторным электроприводом, выполненным по системе Г-Д.

С

УУ

и'мО»)

УП

к„

Т^}+1

с

ЯЦ

М2

МК

ТдР+1

гг

£м

[кэ!'р^

!

01

Рис. 2. Алгоритмическая схема системы управления автоматизированным экскаваторным электроприводом, выполненным по системе УП-Д.

Так как для системы УП-Д действие ЭДС двигателя не учитывается при синтезе на вход преобразователя введена соответствующая положительная обратная связь с передаточной функцией

С, _С.(Тпр + \)

И'у п (/>) Кп '

КЛр) =

Для компенсации действия внешних возмущений (действие ЭДС двигателя и упругого момента для системы Г-Д и действие упругого момента для системы УП-Д) введена коммутируемая обратная связь по ЭДС (току возбуждения) генератора в системе Г-Д и току якорной цепи в системе УП-Д.

Уравнение поверхности переключения:

»

*(0 = Хс,дг,,

1=1

где п = 3 для системы Г-Д и и = 2, для системы УП-Д, с„ = 1, х,, х2, х3 -соответственно ошибка регулирования по скорости и ее первая и вторая производные.

Для организации в системе режима скольжения выбрано кусочно-линейное управление вида и = Ч)Х2х + Т'х - 1Р‘с'г для системы Г-Д, и г/ = Ч'хх-Ч'//а для системы ТП-Д, где Ч/ — функции переключения вида

^ Г“2 при х2*>0К при ^>°. ч„+_1_=|Уо при /Ъ>0

2 |Р2 ПРИ л-25<0’ 1 [р, при л^сО’ КГ [р0 при Fs<0’

= Га при дг,5 > 0 = |а' при (^х + См/„ )* > 0

[Р при а-^<0’ |р' при (^х + Си/а<0

Из условия устойчивости скользящего режима лг(/)$0)<0 определены величины коэффициентов в функциях переключения.

Разработан способ синтеза систем управления, заключающийся в последовательной коррекции внутренних координат (тока возбуждения или тока якорной цепи) и использованием теории систем с переменной структурой для регулирования внешними координатами электропривода.

Осуществив последовательную коррекцию питающего напряжения частично приближаем систему генератор-двигатель по быстродействию к системе управляемый преобразователь-двигатель. При этом математическое описание объекта управления уменьшается на один порядок. По методике расчета на «технический оптимум» определим передаточную функцию регулятора питающего напряжения

Тар

где Тп=2Т^КХк/К-

Пренебрегая постоянной времени замкнутого контура напряжения равной 2Тр, дальнейший синтез системы управления ведем аналогично как для системы УП-Д.

Алгоритмическая схема комбинированной системы управления с переменной структурой автоматизированным электроприводом копающего механизма экскаватора изображена на рисунке 3.

и,

УУ

Г к, к,. с',(

ТеР+\ т,-р+1 1 к

ед яц

М1

Рис. 3. Алгоритмическая схема комбинированной системы управления с переменной структурой автоматизированным экскаваторным электроприводом.

Результаты моделирования показали что:

1. Применение системы управления с переменной структурой и комбинированного управления с использованием последовательной коррекции внутренних координат позволяют получить ЭМС инвариантную к внешним возмущениям при надежном ограничении тока якорной цепи.

2. Жесткость первого участка электромеханической характеристики соответствует желаемой, зависит от формы задающего сигнала (и, (/„)) и может гибко регулироваться практически до абсолютной.

3. В рассмотренных системах динамические характеристики в различных режимах (пуска, наброса нагрузки, стопорения) исследуемого электропривода максимально совпадают со статической, что говорит о высоком качестве системы управления.

4. С возрастанием числа замкнутых контуров возрастает влияние малых постоянных времени неучтенных при синтезе. Причем замкнутый контур тока якорной цепи уже нельзя представлять безынерционным звеном.

Третий раздел посвящен синтезу систем с переменной структурой для электропривода копающего механизма, фазовое пространство которого не является пространством производных сигнала ошибки. Поверхность переключения выбиралась как функция рассогласований между текущими значениями координат и их желаемыми значениями.

Математическое описание линеаризованного объекта управления при определенных общепринятых допущениях представляется системой линейных дифференциальных уравнений:

х = Ах+Ьи, (1)

где Л" - вектор состояния системы, и - управляющее воздействие, А -квадратная матрица коэффициентов координат объекта управления, Ь — вектор-столбец управляющего воздействия.

Сведем задачу управления к задаче стабилизации. Для этого введем вектор желаемого состояния хж.

Для двухмассовой системы Г-Д:

*.=[г С ®Г К <]т=[я о я о ^]т = [1 о 1 о 1 ]т£=&

где: хж — вектор желаемого состояния объекта управления в установившемся режиме, g - задающий сигнал.

Для двухмассовой системы УП-Д:

*„=[£ шГ м; со*]т=[0 я О g]r=[0 1 О 1]т£ = /г

Уравнение движения относительно вектора рассогласования с учетом того, что дгж = 0:

ё=Ae-blt-kg, (2)

где к = А/.

В системе kg рассматриваем как возмущающее воздействие, влияние которого на динамику системы можно устранить с помощью разрывного управления.

Уравнение поверхности переключения имеет вид:

5 = се = О,

где с - вектор коэффициентов поверхности переключения размера 1 х п.

С помощью не особого линейного преобразования е' = Ме, система (2) приведена к регуляторной форме:

14' =Лпе|' +ап< ~к,8

[К = аг\е\ + аУ„ -и-К

где е\ и е'п - соответственно (п - 1)-мерный и 1-мерный векторы состояния, составленные из компонентов вектора е',

"Ап «12'

Я,

/'а > ( Ш \

Л,

, Мк - 1

*' = {< = < - С.Г.МАМ-^

*21

Уравнение поверхности разрыва л = 0 относительно новых переменных имеет вид: 5 = сМ 'е' = с[ е[ + с'п е'„ = 0, где сМ-1 = (с, с'п ),

с, = (с' с'2 ... с,для простоты синтеза принимаем с' =1.

Система уравнений, описывающая движение в скользящем режиме:

14 =^и< + ап< "А.8 (3)

К =~с,е[

Данную систему можно рассматривать как разомкнутую с вектором состояния е[ , управлением е'п и возмущением g. Таким образом, задача определения поверхности переключения сводится к синтезу управления системой (3).

Синтез поверхности переключения проводился без учета возмущающего воздействия, влияние которого скомпенсировано управлением, обеспечивающим выход на режим скольжения и его устойчивость.

Рассмотрено применение методов синтеза поверхности переключения на основе модального управления и на основе минимизации квадратичного критерия оптимальности. Выявлено, что наиболее удобен синтез поверхности переключения на основе минимизации квадратичного функционала.

Для обеспечения устойчивого режима скольжения движения координат на поверхность переключения рассмотрены следующие законы управления:

1. в виде кусочно-линейной функции задающего воздействия и вектора рассогласования

и = (а]£И-17|£| Я1вп(5); (4)

V м

2. в виде кусочно-линейной функции задающего воздействия и вектора рассогласования с различными весовыми коэффициентами

и = 5>,Ч-Ч«*, (5)

1=1 .

где элементы и Ч« изменяются по следующим логическим законам:

^={“; при да'>0,где1=1...я> ч'*=1а* при 5е>0,

[Р, при 56, < О [ Рв при ^<0

где а‘ ,р' ,ах,рх - постоянные коэффициенты;

3. релейный

м = (/0^п(я), (6)

где и0 - максимальное напряжение управления (и0 = 1 в о.е.).

Для определения условий устойчивости режима скольжения использована

положительно определенная квадратичная форма V = — $г.

Значение полной производной по времени квадратичной формы:

- = »<0. (7)

Подстановкой .у с учетом управления в неравенство (7) получено значения коэффициентов при рассогласованиях и задающем воздействии

(г/а>тах([/2,|) с!д<-\р\ '

где с/ = сЬ, Л/—элементы вектора-строки // = с А, р = ск для закона управления (4);

({а] > И„ с1% < И,, с1а* > р, с1$‘ < р

для закона управления (5);

и условие устойчивости режима скольжения для управления (6)

(сЛе -ckg)l^c]b) < 1.

Алгоритмические схемы систем с переменной структурой с рассмотренными законами управления изображены на рисунках 4-6.

Установлено, что для системы Г-Д синтез поверхностей переключения и, соответственно, регуляторов переменной структуры целесообразно осуществлять отдельно для номинальных (пуска, наброса нагрузки) режимов и режима стопорения. Для этого применяются 2 регулятора, которые обеспечивают работу системы по двум различным поверхностям переключения.

•э-

спс

Г

/ =?<2у:::*=

аЬя

аЬх ■

4г

ОУ х = Ах+Ьи

Рис. 4. Система с переменной структурой, построенная на основе управления (4)

Рис. 5 Система с переменной структурой, построенная на основе управления (5)

Рис. 6. Система с переменной структурой, построенная на основе управления (6)

В результате исследования влияния коэффициентов критерия оптимальности на динамику были выявлены следующие закономерности и рекомендации по их выбору.

Необходимо чтобы все коэффициенты весовой диагональной матрицы были больше нуля, и при расчете в относительных единицах удобно вначале поставить все равные единице.

В системе Г-Д наибольшее влияние на динамику оказывает весовой коэффициент при рассогласовании тока возбуждения. Его увеличение относительно других приводит к увеличению колебательности ЭДС генератора и тока якорной цепи. Увеличение весового коэффициента при рассогласовании тока якорной цепи приводит к уменьшению тока якоря, что затягивается длительность переходного процесса, однако наряду с этим уменьшаются броски упругого момента в режиме жесткого стопорения. Увеличение весового коэффициента при рассогласовании скорости первой массы приводит к более быстрому стремлению скорости к заданному значению и увеличению жесткости первого участка ЭМХ, однако чрезмерное его увеличение приводит к возникновению колебаний. Изменение весовых коэффициентов при рассогласованиях скорости второй массы и упругого момента не дает существенных изменений динамики ЭМС, но их чрезмерное увеличение приводит к усилению колебаний по этим координатам, что нежелательно.

Таким образом, наиболее рациональным является изменять весовые коэффициенты при рассогласовании тока якорной цепи и скорости первой массы.

Исследования показали, что для системы УП-Д весовые коэффициенты следует выбирать одинаковыми для пар координат: первая пара -

рассогласования скоростей первой и второй массы; вторая пара -рассогласования тока якорной цепи и упругого момента.

Причем коэффициенты при рассогласованиях скоростей следует выбирать больше единицы, т.к. в этом случае увеличивается быстродействие системы и ток рекуперации при стопорении, что позволяет снизить амплитуду упругого момента. Однако чрезмерное увеличение их ведет к повышению колебательности системы и может вызвать незатухающие автоколебания скорости и тока.

Снижение коэффициентов при рассогласованиях тока якорной цепи и упругого момента усиливают эффект от повышения коэффициентов при рассогласовании скоростей. Поэтому большое значение имеет отношение коэффициентов при скоростях и моментах.

Таким образом, весовые коэффициенты при рассогласовании /„ и Му следует выбирать меньше 1, а весовые коэффициенты при рассогласовании скоростей больше в 20-25 раз коэффициентов при рассогласовании 1а и Мг

Четвертый раздел посвящен синтезу систем с переменной структурой с явной эталонной моделью для управления автоматизированным электроприводом копающего механизма. Предложен способ выбора параметров эталонной модели, заключающийся в синтезе замкнутой следящей оптимальной системы при средних параметрах объекта управления, математическое описание которой и является эталонной моделью.

В процессе работы экскаваторного электропривода при изменении положения ковша в забое и его заполнении породой меняются его массоинерционные параметры и жесткость упругой связи. Поэтому в исследуемой ЭМС присутствует изменение параметров матрицы коэффициентов координат объекта заранее непредвиденным образом. Это усложняет реализацию управляющего алгоритма во всех режимах работы. Один из возможных путей решения задачи управления в условиях неопределенности параметров состоит в использовании методов адаптации.

Одним из наиболее часто используемых и легко реализуемых является адаптивный алгоритм с эталонной моделью. Эталонная модель - идеальная модель системы управления, воплощающая в себе требования к системе по окончании процесса адаптации. Она может быть реализована в виде отдельного динамического звена (явная эталонная модель) либо в виде набора параметров адаптивного регулятора — коэффициентов некоторого «эталонного дифференциального уравнения» (неявная эталонная модель).

Введем в систему явную эталонную модель, следовательно, целью управления становится сведение к нулю рассогласования между векторами состояния модели и объекта.

Описание эталонной модели выберем линейным:

где л:м - вектор состояния модели, Ам и Ь„ - постоянные матрицы, подобранные таким образом, чтобы обеспечить желаемые динамические процессы в модели, иы - входное воздействие модели («м = "(/, /],)).

Необходимо синтезировать такую функцию управления и с использованием информации о векторах состояния объекта л: и модели х„ и входном воздействии модели им, чтобы вектор рассогласования е = хм—х был сведен к нулю.

Уравнение движения относительно вектора рассогласования:

ё = Ав«-Аи+(Ам-А) * + *„!!„.

Так как рассогласование е должно быть сведено к нулю, то векторы (Ам - А)л: и рассматриваются как возмущающие воздействия, влияние на динамику системы которых можно устранить с помощью разрывного управления.

Математическое описание системы в регуляторной форме после не особого преобразования е' = Ме имеет вид:

ё' = МАмМ“У - МЬи + М(Ам - \)х + Мйви„

или

[<?, Ад,*?, +апе„ + КцД:, + кпхп

К = «21^ + а',Л ~ и + *21*1 + к„Л + К и„ ’ где е, и е’ - соответственно (п - 1)-мерный и одномерный векторы состояния из компонент вектора е': <?' = (<?[ е'п)\ е[=(е[ е\ ... х' = (х, е')т,

*,=(*, х2 . .. Л-,„,)Т, МАмМч = Ам аХ2 , М(А„-А)=К = (К к ^ "-11 12

.«21 а’т. к *21 Кт ,

мьи=ь'.

Уравнение поверхности переключения .9 = 0 относительно новых переменных

5 = сМ 'е' = с, е[ +с' е’ = 0, где сМ'=(с, с’ ), с, =(с[ с’г ... с' ,), для простоты синтеза принимаем < =1.

Система уравнений, описывающая движение в скользящем режиме:

(ё1 = А,,»?, +а12е„ + К,,лс, + кпхп

К = -<М ■ ()

Систему (8) можно рассматривать как разомкнутую систему с вектором состояния е\ и управлением е' и измеряемыми возмущениями х1 и хп. Так как мы можем устранить их влияние на динамику замкнутой системы, то для синтеза поверхности переключения мы их действием пренебрегаем. Однако, при определении законов управления, обеспечивающих попадание системы на

поверхность переключения и дальнейшее движение по ней необходимо будет учитывать действующие возмущения.

Нужно отметить, что математическое описание (8) аналогично (3), отличие состоит лишь в возмущающих воздействиях, которые не учитываются при синтезе поверхности переключения, и поверхность переключения находится аналогично как в главе 3.

Для выбора коэффициентов эталонной модели найдем оптимальные коэффициенты обратной связи для ЭМС со средними параметрами для случая, когда желаемое равновесное состояние характеризуется ненулевым положением управляемой переменной.

Математическое описание в смещенных переменных:

д:' = Ajc' + bu' у' = dx' ’

где м' = м-м„; х' = х — хи; у' = у — уй\ >’о - заданное ненулевое положение управляемой переменной, и0 - необходимо для достижения у0 входное воздействие, удерживающее систему в состоянии дс0; d = [О 0 1 0 0] или </ = [0 0 0 0 1] для двухмассовой Г-Д (в зависимости от того, скорость какой массы необходимо регулировать), или </=[0 1 0 0] или d = [О 0 0 1] для двухмассовой УП—Д.

Критерий оптимальности:

<,

xndTqdx' + (и')2) = J(jc'rQ.v' + (и')2),

/ц

где Q = dTqd.

Согласно теории АКОР оптимальное управление имеет вид:

и' = -к*',

где v = 6ТР - аналитически конструируемый оптимальный регулятор, Р -решение нелинейного матричного алгебраического уравнения

РА + АТР - РАЬТР + Q = 0.

В координатах исходной системы закон управления имеет вид:

и = -vjc + и0 + ur0 = -vx + и'(1,

где к'=и0+нх0.

Далее определим постоянную величину и'а такую, чтобы в установившемся состоянии управляемая переменная >< достигала своего заданного значения у0. Математическое описание замкнутой системы:

х = (А-Ьг)х + Ьи'ъ = А3х + 6г/', (9)

где А3 = (А - bv).

Так как замкнутая система асимптотически устойчива, то при / да ее состояние достигает установившегося значения х0, которое удовлетворяет условию 0 = А3лг„ + Ьи'(1.

Отсюда находим х0 = (-А3) ' Ьи'0.

Чтобы управляемая переменная приняла заданное значение необходимо выполнение условия у0 =^|/(-А3) тогда величина и'0 имеет вид:

«!=[</(“А, )"'*] Уо-Подставим полученное значение г/' в (9) находим математическое описание замкнутой системы

л: = А3л: + *[</(-А3)''1й] у0,

которое и играет роль эталонной модели.

Таким образом, эталонная модель имеет следующий вид:

^ = Ал,+6А.

где Ам = А3 = (А - Ьу) , Ьи = й[</ (-А3)~' б] , и„ =Я = У0.

Алгоритмические схемы системы управления с переменной структурой:

Г1

*М=АМ-

*« + УЖ

СПС

аЬй

Г1

ОУ

х=Ах+Ьи -

Рис. 7. Структурная схема системы с переменной структурой, построенная на основе управления и = а]Г|е, | + Р2]|/ | 5>ёп(Л)

Рис. 8. Структурная схема системы с переменной структурой, построенная на

П П

основе управления « = Ч'"еі + ]ГЧУ//

В результате исследований выявлено, что применение системы управления, основанной на системе с переменной структурой с явной эталонной моделью, позволило получить инвариантную к изменению параметров систему. Также использование в системе с переменной структурой явной эталонной модели значительно уменьшает время вывода замкнутой

системы на режим скольжения, следовательно в режиме скольжения система работает не завершающий этап переходного процесса, а большую часть переходного процесса.

Пятый раздел посвящен экспериментальной проверке рассмотренных законов управления на модели электропривода меньшей мощности. Функциональная блок-схема экспериментальной установки изображена на рисунке 9.

. Модуль ‘ реверсивного I транзисторного | преобразователя

Г

Модуль физической модели электропривода

1Ге

HR

HI

Л*

м |-| Модуль физической v 8 I. модели нагрузки £ ” Iі *

Величина

нагрузки

Компьютерный

модуль

Рис. 9. Функциональная блок-схема экспериментальной установки

Модуль физической модели электропривода представляет собой электромеханическую систему генератор-двигатель, мощностью на несколько порядков ниже экскаваторного электропривода.

Модуль физической модели нагрузки реализован в виде электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения, подключенного к генератору постоянного тока. Модуль создает заданную форму и величину нагрузки на валу, приближенную к реальной ситуации на основании сигнала поступающего с компьютерного блока. Также данный модуль позволяет реализовать режим жесткого стопорения.

Модуль физической модели электропривода соединен с модулем физической модели нагрузки через модуль упругого звена.

Силовая часть регулятора реализована в виде реверсивного транзисторного преобразователя, питающего обмотку возбуждения генератора.

Модуль микроконтроллера реализует закон управления координатами электропривода (и = i/0 sign(s)) на основании ассемблерной программы. Результатом обработки полученной информации являются два сигнала, находящихся в противофазе и коммутирующие силовые транзисторные ключи в модуле реверсивного транзисторного преобразователя. Для защиты от

возможности возникновения сквозного тока контроллер вносит некоторое запаздывание в момент открытия запертого ключа.

Через интерфейсную плату РС1-6023Е осуществляется регистрация координат объекта, а так же формирование цифрового кода команды управления, играющей роль задатчика скорости и направления вращения. Второй функцией этого модуля является формирование сигнала, обеспечивающего заданный режим изменения нагрузки.

Т.к. параметры экспериментальной установки и исследуемого объекта различны, то для проверки теоретических выкладок было произведено моделирование данной установки. Графики переходных процессов представлены в относительных единицах, в качестве базовых взяты номинальные значения координат. При моделировании время указано в секундах, а на графиках, построенных по экспериментальным данным в миллисекундах.

Сравнивая полученные данные, можно видеть, что в экспериментальных данных наблюдаются более сильные колебания токов возбуждения и якорной цепи, которые возможно вызваны большим запаздыванием переключений установки, чем при моделировании. Также при эксперименте ток якорной цепи и упругий момент имеют большие значения по сравнению с результатами моделирования, что объясняется наличием сухого трения в подшипниковом и щеточно-коллекторных узлах двигателя, не учтенными при моделировании. В целом результаты моделирования и эксперимента близки друг к другу. Таким образом, экспериментальные переходные процессы подтверждают результаты моделирования и теоретические рассуждения.

- /V-; ! / Ч : “1 ;

!/ \ \

Гу \ %гГ \\ о>2 ; ; : \ \ : : « ” '* 'у* - V + ■ \ , \ : . 1 \ * '

: : : » - • 1 - ; 1 'V \/ !

• : : * \ / \

; : ; ; -

й1 о: 0.3 04 0.5 Об 07 . 10. Переходные процессы моделирования пуска и реверса с активной нагрузкой 30% номинальной

/Команды у_|2_Ьаг1? 0 2 у^ю^Ьагв 1*57.08

V Л Ьз'|'ии.

V Н Ыкйч05?) ^ск1_гт4 УА№

СОМ

ПУСК ? Разбор переменных '<

Оп М V \

✓ »1

V а

$+ Цвет ы Отн. ед

Оп Метш

Г* I

Г-/ »*

.. IV • I л

Г I

•Му

Ось1

Ось?

»11

и13

Шс€*го 0Й8«$йЛ О

Рис. 11. Экспериментальные переходные процессы при пуске и реверсе с активной нагрузкой 30% номинальной

Заключение

В работе были рассмотрены различные варианты синтеза систем управления с использованием скользящих режимов для электропривода копающего механизма экскаватора, выполненного по системе генератор-двигатель и по системе управляемый преобразователь - двигатель. Применение скользящих режимов в управлении позволяет получить инвариантную к внешним возмущениям и изменению параметров систему и снизить максимальный бросок упругого момента при жестком стопорении.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Разработан способ синтеза комбинированных систем с переменной структурой для электропривода копающего механизма, заключающаяся в последовательной коррекции внутренних координат и синтезом СПС для выходной координаты (скорости). Это позволяет понизить порядок дифференциального уравнения, описывающего объект управления и упростить дальнейший синтез СПС.

2. Использование в управлении систем с переменной структурой позволяет более качественно производить отработку задающих воздействий по сравнению с системами подчиненного регулирования, применяемыми в экскаваторном электроприводе в настоящее время.

3. Применение СПС для регулирования второй массой в экскаваторном электроприводе при представлении в качестве фазового пространства ошибки

регулирования и ее производными крайне затруднительно, т. к. требует измерения производных до порядка системы (для Г-Д 5 порядка, для УП-Д 4 порядка). При этом на динамику значительное влияние начинает оказывать действие инерционности, присущее реальным дифференциаторам, что делает реализацию требуемых законов управление невозможным.

4. Рассмотрены способы формирования поверхности переключения на основе модального метода и минимизации квадратичного функционала. Выявлено, что наиболее удобен способ синтеза поверхности переключения на основе минимизации квадратичного функционала, т. к. наиболее ярко выражена зависимость м/у коэффициентами минимизируемого функционала и показателями качества переходного процесса, чем м/у расположением корней и показателями качества переходного процесс а.

5. Исследовано влияние коэффициентов критерия оптимальности на динамические характеристики электропривода системы Г-Д и УП-Д, даны и обоснованы рекомендации по их выбору.

6. Введение в систему с переменной структурой явной эталонной модели позволяет получить инвариантную к изменению параметров объекта систему и значительно уменьшает время выхода системы на режим скольжения, обладающим желаемыми свойствами, следовательно в данном режиме система работает не завершающий этап переходного процесса, а большую часть переходного процесса.

7. Наибольший эффект от применения систем с переменной структурой наблюдается в электроприводе управляемый преобразователь - двигатель, изначально обладающий большим быстродействием.

Список основных работ по теме диссертации

1. Кочетков, В.П. Теория автоматического управления: учеб. пособие по выполнению контрольной работы [текст] / В.П. Кочетков, А.В. Коловский. -Абакан: Сиб. федер. ун-т; ХТИ — филиал СФУ, 2008. - 80 с.

2. Кочетков, В.П. Оптимизация динамики электромеханической системы с помощью систем с переменной структурой [текст] / В.П. Кочетков, П.Э. Подборский, А.В. Коловский // Мехатроника, автоматизация, управление. -2009.-№10(103), С. 42-47.

3. Кочетков, В.П. Оптимизация динамики автоматизированного электропривода с разрывным управлением [текст] / В.П. Кочетков, А.В. Коловский // Вестник Сибирского аэрокосмического университета имени М.Ф. Решетнева. - 2011. - №4(37), С. 42- 47.

4. Кочетков, В.П. Применение системы с переменной структурой и явной эталонной модели для управления экскаваторным электроприводом [текст] / В.П. Кочетков, А.В. Коловский // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока.-2011. - №2, С. 250-253.

5. Пат. 99031 Российская федерация, МПК Е02Р 9/20. Устройство изменяемой структуры комбинированного управления электроприводом экскаватора [текст] / Кочетков В.П., Кочетков Д. А., Глушкин Е.Я., Коловский А.В., Рублевкий И.С.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО

«Сибирский федеральный университет». -№2010124157/03 ; заявл. 11.06.2010 ;опубл. 10.11.2010,Бюл.№31.-3 с.

6. Пат. 101718 Российская федерация, МПК Е02Р 9/20. Устройство комбинированного оптимального управления электроприводом экскаватора [текст] / Кочетков В.П., Кочетков Д.А., Глушкин Е.Я., Подборский П.Э., Коловский А.В., Рублевкий И.С., Лемытский А.Е. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». -№2010139552/03 ; заявл. 24.09.2010 ; опубл. 27.01.2010, Бюл. №3.-3 с.

7. Исследование прогнозирующего управления электротехническими системами ветровых электростанций [текст] / А.А. Колесников, Е.Я. Глушкин, А.В. Букатов, А.В. Коловский // Вести высших учебных заведений Черноземья.

- 2008. - №3(13), - С. 24-26.

8. Коловский, А.В. О выборе весовых коэффициентов при синтезе поверхности переключения в системе с переменной структурой / А.В. Коловский, Н.С. Дьяченко // Вестник Хакасского технического института

- филиала ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». — 2009. — №28. - С. 62-68.

9. Коловский, А.В. Синтез системы управления с переменной структурой электропривода постоянного тока с изменяемыми параметрами / А.В. Коловский // Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития: доклады Междунар. научн.-практ. конф. В 2 ч. Ч. 2 -г. Томск: Изд-во В-Спектр, 2007. - С. 43-46.

10.Кочетков, В.П. Автоматизированный экскаваторный электропривод с разрывным управлением и явной эталонной моделью [Текст] / В.П. Кочетков, А.В. Коловский // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-17-2011): доклады 17-й Междунар. научн. -практ. конф. - Томск: САН ВШ; В-Спектр, 2011. - С. 89-92.

И.Кочетков, В.П. Оптимизация динамики экскаваторного электропривода с системой управления переменной структуры / В.П. Кочеков, А.В. Коловский: труды V Междунар. (16 Всерос.) конф. по автоматизированному электроприводу АЭП-2007. - Санкт-Петербург, 2007. - С. 154-157.

12. Кочетков, В.П. Применение систем с переменной структурой для управления экскаваторным электроприводом / В.П. Кочетков, А.В. Коловский // Россия молодая: передовые технологии — в промышленность!: матер. Всерос. научн.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. -Кн. 3. - С. 72-76.

13.Кочетков, В.П. Управление электромеханической системой при помощи скользящих режимов / В.П. Кочетков, А.В. Коловский // Автоматизированный электропривод и промышленная электроника: Труды IV Всерос. научн.-практ. конф. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2010. - С. 76-83.

Подписано к печати 26.01.2012. Тираж 100 экз. Кол-во стр. 20. Заказ № 02-12 Бумага офсетная. Формат А-5. Печать ГИБ О Отпечатано в типографии ООО «РауШ мбх» Лицензия Серия ПД № 12-0092 от 03.05.2001г. 634034, г. Томск, ул. Усова 7, ком. 046 тел. (3822) 56-44-54

61 12-5/1700

Хакасский технический институт - филиал ФГАОУ ВПО «Сибирский

федеральный университет»

На правах рукописи

Коловский Алексей Владимирович

Синтез систем управления автоматизированным экскаваторным электроприводом с использованием скользящих режимов

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор В.П. Кочетков

Абакан-2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................5

1 Анализ объекта исследования.........................................................14

1.1 Экскаватор как объект автоматизации открытой добычи полезных ископаемых...............................................................................14

1.1.1 Электромеханическая система управления процессом экскавации.............................................................................15

1.1.2 Автоматизация технологических процессов экскавации............17

1.1.3 Экскаваторный электропривод как система автоматического регулирования скорости и момента..............................................19

1.2 Обзор результатов совершенствования силовой части систем управления.................................................................................23

1.3 Обзор методов теории автоматического управления, применяемых

в системах управления электроприводами.........................................27

1.4 Математическое описание объекта управления...............................35

1.5 Электропривод с классической системой подчиненного регулирования.............................................................................44

1.6 Выводы.................................................................................48

2. Синтез алгоритмов управления электроприводом копающих механизмов с использованием систем с переменной структурой...............49

2.1. Система управления с переменной структурой электропривода по системе генератор - двигатель........................................................49

2.2. . Система управления с переменной структурой электропривода по системе управляемый преобразователь - двигатель............................56

2.3. Комбинированные системы управления переменной структуры электроприводов с последовательной коррекцией внутренних координат..61

2.3.1 Система управления с переменной структурой с последовательной коррекцией питающего напряжения.....................61

2.3.2 Системы управления с переменной структурой электроприводов

с последовательной коррекцией питающего напряжения и тока якорной цепи............................................................... ...........65

2.4 Исследование динамики электропривода с системами переменной структурой.................................................................................72

2.5 Выводы.................................................................................80

3 Электропривод копающих механизмов с системой управления с переменной структурой..................................................................81

3.1 Математическое описание электропривода в режиме

Скольжения...............................................................................81

3.2 Синтез поверхности переключения исходя из желаемого расположения корней...................................................................85

3.3 Синтез оптимальной поверхности переключения для заданного квадратичного критерия................................................................89

3.4 Синтез закона управления, обеспечивающего устойчивый скользящий режим......................................................................91

3.5 Исследования динамики электропривода с рассмотренными законами управления....................................................................97

3.6 Выводы...............................................................................П6

4 Электропривод копающих механизмов с адаптивной системой с переменной структурой................................................................117

4.1 Постановка задачи.................................................................117

4.2 Выбор параметров эталонной модели.........................................121

4.3 Синтез закона управления, обеспечивающего устойчивый скользящий режим.....................................................................124

4.4 Исследования динамики электропривода с рассмотренными законами управления..................................................................129

4.5 Выводы..............................................................................131

5. Проверка результатов исследования на физической модели.................133

5.1 Описание блоков и модулей модели...........................................134

5.2. Экспериментальное исследование электропривода с системой

с переменной структурой.............................................................142

5.3 Выводы..............................................................................147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................148

Список использованных источников..................................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................167

ПРИЛОЖЕНИЕ Б.........................................................................168

ПРИЛОЖЕНИЕ В.........................................................................170

ПРИЛОЖЕНИЕ Г........................................................................171

ПРИЛОЖЕНИЕ Д........................................................................172

ПРИЛОЖЕНИЕ Е........................................................................173

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в России существует большой парк экскаваторов, среди которых карьерные экскаваторы функционируют в наиболее трудных условиях при разработке скальных пород и мерзлых грунтов.

Электропривод механизма копания карьерного экскаватора представляет собой сложную многомассовую систему и, следовательно, на его динамику большое влияние оказывают зазоры в передачах и действие упругих элементов. Также жесткость упругой связи и момент инерции исполнительного органа значительно меняются в процессе технологического цикла и зависят от геометрического положения исполнительного органа в пространстве.

Обеспечение требуемого качества управления технологическими процессами экскавации целиком возлагается на систему управления. Оптимизация управления технологическими процессами экскавации позволяет решить проблему увеличение эксплуатационной надежности, за счет снижения динамических нагрузок в упругих элементах.

В настоящее время в СНГ из всего разнообразия применяемых систем управления электроприводами главных механизмов экскаваторов наибольшее применение нашла так называемая унифицированная структура экскаваторного электропривода, разработанная В.И. Ключевым. По сути, эта система близка к классической системе подчиненного регулирования (СПР) с определенными модификациями, которые учитывают особенность экскаваторного электропривода. Но использование классической СПР, изначально разработанной для линейной одномассовой системы, не предназначено для

электропривода с упругими связями.

Таким образом, совершенствование методов синтеза управляющих устройств и способов управления автоматизированными электроприводами экскаваторов, основанных на адекватных этим системам теоретических исследованиях, является актуальной научной задачей. Решение выше сформу-

лированной научной задачи базируется на использовании результатов исследований ученых в области автоматизированного электропривода, теории автоматического управления и в нескольких смежных областях.

Вопросами теории и практики экскаваторного электропривода занимаются многие научно-исследовательские институты и промышленные предприятия: ОАО «Электропривод» (бывший ВНИИ «Электропривод»), ОАО «Электросила», ОАО «Рудоавтоматика», заводы Уралмаш, НовоКраматорский, Ижорский и др., а также кафедра АЭП МЭИ и другие научные школы вузов Москвы, Санкт-Петербурга, Екатеринбурга, Харькова,

Львова, Красноярска.

Существенный вклад в развитие теории и практики систем управления автоматизированного электропривода экскаваторов и других общепромышленных механизмов внес В.И. Ключев [26, 33-35]. Работы его научной школы Ю.А. Вуля, В.И. Яковлева, М.В. Терехова и др. посвящены как силовой части, (преобразователи постоянного и переменного тока), так и информационной части системы управления [16, 114, 116]. Итогом последних десятилетий научных исследований под его руководством явилось создание концепции модульного построения электропривода большинства известных сегодня структур на основе использования минимального числа унифицированных однотипных моноблоков. Технически данная концепция реализована в серии многофункциональных моноблочных тиристорных преобразователей ПТЭМ, применяемых для управления возбуждением генераторов [86, 87, 115].

Механическая часть экскаваторов подробно рассмотрена в работах Д.П. Волкова [13, 14], Л.С. Удута [104]. Особенности математического описания и моделирования электропривода экскаватора рассмотрены в работах В.И. Кочеткова и его учеников [30, 48-51, 96].

Системы управления, построенные по принципу подчиненного регулирования, получили наибольшее распространение на общепромышленных электроприводах [4, 6, 24, 58, 79, 110]. Для синтеза систем последовательной

коррекции немецким ученым Кесслером разработаны два метода: «симметричного оптимума» и «технического оптимума». Несомненным достоинством таких систем является простота настройки и реализации, как в аналоговом, так и в цифровом виде [36, 85, 95, 98, 103]. Недостатком используемых СПР является синтез только двух, трех контуров регулирования, что вынуждает рассматривать объект управления как одномассовый.

В области оптимального управления необходимо отметить в первую очередь работы JL Эйлера, Р. Беллмана [5], JI.C. Понтрягина [93], H.H. Кра-совского [69], составляющие основы математической теории оптимального управления, в которых изложены методы динамического программирования, вариационные методы, принцип максимума. Необходимо выделить работы по синтезу алгоритмов управления в соответствии с критерием аналитически конструируемого оптимального регулятора (АКОР): А.М. Летова [71, 72], A.A. Красовского [100], а также работы зарубежных авторов X. Квакернаака и Р. Сивана [29], Р. Калмана [28, 128]. Данные методы нашли широкое применение в основном для управления летательными аппаратами, а для совершенствования системы управления экскаваторного электропривода необходимо их развивитие.

Перспективным также выглядит подход, основанный на теории «Комбинированных оптимальных систем управления» [55-57], заключающийся в последовательной коррекции внутренних координат электропривода, когда регуляторы внутренних координат рассчитываются по методике «технического оптимума», а регуляторы внешних координат - на основе теории оптимальных систем (АКОР) [40, 88, 89].

В настоящее время активно развивается, и получил широкое распространение адаптивный подход [2, 3, 32, 73-77, 80, 82, 90, 121]. Его концепция связана с приспосабливанием управляемой системы к влиянию внешней среды для достижения желаемого поведения. Наиболее часто функционирование адаптивных систем происходит с использованием подстройки параметров устройства, реализующего закон управления. Основными методами адапта-

ции являются методы поисковой и беспоисковой адаптации, адаптации с эталонной и настраиваемой моделью.

Высокое качество динамических процессов может быть достигнуто при проектировании, если рассматривать синтез систем управления электропривода, используя теорию систем с переменной структурой, основоположником которой является академик C.B. Емельянов [102]. Его ученики В.И. Уткин, В.А. Таран, А.Е. Федотова, В.А. Костылева, A.M. Шубладзе,

B.Б. Езеров, E.H. Дубровский и др. внесли существенный вклад в развитие этой теории.

Дальнейшим развитием и обогащением теории систем с переменной структурой явились теория систем с разрывным управлением [105, 106, 108, 121] и теория бинарных систем и новых типов обратной связи [19-21]. Первая строится на использовании многомерного скользящего режима в пространстве состояний для решения поставленных задач управления, а вторая, базируется на принципе бинарности, т.е. двойственной природе сигналов в нелинейных динамических системах, что позволяет возложить синтез оператора стабилизирующей обратной связи на вспомогательную нелинейную систему.

Применению систем с переменной структурой посвящены работы

C.Е. Рывкина [97], A.B. Бушева [8-10] и других авторов. Использованию данной теории для экскаваторного электропривода посвящены работы В.П. Ко-четкова и его учеников [39-47, 53, 54, 59-62, 66, 68].

Цель работы: синтез и исследование систем управления с переменой структурой для электроприводов копающих механизмов экскаваторов, позволяющих повысить показатели качества динамических процессов.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- синтез комбинированной системы управления с переменной структурой электроприводом копающих механизмов экскаваторов посредством

последовательной коррекции внутренних координат электропривода и СПС внешних координат;

- оптимизация динамики экскаваторного электропривода с помощью организации скользящего режима, минимизирующего квадратичный критерий оптимальности;

- определение влияния весовых коэффициентов критерия оптимальности на динамику ЭМС;

- синтез системы управления с переменной структурой экскаваторным электроприводом с явной эталонной моделью и определение ее параметров;

- проверка эффективности разработанных систем и алгоритмов разрывного управления экскаваторным электроприводом при помощи структурного моделирования.

Методы исследований: дифференциального и интегрального исчислений, пространства состояния, для описания и анализа динамики ЭМС; модального управления и АКОР для синтеза поверхности переключения; теории систем с переменной структурой и функции Ляпунова для синтеза законов управления. Расчеты и компьютерное моделирование проводились с использованием программного пакета МАТЬАВ.

Научная новизна и научные результаты, выносимые на защиту:

- способ синтеза комбинированных систем управления с переменной структурой, заключающийся в последовательной коррекции внутренних координат (тока возбуждения или тока якорной цепи) и использованием теории систем с переменной структурой для регулирования внешними координатами электропривода;

- впервые для управления экскаваторным электроприводом применена система с переменной структурой, поверхность переключения которой выбрана таким образом, что движению по ней соответствует минимум квадратичного функционала;

- на основании анализа влияния весовых коэффициентов критерия оптимальности на динамику электропривода предложен способ выбора коэффициентов критерия оптимальности, заключающийся в разделении координат на группы с последующим выбором весовых коэффициентов для каждой группы с учетом максимально допустимого отношения весовых коэффициентов при каждой группе;

- экскаваторный электропривод с системой управления с переменной структурой с явной эталонной моделью и способ выбора ее параметров заключающийся в синтезе замкнутой следящей оптимальной системы при средних параметрах объекта управления, математическое описание которой и является эталонной моделью.

Достоверность полученных результатов работы определяется обоснованностью принятых допущений, удовлетворительным совпадением результатов модельного и физического экспериментов.

Практическая ценность результатов работы заключается в том, что используемые законы управления позволяют повысить качество отработки задающих воздействий электромеханическими системами в динамических режимах и снизить величину упругого момента в режиме жесткого стопоре-ния.

Использование результатов диссертации. Материалы диссертационной работы, касающиеся моделирования и синтеза систем управления с переменной структурой электроприводами, использованы на предприятиях: разрез «Нерюнгринский» филиал ОАО ХК «Якутуголь» и ООО «СУЭК-ХАКАССИЯ» разрез «Черногорский», а также в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов студентами кафедры «Электроэнергетика» Хакасского технического института - филиала ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы непосредственно докладывались и обсуждались на следующих конференциях: V Международной конференции по автоматизированному

электроприводу АЭП-2007. (г. Санкт - Петербург, 2007 г.), IV Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления опыт инновационного развития» (г. Томск, 2007 г.), XIV, XV Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов, и молодых ученых «Современная техника и технологи» (г. Томск, 2008, 2009 г.г.), XVII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-17-2011) (г. Томск, 2011 г), III, IV Всероссийских научно-практических конференциях «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях» (г. Новокузнецк, 2006, 2010 г.г.), VI Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (г. Новокузнецк, 2007 г.), Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука: начало XXI века» (г. Красноярск, 2008 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые тех