автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Ограничение динамических нагрузок копающих механизмов карьерного экскаватора

РГ6 од

О 3 ОЕ8 1337

На правах рукописи

КОЧЕТКОВ МАКСИМ ВЛАДИМИРОВИЧ

ОГРАНИЧЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК КОПАЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ КАРЬЕРНОГО ЭКСКАВАТОРА

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 1997

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Б.П.Соустин

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.И.Пантелеев

кандидат технических наук, доцент В.А.Забуга

Ведущая организация: АО "КАТЭКНИИуголь"

Защита диссертации состоится " 28 " февраля 1997 г. в час. мин. на заседании диссертационного совета Д 064.54.01 в Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, г.Красноярск, ул. Киренского, 26.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим высылать по адресу: 660074, г.Красноярск, ул. Киренского, 26, учёному секретарю диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Автореферат разослан "21" января 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор ' ^ В.Н.Тимофеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современном горнорудной и угледобывающей промышленности преобладает открытый способ добычи полезных ископаемых. Открытая добыча обеспечивается выемочно -погрузочными работами при помощи экскаваторов.

По данным КАТЭКНИИуголь, для разреза "Бородинский" машиной, имеющей наиболее низкие показатели надёжности, является экскаватор карьерный гусеничный ЭКГ-12,5, изготовленный заводом "Крастяжмаш". На одну такую машину в среднем приходится 77 отказов в год с длительностью простоя на устранение отказа в среднем 48 часов, что в полтора раза превышает показатели экскаватора ЭКГ-12,5 Ижорского машиностроительного завода. К наиболее длительным простоям привели отказы следующих элементов рабочего оборудования копающих механизмов: балка рукояти ковша, болты крепления седлового подшипника, канаты.

Одной из возможностей влияния на процесс эксплуатации машин является регулирование рабочих режимов копания. Наиболее опасным для копающих механизмов является режим внезапного сто-порения, при котором динамические броски усилий в упругих элементах копающих механизмов могут в 5-6 раз превышать допустимые расчётные стопорные значения.

Из факторов, являющихся причинами выхода из строя элементов рабочего оборудования копающих механизмов, на технологический, организационный, климатический приходится соответственно 10 %, 14 %, 18 %, а на машинный (технический) и человеко-машинный (личностный) факторы приходится соответственно 19 % и 40 %. Большой удельный вес аварии, обусловленный взаимодействием элементов системы человек-машина для карьерных экскаваторов, по сравнению с другими экскаваторами, связан с большей чувствительностью механической системы к ошибкам машиниста, что вызвано наличием жёсткой связи между механической и электрической составляющими электроприводов и необходимостью непрерывно управлять движением ковша.

Копающие механизмы экскаватора образуют многосвязную электромеханическую систему, в которой привода напора и подъёма взаимосвязаны через ковш. Для многосвязных объектов управления

характерны такие факторы, как обмен возмущениями между звеньями подобъектов, составляющих многосвязный объект управления, циркуляция и смешение сигналов подобъектов. Существующая для режима стопорения система ограничения динамических нагрузок экскаваторного электропривода не учитывает многосвязности копающих механизмов. Многосвязные системы автоматического регулирования описаны в основополагающих работах И.Н.Вознесенского, Г.В.Щипанова, М.В.Меерова, В.Т.Морозовского. Проблеме ограничения динамических нагрузок экскаваторного электропривода при помощи создания взаимосвязанных систем управления, т.е. систем управления, учитывающих многосвязность объекта управления, посвящены работы Л.Д.Певзнера, А.Е.Тропа, Ю.М.Иржака, В.П.Кочеткова, В.Н.Полузадова, Л.А.Антропова и других.

Таким образом, создание экскаваторного электропривода копающих механизмов, сочетающего высокую производительность с надёжным ограничением возникающих в режиме стопорения динамических нагрузок в механической части карьерного экскаватора при помощи автоматической адаптивной системы управления, является актуальным, что подтверждается проведением многочисленных конференций и симпозиумов, посвященных этим вопросам.

Цель работы. Провести аналитические исследования методов ограничения динамических нагрузок многосвязной электромеханической системы копающих механизмов карьерного экскаватора в режиме стопорения, определить условия уменьшения нагрузок одного электропривода за счёт другого и предложить технические решения для реализации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• определить показатели эффективности системы управления;

• разработать математическое описание многосвязной электромеханической системы копающих механизмов карьерного экскаватора для режима стопорения, учитывающее взаимовлияние приводов напора и подъёма;

• определить статические и динамические нагрузки в режиме стопорения при разработке алгоритма взаимосвязанного управления динамическими характеристиками;

• синтезировать корректирующие перекрёстные связи взаимосвязанной системы автоматического управления режимом стопорения;

• разработать методику определения передаточных функций разомкнутого контура адаптации подобъекта многосвязной электромеханической системы.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы теории автоматического регулирования, операторные и частотные методы представления дифференциальных уравнений, методы многосвязных систем и методы имитационного моделирования.

Научная новизна

1. Развито математическое описание многосвязной электромеханической системы копающих механизмов карьерного экскаватора как четырёхмассовой в режиме стопорения при учёте влияния забоя в функции параметров системы.

2. Предложен алгоритм управления электроприводами копающих механизмов, учитывающий взаимовлияние приводов, основанным на введении сигналов с одного электропривода на другой, и найдены передаточные функции корректирующих перекрёстных связей.

3. Определены статические нагрузки в механизмах с использованием проектных данных в качестве ограничений.

4. Составлена программа имитационного моделирования динамических процессов копающих механизмов в режиме стопорения.

5. Исследованы динамические нагрузки многосвязной электромеханической системы с учётом случайных возмущений.

6. Определены структура и параметры корректирующих перекрёстных связей, обеспечивающих ограничение и инвариантность динамических усилий в упругих элементах многосвязных электроприводов.

Практическая ценность

1. Определены показатели эффективности системы управления, позволяющие учесть влияние ограничения динамических нагрузок в режиме стопорения на увеличение межремонтного времени.

2. Разработана методика определения передаточных функций, обеспечивающих корректирующей перекрёстной связью заданные ограничения в динамике.

3. Предложена модернизированная электрическая схема взаимосвязанного управления снижения механических нагрузок в режиме стопорения экскаватора ЭКГ-12,5.

4. Введены корректирующие перекрёстные связи в систему управления режимом стопорения копающих механизмов, что уменьшает динамические броски усилия в упругом элементе на 10-20 % (уменьшение тем больше, чем больше величина динамической нагрузки).

5. Практически реализованы аналитические исследования на экскаваторе ЭКГ-12,5; показано расхождение расчётных и экспериментальных результатов, не превышающее 10-12 %.

Защищаемые тезисы

1. Развитое математическое описание многосвязной электромеханической системы копающих механизмов карьерного экскаватора позволяет учитывать влияние случайного фактора при имитационном моделировании и решать задачу определения алгоритма взаимосвязанного управления для режима стопорения.

2. Предложенные способы анализа динамических и статических нагрузок многосвязной электромеханической системы позволяют определить необходимые для алгоритма взаимосвязанного управления динамические характеристики.

3. Введение корректирующих перекрёстных связей в составе взаимосвязанной системы управления режимом стопорения в исходную систему управления режимом стопорения копающих механизмов увеличивает срок безремонтного обслуживания в 1,3 раза при уменьшении динамических нагрузок на 15 %.

4. Предложенная методика позволяет определить структуру и параметры корректирующих перекрёстных связей, обеспечивающих ограничение и инвариантность выходной координаты многосвязной электромеханической системы.

Реализация результатов работы. Разработанный пакет прикладных программ внедрён в научно-исследовательскую деятельность АО "Красноярскуголь" для моделирования многомассовых электромеханических систем копающих и поворотных механизмов различных типов экскаваторов; в учебный процесс кафедры ЭПП КГТУ для курсового и дипломного проектирования по дисциплине "Теория электропривода"; использован в договоре между ДАООТ "Красноярский

завод тяжёлых экскаваторов" и Минусинским электротехническим комплексом на производство тиристорного возбудителя для экскаваторов ЭКГ-12,5 с блоком снижения механических перегрузок.

Апробация работы. Положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на краевой научно-технической конференции "Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов электропотребления" (Красноярск, 1991), научно-технической конференции с международным участием "Проблемы техники и технологий XXI века" (Красноярск, 1994), межвузовской научно-методической конференции "Новые технологии обучения и реализация государственного образовательного стандарта" (Красноярск, 1995), VII, VIII Международных конференциях по электрическим машинам и электроприводам в Болгарии (Варна, 1993, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 статей и докладов, I авторское свидетельство на изобретение; 3 статьи находятся в печати. Основное содержание диссертации отражено в 6 статьях и докладах.

Структура и объём работы. Диссертационная работа представлена на 177 страницах машинописного текста, иллюстрируется 49 рисунками и 18 таблицами и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 98 наименований и 6 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, приведены цели и задачи исследований, выделены основные положения, имеющие новизну и практическую ценность.

В первой главе изложены требования к экскаваторному электроприводу в статических и динамических режимах работы, проанализированы условия формирования динамических характеристик. Проведён анализ устройств снижения динамических нагрузок, построенных по принципу подчинённого регулирования параметров, а также с применением оптимизационных методов. Показано, что использование положительных свойств этих систем управления возможно при построении системы разделения управления в зависимости от характера действующих возмущений. Предложено адаптировать параметры и структуру управления к изменению режима работы системы с учётом взаимовлияния приводов напора и подъёма друг на друга через ковш.

Проведён анализ и предложены методы исследований с учётом особенностей многосвязной ЭМС копающих механизмов.

Эффективность работы копающих механизмов в режиме сто-порения расчитана по формуле

eK(t) = anSNK{t)-aH-SHK{,t), (1)

где SNK(t) = (NK(t)-NK)'N(;) , SHK(t) = (HK(t) - Я J, Я<й) представляют собой взвешенную разность относительных значений мощности копания и интенсивности перегрузок; NK(t) , HK(i) - средние значения соответствующих (1) величин для временного отрезка рассматриваемого режима работы, их базовые значения; ан, ап в конечном

счёте зависят от времени простоя экскаватора.

На основании анализа показателей эффективности экскаватора показано, что для режима стопорения необходимо минимальное значение параметра SHK(t). Сформулированы задачи, решение которых необходимо для улучшения эффективности экскаватора за счёт модернизации системы управления.

Во второй главе предложено математическое описание многосвязной электромеханической системы (МЭМС) копающих механизмов карьерного экскаватора для режима стопорения, учитывающее взаимовлияние приводов напора и подъёма. Получены уравнения движения механической части МЭМС на основании уравнения Лагранжа второго рода.

Приведённые обобщённые силы системы, входящие в уравнение Лагранжа, определены в соответствии с принципом возможных перемещений в виде баланса мгновенных мощностей, при котором движение масс системы рассматривается в направлении, обусловленном раздельной работой приводов копающих механизмов (рис. 1):

Qvi = i + kf>d ~ (Fo\ + ¿-оЛ,Н/< sigrUo sin a cos a)~ + G0¡ -;

Л01 01

Q*2=(F)2 + кАд - (F02 + signX0sina cos(ob - a)) - - G02 —,

K02 K02

где F0I, F02 - сопротивления перемещению рабочего органа в направлении напора и подъёма; F F г - усилия в упругой связи передаточного механизма, приведенные к точкам ведущих звеньев замещающих механизмов или усилия в упругом элементе соответствующего приво-

да; А*,;, = . А, = . А,!, = , А2 = - относительные коэффи

циенты вязкого трения; С„, С„ - приведённые линейные коэффициенты жёсткости приводов напора и подъёма; /?н, /?„ - приведённые линейные коэффициенты вязкого трения приводов напора и подъёма; С,,,, С02 - приведённые коэффициенты жёсткости забоя (грунта) в направлении напора и подъёма; /?0|, /?02 - приведённые коэффициенты вязкого трения забоя (грунта) в направлении напора и подъёма; А-0| =г02,г43 , к01 = гд1/гзг - коэффициенты приведения в направлении напора и подъёма; г02, л01 - расстояния от мгновенного центра вращения соответственно напорного и подъёмного механизмов до режущей кромки ковша;

^01(^02) " приведённое в направлении напора (подъёма) усилие от веса рабочего оборудования механической лопаты; а0 - угол между направлениями перемещений рабочего органа; а - угол между результирующим перемещением рабочего органа экскаватора и перемещением рабочего органа в направлении напора; .*0- скорость результирующего перемещения рабочего органа экскаватора; ¡л - коэффициент, учитывающий трение материала о материал.

Рис.1. Расчётная схема для определения обобщённых сил;

х,, Л',, т,А, »122 - перемещения и массы ковша и рукояти, приведённые соответственно в направлении напора и подъёма

Влияние на систему забоя учтено как функция параметров МЭМС копающих механизмов (рис.2).

Рис.2. Структурная схема системы "копающие механизмы - забой" без учёта статических усилий

На рисунке: Р20,тн, тп - развиваемые усилия, сосредоточенные массы элемента системы двигатель-передаточный механизм соответствующих электроприводов; тп - составляющая массы ковша и рукояти, учитывающая взаимовлияние приводов; х01, х02, ш31, т32-перемещение и масса звена "забой", приведённые в направлении напора и подъёма.

Электрическая часть ЭМС копающих механизмов по системе генератор-двигатель с тиристорным возбудителем включает в себя трёхконтурную систему подчинённого регулирования параметров и рассмотрена при допущениях: 1) индуктивность определяется на линейном участке кривой намагничивания; 2) коэффициент усиления генератора рассматривается без учёта кривой намагничивания.

На примере копающих механизмов карьерного экскаватора ЭКГ-12,5 показаны особенности расчёта параметров математического описания электромеханической системы. Получены структурные схемы копающих механизмов для конкретных положений рукояти в забое и параметров забоя. /я.,, пц2 взяты равными соответ-

ственно Р)Л,Ру2, тп,т22. Приведены параметры постоянных коэффициентов математического описания для экскаватора ЭКГ-12,5 для наиболее вероятных положений рукояти в забое, а также наиболее вероятных результирующих перемещений рабочего органа.

В третьей главе проведён анализ статических и динамических нагрузок в режиме стопорения многосвязных копающих механизмов.

В ячейке снижения механических перегрузок (ЯСМП) или исходной системе управления косвенно измеряется усилие в упругой элементе в соответствующем приводе, предусматривается настройка уставочного стопорного значения усилия в упругом элементе. Отдельная ЯСМП предназначена как для привода напора, так и для привода подъёма.

Показано, что в режиме стопорения для показателя эффективности Нк{1) (1) привода напора Нкн(1) и привода подъёма Нкп(г) исходная система управления соответственно для приводов напора и подъёма обеспечивает:

Я„„(0 = (^,(0-^,,(<)))! ;

> /у, (О

/уо > р;2(1)

где ^.,(0 , ^(0 , ру, (0 , - текущие и расчётные стопорные зна-

чения усилий в упругих элементах соответствующих приводов.

Так как копающие механизмы многосвязны, то существуют соотношения:

/V, = (2)

Задачей при разработке алгоритма взаимосвязанного управления, дополняющего исходный алгоритм управления, является определение условий использования в выражениях для показателей эффективности разностей

(р>л (о - ср^т ■ (гу2 (о - <р- (о» (3)

в зависимости от (2). Для решения этой задачи на основании проектного расчёта Ижорского машиностроительного завода для элементов рабочего оборудования экскаватора ЭКГ-12,5 получены:

(4)

где 5 - значение нагрузки в элементе рабочего оборудования копающих механизмов, на который оказывают влияние как привод на-

пора, так и привод подъёма; Ри, Рп - соответственно статические значения усилий в упругих элементах приводов напора и подъёма; <р' , <р" - числовые значения для конкретных положений рукояти в забое.

На основании (4) определены зависимости (рис.З):

Р.=8'(Р. Ь Р„=8"(Р„), (5)

Причём значение нагрузки 5 в соотношениях (4) рассмотрено в элементе рабочего оборудования подкосе и равно = 74 т. Показатели надёжности ряда элементов рабочего оборудования изменяются почти пропорционально друг другу, поэтому их достаточно определить для одного элемента. Численное значение нагрузки в подкосе обосновано исходя из показателей надёжности проектного расчёта рабочего оборудования.

Полож. р рукояти

ГН>

V

шб

О

-X— II

140 • ^ - III 1201 ,

80 + -?

60 ——у —х-ж — х х

401 44---ь

20- +

—=—; .--

0 200 400 600

Рис.З. Графики зависимости усилий напора и подъёма

На основании анализа зависимостей (5) определена самая малая зона допустимых значений усилия в подкосе при различных положениях рукояти (рис.З), которая задаётся неравенством

0<^<тт{/,(Р„),/2(?„)}, (6)

где /х(Рп), /г(Ря) - зависимости для конкретных положений рабочего органа. Аналогично получено неравенство для Рп:

0<Р„<тт{Л(РД/2'(Рл)}. (7)

Для исследования динамических нагрузок копающих меха-

низмов карьерного экскаватора ЭКГ-12,5 на ЭВМ осуществлено имитационное моделирование, алгоритм которого состоит из следующих

операций.

1. Осуществляется численное моделирование электромеханической системы копающих механизмов для конкретных параметров.

1.1. Рассматривается десять наиболее вероятных положений рукояти в забое (изменяются соответствующим образом положения мгновенных центров напора и подъёма).

1.2. Рассматривается десять вариантов воздействия на ЭМС звена "забой"(изменяется угол между результирующим перемещением ковша и перемещением ковша в направлении напора).

2. Во всех полученных моделях задаётся одинаковый шаг интегрирования.

3. Во всех моделях задаётся одинаковый по времени момент начала стопорения 7]. Так как воздействие забоя на систему является функцией пути, то при изменении 7] изменяется характер воздействия забоя на систему. Величина выбирается на установившемся после пускового режима приводов участке временных характеристик электромеханической системы копающих механизмов.

4. Достигается соответствие имеющихся экспериментальных данных временных характеристик реальной системы копающих механизмов в режиме стопорения данным, полученным на модели по результатам имитации V, для конкретных положения рукояти в забое и параметров забоя за счёт изменения параметров жёсткости грунта С0|, С02 в направлении напора и подъёма.

5. Сравниваются V , полученные при условии использования С01, С02 п.4, со всеми имеющимися экспериментальными данными реальной системы.

6. Если V п.5 сопоставимы с экспериментальными данными реальной системы, то процесс имитационного моделирования считается законченным.

7. Если V п.5 не сопоставимы с экспериментальными данными реальной системы, то процесс имитационного моделирования повторяется с п.З.

Процесс имитационного моделирования основан на постанов-

ке и проверке по исходным экспериментальным данным и результатам промежуточных вычислительных экспериментов с моделями гипотез о характере и взаимосвязи свойств системы. В результате удалось добиться выполнения п.6.

На полученных динамических моделях проведён анализ динамических нагрузок путём оценивания коррелированное™ усилий в упругих элементах приводов напора и подъёма в режиме стопорения с использованием выражения для стационарных случайных процессов /,,(') и МО:

. г

= ~ |/Д0 /2,(Г-Г) Л, (8)

о

где = /и(1)-т/и(/21(1-т) = /2^-т)-т/2.) - центрированное

значение случайного процесса /ДО (/Д'-*)); т/и ('"/2 / мате" матическое ожидание случайного процесса /и (/,); Т - интервал

усреднения; т- временная задержка /и по отношению к /21 ; г - номер исследования. Чем меньше г , тем сильнее корреляция между

/ДО и /ДО-

Исходными величинами при оценивании коррелированное™ являются /ДО и /2,(0 > которые составили расчётные стопорные значения усилий Г)Л и Г 2. На заданном временном интервале стопорения Т определено время задержки г по формуле

Т = Т;,орГу2 ~ ТШрГуЛ . (9)

где Т Г)Л, Т г 2 - соответственно временные значения достижения усилиями ^ , и ^ 2 их расчётных стопорных значений.

В результате нахождения числовых значений т для всех моделей предложено упреждающее ограничение усилия в упругом элементе в рассматриваемом приводе производить сразу же, как усилие в упругом элементе другого привода превысило допустимое расчётное стопорное значение. В качестве ограничений в алгоритме использованы неравенства (6), (7). Для обеспечения в алгоритме управления неравенств (6), (7) необходимо непрерывно оценивать положение рукояти в

забое. Показано, что необходимость непрерывного оценивания положения рукояти отпадает (рис. 3) при использовании вместо (6), (7) следующих неравенств:

Рн>0,5-Р„»ор, Р„ > 0,9 • Рп 51ор, (10)

где Р„51ор=60т, Ря!Юр = 130 т - соответственно статические расчётные

стопорные значения усилий в упругих элементах приводов напора и подъёма.

Четвёртая глава посвящена определению передаточных функций корректирующих перекрёстных связей многосвязной системы автоматического регулирования. Введение в работу корректирующих перекрестных связей призвано минимизировать показатель экономической эффективности Нк{1), который представляется для приводов

напора и подъёма в режиме стопорения соответственно Нк„(0, Нкп(г).

В соответствии с алгоритмом управления динамическими характеристиками, которые обеспечивает алгоритм взаимосвязанного управления в составе алгоритма управления исходной системы управления, для показателей эффективности копающих механизмов справедливы две возможные системы уравнений:

г нш (г) = (гу10)-<рм (^, (г)))

/г,,(0>/г;,(0

^(0 = ^,(0-^(^,(0))! ; (П)

(Р„>0,9Р„!1пр)гл(Г)Л0>Г>т

С н кп (О = (0 - <рп {Руг (0)) I

р/2(о >

я,„(о = (^,(о-<р;лрУм) ■ (12)

(Л>0,5Р„яо/,)п(^,(/)>/-;2(/))

Система уравнений (II) соответствует случаю, когда производится упреждающее ограничение усилия в упругом элементе привода подъёма в момент, когда усилие в упругом элементе привода напора превысило расчётное стопорное значение; система уравнений (12) со-

ответствует случаю, когда производится упреждающее ограничение усилия в упругом элементе привода напора в момент, когда усилие в упругом элементе привода подъёма превысило расчётное стопорное значение.

Для обеспечения работы алгоритма, реализующего (11), (12), необходимо определить вид ^„(^.2(0) и (/■ ,(/)). Копающие механизмы состоят из приводов напора и подъёма, поэтому (рн{Руг(1)) для привода напора является корректирующей перекрёстной связью с привода подъёма и обозначена как ; <рп , (0) для привода подъёма является корректирующей перекрёстной связью с привода напора и обозначена кп .

Показано, что для минимизации показателя экономической эффективности НК(1) необходимо, чтобы к21 стремилась обеспечить инвариантность изменения от возмущений, действующих на

привод подъёма, а кп - инвариантность изменения ^.2(г) от возмущений, действующих на привод напора в режиме динамических нагрузок.

Вектор выходных координат (р (рис.4) замкнутой линеаризованной электромеханической системы представлен как

<р=Сх1+Счц, (13)

где , (7 - матрицы передаточных функций замкнутой ЭМС по

управляющему и возмущающему воздействиям; X, ц - матрицы управляющего и возмущающего воздействий соответственно.

Рис.4. Эквивалентная структурная схема МЭМС

Для нахождения передаточных функций корректирующих перекрёстных связей, составляющих матрицу К , матрица записана в виде:

в, = Н(Е-Щ), (14)

где Н - матрица передаточных функций объекта регулирования; Л, -матрица передаточных функций регуляторов, включающая в себя регуляторы корректирующих перекрёстных связей; Е - единичная матрица.

Выражение (14) справедливо, если для выражения (13) выполняется равенство

(15)

Такая запись верна при рассмотрении копающих механизмов карьерного экскаватора в режиме стопорения, когда влиянием управляющего воздействия Я обоснованно пренебрегаем.

В качестве вектора выходных координат <р для копающих механизмов рассмотрены усилия в упругих элементах приводов напора и подъёма Р л и Ру2. Для режима динамических нагрузок для обеспечения инвариантности усилия в упругом элементе привода напора Р)Х от

возмущающего воздействия, действующего на привод подъёма, матрица , в зависимости от К , записана в виде

К--

" 0 0"

=

Л. ' я 0 ^22.

(16)

где кг[ - передаточная функция корректирующей перекрёстной связи с

привода подъёма на привод напора.

Для режима динамических нагрузок для обеспечения инвариантности усилия в упругом элементе привода подъёма ^ 2 от возмущающего воздействия, действующего на привод напора, матрица , в зависимости от К , записана в виде

К =

"о Гс.. 0 "

= 11

0 0 ' ? ^22.

(17)

где А'|2- передаточная функция корректирующей перекрёстной связи с

привода напора на привод подъёма.

Задачей является нахождение вида корректирующих перекрёстных связей кп и Д:2| в зависимости от б .

Г

1,2

кГ, -

ь

Р.

К"

Р, л.

л

Рис.5. Структурные схемы МСАР с перекрёстной коррекцией: а - коррекция с первого канала управления на второй; б - коррекция со второго канала управления на первый

На рис.5,а приведена структурная схема двусвязной системы с коррекцией по регулируемой величине первого канала управления ср , на второй канал управления, найденная из условия (16). На рис.5,б представлена структурная схема с коррекцией по регулируемой величине второго канала управления <р 2 на первый канал управления,

найденная из условия (17). Выбор варианта заведения коррекции по регулируемой величине обусловлен тем, что предлагаемая система управления ориентирована на реализацию в составе ЯСМП, где реализовано косвенное измерение усилия в упругом элементе.

На рис.6 приведена структурная схема, соответствующая структурной схеме рис.5, где матрицы регулятора, объекта регулирования, обратной связи, коррекции для вариантов коррекции рис.5,а, рис.5,б:

IV.

р |

О

О IV,

/>2

,Н' =

IV

"о I

о

о

(К-

о

о

о о К о

О

О о

Для нахождения компенсирующих связей осуществлена операция приведения схемы, представленной на рис.6, к эквивалентной структурной схеме рис.4.

В общем виде определены передаточные функции компаундирующих связей: . ., Ь,

к2] - ■

IV.

Р2

к;'2 = -ь>2 IV ы

(18)

а

I

Рис.б. Структурная схема ВЭМС с коррекцией по регулируемой величине

Составлена структурная схема ЭМС копающих механизмов карьерного экскаватора при пренебрежении влияния противоЭДС. На

основании правил структурных преобразований и пренебрежения Т*

(некомпенсируемая постоянная времени в системе подчинённого регулирования) структурная схема рис.5 преобразована в структурную схему рис.6.

Определены параметры передаточных функций корректирующих перекрестных связей в соответствии с (18), которые представлены форсирующими звеньями второго порядка.

На динамических моделях исследовано введение корректирующих перекрёстных связей в исходную систему ограничения динамических нагрузок в режиме стопорения копающих механизмов карьерного экскаватора ЭКГ-12,5. При этом для корректирующих перекрёстных связей использованы пропорциональные регуляторы

исходной системы ограничения. Более точная реализация к"2, к2] не приводит к значительному улучшению показателя эффективности НК(1), что объяснено использованием при определении передаточных функций корректирующих перекрёстных связей линеаризованного математического описания, не учитывающего физические ограничения на управление. Результаты моделирования показали, что дополнительное введение корректирующих перекрёстных связей в систему управления режимом стопорения копающих механизмов карьерного экскаватора ЭКГ-12,5 уменьшает динамические броски усилия в упругом элементе на 10-20 %. Эффективность введения корректирующих

перекрёстных связей возрастает с увеличением динамических нагрузок.

В пятой главе приведена реализация результатов исследования.

Для расширения области применения подходов к решению задач, рассмотренных в третьей и четвёртой главах, предложена постановка задачи управления подобъектом многосвязной системы.

Многосвязный объект управления с вектором выходных координат (р представлен как совокупность подобъектов с выходными

координатами <р(1) на основании функционально-технического принципа. Особенностью многосвязного объекта управления является наличие коррелированности возмущающего воздействия <?„, (0, действующего на координату в одном подобъекте, с возмущением <7вл(г), действующим на координату в другом подобъекте. Корректирующая перекрёстная связь с одного подобъекта на другой будет являться для рассматриваемого подобъекта разомкнутым контуром адаптации.

Вектор выходных координат (р объекта управления МЭМС

(рис.4) представлен как (13). Для режима значительных динамических нагрузок справедливо выражение (15). Для компенсации возмущения в соответствующем подобъекте с соответствующей координатой (р,{1) вектора (р и возмущением де{1) вектора ц необходимо обратить в нуль функционал, характеризующий взаимную корреляцию:

'к

'о

Так как (/) коррелирован с <7„„(0> т° за счёт введения корректирующих компаундирующих перекрёстных связей с координаты п -го подобъекта возможно в какой-то степени компенсировать влияние возмущения в рассмотренном подобъекте, то есть за счёт введения разомкнутого контура адаптации необходимо обратить в нуль функционал

1к

(19)

'о

Такая постановка задачи полезна при организации упреж-

дающей стабилизации подобъекта многосвязной системы на основании априорно полученной информации относительно возмущений в других подобъектах. Априорная информация может быть получена на основании анализа статических и динамических нагрузок.

Для нахождения передаточных функций компаундирующих корректирующих перекрёстных связей матрица Ся рассмотрена в виде

(14). Если известно, что необходимо обеспечить в данный момент времени инвариантность выходной координаты первого подобъекта относительно возмущения во втором подобъекте, т.е. известен вид матрицы К корректирующих перекрёстных связей с одного подобъекта на другой, то матрица , в зависимости от К , в соответствии с (19)

и (14) принимает вид (16), (17).

В зависимости от задачи управления исследуемым объектом управления, предполагаемых технических условий реализации системы управления предложено выбрать необходимый вариант заведения корректирующего воздействия: а - по регулирующей координате; б - по управляющей координате; в - по регулируемой координате; г -по координате возмущающего воздействия ЭМС.

Определены передаточные функции корректирующих перекрёстных связей в соответствии с прямым методом нахождения корректирующих перекрёстных связей на примере электромеханической системы с двумя каналами регулирования для выбранного варианта координаты заведения корректирующего воздействия. Для всех вариантов осуществлена операция приведения к эквивалентной структурной схеме рис.4.

Передаточные функции корректирующих перекрёстных связей взаимосвязанной электромеханической системы с коррекцией по регулируемой величине найдены в четвёртой главе и имеют вид (18).

Аналогично определены передаточные функции корректирующих перекрёстных связей взаимосвязанной электромеханической системы с коррекцией по управляющей, регулирующей координатам, по координате возмущающего воздействия.

Показана возможность расширения применения методики определения передаточных функций разомкнутого контура адаптации подобъекта взаимосвязанной электромеханической системы при рассмотрении такого частного случая инвариантности системы к возму-

щающим воздействиям, как автономность, при синтезе компенсирующих перекрёстных связей.

Построена электрическая схема, реализующая алгоритм взаимосвязанного управления в составе ЯСМП. Электрическая схема дополнена, в частности, тремя операционными усилителями.

Заключение содержит краткое изложение результатов работы, которые состоят в следующем.

1. При рассмотрении режима стопорения для увеличения показателя эффективности за счёт системы адаптивного управления найдены условия обеспечения минимального значения интенсивности перегрузок.

2. Для разработки и исследования взаимосвязанной адаптивной автоматической системы предложено математическое описание для режима стопорения многосвязной электромеханической системы, которое учитывает взаимовлияние приводов напора и подъёма друг на друга и влияние забоя в функции параметров электромеханической системы.

3. Для анализа статических и динамических характеристик механизмов экскаватора использованы в качестве критериев ограничения данные, заложенные при проектировании элементов рабочего оборудования экскаваторов. Оценивание корреляционной функции случайных возмущений электроприводов позволили проанализировать весь спектр динамических нагрузок. Разработанный алгоритм управления динамическими характеристиками многосвязных механизмов в режиме стопорения построен на основании анализа статических и динамических нагрузок и обеспечивает заданные ограничения.

4. Показано, что время между процессами стопорения в приводах меньше времени реакции машиниста на порядок, что требует построения упреждающей системы ограничения усилия в упругом элементе одного привода относительно другого, где усилие в упругом элементе достигло бы стопорного значения, без участия машиниста.

5. Определены передаточные функции корректирующих перекрёстных связей с одного привода на другой из условия обеспечения инвариантности усилия в упругом элементе соответствующего привода.

6. Разработан алгоритм обеспечения перекрёстных связей для ко-

пающих механизмов в виде форсирующего звена второго порядка и предложена aro реализация с удовлетворительной для практики точностью.

7. Для разработки и исследования алгоритма управления динамическими характеристиками разработана программа имитационного моделирования копающих механизмов карьерного экскаватора.

8. Введены корректирующие перекрёстные связи в систему управления режимом стопорения копающих механизмов, что уменьшает динамические броски усилия в упругих элементах на 10-20 %, причём уменьшение тем больше, чем больше величина динамической нагрузки. По расчётным данным введение корректирующих перекрёстных связей в систему управления режимом стопорения копающих механизмов увеличивает срок безремонтного обслуживания в 1,3 раза при уменьшении динамических нагрузок на 15 %.

9. Разработана методика определения передаточной функции разомкнутого контура адаптации подобъекта многосвязной электромеханической системы.

10. Предложена модернизированная электрическая схема взаимосвязанного управления снижением механической перегрузки для экскаваторов ЭКГ-10, ЭКГ-12,5, ЭШ-20.90.

11. Практически реализованы аналитические исследования на экскаваторе ЭКГ-12,5, показано расхождение между теоретическими и экспериментальными данными, не превышающее 10-12 %.

Приложение 1 содержит исходные данные для анализа статических нагрузок, взятые из проектного расчёта элементов рабочего оборудования экскаватора карьерного ЭКГ-12,5.

Приложения 2, 3 представляют фрагменты расчёта параметров соответственно подъёмного и напорного механизмов ЭКГ-12,5.

Приложение 4 содержит описание принципа работы ячейки снижения механических перегрузок для экскаваторов ЭКГ-10 , ЭКГ-12,5, ЭШ-20.90.

В приложении 5 приводится программа расчёта динамических моделей копающих механизмов ЭКГ-12,5 в режиме стопорения.

Приложение 6 содержит акты внедрения.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах.

1. Кочетков М.В. Влияние дополнительного канала управления на динамику электромеханической системы // Оптимизация режимов работы систем электроприводов: Межвуз. сб. Красноярск, 1994. С. 116-122.

2. Кочетков М.В. Взаимосвязанная электромеханическая система копающих механизмов экскаватора // Проблемы техники и технологий XXI века: Тезисы докл. научно-технической конференции с международным участием. Красноярск, 1994. С. 27.

3. Kochetkov M. Method of determining the algorithm of controlling the mutually connected object in dynamic loads operation. In: Eighth international conference on electrical machines and drives "Elma '96". Varna. Bolgariya, 1996. Pp. 382-391.

4. Kochetkov M. Correcting cross connections for disturbance adaptive compensation of the mutually connected object. In: Eighth international conference on electrical machines and drives "Elma '96". Varna. Bolgariya, 1996. Pp. 402-408.

5. Кочетков М.В. Корректирующие перекрёстные связи для адаптивной компенсации возмущения взаимосвязанного объекта // Информатика и системы управления: Межвуз. сб. научных трудов. Красноярск, 1996. С. 9-13.

6. Кочетков М.В. Методика определения алгоритма управления взаимосвязанным объектом в режиме динамических нагрузок // Информатика и системы управления: Межвуз. сб. научных трудов. Красноярск, 1996. С. 49-55.

Подписано в печать 17.01.97 г. Усл. печ. л. 1. Формат 60 х 84 х 16. Бумага писчая №2 .Тираж 100 экз. Заказ №

Ротапринт КГТУ