автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Оптимизация работы одноковшовых экскаваторовдля открытых горных работ в периоды транспортных операций

РГ6 од

I з ти 1995

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Уральская государственная горно-геологическая академия

На правах рукописи

Бабенко Александр Григорьевич

Оптимизация работы одноковшовых экскаваторов для открытых горных работ в периоды транспортных операций

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

АВТОРЕФЕРАТ диссер тации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 1995

бота выполнена в Уральской государственной горногеологической акдемии

учный руководитель:

доктор технических наук, профессор Багаутинов Г.А.

учный консультант: кандидат технических наук, доцент Полузадов В.Н.

¡шциальные оппоненты:

доктор технических наук, Носырев М.Б.

кандидат технических наук, доцент Ишматов З.Ш.

:дущая организация - НИИТЯЖМАШ АО "Уралмащ"

Зашита состоится "¿3 " 1995 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 063.03.01 в Уральской государственной горно-геологической академии по адресу: 620219, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральской государственной горно-геологической академии

.втореферат разослан "¿2" 1995 г.

Ученый секретарь шссерпщионного совета

г""

Прокофьев Е.В.

ОБЩЛИ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В существующей экономической cinyau поддержание необходимого уровня рентабельности горного предпрнят связано с использованием высокоэффективных технологий и средс производства, к которым безусловно откосятся добычные и вскрыши комплексы, основу которых составляют экскаваторы.

Современные экскаваторы циклического действия для открытых горн; работ обладают высокими эксплуатационными характеристиками, которые используются в полной мере, т.к. экскаваторы комплектуются система] контроля и управления, не обеспечивающими машиниста всей необходим информацией о технологических и технических параметрах работы экскавато и не предусматривающими оптимального управления экскаватором изменяющихся горно-технологических условиях.

Одной из причин этого является отсутствие цифровых бортов информационно-управляющих комплексов (ИУК), реализующих функц контроля и управления на основе комплексного использования вс совокупности информации о технических и технологических переменны? параметрах экскаватора и процесса экскавации. Противоречие меж возросшими требованиями к системам контроля и управления экскаватор* существующими традиционными техническими решениями в этой области мол Омтъ разрешено путем использования новых алгоритмов и функций контрол управления и современной микропроцессорной техники, которые позволя реализовать известные, но ранее не применявшиеся из-за ограничен аналоговой техники, технические решения. Единое информационное алгоритмическое пространство ИУК позволяет наиболее эффективно решг задачи контроля и управления из-за органически присущей им взаимосвя проявляющейся в общности алгоритмов или составляющих этих алгоритмо] используемой информации. ИУК дает возможность реализовать новое качес эксплуатации экскаватора путем применения нетрадиционных, наукоемк алгоритмов обработки и использования информации, к которым относя-идентификация, прогнозирование, сложные измерения и многофакторн статистический анализ, фильтрация, оптимальное и адаптивное управлен мпогосьлзное регулирование и т.д. Такой подход к использованию информаи и созданию систем контроля и управления получил в мировой техническ литературе название развитого управления (advanced control).

Работа выполнена в соответствии с Тематическим планом НИР Госкомв' России на 1991...1995 гг.

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ является пространствсш; взаимосвязанная многомассовая упругая электромеханическая система (ЭК' главных приводов экскаватора циклического действия для открытых горн работе процессе выполнения транспортных операций.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в повышении эффективности использова! экскаваторов циклического действия путем создания адаптивных сист контроля и управления и алгоритмов, обеспечивающих многокритериальи оптимизацию движения многомассовой упругой ЭМС экскаватора в псрио транспортных операций по критериям минимума длительности движе! рабочего органа вне забоя, максимума обобщенного показателя эффективно! преобразования энергии и по степени устойчивости движения ЭМС главк приводов экскаватора и адаптацию оптимизированных по этим кригерк систем управления электроприводами экскаватора к горио-технологическ

условиям эксплуатации. '

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в использовании на борту экскаватора информационно-управляющего комплекса, осуществляющего с применением идеологии advanced control контроль технологических и технических параметров работы экскаватора, многокритериальную оптимизацию и адаптацию систем управления ЭМС взаимосвязанных главных приводов экскаватора в периоды выполнения транспортных операций.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Многокритериальное оптимальное управление пространственной многомассовой упругой ЭМС главных приводов экскаватора может быть реализовано только при применении цифровы., ИУК, обеспечивающих комплексное использование информации, характеризующей технологическое и техническое состояние экскаватора.

2. Эффективное использование экскаватора при выполнении транспортных операций достигается путем применения даухзонного управления, согласования движения главных приводов экскаватора во времени, их многокритериальной оптимизации по критериям максимума быстродействия и качества электромеханического преобразования энергии и адаптации систем управления к изменяющимся горно-технологическим условиям эксплуатации.

3. Для реализации движения электроприводов экскаватора по тахограммам, обеспечивающим многокритериальную оптимизацию, применимы типовые системы управления главными приводами с дополнительными контурами адаптации, которые осуществляют оптимизацию движения ЭМС по степени устойчивое™.

4. Для оптимального использования экскаватора как элемента технологического процесса по добыче и транспортированию полезного ископаемого необходима информация о массе экскавировалного грунта, получение которой возможно при применении адекватной модели объекта измерения, учитывающей особенности преобразования и передачи энергии в приводных двигателях и механической трансмиссии.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, выводов И РЕКОМЕНДАЦИИ подтверждается корректным использованием классических и современных методов решения задач оптимального управления, теории ав70матического управления и автоматизированного электропривода, а также сходимостью результатов теоретического анализа и математического моделирования с экспериментальными данными.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

Разработана математическая модель пространственной многомассовой ЭМС главных приводов экскаватора, отличающаяся от известных тем, что в ней учитывается взаимодействие приводов друг с другом через упругие связи в периоды транспортных операций и особенности Преобразования и передачи энергии.

Проведенная декомпозиция задачи управления экскаватора позволила выделить три уровня функционирования экскаватора, к которым применимы различные критерии оптимальности. На парвом уровне оптимизируется использование экскаватора как элемента технологического процесса, на втором минимизируется длительность транспортных операций и потери энерпш, на третьем осуществляется принудительное подавление колебаний в упругой мечаничесьий трансмиссии.

Ps >раоо I л/а структура системы многокритериальной ошимимцнл

электроприводов экскаватора циклического действия в периоды транспор ты операций, отличающаяся использованием зависимого двухзонного управлени и локальных адаптивных регуляторов.

Поставлена и решена задача синтеза системы управления с сигнально: адаптацией по эталонно-подслеживающей модели для главных электроприводе экскаватора, которая обсспечиваетоптимальную степень устойчивости движет ■ ЭМС в периоды транспортных операций, отличающаяся от известны безразрывным характером управляющего воздействия.

Разработаны структура и алгоритмы функционирования автоматическо системы измерения массы грунта перемещенного в ковше экскаватор; учитывающие особенности электромеханического преобразования и передач энергии в электроприводе. Предложена методика автомашзнрованно настройки системы взвешивания.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ИМЕЮТ:

- структура и алгоритмическое обеспечение системы многокритериально! оптимального управление электроприводами экскаватора в периоды выполнен! транспортных операций;

- алгоритмические модули и программное обеспечение для имиташюнног моделирования пространственной многомассовой упругой взанмосвязаннс ЭМС главных приводов экскаватора циклического действия в период транспортных операций, учитывающие специфику двухзонного управлени реакцию якоря, потери мощности, основные нелинейности в электрических механических элементах ЭМС;

- способ синтеза и алгоритм работы оптимального регулятора магнитно! потока для двухзонного зависимого управления электроприводом постоянно! тока, обеспечивающим максимальное быстродействие ЭМС при разгоне I скоростях выше номинальных;

- алгоритмическое и программное обеспечение для автоматической систем взвешивания массы экскавированного грунта, позволяющее получа: несмещенные оценки измеряемой величины.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты исследований представлены в удобной для практнческо] использования форме инженерных зависимостей, алгоритмических программных модулей.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные положения работы доложены на XI международной конференщ по автоматизации в горном деле 1САМС-92 (Россия, Екатеринбург 1992), на: Йсесоюзной научно-технической конференции по электроприводу экскаватор ».Свердловск 1989) и на семинаре "Микропроцессорные системы контроля управления экскаваторным приводом", подготовленным комитетом ] автоматизированному электроприводу СОП Союза НИО СССР (Свердлов 1590).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертационной работы опубликова 13 печатных работ из них 10 в соавторстве

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, пя ш гл; заключения, библиографического списка, вкгаочаюшего \М наименовании приложения. Содержание рабо ты изложено не странипох включая 3 гибли I и 30 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Использование информационных технологий на базе микропроцес-:орной техники в ИУК, позволило разработать более совершенные ¡исЛемы контроля и управления для одноковшовых экскаваторов.

Существующая тенденция использования стратегии advanced control при решении задач автоматизации экскаватора циклического №йствия делает задачу разработки основных алгоритмических элементов ИУК, к которым относятся задачи опти ильного и адаптивного /правления экскаваторными ЭМС, актуальной.

Общим для многих элементов, составляющих понятие advanced control, является использование математических моделей объектов. Нирокое их применение на этапе проектирования и при эксплуатации - характерная черта современного этапа развития теории и практики автоматического управления. Использование моделей позволяет интенсифицировать процесс внедрения более совершенных систем контроля и управления и улучшить их эксплуатационные характеристики. Все это требует создания точных имитационных моделей объектов управления.

При математическом описании пространственная упругая многомассовая взаимосвязанная ЭМС экскаватора циклического действия для ведения открытых горных работ представлена в виде двух взаимодействующих систем: механической и электрической.

Используемые в настоящее время модели механических систем экскаваторных ЭМС не полностью соответствуют современным требованиям, т.к. не учитывают динамические взаимосвязи главных механизмов экскаватора, что не позволяет.строить и исследовать с использованием этих моделей сложные алгоритмы управления, такие как согласованное, программное управление главными приводами экскаватора или позиционирование. Поэтому задача создания модели пространственной взаимосвязанной многомассовой упругой механической системы экскаватора требует своего решения. Создание такой модели актуально и для решения информационных и диагностических задач, таких как взвешивание массы грунта, определение ресурсов элементов механической трансмиссии и т. д.

Расчетная кинематическая схема, используемая для описания механической подсистемы экскаватора, представлена на рис.1. В качестве обобщенных координат механической подсистемы использованы: (!п. Чц. Чв ~ поворота выходных валов редукторов подъема, напора и поворота, р, 1. ф - вылет рукояти, длина подъемного каната и угол поворота платформы.

Получено описание механической системы , в периоды транспортных операций в виде уравнений Лагранжа

(1)

где q - вектор обобщенных координат, q=[qпЛ,q„.p,qв.ф]т. •т - операция транспонирования; 0 - вектор, характеризующий управляющие и возмущающие воздействия.

Неучет основных нелиней-ностей магнитных цепей электрических машин, потерь энергии и реакции якоря для некомпенсированных электрических машин не позволяет использовать существующие модели электромеханических преобразователей энергии ЭМС при разработке информационных систем и систем управления.

Разработана модель ЭМС, учитывающая возможность двухзонного зависимого управления, нелинейности в цепях управления, магнитнш системах электрических машин, механической трансмиссии, потери энергии в двигателе,; реакцию якоря. Модель нормализована на основе базовых величин - номинальные значения тока якорной цепи 1ан, магнитного потока Фн, угловой скорости вращения якоря мн, тока возбуждения 1ВН двигателя.

РисИ.Кинвматическая схема

нитногд момента Мэ

и мощности Рэ

механическая постоянна?

горизонтальной рукояти (напорном канате) и вертикальном подъемнот канате.

хи)'= А(ХЛ) х(г> + в(хд) щи + с(хд)Ш), . (2: где А(х, г), В(х,t), С(х,1) - матрицы состояния, управления и воз мущения; х(и), и(й), Ш) - векторы состояния, управления и воз мущения ЭМС. х=[врИ1.вВ1.ДгМа.ш1.ДХ1г.ы2,армиДБдЛвд11 и=[1„3,0,0.0,0.0.0,фвэ,0,0]т; Г=[0, 0, 0, 0,/1с1, 0,/1с2, 0, О, 0}т, ГД

ни-

дрин - интегральные составляющие выходных сигналов ПИ-регу

3

ляторов якорного тока и магнитного потока; Авг, кение возбуждения двигателя; и,, и.

напря

и ток возбуждения двигателя; ш

генератора, ЭДС генератора и ЭДС возбужден« 1ва - задание, текущее значение якорного ток ш2 - скорости сосредоточеянь

масс; А\1г - деформация в механической трансмиссии;' цс1,- дс2 -моменты сопротивления; <рвз - задание магнитного потока.

Разработана структурная схема ИУК. в которой можно выделить три уровня: I уровень - управление карьерным экскаватором как технологической единицей или элементом технологического процесса; II уровень - управление карьерным экскаватором как технической единицей и его адаптацию к горно-технологическим условиям эксплуатации; III уровень - оптимальное управление фазовыми координатами ЭМС главных приводов экскаватора. •

На 1-ом уровне управления определяются начальные (х„) и конечные (хк) состояния взаимосвязанной системы главных приводов экскаватора при транспортных перемещений ковша экскаватора.

На Ii-ом уровне проводится оптимизация критичного по скорости привода (лимитирующего) по критерию максимального быстродействия. что позволяет минимизировать длительность (Тпп)' переходного процесса, приводящего' ЭМС из начального состояние х„ в конечное

т

J\ = пп/ dt = Т„п - min (3)

Также осуществляется оптимизация нелимитирующих приводов по критерию максимума обобщенного'показателя энергетической эффективности преобразования энергии в силовых каналах электроприводов (Н)

JH2 = Тд/ Hdt =tToP/(W/(W + ZW) )dt max. tip = Тпп . (4)

для заданного перемещения (х0-хк) и длительности транспортирования (tTp), где W, ZAW -.энергия обмена между соседними элементами силового канала и суммарные потери энергии в элементах канала.

На решения задач оптимизации 11-го уровня наложены общие ограничения Hä координаты главных приводов экскаватора/ управляющие воздействия и вспомогательные функиионалы

с < етах, ш < ш^*, каз.экв<1, Кв3.экв<1. Дтах>ю%. (5) где е. стах, и, шшах - текущие и максимально допустимые значения скоростей и ускорений движения ЭМС; ka3.3kB- квзэкв, дшах ~ эквивалентные коэффициенты тепловой загрузки якорных цепей и цепей возбуждения, длительное коммутационное нарушение двигателя.

После идентификации на 1-ом уровне технологических состояний и прогнозирования технологических перемещений на Ii-ом уровне управления определяется лимитирующий привод, находится продолжительность перемещения нелимитирующего привода и путем изменения уставки стопорного тока (1ст.трЬ сигналов задания скорости

(°>тр.тах) И магнитного потока (Фтр.тах, Фтр.тш) ФОРМИРУЮТСЯ ОП тимальные тахограммы движения главных приводов экскаватора, обеспечивающие их согласованное движение и оптимизацию лимитирующеп привода по критерию (3) и нелимитирующего привода по критерию (4 с учетом наложенных ограничений (5) [1-3]. Расчетная тахограмм; движения главных приводов экскаватора при управлении П-го уров ня, приведенная на рис. 2, делится на несколько зон: первая и чет вертая характеризуются максимальным магнитным потоком: вторая • работой оптимального регулятора магнитного потока; третья - минимальным магнитным потоком.

Проведенные на статической математической модели "экскавато] - горно-технологические условия" испытания системы управлени: П-го уровня показали, что время отработки забоя сокращается н; 3+9% в зависимости от принятой схемы отработки забоя. При это| обобщенный показатель электромеханического преобразования энерги! в силовом канале для нелимитирующего привода увеличивается н/

14+18%, а для лимитирующего привода на 6+8% и может достигав 68.0%, кснтрол руются и не допус каются критические значения дли тельных коммутационных нарушений максимально используются возможности электроприводов за счет под держания коэффициента их тешюво! загрузки на уровне, близком к пре дельно допустимому.

Движение ЭНС по расчетным та хограммам обеспечивает оптимальны регулятор магнитного потока, сос тоящий из задатчика и ПИ-регулято ра. Цель оптимального управлени. магнитным потоком двигателя в отк штой области, т. е. ■ при отсутствий ограничений на управляйте воздействие;(Фтр_тах<Ф<Фтрт1п), заключается в разгоне привода о скорости (опор до штр гаах за минимальное время, чему при монотонн возрастающей функции шЦ), соответствует требование макоимальн возможного ускорении в каждый момент времени с1ш/сИ -> шах.

Получена статическая характеристика задатчика магнитного по ■ тока ;

- • ■ Ф = а3/ш2 - а2/ш(4"р) - а^"1 + а0: (6

где а0 •(М,

коэффициент определяемый из

^Рмех.нЧГМЕЛТс; а2 =Др,

магн . HE2/J0)H •

начальных условии; &н3с3; а3=1аЕ2/1с; 3 - момент инерции электропривода. Дрмаги.н. дРмех.н ~ магнитные и механические потери в номинальном режиме! р - коэффициент, Мстат ~ момент статического сопротивления, с - конструктивная постоянная. На рис.3.а представлена тахограмма разгона привода поворота экскаватора ЭШ20.90 при использовании оптимального регулятора магнитного потока без адаптивного устройства.« ••

Таким образом, оптимальное управление Н-го уровня заключается в определении параметров оптимальных или эталонных тахограмм движения главных приводов экскаватора (хм(Ш.

Естественным критерием качества для Ш-го уровня управления становится точность воспроизведения оптимальных тахограмм движения главных приводов, обеспечивающих оптимальное по быстродействию и минимуму энергетических затрат движение экскаваторных приводов. Поэтому в качестве задачи оптимального управления Ш-го уровня используется задача о максимальной точности воспроизведения реальным (х(Ш движением эталонного (кэ(с)), параметры которого были определены на П-ом уровне оптимального управления Т

o/erPedt - min.

где е - вектор, характеризующий рассогласование реального и эталонного движения, e(t)=

1 2

1 ' | Ii Yv ' /

/ '/ч / "'/ 1 / г | ! I ........ \ 7 ч6 \

¡/J ] Я/3'4; \ \ ч

а) лп

О)

он

t я

Рис.3 Тахограммы разгона привода 1,2 - эталонные ускор-.лия и скорость, 3,4 - скорости первой и ыорой масс, 5,6 - моменты двигателя и в упругом звене, 7 -якорный ток

Р - матрица специального вида.

Для удобства анализа и синтеза системы управления Ш-го уровня математическое описание (1), составленное для неподвижной системы координат, представлено в виде двух подсистем - с переменными р. <р, 1, описывающих "жесткое1;, движение ЭНС в абсолютной системе координат, и переменными =<рп-1, Чуг^н'Р- Чуз'Фв- <Р-характеризующих "упругое" движение ЭМС,

Ау А, г X Чу + ' Ry Hl 2

Аг, К q, R-м

Пу

ч*

Су С! 2 С21 с„

X

q»

I

- и -

- Шу„. Мув, Мув, О, о, О]1 + [О, 0, 0. Мвп. М»и> мвв]т. (8) Матрицы Ау, 1?у, Су и Аж, 1?ж, Сж описывают упругую и жесткую системы. матрицы А!2, Аг1. й12. !гг1. С12 и Сг1 характеризуют взаимовлияние жесткого и упругого движения друг на друга, переменные представлены в виде блочного вектора [ЧЖ,ЧУ]Т с подвекторами С1»ч>,р]т, Из общего описания движения меха-

нической системы (7) выделено уравнение, описывающее упругие деформации АуЯу+!1уЯу+Суау+А,гЧж+1112Чж+С12Чя = [Муп.Мун.Мув.0,0.0]т. Уравнения возмущенного движения ЭМС получены относительно состояния равновесия при замене переменной qy на При этом возмущенное движение упругой ЭМС относительно состояния равновесия, которому удовлетворяет уравнение статики С^/ + С12Чж' = = [Му„,,Мун\Мув*,0.0,0]т, рДе MV.MV.MV - уравновешивающие _моменты, с учетом вводимых переменных МУП=МУП-МУП". МУН=МУН-МУН*, МУ0=МУВ-МУВ*. описано уравнением_ _ _

АД + Яу^ + СД, = [Муп, Мун. Мув, О, О, 0]т, (9) При дгбавлении к уравнению (9) уравнения моментов и движения масс получена система уравнений, которая описывает движение трех несвязанных двухмассовых упругих электромеханических объектов с системами управления, построенными по принципу подчиненного регулирования,. • и соответствует для каждой ЭМС при ее приведении к нормализованной форме модели вида (2).

Проведенная декомпозиция математического описания взаимосвязанной пространственной многомассовой упругой ЭМС, на уравнения упругого и жесткого движения, позволяет уточнить задачи управления этими движениями, снизить размерность задач, рассматривать движения упругой и жесткой подсистем как практически невзаимосвязанные и решать задачи управления этими подсистемами независимо, обеспечивая реализацию оптимального управления 11-го уровня.

К задачам управления жестким движением относятся следующие: формирование оптимальных тахограмм движения; поддержание устойчивости движения, обеспечение требуемого качества собственной динамики степеней подвижности взаимосвязанной ЭМС; подавление взаимовлияния кинематических звеньев механической системы друг на друга. Методы подчиненного регулирования позволяют решить задачу формирования тахограмм, но не обеспечивают парирование динамического взаимовлияния приводов. На основе частичного решения задачи управления жестким движением (формирования тахограмм переходных процессов) можно определить задачу управления упругой механической системой в периоды выполнения транспортных операций как по-

давление упругих колебаний, вызванных собственной динамикой и возмущающими воздействиями. При этом критерий оптимальности (7) можно трактовать как требование о минимизации отклонений упругой системы от жесткого движения ЭМС, что соответствует задаче принудительного подавления упругих колебаний. Для решения этой задачи предложено использовать метод сигнальной адаптации [4,5].

Уравнение динамики адаптивной системы управления с учетом (2) представлено в виде

х = (At + a(x,U)x + (Bt + b(x,t,))u + Gtf, (10)

где At, Bt, Gt - матрицы состояния, управления и возмущения, характеризующие нестационарность объекта управления; а(хД). Ь(хД) - матрицы состояния и управления, характеризующие нелинейность объекта управления; х, 'f. и - векторы состояния, возмущения и управления ЭМС, u = g + z ; g - вектор задания всей системы адаптивного управления; z - вектор, характеризующий сигнальные адаптивные воздействия.

Эталонное или оптимальное движение ЭМС главных приводов экскаватора циклического действия, полученное при оптимизации на 11-ом уровне управления, может быть описано, уравнением

x„(t) = А„(х, t)xH(t) + В„(х. t)g(t). (И)

где А„(х, t), Вн(х,t) - матрицы состояния и управления эталон-но-подслеживающей модели (ЭПМ) x„(t), g(t)- - векторы состояния и управления ЭМС, хм=[1зм,шм]т; g=Ua3M,0]т; iaM, - эталонные ускорение и скорость; ia3M - выход эталонного регулдтора скорости.

Уравнение рассогласования, описывающее динамику системы адаптивного управления с ЭПМ, с учетом вводимых обозначений i|) = Г+а(хД)х+Ь(хД)и, Да = (At-AMt), Д„ = (Bt-BMt)' имеет вид

ê = AMtx + Btz + Дах + Abg + ц) , . (12)

где e - вектор текущей ошибки адаптации, е = х - хи.

' Задача синтеза адаптивного устройства заключается в нахождении алгоритма вычисления адаптационного сигнального' воздействия z, обеспечивающего асимптотическую устойчивость движения упругой системы около жесткого движения. Для этого используется второй метод Ляпунова (функция Ляпунова V = етРе). Для обеспечения асимптотической устойчивости необходимо выполнит условие àV/dt<0.

Производная функции Ляпунова с учетом (12) записана в виде ' dV/dt = eTu\MtTP + PAMt)e + 2(етРДах + eTPAbg + eTPBtz + eTPi|)). где P - решение матричного уравнения, AMtTP + PAMt = - Q; Q - положительно определенная диагональная матрица.

Предложен алгоритм вычисления сигнального адаптационного воздействия

z = - Be"1 (Р"4е + Лах + Abg + i|i). (13)

отличающийся* от известных безразрывным характером, что позволяет аналитическими методами оптимизировать его параметры путем целенаправленного подбора элементов матрицы Р. Предложено для решения задачи принудительного подавления упругих колебаний осуществлять оптимизацию выбора элементов матрицы Р на основе минимаксного критерия, определяющего степень устойчивости, следующего вида

J3P = - min max Re(P)> , (14)

где Re(Jij (P)) - действительная часть корней характеристического полинома системы; Р - совокупность параметров закона управления. Минимаксный критерий оптимизации вида (14) для ЭМС можно трактовать как обеспечение' наибольшего быстродействия при наименьшей степени колебательности из возможных в данной системе управления.

Использование критерия (14) при оптимизации системы'адаптив-ного управления позволяет получать переходные процессы с задаваемыми показателями колебательности и оптимизировать параметры закона управления Р в рамках разработанной структуры адаптивного регулятора (13) при использовании редуцированных век*горов ошибки и состояния. Параметры адаптивного устройства, определяемые при его оптимизации для линейной ЭМС по критерию (14) требуют подстройки в условиях функционирования реальной ЭМС.

В основу редуцированного вектора состояния, используемого при расчете сигнала рассогласования (е). положены доступные измерению скорости главных приводов экскаватора, их первые производные и перемещения.

Основными дефектами ЭМС главных приводов экскаваторов, влияние которых на характеристики переходных процессов должен подавить адаптивный регулятор, являются: нестационарность параметров ЭМС из-за технологических движений, эксплуатационного изменения свойств электрической и механической частей привода и управляемого изменения параметров стандартных управляющих устройств и характеристик электромеханического преобразования энергии; значл-тельная нелинейность экскаваторного привода; склонность к возникновении колебаний при зависимом двухзонном управлении скоростью; взаимовлияние кинематических звеньев.

Цель» вычислительных экспериментов, проведенных на икнглщ!-окных мсцелях главных приводов экскаваторов. йвлялл* • ::с«»ка боеспособности синтезированной локальной здиптиниои c,u.;г-:„i уп~ рдадаия-11.1-rq уровня при оптимальном управлении И-го ;.vct.:£* ¡:

влиянии выше перечисленных факторов. В транспортных режимах исследованы привод поворота экскаватора ЭКГ-5А и подъема экскаватора ЭШ20.90, которые относятся к различным типам из-за величины коэффициента соотношения масс, различных параметров упругих звеньев и характера нагружения. Кроме этого, маломощные приводные двигателя ЭКГ-5А являются некомпенсированными электрическими машинами, а электродвигатели главных приводов ЭШ20.90 - компенсированы.

Неудовлетворительный характер переходных процессов при двух-зонном зависимом управлении в системе без адаптивного устройства (рис.3.а) объясним сильнейшим возмущающим воздействием, которым является изменение велйчйнн магнитного потока двигателя от 0.5 до 1.2-ФН0М. Разность значений ЭДС генератора и двигателя определяет якорный ток, который не соответствует заданному и не может быть скомпенсирован системой управления. Одновременное изменение сигналов задания скорости и магнитного потока Двигателя в моменты начала ускоренного движения приводит к недопустимо высокому темпу изменения якорного тока (до 40-1ном/с), большому максимальному отклонению тока (до 5-1ном) и колебательному переходному процессу (затуханием менее 0.7). Высокая колебательность систем управления без адаптивного устройства (АУ) объясняется также образованием в приводе с зависимым двухзонным управлением перекрестных обратных связей, а у некомпенсированных двигателей положительной обратной связи по каналу "ток якорной цепи - магнитный поток ■ возбуждения двигателя - противоЭДС двигателя".

Анализ■экспериментальных данных псЖазал высокую эффективность использования локальных систем управления с сигнальной адаптацией и эталонно-подслеживающей моделью в периоды выполнения транспортных операций (на рир.З.б показана -тахо'грамма разгона привода с адаптивной системой управления). Адаптивная . система, реализующая закон управления (13), обеспечивают движение ЭМС по тахограммам максимально приближенным к оптимальным, определенным на П-ом уровне управления. При этом осуществляется поддержание стабильной динамики электропривода с расчетным временем переходных процессов, приемлемым темпом изменения якорного тока (не более 5'1ном/с), допустимым уровнем максимального динамического отклонения (1.2-1ст), без перерегулирования по скорости и с незначительным перерегулированием по току (до 20%). Кроме этого, снижается чувствительность ЭМС к влиянию статической нагрузки в режиме стабилизации частоты вращения и к изменению моментов сопротивления в транспортных режимах. Таким образом, в 10...15 раз повышается статическая жесткостк механической характеристики.

Система управления становится инвариантной к технологическому, эксплуатационному и управляемому изменению параметров управляющих устройств и силовых элементов ЭМС. Кроме этого существенные нелинейности типа "люфт" и "насыщение" в механической трансмиссии, электрических цепях и магнитных системах электрических машин не оказывают заметного влияния на параметры движения ЭМС экскаватора £43. Важным свойством является автоматическое формирование адаптивной системой управления участков плавного выбора зазоров без дополнительных управляющих устройств.

На рис.4 изображена функциональная структура многоуровневой многокритериальной системы оптимального управления главным приводом экцкаватора,' построенная на основе системы .управления с двух-зонным зависимым регулированием скорости. Оптимальные управляющие воздействия П-го уровня '(максимальная скорость, стопорный ток режима транспортирования (Ытр.тах-^ст.тр) и значения магнитного потока при разгоне, торможении и в установившемся режиме Фртр, Фттр. Футр), вычисляются после определения лимитирующего привода

Рис.4 Функциональная структура оптимальной системы управления ЭС - экспертная система, ИИС - информационно-измерительная подсистема; КАП - командоаппарат. ПУ - промежуточный усилитель, НЭ - нелинейный элемент, РС - регулятор скорости, РТЯ * регулятор тока

яюрной цепи; УПН - управляемый преобразователь напряжения якоря, Д * двигатель, ДТЯ - датчик тока якорной цели, ДП - датчик перемещения, ДС - датчик скорости, ЗМП - уадатчик магнитного потока, РМП -регулятор ыагмитноголотока, УЛВ - управляемый преобразователь напряжения возбуждения, ОВД -обмотка независимого возбуждения двигателя, ДТВ - датчик тока возбуждения двигатели

б модулях оптимизации лимитирующего привода по быстродействию и делимитирующего привода - по качеству преобразования энергии и корректируются в соответствии с текущим значением параметров теп-

ловой загрузки и качества коммутации. Работа управляющей части 11-го уровня информационно-управляющего комплекса предусмотрена только в периоды выполнения транспортных операций в полноценных циклах экскавации. При выполнении прочих технологических операций или в случае возникновения аварийных ситуаций дополнительные контура адаптивного и оптимального управления 11-го уровня отключаются, оставляя в распоряжения машиниста стандартную систему подчиненного регулирования координат. Дополнительным, условием включения контуров управления 'П-го уровня являются максимальные управляющие сигналы, которым соответствуют крайние положения коман-доаппарата.

Средства оптимального управления II1-го уровня состоят из ЭПМ, параметры которой модифицируются в темпе изменений параметров ЭМС привода экскаватора, и адаптивного устройства, осуществляющего расчет сигнального воздействия 1 на основе информации об оценках отклонений параметров ЭПМ и ЭМС и их текущих координатах. Работа управляющей части Ш-го уровня для 'механизмов з транспортных режимах является постоянной, что позволяет подавлять упругие колебания ЭМС экскаваторных приводов при любых перемещениях рабочего оборудования, не находящегося в контакте с забоем.

На уровне организации управления экскаватором как технологической единицей происходит частичное разделение функций между ИУК структурного подразделения горного предприятия и ИУК экскаватора, который осуществляет функции контроля технико-экономических показателей работы, определения основных те;шологических состояний и технических параметров экскаватора. Информационная подсистема ИУК экскаватора включает в себя информационно-измерительный комплекс [6-8], экспертную систему реального времени [9],-- модули косвенной оценки тепловой загрузки якорных цепей и цепей • возбуждения электроприводов. [10], • контроля качества коммутации электродвигателей [11] и контроля энергетических режимов работы главных электроприводов [12]. На 1-ом уровне организации и оптимизации управления экскаватором циклического действия как технологической единицей или как элемента технологического процесса по добыче и транспортировке полезного ископаемого важна оперативная информация о некоторых показателях качества технологического процесса и технико-экономических показателях количества продукции, важнейшим из которых является масса перемещаемого или погруженного грунта.

Таким образом, разработка методов измерения массы полезного груза в ковше экскаватора путем , нахождения зависимостей между горной массой и доступными непосредственному измерению координа-

тами главных приводов и механизмов экскаватора является одной из важных'задач, возникающих на этапе создания информационного обеспечения экскаваторных ИУК.. Анализ требований, которые предъявляются к средствам измерения массы грунта, определяемых необходимой точностью загрузки транспортных средств для экскаваторов-мех-лопат и точностью учета объема перемещенного грунта для экскаваторов-драглайнов, позволил установить величину допустимой погрешности взвешивания экскавированного грунта на уровне ±3%. Установлено, что при условии получения несмещенных оценок массы грунта и допущении нормальности распределения случайных составляющих в погрешности измерения, допустима погрешность единичного взвешивания масры в пределах ±(10+20)%, которая легко достижима типовыми техническими средствами.

Решение задачи взвешивания массы грунта переносимого или перемещенного в ковше экскаватора возможно при решении комплекса задач, включающих идентификацию технологических состояний экскаватора, режимов работы и энергетических состояний электроприводов. Наиболее важным этапом является формирование для идентифицированного энергетического состояния адекватной модели объекта измерения, обеспечивающей получение несмещенной оценки измеряемого параметра. Систематические погрешности характерные для разработанных ранее подобных измерительных систем, объясняются применением упрощенных моделей ЭМС экскаватора.

Анализ выполненных ранее разработок, математического описания (1), (2) и опыта внедрения системы взвешивания горной массы в ковше экскаватора выявил следующие источники погрешности взвешивания: методические погрешности измерения усилия подъема, погрешности от ■ составляющих якорного тока привода подъема, вызванных его неравномерным движением, влиянием на него механизмов напора (тяги), поворота и раскачиванием ковша (для драглайнов); случайные погрешности от нестабильности положения центра тяжести грунта в ковше; систематические погрешности, связанные с углом негоризонтальности установки поворотной 'платформы, изменением характеристик рабочего оборудования из-за примерзания и прилипания горной массы к ковшу и износа; инструментальная погрешность от смещения метрологической характеристики измерительной схемы и т.д.

Все погрешности разделены на несущественные и существенные. К последним отнесены погрешность измзрения усилия подъема, которую предлагается' учитывать с помощью поправки ДА, учитывающей потери мощности в двигателе, нелинейную зависимость КПД редуктора от момента на его валу и реакцию якоря (для некомпенсированных

двигателей),

Лл - аг(1ай)2 + а2-шп» + а3-(1ви)2. (15)

и погрешность от составляющей якорного тока подъема, обусловленная влиянием на него других механизмов экскаватора, компенсируемую с помощью поправки

ЛБ = Ь1шн(т)и + Ь2•шви . (16)

Здесь а^ а2, а3, Ь1# Ь2 - коэффициенты, заранее рассчитываемые или настраиваемые при тарировке измерительной системы. К существенным отнесены погрешность от динамической составляющей тока якорной цепи подъема, которую предложено снижать до приемлемого уровня путем вычисления ее величины на основе измерения ускорения привода подъема или организации процедуры взвешивания массы грунта в ковше в ограниченном пространстве фазовых координат привода подъема. Также к существенным отнесена случайная погрешность, вызванная колебательным движением привода подъема из-за инерционности якорной цепи и упругого характера механической связи, которую предлагается уменьшать до требуемого уровня с помощью статистической обработки на основе адаптивного оценивания.

Предложен алгоритм измерения масса перемещенного грунта, в основу которого положено уравнение динамики электропривода подъема [13],

тгр = к1г[Гпг(1аг)-ААГ(1аг.1вг.ш„г)-АБГК(Т,г,швг) " - к1п[Гпп(1ап)-ДАп(1аМвп.шпп)-ДБп(шн(1)п.швп) ], (17)

где к! - координатный коэффициент; ' 1.1н(т) -.значения длин подъемного каната и вылета рукояти (тяговой?-каната); 1а, 1в - токи якорной цепи и цепи возбуждения двигателя подъема: . шн,шп,а)в -значения скоростей напора, подъема и поворота: "г'1, "п" - индексы, обозначающие измерения для груженого и порожнего ковша. В качестве основного измерительного сигнала используется ток: якорной цепи (1а), который при умножении на конструктивную постоянную электродвигателя (с) и магнитный поток при номинальном . или 1 известном токе возбуждения (1„) дает оценку усилия. подъема (Гп).

Степень соответствия предложенного алгоритма цели измерения позволяет получать с его использованием результаты измерения в виде несмещенных состоятельных оценок. ■

Разработана методика и . прогр'аммное обеспечение для расчета координатных коэффициентов. Вычислены зависимости координатного коэффициента к, и поправок ДА и ДЕ от координат главных приводов и механизмов для экскаватора ЭКГ-5А. разработана методика автоматизированной настройки системы взвешивания.

— лэ—

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, посвященной проблеме повышения эффективности использования одноковшовых экскаваторов для открытых горных работ, дано новое решение актуальной научно-технической задачи оптимизации транспортных операций путем адаптации к горно-технологическим условиям эксплуатации систем управления главными электроприводами экскаватора, оптимизированных по критериям максимального быстродействия, максимума показателя электромеханического преобразования энергии и степени устойчивости

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

II Созданы динамическая модель п алгоритмические модули для ' имитационного моделирования пространственной многомассовой взаимосвязанной ЭМС главных приводов одноковшового экскаватора для открытых горных работ в периоды транспортных операций, учитывающая геометрию рабочего оборудования, взаимодействие приводов через упругие звенья механической трансмиссии, специфику двухзонного управления, реакцию якоря (для некомпенсированных двигателей), потери мощности и основные нелинейности в электромагнитных н механических каналах передачи энергии

2. Проведена декомпозиция описания взаимосвязанных ЭМС главных приводов экскаватора с выделением типов совершаемых движений ('.'жесткое" н "упругое") и соответствующих им уровнен управления. Определены задачи и способы управления движениями различных типов. На верхнем уровне решаемся задача адаптации систем управления главными приводами экскаватора к горногеологическим условиям эксплуатации и производится оптимизация лимитирующего по длительности выполнения транспортной операции привода - по критерию максимального быстродействия и нелимитирующих приводов по критерию максимума эффективности электромеханического преобразования энергии. На нижнем уровне происходит оптимизация ЭМС по степени устойчивости движения, что обеспечивает реализацию оптимального управления верхнего уровня и принудительное подавление упругих колебаний.

3. Для оптимального управления приводами экскаватора на верхнем уровне использована система программной адаптации, осуществляющая изменение магнитного потока двигателей и уставки стопорного тока в функции прогнозируемых перемещений, коэффициентов тепловой загрузки, показателей качества коммутации, текущих значений скоросгн и оценок магнитных потоков. Для оптимального управления нижнего уровня применена система управления с сигнальной адаптацией по эталонно-подслеживающей модели, выполненная в виде дополнительного контура, подключаемого к стандартной системе подчиненного регулирования.

4. Разработаны структурная, функциональная схемы и алгоритмы функционирования информационно-управляющего комплекса одноковшового экскашнора для открытых горных работ, реализующего многокритериальную многоуровневую оптимизацию режимов работы взаимосвязанных упругих ЭМС экскаватора и периоды транспортных операций и их адаптацию к горнотехнологическим условиям эксплуатации. Разработанный комплекс позволяет соьралш. время отрабогкн забоя на 3-9% в зависимости от применяемой схемь охработкн забоя и увеличить обобщенный показатель эффекпнлюси энергетических процессов в силовом канале на 8-15% при максимально:* наюлысв,и1Ш1 возможностей привода за счет поддержания кшффицнонг.»

тепловой зшрузки па уровне предельно допустимого.

5. Для движения ЭМС экскаватора на скоростях выше номинальной предложено использовать двухзонное зависимое регулирование скорости приводных двигателей с системой управления магнитным потоком, состоящей из задатчика и ПИ-регулятора. Разработаны методика синтеза и алгоритм работы оптимального регулятора магнитного потока, минимизирующего длительность разгона привода на скоростях выше номинальной.

6. Разработаны структурная, функциональная схемы и алгоритм работы локальных адаптивных систем управления, которые реализуют оптимальное управление нижнего уровня, обеспечивая желаемую динамику электропривода с расчетным временем переходных процессов, допустимым темпом изменения якорного тока (не более 51ном/с) и уровнем максимального динамического отклонения (1.21ст), без перерегулирования по скорости и с незначительным перерегулированием по току (до 25%), увеличивая в 10-15 раз статическую жесткость механической характеристики, придавая ЭМС свойство нечувствительности к технологическому, эксплуатационному и управляемому изменениям параметров управляющих устройств и силовых элементов.

Разработанный алгоритм сигнальной адаптации отличается от известных безразрывностью управляющего сигнала, что позволяет аналитически оптимизировать его параметры по критерию максимальной степени устойчивости, и использовать редуцированные векторы состояния электромеханической системы экскаватора и эталонно-подслеживающей модели.

7. Анализ существующих способов измерения массы экскавированного грунта показал, что неучет особенностей преобразования и передачи энергии электромагнитными и механическими элементами привода экскаватора является причиной погрешности измерения, которая может превышать 20% при допустимой величине не более 3%. Разработана структурная, функциональная схемы и алгоритм работы автоматической системы взвешивания массы экскавированного грунта, построенной на оснойе адекватной модели объекта измерения, обеспечивающей компенсацию существенных составляющих погрешности измерения и получение несмещенных оценок массы экскавированного грунта с желаемой точностью. Предложена методика автоматизированной настройки системы взвешивания. "

Основные положения и результаты исследований содержатся в следующих работах:

1. Дружинин A.B., Бабенко А.Г., Полузадов В.Н. Разработка адап-тивных к горно-технологическим условиям алгоритмов управления главными приводами экскаватора-драглайна//Материалы II мездупа-родной конференции по автоматизации в горном деле. - Ек-рг, 1992.-С.70-17.

2. Дружинин A.B., Полузадов В.Н., Бабенко А.Г. Развитые алгоритмы и функции контроля и управления мощным экскаватором-драглайном // Изв. Вузов. Горный Журнал,- N12, -1993.-С.97-107.

3. Дружинин A.B., Бабенко А.Г. Полузадов В.Н. Оптимизация электромеханического преобразования энергии главными приводами мощного экскаватора-драглайна // Известия Уральского горного института. Сер. Горная электромеханика. - 1993. - Вып.4. -С. 149-153.

4. Бабенко А.Г. Электромеханическая система с контуром пассивной адаптации по эталонной модели // Изв. Вузов. Горный журнал,- 1989.-N 10 С 103-106.

5. Антропов Л.А., Бабенко А.Г., Полузадов В.Н., Садовников Е.М.

Автоматизация технологического цикла экскаватора-механической лопаты // Тезисы доклада IV Всесоюзной научи.-техн. конф. по электроприводу экскаваторов. - М.: Информэлектро. - 1989. -С.6-7.

6. Бабенко А.Г. Информационная система экскаватора-мехлопаты на базе микропроцессорного контроллера II Изв. Вузов. Горный Журнал. - 1990. -Nil, С.

7. Бабенко А.Г. Проект интерактивной интегрированной системы контроля, диагностики и управления // Известия Уральского горного института. Сер. Горная электромеханика. - 1993. - Вып.4. -С. 156-162.

8. Автоматизированная бортовая информационная система экскаватора ЭКГ-5А на базе микропроцессорного контроллера КМБ-48 II Автоматическое управление технологическими процессами в горной промышленности: Межвуз. научно.-темах, сб.- СГИ, 1991.

9. Дружинин A.IJ., Бабенко А.Г. Использование экспертных систем в информационно-управляющих комплексах одноковшовых экскаваторов II Изв. рузов. Горный журнал. - I992. - №. -C.U5-117.

10. Дружинин A.B., Полузадов В.Н., Бабенко А.Г. Контроль тепловой загрузки электродвигателей главных приводов экскаваторов II Автоматическое управление технологическими процессами в горной промышленности: Межвуз. цаучк. темат. сб. - Свердловск, СГИ, 1991. - С.30-35.

11. Полузадов В.Н., Дружинин A.B., Бабенко А.Г. Влияниекоммутационных ограничений на механические характеристики приводов мощных драглайнов II Известия Уральского горного института. Сер. Горная электромеханика. - 1993. г Вып.4.-С. 153-156.

12. Бабенко А.Г., Полузадов В.Н., Антропов Л. А., Петухов A.B. Технический учет потребления электроэнергии карьерным экскаватором // Технико-экономические проблемы оптимизации режимов электропотребления промышленных предприятий.-Челябинск, 1991,- С.29-31.

13. Бабенко А.Г., Полузадов В.Н., Дружинин A.B. Измерение массы полезного грунта, перемещаемого подъемно-транспортной машиной циклического действия II Изв. вузов. Горный журнал. - 1994. - N4. - С. 106-114.

Личный вклад соискателя в работы, опубликованные в соавторстве: [1,2,3] -использование принципа комбинированного программного адаптивного управления; [2] - применение концепции прогрессивного управления (advanced control); [6] - модернизация закона изменения магнитного потока; [4] - постановка и решение задачи, структура адаптивного устройства; [5] - решение задачи адалгавного управления; [6,7,8,12] - структурные и функциональные схемы системы, программное и алгоритмическое обеспечение; [11] - применение Технологии экспертных систем для прогноза технологических перемещений; [10,11]- решение задач, [13] - назначение, состав системы, выполняемые функции и алгоритмы работы.

Подписано в печать ,05.95 г. Формат бумага 60x80 1/16 Печ.л. 1,0. Автореферат^ Тираж 100. Заказ

620219, г.Екатеринбург, уЛ.Куйбышева, 30 Уральская государственная горно-геологическая академия Отдел множительной техники