автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка и исследование системы связанного адаптивного управления механизмами добычного комплекса драги

Уральская государственная горно-геологическая академия

На правах рукописи

Садовников Михаил Евгеньевич

/ Разработка и исследование системы связанного адаптивного управления механизмами добычного

комплекса драги

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор

технических

наук,

профессор Багаутинов Г. А.

Екатеринбург -1998

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

4

1. Драга как объект управления...........................................................11

1.1 Дражный процесс добычи, как объект управления..................11

1.2 Добычной комплекс многочерпаковой свайной драги...............13

1.3 Системы управления добычным комплексом и перспективы

их развития....................................................................17

1.4 Микропроцессорные системы контроля и управления...............31

1.5 Применение адаптивных многоуровневых систем для управления приводами добычного комплекса драги...................34

..... 1.6 Контроль параметров драгирования........................................38

" 1.7 Задачи исследования...............................................................45

2. Цифровая математическая модель связанной ЭМС добычного

комплекса многочерпаковой свайной драги.................................48

2.1 Математическая модель связанной ЭМС добычного комплекса многочерпаковой свайной драги..........................................48

2.2 Исследование эффективности применения стандартных настроек в системе подчиненного регулирования тока якоря и

скорости двигателя в механизме бокового перемещения............62

2.3 Использование задатчиков интенсивности в разомкнутой САР механизма бокового перемещения.............................................66

2.4 Исследование нестандартных настроек стандартных и нестандартных регуляторов тока якоря и скорости двигателя в механизме бокового перемещения драги......................................71

2.5 Выводы .........................................................................87

3.Исследование влияния положения драги в забое относительно берегового блока на качество протекания ПП в механизме бокового перемещения...........................................................................88

3.1. Влияние геометрии носовых канатов на изменение показателей качества ГШ в МБП............................................................ 88

3.2.Анализ качества САР СПРК при изменении положения драги в забое................................................................................95

3.3. Параметрическая подстройка контурного регулятора тока в функции положения драги в забое.......................................103

3.4 Выводы.................................................................................114

4. Состав и структура адаптивной системы управления добычным комплексом драги......................................................................115

4.1 Структура и алгоритмы САУ добычным комплексом драги

2"го уровня........................................................................115

4.2 Третий уровень управления................................................. 155

4.3 Выводы..................................................................................158

Заключение.....................................................................................159

Литература

162

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В нашей стране идет снижение содержания доли полезного компонента в добываемой из россыпных месторождений горной массе по причине истощения эксплуатируемых и вовлечения в работу более бедных месторождений, ухудшения горногеологических условий добычи. При этом растет стоимость электроэнергии, запчастей, оборудования, себестоимость извлекаемого полезного ископаемого.

В связи с этим важнейшее значение приобретают методы и способы снижения производственных затрат и увеличения производительности оборудования. Одним из таких способов является адаптация механизмов добычного комплекса драги к конкретным условиям работы средствами управления.

Дражный способ добычи по сравнению с другими является наиболее дешевым и широко распространен. Поэтому модернизация существующих и создание новых драг повышенной эффективности является актуальной задачей.

Потери производительности при отработке забоя драгой могут происходить из-за следующих причин:

1. Геологические (валунистость, большая глубина залегания, глинистость, неровный плотик).

2. Несоответствие режимов работы добычного комплекса драг характеру отрабатываемого забоя:

а) неверно выбраны толщина, ширина и длина стружки или их сочетания, или они изменились вследствие отталкивания драги от забоя ;

б) скорость черпания и скорость бокового перемещения отличаются от требуемых по условиям драгирования и не регулируются должным образом по всей ширине забоя.

3. Простои драги из-за выхода из строя электромеханического оборудования добычного комплекса по причине больших статических и

динамических перегрузок. Затраты лишнего времени на затягивание драги и операции в углу забоя.

Причины первой группы влияют на экономическое обоснование целесообразности разработки данного месторождения дражным способом и на прогнозируемую производительность. От системы управления добычным комплексом драги они не зависят, а лишь создают среду функционирования добычного комплекса (ДК) драги. Причины же второй и третьей группы могут быть в значительной степени решены за счет использованием системы автоматического управления (САУ) добычным комплексом драги.

Для проработки системы автоматического управления требуются ее испытания на объекте с учетом широкого спектра возмущающих факторов. Исследования на реальном объекте сопряжены со значительными трудностями, вызванными возможностью создания аварийной ситуации, ограничениями по испытанию электромеханической системы (ЭМС) ДК во всем возможном диапазоне изменения испытываемых параметров; наложением на результаты эксперимента рада случайных и/или посторонних возмущающих факторов; трудностью фиксации всех необходимых для наблюдения координат в реальном масштабе времени. В связи с этим, на этапе первоначальной разработки САУ, представляется необходимым для сокращения времени разработки использовать альтернативные методы моделирования электромеханической системы ДК многочерпаковой свайной драги (МСД).

Моделирование на цифровой математической модели является одним из этих альтернативных методов, в значительной степени лишенном указанных выше недостатков. Поэтому, создание цифровой математической модели с целью исследования закономерностей функционирования ДК

многочерпаковых свайных драг, является актуальной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Госкомвуза России на 1991...1995, 1996 гг.

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ является пространственная взаимосвязанная упругая электромеханическая система приводов черпания и бокового перемещения многочерпаковой свайной драги.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является повышение эффективности работы добычного комплекса МСД, в процессе отработки забоя, на основе использования при управлении приводами добычного комплекса известных и выявлении новых закономерностей функионирования ДК МСД. Использование нестандартных методов управления.

ИДЕЯ РАБОТЫ состоит в использовании на драге информационно-управляющей системы ДК на основе ЭВМ осуществляющей функции беспоискового адаптивного многокритериального управления взаимосвязанной электромеханической системой приводов черпания и бокового перемещения МСД при работе в сложных по изменению крепости грунта горно-геологических условиях. НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.Реализация сложных алгоритмов адаптивного управления связанной системой приводов черпания и бокового перемещения драги при меняющихся горно-геологических и горно-технологических условиях возможна только при использовании цифрового управляющего комплекса на основе ЭВМ позволяющего соответствующим образом идентифицировать и использовать поступающую к ней информацию в реальном масштабе времени.

2.Максимальная производительность дражного комплекса при минимальном удельном расходе электроэнергии при отработке слоя, в сложных условиях функционирования, возможна при правильной коррекции режимных параметров драгирования и адекватной настройке системы управления на текущую ситуацию при отработке слоя.

3.Для улучшения качества переходных процессов (ПП) в механизмах и приводах ДК можно использовать двухконтурную САУ с типовыми регуляторами тока и скорости двигателя со специально подобранными

параметрами и сигнальной и параметрической подстройкой в соответствии с требованиями текущей рабочей ситуации, а также дополнительные контура адаптации осуществляющие эту подстройку.

4.Для реализации дополнительных контуров адаптации используется идеология прямого беспоискового адаптивного управления (direct adaptive control) с эталонной подстраиваемой моделью.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ потверждается корректным использованием математических методов, теории автоматического управления и автоматизированного электропривода и сходимостью результатов математического моделирования с экспериментальными данными.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ состоит в следующем:

Проведено разделение задачи управления дражным комплексом в период отработки месторождения на три уровня с постановкой задачи, решаемой системой управления на каждом из них. Первый уровень- оптимизация перемещения драги в пределах месторождения по критерию наиболее полной, быстрой и дешевой его отработки. Второй уровень- оптимизация отработки одного слоя в забое по критерию максимума производительности при минимуме удельного расхода энергии и третий уровень: обеспечение качества протекания ПП.

Разработана цифровая математическая модель добычного комплекса свайной драги, отличающаяся от известных тем, что в ней учитывается взаимное влияние приводов черпаковой цепи (ЧЦ) и механизма бокового перемещения в процессе отработки забоя и влияние основных параметрических возмущающих воздействий со стороны забоя и рабочего оборудования драги.

Исследованы структуры задатчиков интенсивности в различных по конфигурации САУ (разомкнутой, одноконтурной с контуром тока, двухконтурной с контурами тока и скорости двигателя). Проверена возможность использования для управления механизмом бокового

перемещения в динамических режимах стандартных и нестандартных структур регуляторов с широким спектром изменения настроек. Установлена целесообразность использования двухконтурной САР с контуром тока якоря, и контуром скорости двигателя, и дополнительным контуром сигнальной адаптации.

Разработана алгоритм параметрической подстройки регулятора тока механизма бокового перемещения в функции положения драги в забое.

Предложена методика выбора режимных параметров драгирования с учетом системы граничных условий работы для добычного комплекса многочерпаковой свайной драги.

Разработаны структура САУ третьего уровня и алгоритмы второго уровня управления, оптимизирующие работу приводов и механизмов добычного комплекса МСД в наиболее важных ситуациях драгирования (изменение категории грунта при отработке слоя, отталкивание драги от забоя, компенсация изменяющихся параметрических возмущающих воздействий и

ДР>

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ИМЕЮТ:

-математическое описание взаимосвязанной упругой системы приводов и механизмов черпания и бокового перемещения и его программная реализация;

-алгоритмы и структура многоуровневой системы адаптивного управления механизмами добычного комплекса свайной драги в различных ситуациях драпирования;

-тип и методика выбора настроек контурных регуляторов механизмов добычного комплекса и их параметрической настройки на текущую рабочую ситуацию.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты исследования представлены в виде алгоритмов, математических зависимостей, программных модулей и методик удобных для практической реализации.

На основе работы разработано и изготовлено устройство цифро-аналогового управления реализующее движение двухмассовой ЭМС механизма бокового перемещения лабораторного образца МСД, которое предполагается использовать в учебном процессе на кафедре Электрификации горных предприятий Уральской государственной горно-геологической академии.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертации представлены на 3-й Республиканской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в горном деле" (г.Екатеринбург, 1998 г.) и докладывались на заседаний кафедры электрификации горных предприятий Уральской государственной горно-геологической академии.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 работ, включая одно авторское свидетельство.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающго 138 наименований. Содержание работы изложено на 174 страницах, включая 11 таблиц и 43 рисунка.

Основные положения и результаты исследований содержаться в следующих работах:

1. А.С.2071532 Щ С1, 6Е02Р9/20 Способ управления добычным комплексом. /Багаутинов Г.Г., Багаутинов Г.А., Садовников М.Е. - заявка N94008275/03 от 10.03.94 г. 0публ.10.01.97. Бюл.Ш.

2. Багаутинов Г.Г., Садовников М.Е., Багаутинов Г.А. Влияние структуры задатчиков интенсивности в системе управления механизмом бокового перемещения свайной драги, на динамические показатели переходного процесса//Изв.Вузов Горный журнал, 1996.-N12.- С. 137

3. Багаутинов Г.Г., Садовников М.Е., Багаутинов Г.А. Влияние различных регуляторов в системе подчиненного регулирования механизмом бокового перемещения свайной драги // Изв.Вузов Горный журналД997.- N9-10.- С.163

4. Багаутинов Г.Г., Садовников М.Е., Багаугинов Г.А. Стандартные настройки контуров в системе подчиненного регулирования механизмом бокового перемещения свайной драги // Изв Вузов Горный журнал .-1997.-N7-8.-C. 152

5. Садовников М.Е., Багаутинов Г.А. Выбор расчетных значений параметров дражного забоя//Изв. Вузов Горный журнал.-1998-Ш-2-С.67-70

6. Багаутинов Г.А. Садовников М.Е., Багаутинов Г.Г. Разработка многоуровневой системы автоматического управления добычным комплексом многочерпаковой свайной драги на базе ЭВМ// Компьютерные технологии в горном деле: Тезисы докладов 3-й Республиканской научно-технической конференции. -Екатерин бург, Уральская государственная горно-геологическая академия, 1998 - С.74-75

1. Драга как объект управления

1.1 Дражный процесс добычи, как объект управления

Драга представляет собой горную машину, предназначенную для отработки россыпных месторождений, содержащих золото, платину, алмазы, олово, титаносодержащие, редкометалльные элементы, добычи строительного гравия и песка [1-5].

За рубежом дражным способом добывают олово (Малайзия, Таиланд, Индонезия, Боливия, Нигерия); золото и платину (Колумбия, Перу, США, Канада и др.); алмазы (Намибия, ЮАР, Гана); редкие и радиоактивные металлы (Австралия, Индия, ЮАР, США) [2-6].

В СССР до 1951 года дражный способ разработки использовался только для добычи месторождений золота и платины [1]. В 1951 году была запущена первая алмазодобывающая драга. В последующем были созданы драги для разработки титаносодержащих и редкометалльных россыпей. В начале 60х годов Иркутский завод тяжелого машиностроения им. В.В.Куйбышева (ИЗТМ) начал серийное производство драг для добычи строительного гравия и песка [1]

В России дражный флот представлен только многочерпаковыми драгами цельносварной конструкции [1,7].

В 1976 году в нашей стране уже эксплуатировалось 99% драг со сплошной черпаковой цепью. С 1958 года ИЗТМ выпускает драги с емкостью черпаков 80, 150, 250 и 600 литров и максимальными глубинами черпания 6, 9, 12 и 50 метров. Пермский машиностроительный завод им. В.И.Ленина в 1950-1966 годах изготовлял драги ОМ 430, ОМ 431 и ОМ 431М с черпаками емкостью 380 литров и максимальной глубиной черпания ниже уровня воды 30 метров. Драги Путиловского завода, выпущенные с 1903 года до начала революции и работающие после неоднократных модернизаций по настоящее время, имели емкость черпаков 100 и 150 литров [1].

Из общего числа драг РФ примерно 76% представлено крупнолитражными драгами и 24% малолитражными [1].

Род драгирующего аппарата драги и глубина черпания определяют возможность использования того или иного типа драги для разработки месторождения. Выбор между возможными способами разработки конкретного месторождения производится на основе технико-экономического сравнения вариантов. При возможности разработки месторождения различными способами, дражный способ разработки оказывается наиболее дешевым. Поэтому в РФ, несмотря на повышение за последнее время себестоимости добычи полезного ископаемого, из-за уменьшения доли полезного компонента в россыпях, ухудшения горно-геологических условий добычи и сложившейся экономической ситуации, данный способ все же остается наиболее малозатратным [1,2,6,8-10].

В существующей на текущий момент ситуации, когда не обновляется оборудование (работает на износ), важное значение и