Методика синтеза систем управления экскаваторными электро приводами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

--------------------------------------- © P.M. Валиев, 2007

УДК 621.879:62-83 P.M. Валиев

МЕТОДИКА СИНТЕЗА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭКСКАВАТОРНЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

В работах [1, 2] были получены собственные операторы передаточных функций и переходные процессы в электромеханических системах (ЭМС) главных механизмов одноковшовых экскаваторов - мех-лопат. Однако удовлетворительное качество переходных процессов было получено без изложения методики определения параметров систем управления электроприводов. В данной работе рассматриваются два основных режима работы одноковшовых экскаваторов - мехлопат и в соответствии с этим предлагается методика выбора параметров систем управления при рабочем и стопорном режимах.

В настоящее время на одноковшовых экскаваторах - мехлопатах в качестве систем электроприводов главных механизмов используется система “ генератор - двигатель с тиристорным возбудителем”. Исключение составляет мощный экскаватор ЭКГ -20, системы электропривода которого построены по системе “управляемый выпрямитель - двигатель”. Хотя в настоящее время ведутся работы по внедрению системы управляемый выпрямитель - двигатель на другие модели экскаваторов, все же система ГЛ с ТВ остается наиболее распространенной. Исходя из этих соображений методика синтеза системы управления главными механизмами одноковшовых - экскаваторов мехло-пат и выбор параметров системы

управления приведен для этих двух систем.

Методика синтеза структур систем управления и выбор параметров двухмассовых электромеханических систем для рабочего режима производится в следующей последовательности:

1. Определяются параметры электромеханической системы по общепринятым методикам для режима копания грунта [1,2,5]:

Т 1

/=■

J1 + J2 Т ,12

___ 1____________2 • р _ — • р _ 12 _____________________________________ ______________

т ^ М •-г- ' 12 ’-Г' •~Г-

J1 Т м Q12

T1

К ; км ; се•

2. Определяются параметры обратных связей по току

К (4 = кп ■ км ■—) и скорости

кос ( 4 = кп ■ к ■ко^ ) двухконтурной

системы подчиненного регулирования координат в соответствии с методами стандартной настройки на “технический оптимум”.

3. Обеспечение заданных динамических свойств двухмассовой электромеханической системы с безразмерным коэффициентом затухания

#>72/2 определяется областью допустимых значений параметров электромеханических систем главных механизмов одноковшовых экскаваторов - мехлопат.

4. Для структуры системы управления со смешанной коррекцией координат вычисляются необходимые параметры регуляторов тока, скорости и обратных связей.

Критерий существования дополнительной гибкой отрицательной обратной связи по моменту нагрузки в упругом элементе (ГООСН) определяется неравенством:

24(1 + 2# + 2#2)(1 + 4#2 - (1 + 4#5 - г4 > 0. Неравенство позволяет получить область допустимых значений параметров двухмассовой электромеханической системы в виде графической зависимости у от е12. То есть, по полученным значениям у и е12 принимают решение о возможности применения ГООСН в рабочем режиме.

Решая кубическое уравнение, находят значение безразмерного коэффициента затухания # в зависимости от относительной постоянной времени колебаний ДЭМС е12:

16(4 - 4)#3 + 4(54 -12)#2 +12(4 -1)# -

-(4 -1)2 = 0.

Для настройки контура тока в системе со смешанной коррекцией координат определяются:

а) величина коэффициента постоянной времени контура тока в зависимости от безразмерного коэффициента затухания # и относительной постоянной времени колебаний ДЭМС е12:

а =

(1 + 4#)3

б) постоянная времени регулятора тока по формуле

Трт = а ■ Тпкпкмкот / се.

Для настройки контура скорости в структуре со смешанной коррекцией координат определяются:

а) величина коэффициента постоянной времени контура скорости в зависимости от безразмерного коэффициента затухания #:

Б = (1 + 4#)2;

б) коэффициент передачи регулятора скорости по формуле

к = ТМкмкот

рс вТпкос •

Для вычисления параметра гибкой отрицательной обратной связи по моменту нагрузки в упругом элементе (ГООСН) определяются:

а) параметр дополнительной гибкой отрицательной обратной связи по моменту нагрузки в упругом элементе:

є гА(24(1 + 2# + 2#2)(1 + 4#)2 - (1 + 4#)5 - г4)

Н (Г~ 1)-М-!2 ’

б) вычисление абсолютного значения величины обратной связи производится по выражению:

є ■ Т к Т = -0—^.

00 00 к ■ к п м

Для стопорного режима методика дополняется следующими положениями.

Критерий существования гибкой отрицательной обратной связи по моменту нагрузки в упругом элементе (ГООСН) определяется неравенством:

-1 > 4■#.

То есть по полученным значениям # и -1 принимают решение о возможности применения ГООСН в режиме стопорения рабочего органа.

Решая биквадратное уравнение находят значение безразмерного коэффициента затухания # в зависимости от относительной постоянной времени частоты колебаний первой массы ДЭМС при жесткой заделке второй массы -1:

(44 - 43-12) ■ #4 - 2 ■ 42-12 ■ #2 + -4 = 0.

Для настройки контура тока в системе со смешанной коррекцией координат определяются:

а) величина коэффициента постоянной времени контура тока в зависимости от безразмерного коэффициента затухания ^ и относительной постоянной времени частоты колебаний первой массы ДЭМС при жесткой заделке второй массы е1

44^4

а =—

-\

б) постоянная времени регулятора тока по формуле

Трг = а • Тпкпкмкот / се.

Настройка контура скорости в структуре со смешанной коррекцией координат не производится, так как в данном режиме контур скорости размыкается и коэффициент передачи П

- регулятора скорости равен 0 (к1х = 0). Поэтому значение коэффициента передачи регулятора скорости в режиме стопорения рабочего органа остается таким же как при настройке системы управления для рабочего режима.

Для вычисления параметра гибкой отрицательной обратной связи по моменту нагрузки в упругом элементе (ГООСН) определяются:

а) параметр дополнительной гибкой отрицательной обратной связи по моменту нагрузки в упругом элементе:

44 г2

-н =4• ? • (16 -

б) вычисление абсолютного значения величины обратной связи производится по выражению:

е • Т к Т =-0—^.

00 00 к • к п м

Синтез структуры со смешанной коррекцией считается завершенным, если определены параметры регуляторов тока и скорости, все значения

величин дополнительных обратных связей, по которым производится настройка координат электромеханической системы. Настройка обеспечивает заданные динамические свойства двухмассовой электромеханической системы: минимальное время регулирования; минимально возможное перерегулирование; коэффициент демпфирования колебаний не менее ^.

2

В связи с тем, что имеются два режима работы одноковшового экскаватора - мехлопаты, встает вопрос о выборе параметров регуляторов скорости и тока, а также значении коэффициента ГООСН для настройки системы управления главными электроприводами.

В данном случае предлагается вариант настройки систем управления электроприводов главных механизмов одноковшовых экскаваторов-мехлопат в соответствии с параметрами, полученными и для рабочего режима экскаватора (режим копания) и для режима стопорения рабочего органа. Предлагаемая функциональная схема электропривода механизмов экскаваторов -мехлопат системы Г-Д с ТВ с переключающимися параметрами регулятора тока и ГООСН приведена на рис. 1.

Для работы такой схемы необходимо получить сигнал пропорциональный упругому моменту.

Решить данную задачу возможно двумя путями. Первый путь заключается в построении так называемого наблюдающего (выявительного) устройства системы автоматического управления. Второй путь заключается в использовании уравнения движения двухмассовой ЭМС (ДЭМС), связывающее электромагнитный момент двигателя, его угловую скорость с моментом нагрузки в упругом элементе.

В настоящее время восстановление трудноизмеряемых или неизмеряемых координат электромеханических систем

т т «

и 1 зс 0 Й2 Г

ДАТЧИК УПРУГОГО МОМЕНТА

Рис. 1. Функциональная схема электропривода главных механизмов одноковшовых экскаваторов - мехлопат системы Г-Д с ТВ с переключающимися параметрами регулятора тока и ГООСН

с помощью наблюдающих устройств является эффективным методом получения информации. Наблюдающее устройство или вычислитель-оценщик представляет собой аналоговую модель реального объекта или его части и получает неполную информацию о режиме работы электромеханической системы. Принцип его работы заключается в следующем: в наблюдающем устройстве происходит сравнение относительно легко измеряемых координат реального объекта и координат, полученных с помощью аналоговой модели. Разница этих сигналов (ошибка, рассогласование) и является восстанавливаемой координатой, которую в реальном объекте трудно измерить или невозможно вовсе. Такой координатой в электроприводах постоянного тока одноковшовых экскаваторов - мехло-пат является упругий момент. Упругий момент в принципе является измеряемой координатой: существуют различного рода тензометрические датчики.

Однако, их установка на каждый механизм экскаватора затруднительна, хотя и возможна, и является дополнительной затратой для предприятия. Кроме того, они нуждаются в техническом обслуживании. В этом смысле замена реального датчика электрическим - является перспективным направлением в области метрологии.

Однако следует отметить отрицательные стороны данного способа измерения упругого момента:

- необходимость подачи в модель напряжения холостого хода преобразователя, что затрудняет процесс построения модели;

- погрешность измерения, которая складывается из погрешности датчика тока и погрешности, вызванной нестабильностью активного сопротивления обмотки якоря, то есть зависимостью значения сопротивления от температуры окружающей среды и от величины нагрузки двигателя;

- усложнение схемы управления электроприводами механизмов экскаваторов, в которых стремятся к построению более простых систем управления в сложных условиях эксплуатации и условиях ограниченного пространства поворотной платформы.

Учитывая приведенные выше недостатки, в особенности последний пункт, наиболее перспективным путем является определение момента нагрузки в упругом элементе с использованием уравнения движения электропривода. Для этого используется уравнение движения ДЭМС:

М - М = J1

у 1 Л

Представим это уравнение в операторном виде (замена р = —) и преобразуем его с учетом соотношения М = се ■ 1 :

Jl = . .

■ р • ®1 = 1Я 1у ,

Се

где 1У - упругий ток, пропорцио-

нальный упругому моменту.

Учитывая соотношение иос = кос ■

■т1 ,

получаем:

J1

, г- ~ ос ~ 1Я У ’

Се ■ кОС

где иос - напряжение жесткой отрицательной обратной связи по скорости двигателя.

Таким образом, сигнал пропорциональный упругому моменту можно получить из соотношения:

1У = 1Я----• р ■ иос • (1)

Се ■ кос

Для получения производной сигнала упругого момента и его введения в систему управления по выражению (1), произведем следующие преобразования. Для того, чтобы ввести сигнал производной в систему управления необходимо получить напряжение пропорциональное 1У .

От датчика тока, иот

От датчика ^ РТД (+) -к Г РТОН ирМУ

напряжения, иН Тр +1 (-) ^ ТіР +1

а)

б)

Рис. 2. Структурная (а) и принципиальная (б) схемы аналогового датчика упругого момента

С учетом этого требования, умножим обе части выражения (1) на ш!,

где ш! = ш 10 - масштаб по току;

¡Я .МАХ

¡ямах - максимальное значение тока якоря двигателя:

¡у х (ш1) = (¡я----—----р ■ иж) X (ш1).

■ кос

Учитывая, что ¡у ■ ш! = и у и ¡я ■ ш! = иЯ , представим это выражение в следующем виде:

иу = и„ - ■ р ■ иос,

Се ■ кос

Выражение для ш! представляет собой коэффициент передачи жесткой отрицательной обратной связи по току якоря двигателя, которая используется в системах подчиненного регулирования координат, и в частности, в электроприводах одноковшовых экскавато-

ров - мехлопат. Следовательно, правомерна замена ш! на кот . С учетом этой замены окончательно получаем следующее выражение:

иу = ия - 1^кг ■ Р ■ иос. (2)

■ кос

Выражение (2) дает возможность реализации аналогового датчика упругого момента.

В одноковшовых экскаваторах -мехлопатах вместо жесткой отрицательной обратной связи по скорости двигателя используется жесткая отрицательная обратная связь по напряжению двигателя. Напряжение обратной связи связано с ЭДС двигателя и скоростью следующим выражением:

ин = кн ■ Едв = кн ■ Се ■ а1 , (3)

где кн - коэффициент передачи датчика напряжения.

Тогда с учетом (3) выражение (2) принимает вид:

и = и - —1 ■кот ■ Р ■ и

¡у ^ ¡Я 2 1 I н-

£ ■ кН

В данном случае постоянная времени дифференцирования сигнала обратной связи по напряжению рассчитывается по формуле:

Рис. 4. Переходные процессы с использованием датчика упругого момента

—1 ■ кот

с2 ■ кн

Полученный сигнал пропорционален упругому моменту. Для получения производной по упругому моменту не-

обходимо полученный сигнал продифференцировать еще раз с постоянной времени Тон .

С учетом всего вышесказанного, для реализации датчика упругого момента

необходимы три операционных усилителя, два из которых являются дифференциаторами. Структурная и принципиальная схемы датчика упругого момента представлены на рис. 2. В структурной также учтено, что создание идеального дифференциатора невозможно, и передаточная функция реального дифференцирующего звена представляется в виде:

(р) - РТ

РТ1 +1

где Т1 - постоянная времени апериодического звена. Для того чтобы обосновать работоспособность датчика упругого момента и его эффективность было проведено компьютерное моделирование системы управления электроприводом с обратной связью непо-

средственно по упругому моменту (рис. 3) и с применением датчика упругого момента (рис. 4).

По данным графикам рисунков видно, что погрешность от косвенного измерения упругого момента по известным сигналам обратных связей по току и скорости, невелика и процессы в системах идентичны. При моделировании датчика упругого момента была учтена инерционность дифференцирующих звеньев, что приближает модель датчика к его физическому образцу.

Для реализации датчика, приведенного на рис. 2 необходимо выполнять следующие соотношения:

ТД = К2 ■ С1; Т1 = К1 ■ С1 = К5 ■ С2;

Тон = ■ С2; К3 = К4-

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Валиев P.M., Попельнюхов В.И., Фашиленко В.Н. Принципы построения структур управления экскаваторными электроприводами в стопорных режимах, ГИАБ, -М.: Изд-во МГТУ, 2006 г., - C. 322-325.

2. Валиев P.M., Попельнюхов В.И., Фашиленко В.Н. Анализ демпфирующих свойств экскаваторных электроприводов при управляющем воздействии, ГИАБ, - М.: Изд-во МГТУ, 2006 г. - С. 334-338.

3. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Тиристорные системы электропривода с упругими связями. - Л.: Энергия, 1979. - 160 с.

4. Ляхомский А.В., Фашиленко В.Н. Управление электромеханическими системами горных машин: Монография. - М.: Изд-во МГГУ, 2004. - 296 с.

5. Валиев P.M., Фашиленко В.Н. “Определение параметров систем управления электроприводов главных механизмов одно-ковшовык экскаваторов - мехлопат”, “Актуальные проблемы электроэнергетики”, труды Нижегородского государственного технического университета, Нижний Новгород, 2006 г., - C. 123-127.

— Коротко об авторах-----------------------------------------------------

Валиев P.M. - аспирант, кафедра «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий» (ЭГП) Московский государственный горный университет.

Статья представлена кафедрой «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий» Московского государственного горного университета.

Рецензент - Хватов о.с., доктор технических наук, профессор, Нижегородский государственный университет.