Цифровая САУ процессом копания роторного экскаватора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99

М.В. Панкратов, асп.,

МГГУ

ЦИФРОВАЯ САУ ПРОЦЕССОМ КОПАНИЯ РОТОРНОГО ЭКСКАВАТОРА

Целью управления процессом копания роторных экскаваторов является получение максимальной производительности, возможной в конкретных горно-технологических условиях при заданных ограничениях по допустимым значениям тока нагрузки двигателя роторного колеса, вибраций металлоконструкции стрелы, по пропускной способности конвейера. Эффективное управление процессом копания сводится к стабилизации одного из показателей процесса

- нагрузки рабочего органа, производительности экскаватора, амплитуды вибраций металлоконструкций стрелы. Любой из этих показателей может оказаться лимитирующим (ограничивающим), что зависит от свойств экскавируемых горных пород (крепость, удельный вес, липкость, кусковатость и др.). Выбор регулируемого параметра для конкретных горнотехнологических условий должен осуществляться автоматически в зависимости от того, какой из этих параметров становится лимитирующим. Поэтому структура системы автоматического управления должна обеспечивать регулирование трех параметров - тока нагрузки двигателя рабочего органа 1н, производительности экскаватора Р и амплитуды вибраций стрелы А. (рис. 1).

Такая система должна содержать три параллельных контура регулирования, каждый из которых имеет свой датчик регулируемой величины: тока нагрузки

- ДТ, производительности - ДП, амплитуды вибрации

- ДА и свой регулятор: нагрузки - РН, производительности - РП, амплитуды вибраций РА.

На вход каждого регулятора от задатчиков подаются сигналы заданного тока иЗТ, заданной производительности иЗП и заданных амплитуд вибраций иЗА,

которые соответствуют максимально допустимым уровням регулируемых параметров.

Выходные сигналы регуляторов через логический блок ЛБ выделения наибольшего сигнала подаются на вход электропривода поворота ЭПП, определяя заданную угловую скорость двигателей поворотного механизма ^^. Поэтому сигнал заданной скорости поворота определяется регулятором лимитирующего в данных условиях параметра:

д = тт(и рН ,и рП ,ирА ) (1)

где иРН - выходной сигнал регулятора нагрузки; иРП -выходной сигнал регулятора производительности; иРА

- выходной сигнал регулятора амплитуд вибрации.

Это обеспечивает автоматический выбор стабилизируемого параметра в конкретных условиях. Все регуляторы должны иметь ограничители выходного сигнал на уровне, соответствующем номинальной (предельно допустимой) скорости вращения двигателей поворота. В каждый момент времени логический блок подключает к входу электропривода поворота только один регулятор, выходной сигнал которого наименьший, обеспечивая этим стабилизацию лимитирующего параметра.

Основными исходными данными для синтеза автоматической системы управления являются характеристики объекта управления, которые, наряду с техническими требованиями к системе определяют ее структуру и параметры. Объектом управления в системе стабилизации нагрузки рабочего органа экскаватора является совокупность электромеханических систем приводов ротора и поворота экскаватора, взаимодействующих через забой. В системе стабилизации производительности в состав объекта управления входят также и устройства разгрузки и транспортирования горной массы до датчика производительности.

Свойства объекта управления определяются характеристиками этой совокупности устройств, характером их взаимодействия с забоем, физикомеханическими свойствами экскавируемого материала, параметрами стружек и др. Объект управления характеризуется рядом входных и выходных величин. В качестве основных выходных управляемых величин будем рассматривать: 1Р - ток нагрузки двигателя роторного колеса; Р - текущее значение объемной производительности экскаватора; А - амплитуда колебаний упругой системы металлоконструкций стрелы.

В качестве входных управляющих воздействий могут рассматриваться: УПОв - линейная скорость поворота роторного колеса в горизонтальной плоскости (или скорость вращения двигателя механизма поворо-

та Wд); УР - периферийная скорость вращения роторного колеса.

Однако большинство современных экскаваторов имеют нерегулируемый электропривод роторного колеса и поэтому, скорость вращения роторного колеса будем рассматривать как постоянную величину.

В настоящей работе рассматривается синтез САУ процесса копания применительно к экскаваторам с выдвижной стрелой, у которых толщина стружки постоянна в плане забоя во всем диапазоне угла поворота.

Процесс работы роторного экскаватора является процессом непрерывным. Рабочим органом является роторное колесо. Работа каждого из ковшей имеет периодический характер. Таким образом, при экскавации нагрузка на рабочий орган носит периодический характер с частотой, равной частоте ссыпок. Величина колебаний нагрузки составляет 20-25% от среднего значения. При синтезе САУ ставиться задача регулирования среднего значения нагрузки за период, так как стабилизация мгновенного значения нагрузки привела бы к недопустимым колебаниям механических и электрических параметров системы. Средние значения показателей процесса представляют собой медленно меняющиеся функции времени.

В ряде случаев упругие деформации роторной стрелы в горизонтальной плоскости могут оказывать существенное влияние на динамические процессы в системе автоматического управления процессом копания экскаватора. Следовательно, при синтезе САУ необходимо учитывать колебательные свойства ОУ.

Передаточная функция упругой системы роторной стрелы имеет вид [1]:

Уме (Р)

WmJp) =

w3 (p)

Cp ■(p, - S) ■ i-

Jp-p2 + K, ■(p, -S)2

amax amin /+ + i

i +---------------------( t - 10 )

t о

p + cp'(pi -s)1

(2)

где 1р - момент инерции роторной стрелы; СР - жесткость роторной стрелы; wд - угловая скорость вращения двигателя поворота; 1 - передаточное отношение редуктора механизма поворота; р1 - длина стрелы; 8 -расстояние от лафета механизма выдвижения стрелы

ф С р -Е1жв

до оси вращения платформы; С = — =---------------— -

р Л р!

жесткость стрелы в горизонтальной плоскости; Упов -линейная скорость поворота роторного колеса в гори-

пЮк

зонтальной плоскости; К, = Куд

ZVP

- постоянный

коэффициент.

С учетом упругих свойств металлоконструкций стрелы и запаздывания при стружко-образовании, которое обусловлено тем, что при изменении скорости поворота ширина стружки изменяется не мгновенно, передаточная функция по нагрузке объекта управления может быть представлена следующим выражением [2]:

- рт

Way i(p) =

Mи(р) = Kay 1(t) ■ e____

wa(P) P2 + 2 To ■£■ P +1

(3)

где т = •

2- п

wp Z

постоянная запаздывания стружко-

образования, равная времени поворота ротора на угол, равный угловому расстоянию между двумя соседними рабочими ковшами; Т0 - период собственных колебаний роторной стрелы в горизонтальной плоскости; Е, - степень затухания колебаний металлоконструкций.

Можно показать, что в общем виде передаточная функция по производительности объекта управления имеет выражение [1]:

Way 2 (р) = ^ = 2 КГ (0^

w Д (р) Tо2-P2 + 2 ■ V Е P +1

(4)

Одной из особенностей процесса экскавации является нестабильность его характеристик, обусловленная влиянием большого числа случайных внешних

факторов F, (изменение твердости, связности, трещиноватости, скалываемости и других свойств пород, изменение толщины и высоты срезаемого слоя и др.).

Для обеспечения высокого качества процесса регулирования каждого параметра при изменении горно-технологических условий, параметры регуляторов должны автоматически подстраиваться в зависимости от изменившегося передаточного коэффициента объекта управления. Для этой цели, в каждом контуре стабилизации используется контур самонастройки параметров регулятора (см. рис. 1), состоящий из блока деления с исполнительными элементами. Каждый блок деления подключен к соответствующим датчикам так, чтобы его выходное напряжение было пропорционально текущему значению передаточного коэффициента объекта управления по соответствующему параметру:

тт = к = 1 m = КЪТ ' UЪТ U зЪ1 ~ Л "У 1 ~ ~

w,

w,

U зЪ2 КмУ 2

Q_ = Къп -UЪп

w

(5)

UзЪ3 КмУ 3

w

™ъ

Къп -UЪп

w

Ъ

где КдТ - коэффициент передачи датчика тока;

КдП - коэффициент передачи датчика производительности; КдА - коэффициент передачи датчика амплитуд вибраций.

В зависимости от уровня выходного напряжения блоков деления, их исполнительные элементы изменяют параметры регуляторов.

а

стр. 3

Принятая структура системы параллельного регулирования позволяет при необходимости легко увеличить число регулируемых параметров и контуров их стабилизации. Вместе с тем, принятая структура САУ позволяет осуществлять синтез контуров стабилизации каждого регулируемого параметра независимо друг от друга, и выполнять их исследования отдельно.

В работе выполнен синтез регулятора нагрузки на ЭВМ с использованием математического пакета программ МаШСАБ у.6.0 и моделирование на ЭВМ с использованием пакета прикладных программ МаШЬаЪ у.5.0.

Для определения влияния величины периода квантования на синтезированную систему, реализуем ряд моделей с различным временем квантования. При этом необходимо учитывать, что при изменении времени квантования меняются параметры цифровой передаточной функции объекта управления, и, следовательно, меняется значение параметров синтезированного цифрового ПИД-регулятора.

Синтез ПИД-регулятора заключается в определении значений КР, КI и К по заданным требованиям к качеству системы. Синтез выполнен методом компенсации нулей и полюсов.

Цель синтеза состоит в определении передаточной функции цифрового регулятора так, чтобы система удовлетворяла требуемым критериям качества. Управляемый процесс задан передаточной функцией:

= __________________К кн -(1 + Р-Тдм 2)-е -РГ____________

(1 + РТ ТП )(1 + РТ ДМ )(1 + РТ Г )(1 + РТ Д )(1 + РТ ДРК )( Т о Р 2 + 2ТоЛР + 1)

(6)

где ТТП = 0,01с - постоянная времени тиристорного преобразователя; Т^; ТдМ2 - постоянные времени демпферной машины; ТГ - постоянная времени генератора; Тд - постоянная времени двигателя поворота; Тдрк - электромеханическая постоянная времени двигателя роторного колеса.

Применительно к параметрам экскаватора типа Лаухаммер 8сіїЯ8-1200 параметры регулятора для различных величин периода квантования Т:

с:

КР=1.89, К1=0.55, К1=0.55,

КР=1.78, Кд=0.91.

Результаты моделирования представлены в виде графиков зависимостей тока двигателя ротора от времени на рис. 2. а и скорости двигателя поворота платформы и изменения фициента нагрузки от времени на рис. 2.б. Моделирование выполнялось при изменении величины передаточного коэффициента объекта управления по нагрузке в течение одного реза стружки. В построенной модели учитывались упругие свойства металлоконструкций стрелы.

В общем случае выбор периода квантования определяется или импульсной теоремой, или устойчивостью и общими показателями качества цифровой системы регулирования. Параметры цифрового регулятора и другие параметры системы выбираются аналитически с точки зрения их физической реализуемости и качества системы. Однако цифровым системам управления присущи физические ограничения, определяемые дискретными процессами и элементами, которые отсутствуют в аналоговых или непрерывных системах. Аппаратное обеспечение цифровой системы управления накладывает ограничения на частоту квантования. Из полученных зависимостей можно сделать вывод, что система автоматического управления сохраняет удовлетворительные параметры при периоде квантования до 0,2 с. При дальнейшем увеличении периода квантования происходит ухудшение показателей качества САУ: увеличение колебательности системы и

уменьшение устойчивости.

Поэтому, хотя аналитическое проектирование цифровой системы может обеспечить апериодический процесс, на практике все определяется возможностями конкретного оборудования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ломакин М.С. Синтез контура стабилизации тока нагрузки двигателя рабочего органа роторного экскаватора. МГИ, 1979

2. Акутин Г.К., Гулько Л.В., Щербина Ю.М., Яснопольский К.К. Автоматизация технологических процессов на карьерах. М., Недра, 1977, с. 311.

3. Бухгольц В.П., Снагин В.Т. Автоматическое управление роторными экскаваторами. М., Недра, 1986. с.134-138.

4. Нурлыбаев М.А. Автоматизированные системы управления технологическими процессами на карьерах. М. Неда. 1985. с. 84-85.

Для Т=0.01

Кі=0.55, КД=1.27.

Для Т=0.2 с: КР=1.85, КД=1.14.

Для Т=0.5 с:

© М.В. Панкратов

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

ПАНКРА~1

в:\С диска по работе в универе\ОІАВ_99\ОІАБ4_99\Все С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коат^\Мюго80й\ШаблоныШогта1Ло1т Цифровая САУ процессом копания роторного экскаватора

Гитис Л.Х.

07.06.1999 23:32:00 7

08.06.1999 11:34:00 Гитис Л.Х.

87 мин.

14.12.2008 20:30:00 3

1 801 (прибл.)

10 269 (прибл.)