Синтез систем управления автоматизированным экскаваторным электроприводом с использованием скользящих режимов

В настоящее время в России существует большой парк экскаваторов, среди которых карьерные экскаваторы функционируют в наиболее трудных условиях при разработке скальных пород и мерзлых грунтов.

Электропривод механизма копания карьерного экскаватора представляет собой сложную многомассовую систему и, следовательно, на его динамику большое влияние оказывают зазоры в передачах и действие упругих элементов. Также жесткость упругой связи и момент инерции исполнительного органа значительно меняются в процессе технологического цикла и зависят от геометрического положения исполнительного органа в пространстве.

Обеспечение требуемого качества управления технологическими процессами экскавации целиком возлагается на систему управления. Оптимизация управления технологическими процессами экскавации позволяет решить проблему увеличение эксплуатационной надежности, за счет снижения динамических нагрузок в упругих элементах.

В настоящее время в СНГ из всего разнообразия применяемых систем управления электроприводами главных механизмов экскаваторов наибольшее применение нашла так называемая унифицированная структура экскаваторного электропривода, разработанная В. И. Ключевым. По сути, эта система близка к классической системе подчиненного регулирования (СПР) с определенными модификациями, которые учитывают особенность экскаваторного электропривода. Но использование классической СПР, изначально разработанной для линейной одномассовой системы, не предназначено для электропривода с упругими связями.

Таким образом, совершенствование методов синтеза управляющих устройств и способов управления автоматизированными электроприводами экскаваторов, основанных на адекватных этим системам теоретических исследованиях, является актуальной научной задачей. Решение выше сформулированной научной задачи базируется на использовании результатов исследований ученых в области автоматизированного электропривода, теории автоматического управления и в нескольких смежных областях.

Вопросами теории и практики экскаваторного электропривода занимаются многие научно-исследовательские институты и промышленные предприятия: ОАО «Электропривод» (бывший ВНИИ «Электропривод»), ОАО «Электросила», ОАО «Рудоавтоматика», заводы Уралмаш, НовоКраматорский, Ижорский и др., а также кафедра АЭП МЭИ и другие научные школы вузов Москвы, Санкт-Петербурга, Екатеринбурга, Харькова,.

Львова, Красноярска.

Существенный вклад в развитие теории и практики систем управления автоматизированного электропривода экскаваторов и других общепромышленных механизмов внес В. И. Ключев [26, 33−35]. Работы его научной школы Ю. А. Вуля, В. И. Яковлева, М. В. Терехова и др. посвящены как силовой части, (преобразователи постоянного и переменного тока), так и информационной части системы управления [16, 114, 116]. Итогом последних десятилетий научных исследований под его руководством явилось создание концепции модульного построения электропривода большинства известных сегодня структур на основе использования минимального числа унифицированных однотипных моноблоков. Технически данная концепция реализована в серии многофункциональных моноблочных тиристорных преобразователей ПТЭМ, применяемых для управления возбуждением генераторов [86, 87, 115].

Механическая часть экскаваторов подробно рассмотрена в работах Д. П. Волкова [13, 14], Л. С. Удута [104]. Особенности математического описания и моделирования электропривода экскаватора рассмотрены в работах В. И. Кочеткова и его учеников [30, 48−51, 96].

Системы управления, построенные по принципу подчиненного регулирования, получили наибольшее распространение на общепромышленных электроприводах [4, 6, 24, 58, 79, 110]. Для синтеза систем последовательной коррекции немецким ученым Кесслером разработаны два метода: «симметричного оптимума» и «технического оптимума». Несомненным достоинством таких систем является простота настройки и реализации, как в аналоговом, так и в цифровом виде [36, 85, 95, 98, 103]. Недостатком используемых СПР является синтез только двух, трех контуров регулирования, что вынуждает рассматривать объект управления как одномассовый.

В области оптимального управления необходимо отметить в первую очередь работы JL Эйлера, Р. Беллмана [5], JI.C. Понтрягина [93], H.H. Кра-совского [69], составляющие основы математической теории оптимального управления, в которых изложены методы динамического программирования, вариационные методы, принцип максимума. Необходимо выделить работы по синтезу алгоритмов управления в соответствии с критерием аналитически конструируемого оптимального регулятора (АКОР): А. М. Летова [71, 72], A.A. Красовского [100], а также работы зарубежных авторов X. Квакернаака и Р. Сивана [29], Р. Калмана [28, 128]. Данные методы нашли широкое применение в основном для управления летательными аппаратами, а для совершенствования системы управления экскаваторного электропривода необходимо их развивитие.

Перспективным также выглядит подход, основанный на теории «Комбинированных оптимальных систем управления» [55−57], заключающийся в последовательной коррекции внутренних координат электропривода, когда регуляторы внутренних координат рассчитываются по методике «технического оптимума», а регуляторы внешних координат — на основе теории оптимальных систем (АКОР) [40, 88, 89].

В настоящее время активно развивается, и получил широкое распространение адаптивный подход [2, 3, 32, 73−77, 80, 82, 90, 121]. Его концепция связана с приспосабливанием управляемой системы к влиянию внешней среды для достижения желаемого поведения. Наиболее часто функционирование адаптивных систем происходит с использованием подстройки параметров устройства, реализующего закон управления. Основными методами адаптации являются методы поисковой и беспоисковой адаптации, адаптации с эталонной и настраиваемой моделью.

Высокое качество динамических процессов может быть достигнуто при проектировании, если рассматривать синтез систем управления электропривода, используя теорию систем с переменной структурой, основоположником которой является академик C.B. Емельянов [102]. Его ученики В. И. Уткин, В. А. Таран, А. Е. Федотова, В. А. Костылева, A.M. Шубладзе,.

B.Б. Езеров, E.H. Дубровский и др. внесли существенный вклад в развитие этой теории.

Дальнейшим развитием и обогащением теории систем с переменной структурой явились теория систем с разрывным управлением [105, 106, 108, 121] и теория бинарных систем и новых типов обратной связи [19−21]. Первая строится на использовании многомерного скользящего режима в пространстве состояний для решения поставленных задач управления, а вторая, базируется на принципе бинарности, т. е. двойственной природе сигналов в нелинейных динамических системах, что позволяет возложить синтез оператора стабилизирующей обратной связи на вспомогательную нелинейную систему.

Применению систем с переменной структурой посвящены работы.

C.Е. Рывкина [97], A.B. Бушева [8−10] и других авторов. Использованию данной теории для экскаваторного электропривода посвящены работы В.П. Ко-четкова и его учеников [39−47, 53, 54, 59−62, 66, 68].

Цель работы: синтез и исследование систем управления с переменой структурой для электроприводов копающих механизмов экскаваторов, позволяющих повысить показатели качества динамических процессов.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

— синтез комбинированной системы управления с переменной структурой электроприводом копающих механизмов экскаваторов посредством последовательной коррекции внутренних координат электропривода и СПС внешних координат;

— оптимизация динамики экскаваторного электропривода с помощью организации скользящего режима, минимизирующего квадратичный критерий оптимальности;

— определение влияния весовых коэффициентов критерия оптимальности на динамику ЭМС;

— синтез системы управления с переменной структурой экскаваторным электроприводом с явной эталонной моделью и определение ее параметров;

— проверка эффективности разработанных систем и алгоритмов разрывного управления экскаваторным электроприводом при помощи структурного моделирования.

Методы исследований: дифференциального и интегрального исчислений, пространства состояния, для описания и анализа динамики ЭМСмодального управления и АКОР для синтеза поверхности переключениятеории систем с переменной структурой и функции Ляпунова для синтеза законов управления. Расчеты и компьютерное моделирование проводились с использованием программного пакета МАТЬАВ.

Научная новизна и научные результаты, выносимые на защиту:

— способ синтеза комбинированных систем управления с переменной структурой, заключающийся в последовательной коррекции внутренних координат (тока возбуждения или тока якорной цепи) и использованием теории систем с переменной структурой для регулирования внешними координатами электропривода;

— впервые для управления экскаваторным электроприводом применена система с переменной структурой, поверхность переключения которой выбрана таким образом, что движению по ней соответствует минимум квадратичного функционала;

— на основании анализа влияния весовых коэффициентов критерия оптимальности на динамику электропривода предложен способ выбора коэффициентов критерия оптимальности, заключающийся в разделении координат на группы с последующим выбором весовых коэффициентов для каждой группы с учетом максимально допустимого отношения весовых коэффициентов при каждой группе;

— экскаваторный электропривод с системой управления с переменной структурой с явной эталонной моделью и способ выбора ее параметров заключающийся в синтезе замкнутой следящей оптимальной системы при средних параметрах объекта управления, математическое описание которой и является эталонной моделью.

Достоверность полученных результатов работы определяется обоснованностью принятых допущений, удовлетворительным совпадением результатов модельного и физического экспериментов.

Практическая ценность результатов работы заключается в том, что используемые законы управления позволяют повысить качество отработки задающих воздействий электромеханическими системами в динамических режимах и снизить величину упругого момента в режиме жесткого стопоре-ния.

Использование результатов диссертации. Материалы диссертационной работы, касающиеся моделирования и синтеза систем управления с переменной структурой электроприводами, использованы на предприятиях: разрез «Нерюнгринский» филиал ОАО ХК «Якутуголь» и ООО «СУЭК-ХАКАССИЯ» разрез «Черногорский», а также в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов студентами кафедры «Электроэнергетика» Хакасского технического института — филиала ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы непосредственно докладывались и обсуждались на следующих конференциях: V Международной конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007. (г. Санкт — Петербург, 2007 г.), IV Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления опыт инновационного развития» (г. Томск, 2007 г.), XIV, XV Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов, и молодых ученых «Современная техника и технологи» (г. Томск, 2008, 2009 г. г.), XVII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-17−2011) (г. Томск, 2011 г), III, IV Всероссийских научно-практических конференциях «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях» (г. Новокузнецк, 2006, 2010 г. г.), VI Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (г. Новокузнецк, 2007 г.), Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука: начало XXI века» (г. Красноярск, 2008 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии — в промышленность!» (г. Омск, 2008 г.), Всероссийской научной конференции «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2008 г.), 6-й Региональной научно-практической конференции «Интеллектуальные ресурсы ХТИ — филиала СФУ — Хакасии 2007 (наука, техника, образование)» (г. Абакан, 2007 г.), I, II Межрегиональных научно-практических конференциях «Инновационное развитие, модернизация и реконструкция объектов ЖКХ в современных условиях» (г. Абакан, 2010, 2011 г. г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 27 работах. Из них 3 статьи в изданиях по перечню ВАК, 1 учебное пособие, 2 патента РФ, 2 статьи в научных журналах не входящих в перечень ВАК, 15 статей в сборниках докладов Международных и Всероссийских конференций, 4 статьи в сборниках докладов Межрегиональных и Региональных конференций.

Общая характеристика диссертации. Диссертационная работа представлена на 173 страницах, включающей 149 страниц основного текста, содержит 87 рисунков, 6 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 132 наименований на 16 страницах и 6 приложений на 8 страницах.

В первом разделе рассмотрен экскаватор и электропривод экскаватора, проанализированы известные принципы построения систем управления экскаваторного электропривода. Приведено математическое описание объекта управления, рассмотрены классические системы подчиненного регулирования. Выявлены особенности и недостатки таких систем, поставлена задача дальнейшего исследования.

Во втором разделе рассмотрен синтез систем с переменной структурой для электропривода копающего механизма, когда состояние управляемого процесса полностью определяется ошибкой выходной координаты (скорости двигателя) и ее производными. Приведены результаты анализа динамики полученных систем в различных номинальных и аварийных режимах.

Третий раздел посвящен синтезу систем с переменной структурой для электропривода копающего механизма, фазовое пространство которого не является пространством производных сигнала ошибки. Приведено математическое описание ЭМС в режиме скольжения, синтез поверхности переключения при помощи модального метода и оптимального управления, синтез законов управления, обеспечивающих устойчивый скользящий режим. Исследованы переходные процессы электроприводов рассмотренных систем с переменной структурой.

Четвертый раздел посвящен синтезу адаптивных систем с переменной структурой с явной эталонной моделью для управления электроприводом копающего механизма. Приведена методика выбора эталонной модели, основанной на оптимальном управлении выходной координатой электропривода.

В пятом разделе приведено описание экспериментальной установки, позволяющей исследовать электропривод с системой управления с переменной структурой. С помощью экспериментальных исследований и сравнения их с результатами моделирования сделана проверка полученных в работе результатов.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Разработана методика синтеза комбинированных систем с переменной структурой для электропривода копающего механизма, заключающаяся в последовательной коррекции внутренних координат и синтезом СПС для выходной координаты (скорости). Это позволяет понизить порядок дифференциального уравнения, описывающего объект управления и упростить дальнейший синтез СПС.

2. Применение в управлении систем с переменной структурой позволяет более качественно производить отработку задающих воздействий по сравнению с системами подчиненного регулирования, применяемыми в экскаваторном электроприводе в настоящее время.

3. Применение СПС для регулирования второй массой в экскаваторном электроприводе при представлении в качестве фазового пространства ошибки регулирования и ее производными крайне затруднительно, т. к. требует измерения производных до порядка системы (для Г-Д 5 порядка, для УГ1-Д 4 порядка). При этом на динамику значительное влияние начинает оказывать действие инерционности, присущее реальным дифференциаторам, что делает реализацию требуемых законов управление невозможным.

4. Рассмотрены способы формирования поверхности переключения на основе модального метода и минимизации квадратичного функционала. Выявлено, что наиболее удобна методика синтеза поверхности переключения на основе минимизации квадратичного функционала, т. к. наиболее ярко выражена зависимость м/у коэффициентами минимизируемого функционала и показателями качества переходного процесса, чем м/у расположением корней и показателями качества переходного процесса.

5. Исследовано влияние коэффициентов критерия оптимальности на динамические характеристики электропривода системы Г-Д и УП-Д, даны и обоснованы рекомендации по их выбору.

6. Исследовано влияние на динамику электропривода различных за п ^ п конов управления (м= ос^к sign (s) и = ,.

V /=1 / ' /=1 м = ?/" sign (я)), выводящих систему на режим скольжение и гарантирующих, устойчивый скользящий режим. Выявлено, что динамика ЭМС с рассмотренными законами управления практически одинакова, поэтому выбор между этими законами управления можно осуществить исходя из возможности более простой их реализации.

7.

Введение

в систему с переменной структурой явной эталонной модели позволяет получить инвариантную к изменению параметров объекта систему и значительно уменьшает время выхода системы на режим скольжения, обладающим желаемыми для нас свойствами, следовательно в данном режиме система работает не завершающий этап переходного процесса, а большую часть переходного процесса.

8. Наибольший эффект от применения систем с переменной структурой наблюдается в электроприводе управляемый преобразователь — двигатель, изначально обладающий большим быстродействием.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе были рассмотрены различные варианты синтеза систем управления с использованием скользящих режимов для электропривода копающего механизма экскаватора, выполненного по системе генератор-двигатель и по системе управляемый преобразователь — двигатель. Применение скользящих режимов в управлении позволяет получить инвариантную к внешним возмущениям и изменению параметров систему и снизить максимальный бросок упругого момента при жестком стопорении.