Исследование системы управления многодвигательным электроприводом поворота мощного экскаватора-драглайна

Задача исследования системы управления многодвигательным электроприводом поворота экскаватора драглайна является актуальной в связи с высокими требованиями, предъявляемыми к качеству динамических процессов, протекающих в управляемой многомассовой электромеханической системе. Существующие аналитические методы расчёта показателей качества динамических процессов в системах подобной сложности, как правило, связаны с многими упрощениями, такими, как замена многомассовой электромеханической системы одномассовой системой или замена многодвигательного электропривода одно-двигательным.

Современное программное обеспечение для моделирования сложных систем управления, представленное комплексом программ МаНаЪ, позволяет выполнить исследование системы управления электроприводом поворота экскаватора-драглайна с учётом как многомассового, так и многодвигательного состава системы с учётом имеющихся в ней существенных нелинейностей.

При этом возникает задача создания адекватной математической модели и адекватных структурных схем решения входящих в состав этой модели дифференциальных уравнений. Наиболее надёжным способом проверки правильности получающегося математического описания и полученных на его основе решений является постепенное усложнение математических моделей и структурных схем моделирования, начиная с изучения установившихся процессов в одномассовой системе и заканчивая многомассовой и многодвигательной системой. Каждый последующий этап исследования при этом проверяется числовыми данными, полученными на предшествующем этапе, обеспечивая не только верификацию новых данных, но и возможность иерархического построения математического описания и структурных схем моделирования, обеспечивающего модульный характер каждого этапа исследований. Каждый этап модуль) исследований при таком подходе сохраняет возможность совершенствования без корректировки остальных модулей.

Особенную ценность такой подход, принятый в данной диссертационной работе, приобретает при исследовании различных систем управления многодвигательным электроприводом поворота экскаватора драглайна, характеризующегося высокими требованиями к качеству переходных процессов не только электрических, но и механических параметров системы. В качестве основного программного обеспечения исследований использованы программы Simulink и Nonlinear Control Design, входящие в программный комплекс Matlab.

Эффективность использования мощных экскаваторов драглайнов во многом зависит от правильного выбора параметров настройки систем автоматического управления основных рабочих механизмов экскаватора. Существующие аналитические методы расчёта этих параметров относятся к системам автоматического управления одномассовыми и однодвигательными электромеханическими системами и не учитывают ряда существенных нелинейностей, присущих электромеханической системе поворота экскаватора, к которым, в первую очередь, относится нелинейность, создаваемая наличием кинематических зазоров в валопроводе механизма поворота.

Современное программное обеспечение для моделирования сложных систем управления, представленное комплексом программ Matlab, позволяет выполнить исследование системы управления электроприводом поворота экскаватора драглайна с учётом как многомассового, так и многодвигательного состава системы с учётом имеющихся в ней существенных нелинейностей.

Целью работы: является разработка математической модели динами-ческих процессов в системе автоматического управления многомассовой и многодвигательной электромеханической системы электропривода поворота мощного экскаватора-драглайна, позволяющей обеспечить лучшие показатели качества процесса управления и повысить эффективность эксплуатащии экскаватора-драглайна.

Идея работы состоит в том, что созданные математическое описание динамических процессов в многомассовой электромеханической системе поворота экскаватора виде системы дифференциальных уравнений и структурные схемы их решения с использованием программы МаЙаЬ, позволяют осуществить автоматизированный выбор параметров регуляторов с учётом многогомассового и многодвигательного состава управляемой системы и присущих ей существенных нелинейностей.

Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель и соответствующие схемы моделирования динамических процессов в различных классах систем автоматического управления многодвигательным электроприводом поворота мощного экскаватора драглайна.

2. На основе результатов моделирования разработать метод автоматизированного выбора параметров и структуры регуляторов системы автоматического управления многодвигательным электроприводом экскаватора-драглайна.

3. Исследовать качество переходных процессов в многомассовой электромеханической системе поворота экскаватора драглайна и разработать рекомендации по улучшению качества переходных процессов.

Методы исследования: использован метод постепенного усложнения структуры управляемой системы от разомкнутой одномассовой до замкнутой многомассовой и многодвигательной системы. Рассмотрены два типа систем управления многомассовой и многодвигательной системой. Для исследований используются программные продукты Simulink, Control System Toolbox и Nonlinear Control Design, входящие в программный комплекс Matlab.

Научные положения и новизна работы:

1. Разработанная математическая модель многомассовой и многодвигательной электромеханической системы электропривода поворота экскаватора-драглайна с достаточно обоснованной системой допущений и ограничений, адекватно описывает динамические процессы в реалной системе электропривода поворота.

2. Разработанная рациональная схема управления электроприводом с суммирующим усилителем и схема подчинённого регулирования мощного экскаватора-драглайна показали путём моделирования, возможность улучшения качества процесса управления.

3. Разработанный метод автоматизированного определения параметров настройки регуляторов системы управления электроприводом поворота экскаватора-драглайна с использованием технологии моделирования программного комплекса Simulink, Control System Toolbox и Nonlinear Control Design, позволил получить улучшенные показатели качества переходных процессов в многодвигательной электромеханической системе поворота с учётом существенных нелинейностей исследуемой системы.

4. Новизна работы состоит в использовании модульного принципа в построении математического описания и моделирования динамических процессов в системе управления многодвигательным электроприводом поворота мощного экскаватора драглайна и в использовании программного метода для автоматизированного выбора параметров систем автоматического управления этим электроприводом.

Практическая ценность: Разработанные математическое описание и динамические процессы в многомассовой электромеханической системе поворота с учётом существенных нелинейностей, позволяют использовать современные программные средства для автоматизированного выбора параметров системы управления, обеспечивающих лучшее качество переходных характеристик системы управления электроприводом поворота экскаватора-драглайна.

Публикация: по результатам выполненных исследований опубликованы 2 статьи в журнале, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Автоматики и управления в технических системах» Московского государственного горного униветситета.

1.Обзор литературы. Постановка задачи. Возможности программ Simulink, Control System Toolbox и Nonlinear.

Control Design.

Заключение

.

В диссертационной работе изложен поэтапный (модульный) принцип построения математического описания и моделирования динамических процессов в различных классах систем автоматического управления электроприводом поворота экскаватора-драглайна. На каждом этапе исследований на примере учебной системы установлены особенности математической модели и структурной схемы моделирования. Далее приведены математическое описание, соответствующая ему структурная схема моделирования для экскаватора-драглайна, приведены осциллограммы переходных процессов для электрических и механических переменных, характеризующих системы управления электроприводом поворота экскаватора.

Для автоматизированного выбора параметров систем управления многомассовой электромеханической системой поворота использована программа Nonlinear Control Design, входящая в программный комплекс Matlab, позволяющая найти значения параметров настройки регуляторов, обеспечивающие протекание переходных процессов электрических переменных в пределах установленных ограничений переходных характеристик. Установлена необходимость использования дополнительных демпфирующих средств для гашения колебаний в валопроводе многомассовой электромеханической системы.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Разработаны математическое описания и структурные схемы моделирования динамических процессов в системе автоматического управления электроприводом поворота экскаватора, позволяющие методом моделирования определять параметры регуляторов с учётом многомассового и многодвигательного состава управляемой электромеханической системы.

2. Использован поэтапный (модульный) принцип построения математического описания и соответствующих ему структурных схем моделирования динамических процессов в различных классах систем автоматического управления электроприводом поворота экскаватора-драглайна. На каждом этапе исследований на примере учебной системы установлены особенности математической модели и структурной схемы моделирования на каждом этапе исследования. На этой основе созданы математическое описание и соответствующие ему структурные схемы моделирования для экскаватора драглайна, получены осциллограммы переходных процессов для электрических и механических переменных, характеризующих системы управления электроприводом поворота, экскаватора.

3. Использован метод постепенного усложнения структуры управляемой системы: от разомкнутой одномассовой системы до замкнутой многомассовой и многодвигательной системы. Рассмотрены два типа систем управления многомассовой и многодвигательной системой. В качестве программного обеспечения исследований используются программы Simnlink, Control System Toolbox и Nonlinear Control Design, входящие в программный комплекс Matlab.

4. Систематизированы особенности электромеханической системы поворота экскаватора драглайна и обоснована система допущений, принятых при составлении математической модели системы управления многомассовой и многодвигательной электро-механической системой поворота экскаватора драглайна.

5. Обоснован и реализован метод использования программ Simulink, Control System Toolbox и Nonlinear Control Design для определения параметров настройки регуляторов, входящих в систему управления электроприводом поворота экскаватора драглайнана основании результатов моделирования разработаны рекомендации по улучшению качества переходных процессов в многодвигательной электро-механической системе поворота с учётом существенных нелинейностей исследуемой системы.