Потапов молерирование (8)


4.2.2 Методика минимизации критерия стабилизации теоретической производительности проходческих комбайнов
Следует отметить, что при перемещениях исполнительного органа (ИО) будут наблюдаться определенные отклонения производительности Qj = SCi • Vni по отношению к Q из-за: кинематических изменений скорости Vnj; изменений St, вследствие реализации соответствующей криволинейной формы груди забоя в обеих плоскостях. Здесь Vnj и S^j - скорость подачи и поперечная площадь вынимаемого слоя породы в процессе выполнения j -го бокового реза.
Расчетная схема для определения скорости Vnj (на примере комбайна КПД) приведена на рис.4.6.


Рисунок 4.6 - Расчетная схема для определения скорости подачи ИО в горизонтальной плоскости: а) срг = 0; б) je = 0

Здесь обозначены: 1 - турель; 2, 3 - гидродомкраты для поворота турели в горизонтальной плоскости; 4 - рама стрелы; 5 - ИО; 6, 7 - гидродомкраты для поворота рамы стрелы в вертикальном направлении; h2 , h3 - плечи соответствующих гидродомкратов.
Зависимость для определения текущего значения скорости подачи Vni в точке, совпадающей с геометрическим центром сечения снимаемого породного слоя Sci, при повороте стрелы,
(4.8)
например, вправо в процессе выполнения i -го горизонтального реза будет иметь следующий вид:
QH {[\ + 0,5(Ош - B30 )]cosjei}


где: QH - подача насоса гидросистемы проходческого комбайна, обеспечивающая перемещения стрелы; йИО - наибольший, по вершинам резцов, диаметр аксиального ИО; Sn, Эш - площади соответственно поршневой и штоковой полостей гидродомкратов 2 и 3.

Задача по стабилизации Q должна решаться путем минимизации предложенного безразмерного критерия стабилизации
Dq = kqi -1 [32, 58].
(4.9)
Ksai = Sci/ Scoi; Kvai = Vni / Vnoi- коэффициенты, характери- зирующие изменения текущих значений Sci и Vn, в процессе выполнения i -го горизонтального реза (ргФ 0о) относительно численных значений данных параметров ScOi и Vno, которым они равны в пределах рассматриваемого горизонтального реза при
Рг - 0°;
Kseo - Scoi/ Sco; KWo - Vnoi / Vno - коэффициенты, характери- зирующие изменения соответственно величин Scoi и Vnoi относительно их номинальных значений (при рг- рв- 0о).
При увеличении |рг| имеет место определенное повышение Kv8j (из-за уменьшения плеч h2 и h3), при увеличении |рв| определенным образом снижается Kveo (из-за уменьшения параметра {[(I +0, 5(Дио -Взо)] cospei}) [64, 62].
Поскольку Kv2l и Kveo однозначно определяются кинематикой подсистемы подвески и перемещения ИО, т.е. строго привязаны к конструкции ПК, а величина коэффициента Ks2l также заведомо определяется соответствующей формой груди забоя, то рассматриваемая задача по стабилизации Qi должна решаться
на основе варьирования величиной коэффициента Kseo за счет подбора соответствующих значений пошагово изменяемой величины угла apei (см. рис. 4.3). При этом при повышении (
необходимо увеличивать |Apgi|. Задаваемые значения apej также должны отрабатываться подсистемой автоматизированного управления. Необходимо подчеркнуть, что величины коэффициентов Ksai и Kv8j в пределах каждого i-го горизонтального реза изменяются разнонаправленно, что благоприятно влияет на стабилизацию Qi .Как показывает анализ, предложенный способ стабилизации Q, является достаточно эффективным. Он позволяет реализовать минимальные значения критерия Aq, не превышающие
порядка 0,1 на основной части площади сечения выработки (за исключением нижнего реза).
4.2.3 Функциональная и структурная модели мехатронных
подсистем привода в составе проходческих комбайнов
Применительно к решаемой задаче целесообразно и правомочно [9] рассмотрение выделенной из общей сложной системы «комбайн-внешняя среда» (см. рис.1.2) мехатронной подсистемы привода исполнительного органа (ПИО), включающей традиционного построения подсистему привода (в составе электродвигателя (электродвигателей), редуктора и исполнительного органа (ИО)) и аппаратуру управления режимами работы ИО с помощью частотно-регулируемого электропривода на основе информационно-электронных (ИЭ) компонент. В эту подсистему предлагается также ввести человека-оператора со своими психо-физиологическими возможностями [33], как исключительно важное интеллектуальное звено при человеко- машинном управлении проходческими комбайнами, работающими в условиях сложной и неблагоприятной среды подготовительной выработки, которая отличается высокой степенью непредсказуемости появления нештатных и опасных ситуаций.
Проанализируем функциональную модель (F-модель) ме- хатронных подсистем ПИО, неразрывно взаимодействующих с подсистемами подвески и перемещения исполнительного органа (подсистемами ППО) в составе проходческих комбайнов (ПК).
В соответствии с системным представлением ПК [9] подсистемы ППО включают турель, раму стрелы, корпусные узлы подсистемы ПИО, гидропривод регулирования положения исполнительного органа на основе пар гидродомкратов, обеспечивающих 3 степени свободы при перемещениях органа, и сам исполнительный орган (см. также рис.4.6).
Рассматриваемые мехатронные подсистемы ПИО совместно с подсистемами ППО в составе ПК предназначены для выемки (а также выгрузки отделенной горной массы из рабочей зоны) горных пород с граничными значениями предела прочности на одноосное сжатие &сж е [&сжн; &сжв] при реализации режима стабилизации момента Mp е [ M pH ;M рв ] на основе автоматизированного управления скоростью Vp е [VpH;Vpe ] .
Здесь индексы «н» и «в» соответствуют нижним и верхним значениям «коридора» поддержания заданного уровня момента M p и диапазона регулирования скорости Vp.
Для реализации указанной F-модели минимально необходимы следующие структурные блоки, имеющие собственные функциональные назначения (собственные Fj - модели), см.
рис.4.7 [59, 60].
Z:
рр Ik
- —
tk щ 1
—«е
t 4J М,п: Редукт ор МрЛоб
В»ИГ)
- — —«д А /\
СОИ
-н-
СУ
ои св и ДВ
ПР ОПЕРАТОР
Ев
£ Я
о Ф
о ^
Is.
о
к к
о
fi.

& & X
ф
X CQ
-Вз-
X,
г
и
Рисунок 4.7 - S-модель мехатронных подсистем ПИО, взаимодействующих с внешней средой
КМ
1
Ur

Электродвигатель (ЭД), как преобразователь электрической энергии во вращательное движение ротора с моментом М и частотой вращения n.
Редуктор, как преобразователь вращательного движения с необходимым передаточным числом up; характеризуется
средним уровнем момента на выходном валу Mp = M • up hp, где hp - КПД редуктора (на рис.4.7 no6 - частота вращения выходного вала).
ИО, входящий одновременно в состав подсистем ПИО и ППО и предназначенный для обеспечения выемки породы при реализации режимных параметров - скоростей Vp = var и
Vn » const, величин заглубления в массив Вз и вынимаемых слоев массива Нс.
Регулятор режимов работы (РР), как управляющий модуль, предназначенный для формирования управляющего преобразователем частоты кодового сигнала задания выходного напряжения Uзад в зависимости от:
тока статора ЭД I, рассматриваемого в качестве мониторингового сигнала нагрузки ЭД М; при этом граничные значения I е [\ н; Iв ] (которые целесообразно делать регулируемыми в зависимости от условий работы) должны соответствовать границам «коридора» автоматизированного поддержания заданного уровня момента Mp е [ M pH; M рв ] ;
управляющих воздействий оператора Ко;
температуры t £ [t] обмотки статора ЭД ([t] - допускаемое значение t );
сигналов Zj £[zj], характеризующих состояние внешней
среды (см. п.4.2.1); здесь [zy] - допускаемые значения z.
Кроме того, РР должен формировать кодовый сигнал К для управления подачей напряжения шахтной электросети к преобразователю частоты.
Электрический преобразователь частоты (ПЧ), преобразующий подаваемое (в соответствии с сигналом К1) напряжение шахтной электросети Хс (с параметрами Uc, fc) в соответствии
с кодовым сигналом изад в напряжение Un с переменными
взаимосвязанными параметрами - частотой f1 е [ fH; fc ] и
действующим значением напряжения питания ЭД U е [Uн ;Uс ] . Здесь fc =50Гц и Uc - номинальная частота и
фактическое напряжение шахтной электросети, подводимое к пускателю. При работе ЭД осуществляется одновременное, взаимосвязанное соответствующей зависимостью, регулирование параметров f1 и U вниз от fc и Uc с целью формирования рациональных искусственных статических характеристик [18]. При этом граничные значения f1 соответствуют границам регулирования частоты вращения ротора ЭД п е [пн ;пв ] и скорости Ур е [Урн ;Урв] .
На рис.4.7 применительно к структурному представлению человека-оператора, взаимодействующего с объектом управления в условиях проходческого забоя, обозначены: СВ -
133
сенсорный вход, обеспечивающий получение соответствующих данных от средств отображения информации (СОИ); ОИ и ПР - блок обработки информации и принятия решений; ДВ - двигательный выход, обеспечивающий необходимые управляющие воздействия на органы управления (ОУ) [33].
Оператор в условиях подвижного рабочего места с помощью органов чувств (сенсорный вход) воспринимает информацию о протекании технологических процессов и состоянии внешней среды непосредственно и с помощью соответствующих СОИ. Эта информация им обрабатывается (основную роль здесь играют мышление и память), в результате чего принимается управленческое решение как волевое действие, связанное с постановкой и осознанием цели, с прогнозированием возможных последствий. Реализация принятого решения осуществляется с помощью управляющих воздействий человека на ОУ.
В качестве внешней среды (см. рис.1.2) применительно к рассматриваемой задаче выступает геотехническая система «горный массив - подсистема ППО и другие подсистемы ПК, взаимодействующие с подсистемой ПИО при выполнении технологических операций, - автономное транспортное средство - крепь», а также силовая электросеть и насосная установка для подачи воды. К параметрам внешней среды, кроме того, относятся: уровень освещенности, содержание метана и концентрация пыли в шахтной атмосфере, температура воздуха, влажность, уровень шума и др.
Между структурными элементами, представленными на рис.4.7, показаны обратные связи, что необходимо при рассмотрении процесса управления данными объектами при их функционировании.
4.2.4 Математические модели и особенности функционирования информационно-электронных компонент
Математические модели (ММ) регулятора режимов работы (РР) и преобразователя частоты (ПЧ) можно записать в виде вектор-функций, воспользовавшись предложенными в работах [31, 50] общими подходами к решению подобного характера задач автоматизированного управления и их формализованному представлению в интегрированном виде.
ММ регулятора режимов работы: Uзад =j (хр, Ц^),
где: U зад - выходной вектор; X р(ко, I, t, Zj) - входной вектор; Lape(I y;t1; [t]; [zj]) - вектор основных параметров РР; Iy- ток
уставки, соответствующий значению Мр ; t1 - параметр, характеризующий быстродействие РР.
При нештатных ситуациях РР должен обеспечивать:
UR зад = 0, если выполняется хотя бы одно их следующих условий:
t > [t], zj > [zj], I > Ie при f1 = fe;йзад = Uh, если I < I н при f1 = fH.
Если при разрушении горного массива будет наблюдаться систематические недогрузки или перегрузки ЭД, то следует соответствующим образом изменить величину высоты вынимаемых слоев массива Нс с целью реализации режима автоматизированного поддержания заданного уровня момента M p.
Перспективным является использование идеи, впервые предложенной учеными ДонНТУ [38, 65], об опережающем изменении скорости подачи ИО (в данном случае, при наличии мехатронной подсистемы привода следует рассматривать изменение скорости резания Vp) до начала перехода фрезерного
органа на разрушение участка забоя с другими прочностными свойствами (см. п.2.4.2).
ММ преобразователя частоты: U п = рп (хп, Рп) ,где: U п (U, f1) - выходной вектор; Xп (Xc, U зад) - входной вектор; Хс(Uc, fc) - вектор параметров шахтной электросети; Rane - вектор параметров ПЧ, характеризующийся параметром быстродействия t2 и обеспечивающий формирование рациональных искусственных статических характеристик ЭД.
Рассмотренные основные блоки S - модели (рис.4.7) должны быть дополнены следующими минимально необходимыми интерфейсами [31]:
коммутационным модулем КМ1, преобразующим управляющий кодовый сигнал Ki от РР в сигнал К2 управления КНС;
коммутатором силового напряжения КНС в виде пускателя для подачи или отключения электроэнергии по сигналу управления К2;
3) коммутационным модулем КМ2, преобразующим сигналы обратной связи I и t (характеризующие текущее состояние ЭД) в кодовые информационные сигналы 1к и tK.
Рассмотрим особенности частотного регулирования ЭД [12-14]. Частотное регулирование асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором может в общем случае осуществляться на основе модульного или векторного управления [14]. Модульное или скалярное частотное управление позволяет более просто и эффективно регулировать скорость вращения ротора ЭД п. Это положительное качество данного способа управления особенно существенно проявляется при низких требованиях к динамике асинхронного электропривода и сравнительно нешироком диапазоне регулирования п, что вполне согласуется с решаемыми в настоящей работе задачами. Физическую основу модульного способа управления составляют электромагнитные процессы, формирующиеся в ЭД при скалярном изменении модулей величин, определяющих его электромагнитный момент (частоты, напряжения, токов и магнитных потоков). Подробный анализ данных процессов изложен в многих работах, посвященных теории автоматического регулирования электропривода.
Основываясь на данном анализе, можно сформировать следующие основные принципы частотного регулирования ЭД в составе мехатронных подсистем ПИО проходческих комбайнов с позиции реализации рассматриваемых автоматизированных режимов работы.
Для поддержания примерно одинаковых уровней номинального Мном и критического Мк моментов приводного ЭД необходимо одновременно с изменением частоты f1 регулировать и величину напряжения U по следующему закону (режим IR компенсации) [14]:
U - In
1 = const,(4.10)
f1
где: r1 - активное сопротивление статора.
Указанный закон регулирования может быть реализован при замкнутой системе частотного управления, полностью компенсирующей влияние на электромагнитные процессы в ЭД падения напряжения на сопротивлении r1 (положительная обратная связь по току статора).
В качестве основного мониторингового управляющего сигнала при рассматриваемом модульном способе частотного регулирования ЭД в составе мехатронной подсистемы ПИО, обеспечивающего постоянство средней величины момента М, как уже отмечалось, целесообразно принимать ток статора I, величина которого может оперативно регистрироваться, например, при помощи датчика Холла.
Вышеуказанная замкнутая система частотного управления с режимом IR компенсации, являющимся стандартной функцией в современных серийных преобразователях частоты для ЭД, при всех ее положительных качествах не может конкурировать по уровню сложности с разомкнутыми системами частотного управления. Вследствие этого заслуживает внимания разомкнутая система частотного управления, которая довольно успешно работает в преобразователях частоты ЭД подсистем подачи современных очистных комбайнов, разработанных ГП «Донгипроуглемаш» [31].
Суть работы данной разомкнутой системы частотного управления, способной обеспечить заданный стабильный уровень крутящего момента М, состоит в том, что необходимый вышеуказанный закон регулирования U и f1 обеспечивается на основе предварительно экспериментально установленных требуемых дискретных значений напряжения U, коррелирующихся с каждой пошагово изменяемой величиной частоты f1. Банк исходных данных указанных величин U и f1 (с достаточно малым шагом дискретизации) хранится в памяти со-ответствующего микропроцессора РР. Следует отметить, что необходимые величины напряжения, обеспечивающие стабильные значения критических моментов на каждой искусственной характеристике ЭД, равное величине критического момента на его естественной характеристике, подбираются экспериментально на специальном испытательном стенде при статическом режиме нагру- жения исследуемого двигателя. Т. о., кодовый сигнал Uзад,
формируемый РР, несет информацию о необходимых для выработки с помощью ПЧ значениях попарно связанных параметров U и f1 в виде вектора Un в зависимости от величины тока I.
Рассмотренная разомкнутая система частотного управления, по сути имитирующая работу замкнутой системы частотного управления с положительной обратной связью по току стато-
139
ра в режиме IR компенсации и успешно апробированная в частотно-регулируемом электроприводе подсистем подачи очистных комбайнов мехатронного класса [31], вполне может быть использована и для мехатронных подсистем ПИО проходческих комбайнов.
По экспертной оценке специалистов ГП «Донгипроугле- маш» габаритные размеры блока с аппаратурой автоматизированного управления частотно-регулируемым электроприводом подсистемы ПИО для соответствующего исполнения проходческого комбайна КПД ориентировочно составят 350*400*700мм. Указанный блок целесообразно компоновочно расположить в составе магнитной станции комбайна.


Приложенные файлы

  • docx 26769203
    Размер файла: 144 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий