Устройство комбинированного оптимального управления электроприводом экскаватора

 

Изобретение относится к приводам горных машин. Сущность изобретения заключается в том, что оно содержит командоаппарат 1, сумматор 2, тиристорный преобразователь 3, первый нелинейный элемент 30, пороговый датчик тока 31, регулятор 15, датчик скорости 13 и датчик упругого элемента, второй нелинейный элемент 16 и коммутирующий ключ 17. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к управлению горной техникой, а именно к управлению электроприводами механизмов одноковшовых экскаваторов, в которых требуется ограничение токов, возникающих в режимах с управляющими и возмущающими воздействиями, и может быть использовано для управления электроприводами других горных машин.

Известно устройство управления электроприводами экскаватора, содержащее последовательно соединенные командоаппарат, армматор, тиристорный преобразователь, а также датчик тока, датчик тока якоря, датчик скорости, регулятора снижения динамических нагрузок, датчик температуры. В этом устройстве происходит управление по двум параметрам скорости и тока [1].

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для комбинированного управления электроприводами экскаватора, содержащее командоаппарат, подключенный к первому входу сумматора, выход которого через тиристорный преобразователь подключен к электроприводу системы Г-Д, датчик температуры через пороговый элемент подключен к первому входу первого нелинейного элемента, к второму входу которого нелинейного элемента подключен к второму входу сумматора, третий вход которого соединен с выходом регулятора снижения динамического напряжения, первый вход которого через размыкающий контакт коммутирующего ключа соединен с датчиком скорости, выход второго нелинейного элемента соединен с коммутирующим ключом [2]. Известные устройства не обладают достаточной надежностью управления.

Целью изобретения является повышение надежности управления за счет снижения динамических нагрузок.

Достигается этом тем, что введен датчик упругого момента, выход которого соединен с входом второго нелинейного элемента и через замыкающий контакт коммутирующего ключа - к второму входу регулятора снижения динамического напряжения.

Предлагаемое изобретение характеризуется, во-первых, оптимизацией управляющего воздействия путем минимизации квадратичных отклонений скорости двигателя от установившегося значения при минимуме расхода энергии управления, во-вторых, оптимизацией возмущающего воздействия путем минимизации квадратичных отклонений усилия в упругом элементе от установившегося значения при минимуме расхода энергии управления, в-третьих, переключением с одного закона управления при превышении усилия в упругом элементе порогового значения на другой закон управления, и, в-четвертых, последовательной коррекцией контуров напряжения возбуждения и питающего напряжения с компенсацией постоянных времени магнитного усилителя и генератора.

На чертеже, представлена схема системы управления электроприводом копающих механизмов экскаватора.

Устройство содержит командоаппарат 1, первый сумматор 2, систему подчиненного регулирования питающего напряжения 3, состоящую из последовательно соединенных регуляторов питающего напряжения 4, напряжения возбуждения 5, суммирующего магнитного усилителя 6 и генератора 7. Выход первого сумматора 2 подключен к регулятору питающего напряжения 4. Датчики питающего напряжения 8 и напряжения возбуждения 9 подключены к вторым входам соответственно регуляторов питающего напряжения 4 и напряжения возбуждения 5. Генератор 7 подключен к двигателю 10, приводящему через упругий элемент 11 в движение ковш 1. Датчики скорости 13 и усилия в упругих элементах 14 подключены соответственно к первому и второму входам регулятора снижения динамических нагрузок 15. Датчик усилия в упругих элементах подключен также последовательно к датчику нагрузки, представляющему второй нелинейный элемент 16 и коммутирующий ключ 17. Регулятор снижения динамических нагрузок 15 состоит из двух интеграторов 18, 19, пяти инвертирующих усилителей 20-24, двух неинвертирующих усилителей 25, 26 и второго сумматора 27. В обратной связи первого интегратора 18 включен первый инвертирующий усилитель 20, а выход интегратора 18 соединен с вторым инвертирующим усилителем 21. Первый вход регулятора снижения динамических нагрузок 15 через размыкающий контакт коммутирующего ключа 17 и третий инвертирующий усилитель 22 соединен с первым входом второго сумматора 27. Второй вход регулятора снижения динамических нагрузок 15 через размыкающий контакт коммутирующего ключа 17 соединен с первым входом первого интегратора 19, в обратной связи которого включен первый инвертирующий усилитель 23, а третий вход через четвертый инвертирующий усилитель 24 соединен с выходом второго интегратора 18. Выход первого интегратора 19 через первый усилитель 25 соединен с третьим входом второго интегратора 18 и через второй усилитель 26 - первым входом второго сумматора 27. Второй вход второго сумматора 27 соединен с выходом второго интегрирующего усилителя 21, а выход второго сумматора 27 соединен с выходом регулятора снижения динамических нагрузок 15. Выход регулятора 15 соединен с третьим входом первого сумматора 2. Устройство содержит также последовательно соединенные датчик коммутатора (перегрева) 28, пороговый элемент 29 и первый нелинейный элемент типа отсечки 30, второй вход которого соединен с датчиком тока 31, а выход - с вторым входом первого сумматора.

Устройство работает следующим образом. В том случае, если значение нагрузки (усилие в упругих элементах) не превышает заданное, получаемое вторым нелинейным элементом 16, коммутирующий ключ 17 разомкнут, на первый вход регулятора 15 поступает сигнал обратной связи по скорости, который через замкнутый размыкающий контакт поступает на который инвертирующий усилитель 22 и усиливается в число раз, определяемое коэффициентом оптимальной обратной связи по скорости двигателя, который равен отношению разности корня квадратного из суммы квадратов конструктивной постоянной двигателя и коэффициента усиления замкнутого контура питающего напряжения и конструктивной постоянной двигателя к коэффициенту усиления замкнутого контура питающего напряжения, и определяется на основании следующей методики. При управляющем воздействии пренебрегаем постоянной времени якорной цепи, что правомочно, т. к. она меньше чем на порядок электромеханической постоянной времени. Рассматриваем одномассовую систему, т.к. из экспериментальных и теоретических исследований известно, что при управляющем воздействии в копающих механизмах броски усилия в упругих элементах не достигают даже номинального значения. Пренебрегая некомпенсированными постоянными времени, математическое описание одномассовой электромеханической системы можно представить в виде х=-ах+bu; a = ; b = , где С - конструктивная постоянная двигателя; R_a - активное сопротивление якорной цепи; I_ε- суммарный момент инерции; K_н - коэффициент усиления замкнутого контура питающего напряжения; Х - скорость; U - управляющее воздействие, оптимальное управляющее воздействие, пользуясь модернизированной методикой принципа максимума Л.С. Понтрягина.

Критерий оптимальности имеет вид I = (x²+U²)dt Т. е. рассматриваем минимизацию квадратичного отклонения скорости от установившегося значения при минимуме энергии управления. Взяв производную функции Гамильтона по управлению и приравняв ее нулю, находим U^o= b Ψ₁.

Расширенная система исходного и сопряженного уравнений ⁼₌ ^-ax+_aΨ+x^bU Корни характеристического определителя расширенной матрицы Y_1,2= Принимаем Y₁ = -
Предположим, что оптимальное управление является линейной функцией от координаты
U^o= νx,
где ν - коэффициент оптимального управления по скорости. Подставляя U^oв исходное уравнение, получим оптимизированное управление. Приравнивая характеристический многочлен оптимизированного уравнения и характеристический многочлен отрицательных корней расширенной матрицы, получим
ν = -
Представив значения а и b, получим коэффициент отрицательной обратной связи по скорости
ν = - (1)
В случае, если усилие в упругих элементах превышает заданное, срабатывает коммутирующий ключ 17 и отключается оптимальная обратная связь по скорости. Замыкается размыкающий контакт коммутирующего ключа и подключается сигнал обратной связи по усилию в упругих элементах к аналитически конструируемому оптимальному регулятору, вырабатывающему оптимальное управляющее воздействие по усилию в упругих элементах и построенному на двух интеграторах 18, 19, четырех инвертирующих усилителях 20, 21, 23, 24, двух неинвертирующих усилителях 25, 26 и втором сумматоре 27. Интеграторы 18 и 19 являются форсирующими благодаря наличию в обратных связях соответственно инвертирующих усилителей 20 и 23. На выходе первого интегратора 18 формируется сигнал первой внутренней координаты, а на выходе второго интегратора 19 - сигнал второй внутренней координаты. Сигнал первой внутренней координаты получают в результате формированного интегрирования сигнала второй внутренней координаты, усиленной в усилителе 25 в число раз, равное разности между коэффициентом жесткости и отношением произведения коэффициента вязкого трения на квадрат конструктивной постоянной двигателя к произведению активного сопротивления якорной цепи на приведенный момент инерции двигателя. В обратной связи первого интегратора включен первый инвертирующий усилитель 20 с коэффициентом усиления, равным отношению квадрата конструктивной постоянной к произведению активного сопротивления якорной цепи на приведенный момент инерции двигателя. Сигнал второй внутренней координаты получают в результате форсированного интегрирования сигнала обратной связи по усилию в упругих элементах, который поступает на второй вход регулятора 15 и через замыкающий контакт коммутирующего ключа 17 - на первый вход интегратора 19, и сигнала первой внутренней координаты с интегратора 18, усиленного в четвертом инвертирующем усилителе 24 в число, раз равное величине, обратной приведенному моменту инерции двигателя. В обратной связи интегратора 19 включен первый инвертирующий усилитель 23 с коэффициентом усиления, равным отношению коэффициента вязкого трения к приведенному моменту инерции двигателя. Сигнал первой внутренней координаты с интегратора 18 усиливается в инвертирующем усилителе 21 в число раз, равное отношению коэффициента усиления замкнутого контура питающего напряжения к произведению активного сопротивления якорной цепи на приведенный момент инерции двигателя. Сигнал второй внутренней координаты с интегратора 19 усиливается в усилителе 26 в число раз, равное отношению произведения коэффициента вязкого трения на коэффициент усиления замкнутого контура питающего напряжения к произведению активного сопротивления якорной цепи на приведенный момент инерции двигателя. Усиленные сигналы первой и второй внутренних координат суммируются во втором усилителе. Суммированный сигнал поступает на выход регулятора 15, а затем полученный таким образом оптимальный сигнал по усилию в упругих элементах поступает в первый сумматор 2, где суммируется с сигналом с командоаппарата. Алгоритм оптимального управления по усилию в упругих элементах, реализованный в аналитически конструируемом оптимальном регуляторе, получают следующим образом. При возмущающем воздействии в режиме жесткого стопорения и пренебрежения электромагнитной постоянной времени и некомпенсируемыми постоянными времени математическое описание электромеханической системы можно представить в следующем виде

a₁₁= ; a₁₂= ; b₁₁= ;
a₂₁= C₁₂-β_вт ; a₂₂= ; b₂₂= , где I₁ - приведенный момент инерции двигателя; С₁₂ - коэффициент жесткости; β_вт - коэффициент вязкого трения; x₁ - скорость двигателя; x₂ - усилие в упругих элементах; U - управляющее воздействие.

В качестве критерия оптимальности примем минимизацию квадратичного отклонения усилия в упругих элементах от его установившегося значения при минимуме расхода энергии управления
I = (x²₂+U²)dt
На основании теории оптимального управления оптимальное управляющее воздействие имеет вид
U^o=b₁₁λ₁+b₁₂λ₂.

Алгоритм оптимального регулятора, в соответствии с которым реализована структура аналитически конструируемого оптимального регулятора, имеет следующий вид

В том случае, если температура двигателя превышает заданное значение, определяемое пороговым элементом 29, на нелинейном элементе типа отсечки 30 происходит сложение сигналов с выхода порогового элемента 29 и датчика тока 31. Если сумма превышает значение, определяемое нелинейным элементом 30, то сигнал поступает на сумматор 2 и происходит снижение тока. Кроме того, нелинейный элемент типа отсечки 30 формирует необходимый вид экскаваторной характеристики.

Как при управляющем, так и при возмущающем воздействиях действует двухконтурная система подчиненного регулирования питающего напряжения. Внутренний контур за счет регулятора напряжения возбуждения 5 компенсирует постоянную времени суммирующего магнитного усилителя 6. Передаточную функцию регулятора напряжения возбуждения 6 определяют на основании методики расчета систем на технический оптимум
W(P) =
Т_n1= 2T_μК_муК_онв, где Т_му - постоянная времени магнитного усилителя; T_μ- некомпенсируемые постоянные времени; К_му - коэффициент усиления магнитного усилителя; К_онв - коэффициент передачи датчика напряжения возбуждения.

В регуляторе напряжения возбуждения 5 происходит суммирование сигнала с регулятора питающего напряжения 4 и текущего значения напряжения возбуждения с датчика 6. Внешний контур за счет регулятора питающего напряжения 4 компенсирует постоянную времени генератора 7. В регуляторе питающего напряжения 4 происходит суммирование задающего сигнала, проходящего с первого сумматора 2, и текущего значения питающего напряжения с датчика 8. Передаточную функцию регулятора питающего напряжения 4 определяют на основании методики расчета на "технический оптимум"
W_рпн(P) =
T= 4Tμ K_гK_он, где Т_г - постоянная времени генератора; К_г - коэффициент усиления генератора; К_он - коэффициент передачи датчика питающего напряжения.

Передаточная функция замкнутого контура питающего напряжения
W_зпн(P) = .

При пренебрежении некомпенсируемыми постоянными времени передаточная функция замкнутого контура питающего напряжения
W_зпн(P)=K_н, K_н = .

Преимущества предлагаемого устройства особенно сказываются на приводах копающих механизмов. Во-первых, в режиме жесткого стопорения ковша обеспечивается эффективное снижение коэффициента динамичности механизмов, уменьшаются динамические броски на 40-50%, что приводит к увеличению надежности, а следовательно, и эксплуатационной производительности экскаватора. Во-вторых, отсутствие при управляющем воздействии сигналов по усилию в упругих элементах и току якорной цепи (кроме первого нелинейного элемента типа отсечки 30, формулирующего экскаваторную статическую характеристику) приводит к более полному заполнению время - токовой диаграммы, а следовательно, к увеличению быстродействия и производительности. В третьих, применение двухконтурной системы подчиненного регулирования питающего напряжения позволяет уменьшить время нарастания питающего напряжения, т.е. увеличить быстродействие и производительность на 3-5%.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО КОМБИНИРОВАННОГО ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ЭКСКАВАТОРА, содержащее командоаппарат, подключенный к первому входу сумматора, выход которого через тиристорный преобразователь подключен к электроприводу системы Г - Д, датчик температуры через пороговый элемент подключен к первому входу первого нелинейного элемента, к второму входу которого подключен датчик тока, выход первого нелинейного элемента подключен к второму входу сумматора, третий вход которого соединен с выходом регулятора снижения динамического напряжения, первый вход которого через размыкающий контакт коммутирующего ключа соединен с датчиком скорости, выход второго нелинейного элемента соединен с коммутирующим ключом, отличающееся тем, что с целью повышения надежности управления за счет снижения динамических нагрузок, введен датчик усилия в упругом элементе, выход которого соединен с входом второго нелинейного элемента и через замыкающий контакт коммутирующего ключа подключен к второму входу регулятора снижения динамического напряжения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулятор снижения динамического напряжения выполнен на двух интеграторах, двух усилителях, шести инвертирующих усилителях и сумматоре, при этом первый вход первого интегратора является вторым входом регулятора снижения динамического напряжения, а выход через первый усилитель подключен к первому входу второго интегратора, через первый инвертирующий усилитель к второму входу первого интегратора, а через второй усилитель - к первому входу сумматора, выход второго интегратора через второй инвертирующий усилитель подключен к второму входу сумматора, и через третий инвертирующий усилитель к второму входу второго интегратора, а через четвертый инвертирующий усилитель к третьему входу первого интегратора, вход пятого инвертирующего усилителя является первым входом регулятора снижения динамического напряжения, а выход соединен с третьим входом сумматора, выход которого является выходом регулятора снижения динамического напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1