![](https://expert-mik.ru/wp-content/themes/24author/assets/img/work/work-img.png)
Ограничение динамических нагрузок в электроприводах карьерных экскаваторов методами комбинированных оптимальных систем управления
Введение………………………………………………………………………………5
ГЛАВА 1. Анализ объекта исследования…………………………………………14
1.1 Экскаватор как объект автоматизации открытой добычи полезных
ископаемых………………………………………………………………….…….14
1.1.1 Электромеханическая система управления процессом
экскавации………………………………………………………………………15
1.1.2 Автоматизация технологических процессов экскавации………….…18
1.1.3 Улучшение динамических характеристик экскаваторного
электропривода системами автоматического регулирования…………..…..19
1.1.4 Обзор результатов совершенствования силовой части
систем управления ………………………………………………………….…26
1.2 Математическое описание объекта управления …………………………….31
1.2.1 Математическое описание многофазных асинхронных
двигателей в собственной системе координат ………………………….…..32
1.2.2 Механическая часть электропривода поворота экскаватора…..…..…43
1.2.3 Электрическая часть электропривода поворота экскаватора ….….…46
1.3 Электропривод с классической системой подчиненного
регулирования……………………………………………………………….….…58
1.4 Выводы………………………………………………………….………………65
ГЛАВА 2. Электропривод механизма поворота экскаватора переменного и
постоянного тока с системами подчиненного регулирования ………….……….66
2.1 Синтез регуляторов системы управления электроприводом постоянного
тока ………………………………………………………………………….…….66
2.1.1 Трехконтурная система подчиненного регулирования …………..….66
2.1.2 Двухконтурная система подчиненного регулирования …………..….68
2.1.3 Пятиконтурная система подчиненного регулирования ……….……..70
2.1.4 Четырехконтурная система подчиненного регулирования …..………72
2.2 Синтез регуляторов системы управления электроприводом переменного
тока………………………………………………………………………………….75
2.2.1 Расчет трехконтурной системы подчиненного регулирования
электроприводом переменного тока ………………………………….……..82
2.2.2 Расчет пятиконтурной системы подчиненного регулирования
электроприводом переменного тока ………………………………….……..86
2.2.3 Расчет четырехконтурной системы подчиненного регулирования
электроприводом переменного тока ………………………………….…..…91
2.2.4 Расчет шестиконтурной системы подчиненного регулирования
электроприводом переменного тока ………………………………….…..…96
2.3 Исследование динамики электропривода постоянного и переменного тока
с системами подчиненного регулирования..………………… ………..………..99
2.3.1 Результаты моделирования электропривода постоянного тока………99
2.3.2 Результаты моделирования электропривода переменного тока…….103
2.4 Выводы..…………………..… …………………………………………….…107
ГЛАВА 3. Электропривод механизма поворота постоянного и переменного тока
с комбинированной оптимальной системой управления ………………………109
3.1 Синтез комбинированной оптимальной системы управления
электроприводом постоянного тока …………………………………………110
3.1.1 Синтез комбинированной оптимальной системы управления с
коррекцией питающего напряжения ………………………………………110
3.1.2 Синтез комбинированной оптимальной системы управления с
последовательной коррекцией тока якорной цепи ………………………118
3.1.3 Синтез комбинированной оптимальной системы управления с
последовательной коррекцией скорости двигателя …………………….…123
3.2 Синтез комбинированной оптимальной системы управления
электроприводом переменного тока ……………………………………………..127
3.2.1 Математическое описание модели АД применительно к
оптимальным системам управления …………………………………….…127
3.2.2 Синтез комбинированной оптимальной системы одномассового
объекта управления………….…….………………………………………..130
3.2.3 Синтез комбинированной оптимальной системы двухмассового
объекта управления ………….…….……………………………………..…136
3.3 Исследования динамики электропривода переменного и постоянного тока
с комбинированной оптимальной системой управления ……………..……. 141
3.3.1 Результаты моделирования электропривода постоянного тока с
комбинированной оптимальной системой управления………………..…142
3.3.2 Результаты моделирования электропривода переменного тока с
комбинированной оптимальной системой управления…………….….…152
3.4 Выводы…………………………………………………………………….….156
ГЛАВА 4. Проверка результатов исследования на физической модели………157
4.1 Описание блоков и реализация модулей модели………………………….160
4.2 Экспериментальное исследование электропривода с комбинированной оп-
тимальной системой управления ……………………………………..…………170
4.3 Выводы …………………………………………………………………….…173
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………..174
Список использованных источников……………………..……………………….176
ПРИЛОЖЕНИЕ А……………………………………………………………….…193
ПРИЛОЖЕНИЕ Б….…………..……………………………………………….….194
ПРИЛОЖЕНИЕ В………………………..…………………………………………196
ПРИЛОЖЕНИЕ Г ………………………..………………………………………..197
ПРИЛОЖЕНИЕ Д ………………………..………………………………………..199
Карьерные экскаваторы, эксплуатируемые в тяжёлых условиях высоких
динамических нагрузок, входят в список наиболее значимых элементов в ком-
плексе открытой добычи горных пород, который, по сравнению с подземным
способом добычи горных пород, является более производительным и менее за-
тратным. Эффективность функционирования карьерных экскаваторов, как наи-
более важных элементов горнодобывающей отрасли, непосредственно влияет
на себестоимость добычи полезных ископаемых.
Внедрение оптимизированного регулируемого электропривода экскава-
торов позволит решить важные задачи, прежде всего увеличение эксплуатаци-
онной надежности и повышение производительности. В значительной степени
производительность одноковшовых экскаваторов определяется временем пово-
ротных движений. Привод механизма поворота экскаваторов, работающий в
постоянных пуско-тормозных режимах, представляет собой сложную много-
массовую электромеханическую систему и обладает большим моментом инер-
ции, который необходимо надёжно ограничить от действующих нагрузок до-
пустимыми значениями.
Оптимизация управления технологией экскавации дает возможность ре-
шения проблемы повышения производительности, за счет снижения времени
переходного процесса, а снижения динамических нагрузок в упругих элементах
ведет к увеличению эксплуатационной надежности.
Ряд горных машин для открытых горных работ, шахтных электровозов и
прочие электропривода базируются в основе на регулируемых двигателях по-
стоянного тока, но значительная доля электроприводов горных машин создает-
ся на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в пользу их
лучшей надежности, простоты обслуживания, меньших габаритов и других
преимуществ. Однако процент регулируемого электропривода переменного то-
ка для горных машин невысок.
Интенсификация процесса внедрения частотно-регулируемых асинхрон-
ных электроприводов в машины горнодобывающего производства характерна
для настоящего времени. Данная тенденция берет начало еще со второй поло-
вины прошлого века, однако для ее закрепления и продвижения потребовались
многочисленные работы как отечественных, так и зарубежных исследователей.
Унифицированная структура экскаваторного электропривода В.И. Клю-
чева, из всего многообразия используемых систем управления главными меха-
низмами экскаваторов с электроприводами, в настоящее время нашла наиболь-
шее применение. Данная система наиболее схожа с классической системой
подчиненного регулирования (СПР) с определенными изменениями, так как
принимают во внимание отличительные черты экскаваторного электропривода.
Но применение традиционной СПР, первоначально спроектированной с целью
применения в линейных одномассовых системах, никак не специализированно
для электропривода с упругими связями.
Ответ на выше поставленную научную задачу находится в применении
результатов исследований ученых в области теории автоматического управле-
ния, автоматизированного электропривода и в смежных областях. В работе в
качестве объекта рассмотрен автоматизированный привод механизма поворотаа
экскаватора.
Над решением задач практики и теории экскаваторного электропривода
ведут работу многие промышленные предприятия и НИИ: ОАО «Рудоавтома-
тика», ОАО «Электропривод» (бывший ВНИИ «Электропривод»), ОАО «Элек-
тросила», заводы Ижорский, Ново-Краматорский, Уралмаш и др., а также ка-
федра АЭП МЭИ и прочие научные школы вузов Санкт-Петербурга, Москвы,
Харькова, Екатеринбурга, Львова, Абакана, Красноярска.
Формированием концепции и практики систем автоматизированного
управления привода экскаваторов и других общепромышленных механизмов
для повышения надежности в целом и ограничения динамических нагрузок,
производительности и безопасности работы горных машин занимался В.И.
Ключев [26, 33–35]. Труды научной школы под его руководством В.И. Яковле-
ва, Ю.А. Вуля, М.В. Терехова и др. относятся как к силовой части, (преобразо-
ватели переменного и постоянного тока), также и информационной составляю-
щей системы управления [16, 103, 114, 116].
Большой вклад в решение задач исследования и построения систем
управления для асинхронных частотно-регулируемых электроприводов внесли
М.М. Ботвинник, И.Я. Браславский, А.А. Булгаков, A.M. Вейнгер, А.Б. Вино-
градов, А.Е. Козярук, М.П. Костенко, В.В. Рудаков, Ю.А. Сабинин, С.Г. Соко-
ловский, В.М. Терехов, Р.Т. Шрейнер, F. Blashke, B.K. Bose, G. Dong, J. Holtz,
W. Leonard, T.A. Lipo, I. Takahashi, C. Thanga Raj и др. Помимо управления
движением, частотно-регулируемый электропривод горных машин, призван
обеспечивать высокую надежность их функционирования.
Подробно рассмотрена механическая часть экскаваторов в трудах
Д.П. Волкова [13, 14], Л.С. Удута [104]. Характерные черты моделирования и
математического описания электроприводов экскаватора рассмотрены в рабо-
тах В.П. Кочеткова и его учеников [30, 48–51, 96].
Рассчитанные по методу подчиненного регулирования системы управле-
ния, приобрели максимальную популяризацию в общепромышленных электро-
приводах, там, где главными регулируемыми переменными являются угловая
скорость и токи двигателя [4, 24, 58, 79, 110].
Для предотвращения такого следует внедрять в электроприводы системы
управления горных машин, синтезированные с использованием нелинейных
методов, в развитие которых значительный вклад внесли Б.Р. Андриевский,
А.А. Красовский, А.М. Ляпунов, И.В. Мирошник, Л.С. Понтрягин, В.В. Соло-
довников, А.Л. Фрадков, В.А. Якубович, С. Byrnes, S. Dubowsky, A. Isidori, Z.
Jiang, Y.D. Landau, R. Marino, P. Tomei и др.
В сфере оптимального управления нужно выделить в главную очередь
работы Л. Эйлера, Р. Беллмана [5], Л.С. Понтрягина [93], Н.Н. Красовского
[69], образующие основные математические принципы теории оптимального
управления, в которых рассказаны: принцип максимум, способы динамическо-
го программирования, вариационные методы. Следует отметить труды по син-
тезу алгоритмов управления на базе с критерия аналитически конструируемого
оптимального регулятора (АКОР): А.А. Красовского [100], А.М. Летова [71,
72], а также работы зарубежных авторов Р. Калмана [28, 128], X. Квакернаака и
Р. Сивана [29].
Существенные дополнительные возможности усовершенствования про-
цессов регулирования предоставляет применение комбинированного управле-
ния работой объекта, в котором сочетается последовательная коррекция внут-
ренних координат и применение нелинейных методов синтеза регуляторов для
внешних координат. Комбинированное управление может быть с переменной
структурой, для коррекции внешних координат или иметь вид многосвязных
систем. Использованию систем с переменной структурой приурочены труды
С.Е. Рывкина [97], А.В. Бушева [9, 10] и других авторов. Применению данной
теории для приводов экскаваторов направлены работы В.П. Кочеткова и его
учеников [43–47, 53, 54, 60–62, 66, 68].
Достаточно перспективным выглядит подход, основанный на теории
«Комбинированных оптимальных систем управления» [55–57], в основе кото-
рого лежит регулирование внешних координат – на базе теории оптимальных
систем (АКОР) и последовательной коррекции внутренних координат электро-
привода, при этом регуляторы внутренних координат рассчитываются по мето-
дике «технического оптимума» [40, 88, 89]. Методы расчета экскаваторного
электропривода с применением теории «комбинированных оптимальных сис-
тем управления» (КОСУ) рассмотрены в работе В.П. Кочеткова [52]. Работы
его учеников направлены на усовершенствование «систем комбинированного
оптимального управления» [37–42, 59].
Цель диссертационной работы: Ограничение динамических нагрузок и
снижение времени поворотных движений автоматизированных электроприво-
дов механизмов поворота, для повышения производительности одноковшовых
экскаваторов путем разработки и исследования комбинированных оптимальных
алгоритмов управления.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
1. Анализ основных элементов и способов управления электроприво-
дами постоянного и переменного тока механизмов поворота экскаваторов.
2. Уточнение математического описания для построения имитацион-
ной модели многофазного асинхронного короткозамкнутого двигателя и элек-
троприводов постоянного и переменного тока механизмов поворота экскавато-
ров.
3. Разработка комбинированных оптимальных алгоритмов управления
электроприводом переменного тока поворотных механизмов экскаватора по-
средством подчиненного регулирования внутренних координат электропривода
и оптимальным регулированием внешних координат.
4. Оценка влияния весовых коэффициентов критерия оптимальности
на динамику электропривода переменного и постоянного тока механизма пово-
рота экскаватора.
5. Имитационное моделирование и экспериментальные исследования
разработанных комбинированных оптимальных алгоритмов управления элек-
троприводом механизма поворота экскаватора.
6. Создание лабораторного стенда для экспериментального исследо-
вания комбинированных оптимальных алгоритмов управления электроприво-
дом механизма поворота экскаватора.
Объект исследования – автоматизированный электропривод механизма
поворота экскаватора.
Предмет исследования – ограничивающие нагрузку комбинированные
оптимальные алгоритмы управления электроприводом поворота экскаватора.
Методы исследования, используемые при решении задач в диссертаци-
онной работе, основаны на теории электропривода, оптимального управления
Летова-Калмана, последовательной коррекции Кесслера, комбинированного
оптимального управления для решения задач синтеза систем управления элек-
троприводом на основе работ Кочеткова, вычисления и компьютерного имити-
рования с использованием среды MatLab Simulink.
Достоверность и обоснованность полученных результатов работы
определяется обоснованностью принятых допущений, допустимой сходимо-
стью выводов и результатов моделирования, полученных в диссертационной
работе с результатами физического эксперимента. Новизна полученных реше-
ний подтверждается патентом РФ на полезную модель.
Научная новизна работы:
1. Разработана имитационная модель девятифазного асинхронного ко-
роткозамкнутого двигателя, которая отличается от известных тем, что учитыва-
ет несинусоидальность МДС, несимметричность воздушного зазора и варианты
изменения параметров при переходе от трехфазного к девятифазному двигате-
лю при сохранении магнитной системы.
2. Разработаны алгоритмы управления экскаваторным электроприво-
дом переменного тока поворотного механизма на основе систем подчиненного
регулирования с использованием векторного управления, которое обеспечивает
ограничение динамических нагрузок при учете зазора в механической части
электропривода.
3. Разработаны комбинированные оптимальные алгоритмы управле-
ния экскаваторным электроприводом переменного и постоянного тока пово-
ротного механизма, отличающиеся от известных тем, что посредством подчи-
ненного регулирования скорректированы внутренние координаты электропри-
вода, а регулирование внешних координат основывается на базе теории опти-
мальных систем (АКОР).
Практическая ценность:
1. Разработан способ выбора весовых коэффициентов критерия опти-
мальности, заключающийся в нахождении пересечения областей допустимых
значений координат объекта управления.
2. Предложена инженерная методика проектирования комбинирован-
ных оптимальных систем управления экскаваторным электроприводом меха-
низма поворота с учетом зазора в механических передачах, ограничивающая
динамические нагрузки и уменьшающая время поворотных движений.
3. Создан аппаратно-лабораторный комплекс для научно лаборатор-
ных исследований, который используется в учебном процессе при подготовке
специалистов кафедры «Электроэнергетика» Хакасского технического инсти-
В работе были рассмотрены различные варианты синтеза алгоритмов
управления с последовательной коррекцией и комбинированных оптимальных
систем управления для электропривода поворотного механизма экскаватора, вы-
полненного по системе генератор – двигатель и по системе преобразователь час-
тоты – асинхронный двигатель. Применение комбинированных оптимальных сис-
тем управления позволяет получить инвариантную к внешним возмущениям сис-
тему и снизить максимальный бросок динамического момента и время переходно-
го процесса.
Основные результаты диссертации заключаются в следующем:
1. Построена математическая модель асинхронного короткозамкнутого
двигателя с учётом различного числа фаз. Показано, что при числе фаз равном де-
вяти наблюдается уменьшение бросков динамического момента и увеличение
критического момента двигателя при пуске.
2. Разработан экскаваторный электропривод поворотного механизма
экскаватора по системе преобразователь частоты-асинхронный двигатель с после-
довательной коррекцией координат.
3. Разработаны комбинированные оптимальные алгоритмы систем
управления для электроприводов поворотного механизма экскаватора, позволяю-
щие ограничивать максимальные броски динамического момента и повысить
производительность экскавации.
4. В результате моделирования электропривода постоянного и перемен-
ного тока с КОСУ наилучшими показали себя системы с коррекцией питающего
напряжения и оптимальным регулированием по iя и 1. и с коррекцией потокос-
цепления ротора и оптимальным регулированием по isy и 1 соответственно. Вы-
явлено, что они отвечают желаемым требованиям в ограничении максимальных
бросков динамического момента и уменьшения времени переходного процесса.
5. Исследовано влияние весовых коэффициентов критерия оптимально-
сти на динамические характеристики приводов на основе ПЧ-АД и Г-Д, обосно-
ваны и даны рекомендации по их выбору. Предложен способ выбора весовых ко-
эффициентов критерия оптимальности, заключающийся в нахождении пересече-
ния областей допустимых значений координат объекта управления.
6. Наибольший эффект от применения комбинированных оптимальных
систем управления наблюдается в электроприводе ПЧ-АД.
![](https://expert-mik.ru/wp-content/themes/24author/assets/img/signup-document.png)
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!