Ограничение динамических нагрузок в электроприводах карьерных экскаваторов методами комбинированных оптимальных систем управления

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-