УСТРОЙСТВО ИЗМЕНЯЕМОЙ СТРУКТУРЫ КОМБИНИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ЭКСКАВАТОРА

Полезная модель относится к управлению горной техникой, а именно, к управлению электроприводами главных механизмов одноковшовых экскаваторов, в которых требуется ограничение динамических нагрузок, возникающих в режимах с управляющими и возмущающими воздействиями и может быть использовано для управления электроприводами других горных машин.
Известны устройства управления, представляющие в качестве системы регулирования либо один суммирующий усилитель, соединенный с датчиками тока и скорости (Чиликин М. Г., Ключев В. И., Сандлер А. С. Теория автоматизированного электропривода. Изд. «Энергия». М.: 1979, с.288-290), либо двухконтурную систему подчиненного регулирования с внутренним контуром тока, представляющим регулятор тока и датчик тока, и внешним контуром скорости, состоящим из регулятора скорости и датчика скорости (там же, с.291-294).
Недостатком первого устройства управления является то, что в режимах стопорения ковша, характерных для копающих механизмов, и в режимах пуска, торможения и реверса многодвигательных приводов при наличии зазоров в кинематических передачах, что характерно для поворотных механизмов, динамические выбросы тока превышают его стопорное значение в 1,3-1,7 раза, что является причиной разрушения электромеханического оборудования.
Недостатком второго устройства управления является недостаточно эффективное снижение коэффициента динамичности механизма для приводов копающих механизмов в режиме жесткого стопорения ковша, что приводит к снижению производительности и надежности экскаватора.
Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является устройство управления электроприводами экскаватора а.с. СССР N 1432150, Кл. Е02F 9/20,1988, состоящее из последовательно соединенных командоаппарата, сумматора и электропривода, регулятора снижения динамических нагрузок, содержащего два интегратора, два инвертирующих усилителя и коммутирующий ключ, датчик тока и датчик скорости двигателя,. соединенный с первым входом регулятора, первого интегратора, в обратной связи которого включен инвертирующий усилитель, а выход соединен с инвертирующим усилителем и через второй интегратор со своим входом, датчик нагрузки, вход которого соединен с коммутирующим ключом, а также последовательно соединенные датчик температуры, пороговый элемент и первую нелинейность типа отсечки, второй вход которой соединен с выходом датчика тока, а выход соединен со вторым входом сумматора, причем выход регулятора снижения динамических нагрузок соединен с третьим входом сумматора.
Недостатком последнего устройства является его невысокое быстродействие, что характерно в электроприводах с системой суммирующий магнитный усилитель-генератор-двигатель (СМУ-Г-Д), которыми оборудовано в России значительное число парка экскаваторов.
Целью изобретения является повышение производительности экскаватора.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве управления электроприводами экскаватора, состоящем из последовательно соединенных командоаппарата, сумматора и электропривода, датчиков тока и скорости двигателя, соединенных через размыкающие контакты коммутирующего ключа с вторым и третьим входами регулятора снижения динамических нагрузок, содержащего первый интегратор, в обратной связи которого включен третий инвертирующий усилитель, а выход соединен через первый усилитель с первым выходом регулятора снижения динамических нагрузок и через четвертый инвертирующий усилитель с вторым интегратором, выход которого через третий усилитель соединен с входом первого интегратора, датчика нагрузки, выход которого соединен с коммутирующим ключом, а также последовательно соединенных датчика температуры, порогового элемента и первой нелинейности типа отсечки, второй вход которой соединен с выходом датчика тока, а выход соединен со вторым входом первого сумматора, причем первый выход регулятора, снижения динамических нагрузок соединен с третьим входом первого сумматора, а первый вход через замыкающий контакт коммутирующего ключа с датчиком тока и со входом первого интегратора, дополнительно введены датчики второй скорости и упругого момента, система подчиненного регулирования питающего напряжения, а в регулятор снижения динамических нагрузок введены два усилителя и четыре инвертирующих усилителя, два интегратора и два сумматора. Выход датчика упругого момента последовательно соединен с датчиком нагрузки, представляющим второй нелинейный элемент, и коммутирующим ключом, а также с четвертым входом регулятора снижения динамических нагрузок. Второй и третий входы регулятора снижения динамических нагрузок через первый и второй инвертирующие усилители соединены с входами второго сумматора, выходом подключенного к первому выходу регулятора снижения динамических нагрузок. Четвертый вход регулятора через замыкающий контакт коммутирующего ключа соединен с датчиком упругого момента и первым входом третьего интегратора, в цепь обратной связи которого включен шестой инвертирующий усилитель. Третий и четвертый входы третьего интегратора через пятый и пятый инвертирующий усилители соединены с выходами четвертого и второго интеграторов. Пятый вход регулятора через замыкающий контакт коммутирующего ключа соединен с датчиком второй скорости и входом третьего сумматора, второй вход которого через замыкающий контакт коммутирующего ключа соединен с командоаппаратом и выход его соединен с входом четвертого интегратора. Выход третьего интегратора через шестой инвертирующий усилитель соединен с входом третьего интегратора, через четвертый усилитель со входом второго интегратора и через второй усилитель с входом первого интегратора, а выход первого интегратора через первый усилитель соединен со вторым выходом регулятора снижения динамических нагрузок, который подключен к четвертому входу первого сумматора. Двухконтурная система подчиненного регулирования питающего напряжения содержит последовательно соединенные регуляторы питающего напряжения и напряжения возбуждения, суммирующий магнитный усилитель и генератор, соединенный с двигателем, передающим движение через упругий элемент на ковш. Первый вход регулятора питающего напряжения соединен с выходом первого сумматора, а вторые входы регулятора питающего напряжения и напряжения возбуждения соединены соответственно с выходами датчиков питающего напряжения и напряжения возбуждения.
Предлагаемая полезная модель 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 тока якорной цепи и упругого момента от их установившихся значений при минимуме расхода энергии управления, в-третьих, переключением с одного закона управления при превышении упругим моментом 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. Каждый из указанных признаков, отличающих предлагаемое решение от прототипа известен, но ни один из них введенный в прототип в отдельности не обеспечит у объекта свойства, выраженного в поставленной цели. Таким образом, у заявляемого решения появляется свойство, не совпадающее со свойствами известных решений и не равное сумме этих свойств, только при наличии всей совокупности отличительных от прототипа признаков. Однако, решения, содержащие эту совокупность отличительных признаков и проявляющие при этом те же свойства, что и предлагаемое решение, нам не известны, т.е. заявляемое техническое решение, по нашему мнению, соответствует критерию «существенные отличия».
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, где представлена схема системы управления электроприводом 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 ко входам соответственно регуляторов питающего напряжения 4 и напряжения возбуждения 5. Генератор 7 подключен к двигателю 10, приводящему через упругий элемент 11 в движение вторую массу 12. Датчики тока 13 и скорости двигателя 14, упругого момента 15 и второй скорости 16, подключены через соответствующие контакты коммутирующего ключа к первому, второму, третьему, четвертому и пятому входам регулятора снижения динамических нагрузок 17. Датчик упругого момента 15 подключен также последовательно к датчику нагрузки, представляющему второй нелинейный элемент 18, и коммутирующему ключу 19, имеющему четыре замыкающих и три размыкающих контакта. Регулятор снижения динамических нагрузок 17 состоит из четырех интеграторов 20-23, семи инвертирующих усилителей 24-29 и 37, пяти усилителей 30-34 и двух сумматоров 35, 36. В обратной связи первого интегратора 20 включен первый инвертирующий усилитель 26, а выход интегратора 20 соединен через четвертый инвертирующий усилитель 27 с входом второго интегратора 21. Первый вход регулятора снижения динамических нагрузок 17 через размыкающий контакт коммутирующего ключа 19 соединен с датчиком тока и входом первого интегратора20. Второй вход регулятора снижения динамических нагрузок 17 через размыкающий контакт коммутирующего ключа 19 соединен с датчиком тока и через первый инвертирующий усилитель 24 с входом второго сумматора 35. Третий вход регулятора 17 через размыкающий контакт коммутирующего ключа соединен с датчиком скорости двигателя 14 и с входом второго сумматора 35 через инвертирующий усилитель 25. Входы интегратора 20 через второй 31 и третий 32 усилители соединены с выходами третьего 22 и второго 21 интеграторов. Четвертый вход регулятора 17 через замыкающий контакт коммутирующего ключа 19 соединен с датчиком упругого момента 15 и с входом третьего интегратора 22, в обратной связи которого включен шестой инвертирующий усилитель 29. Входы третьего интегратора 22 через пятый усилитель 34 и пятый инвертирующий усилитель 28 соединены соответственно с выходами четвертого интегратора 23 и второго интегратора 21. Выход третьего интегратора 22 через четвертый усилитель 33 соединен со входом второго интегратора 21 и через седьмой инвертирующий усилитель 37 со входом четвертого интегратора 23. Первый выход регулятора снижения динамических нагрузок 17 соединен с выходом второго сумматора 35 и с входом первого сумматора 2, а второй выход регулятора 17 соединен с входом первого сумматора 2 и через первый усилитель 30 с выходом первого интегратора 20. Пятый вход регулятора 17 через замыкающий контакт коммутирующего ключа соединен с датчиком второй скорости и входом третьего сумматора 36, второй вход которого через замыкающий контакт коммутирующего ключа 19 соединен с командоаппаратом 1, а выход его соединен с входом четвертого интегратора 23. Устройство содержит также последовательно соединенные датчик температуры (перегрева) 38, пороговый элемент 39 и первый нелинейный элемент типа отсечки 40, второй вход которого соединен с датчиком тока 13, а выход - со вторым входом первого сумматора 2.
Устройство работает следующим образом. В том случае, если значение нагрузки не превышает заданное, определяемое вторым нелинейным элементом 18, коммутирующий ключ 19 разомкнут, на второй и третий входы регулятора 17 поступают сигналы обратных связей по току якорной цепи и скорости двигателя, которые через замкнутые размыкающие контакты коммутирующего ключа 19 поступают на первый и второй инвертирующие усилители 24, 25 и усиливаются в число раз, определяемое коэффициентами оптимальных обратных связей по току якорной цепи и скорости двигателя, которые являются оптимальным управляющим воздействием при условии минимизации среднеквадратичного отклонения скорости двигателя от его установившегося значения при минимизации энергии управления.
В случае, если упругий момент превышает заданное значение, срабатывает коммутирующий ключ 19, размыкаются размыкающие контакты коммутирующего ключа 19 и отключаются командоаппарат 1 от первого сумматора 2 и оптимальные обратные связи по току якорной цепи и скорости двигателя. Замыкаются замыкающие контакты коммутирующего ключа 19 и подключаются сигналы обратных связей по току якорной цепи с датчика тока 13 и упругому моменту с датчика упругого момента 15 к интеграторам 20 и 22 аналитически конструируемого оптимального регулятора или регулятора снижения динамических нагрузок 17, вырабатывающего оптимальное управляющее воздействие по току якорной цепи и упругому моменту и, построенного на четырех интеграторах 20-23, семи инвертирующих усилителях 24-29, 37, пяти усилителях 30-34 и двух сумматорах 35, 36. Интеграторы 20 и 22 являются форсирующими благодаря наличию в обратных связях соответственно инвертирующих усилителей 26 и 28. На входе первого интегратора 20, второго интегратора 21, третьего интегратора 22 и четвертого интегратора 23 формируются соответственно сигналы первой, второй, третьей и четвертой внутренних координат (тока якорной цепи, скорости двигателя, упругого момента и второй скорости). Сигнал первой внутренней координаты на входе интегратора 20 получают в результате форсированного интегрирования сигнала тока якорной цепи, сигнала второй внутренней координаты, усиленного в усилителе 32 и сигнала третьей внутренней координаты, усиленного в усилителе 31. Сигнал второй внутренней координаты получают в результате интегрирования на выходе интегратора 21 сигнала первой внутренней координаты, усиленного в инвертирующем усилителе 27 и сигнала третьей внутренней координаты, усиленного в усилителе 33. Сигнал третьей внутренней координаты на выходе интегратора 22 получают в результате форсированного интегрирования сигнала упругого момента, сигнала второй внутренней координаты, усиленного в инвертирующем усилителе 28 и сигнала четвертой внутренней координаты, усиленного в усилителе 34. Сигнал четвертой внутренней координаты получают в результате интегрирования в интеграторе 23 сигнала третьей внутренней координаты, усиленного в инвертирующем усилителе 37 и ошибке по второй скорости с третьего сумматора 36. Сигнал первой внутренней координаты, усиленный в усилителе 30 поступает на второй выход регулятора снижения динамических нагрузок 17, а затем, в первый сумматор 2, где суммируется с сигналом с командоаппарата 1. Алгоритм оптимального управления по току якорной цепи и упругому моменту, реализованный в регуляторе снижения динамических нагрузок 17 или аналитически конструируемом оптимальном регуляторе получают в соответствии с методикой определения структуры регулятора (там же, с.131-134).
В том случае, если температура двигателя превышает заданное значение, определяемое пороговым элементом 39, на нелинейном элементе типа отсечки 40 происходит сложение сигналов с выхода порогового элемента 39 и датчика тока 13. Если сумма превышает значение, определяемое нелинейным элементом 40, то сигнал поступает на сумматор 2 и происходит снижение тока. Кроме этого нелинейный элемент типа отсечки 40 формирует необходимый вид экскаваторной характеристики.
Как при управляющем, так и при возмущающем воздействиях функционирует двухконтурная система подчиненного регулирования питающего напряжения. Внутренний контур за счет регулятора напряжения возбуждения 5 компенсирует постоянную времени суммирующего магнитного усилителя 6, в регуляторе напряжения возбуждения 5 происходит суммирование сигнала с регулятора питающего напряжения 4 и текущего значения напряжения возбуждения с датчика 9.
Внешний контур за счет регулятора питающего напряжения 4 компенсирует постоянную времени генератора 7. В регуляторе питающего напряжения 4 происходит суммирование задающего сигнала, приходящего с первого сумматора 2 и текущего значения питающего напряжения с датчика 8. Передаточные функции регуляторов напряжения возбуждения и питающего напряжения определяют на основании методики расчета систем на «технический оптимум».
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 (5-10)%, что приводит к увеличению надежности, а следовательно, и эксплуатационной производительности экскаватора. Во-вторых, минимизация квадратичного отклонения скорости двигателя от его установившегося значения при минимуме расхода энергии управления 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%. В-четвертых, при изменении режима работы происходит изменение структуры регулятора, построенного при минимизации квадратичного отклонения скорости от его установившегося значения, на структуру регулятора, построенного при минимизации квадратичных отклонений тока якорной цепи и упругого момента от их установившихся значений.