Принципы технической реализации регулируемого резонансного режима в ЭМС бурового станка

УДК 622.233.73 Н.Г. Пейль

ПРИНЦИПЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ РЕГУЛИРУЕМОГО РЕЗОНАНСНОГО РЕЖИМА В ЭМС БУРОВОГО СТАНКА

Семинар № 22

Применительно к электромеханическим системам явление резонанса можно использовать для процессов оптимального разрушения горных пород, в том числе и для станков шарошечного бурения.

Способ оптимизации по минимуму динамической нагрузки, а, следовательно, по минимуму потребляемой электрической энергии заключается в создании в ЭМС управляемого резонансного режима с поддержанием на технически оптимальном уровне коэффициента динамичности по току.

Метод предназначен для синтеза структур управления электромеханических систем с возмущающими воздействиями, имеющими колебательный характер: вращатели буровых станков типа СБШ; роторные экскаваторы и другие подобные механизмы.

Так как возмущающие воздействия при бурении носят случайный характер, то при разработке рациональной структуры ЭМС в регулируемом резонансном режиме необходимо использовать принципы адаптивного управления.

Рациональной структурой ЭМС в управляемом резонансном режиме следует считать систему управления, обеспечивающую настройку на резонансный режим и удержание в точке резонанса при постоянных оптимальных значениях коэффициента динамичности по току независимо от час-

тоты возмущающих воздействий. Таким условиям удовлетворяют адаптивные или самонастраивающиеся системы управления.

Построение практических систем и, в частности, ЭМС, выполняющих адаптивные функции основано на идентификации (или оценивании) текущих значений параметров или характеристик объекта и в соответствии с этим - на последующей перестройке параметров регуляторов систем. Как правило, в простейших самонастраивающихся системах (СНС) при этом контролируются либо характеристики, либо параметры системы. [4].

ЭМС с адаптивным управлением имеют двухуровневую структуру. На первом уровне - уровне основного контура - априорно задана математическая модель объекта с областью изменения её параметров. По алгоритму второго уровня - алгоритму адаптации - настраиваются параметры регулятора в основном контуре, причём таким образом, чтобы обеспечить достижение цели управления при неизвестных текущих параметрах объекта управления.

В соответствии с вышесказанным процесс построения адаптивной системы состоит в следующем: разработка модели управляемого процесса, формирование функции качества и цели управления и построение алгоритмов, обеспечивающих достижение поставленной цели.

При разработке рациональной структуры ЭМС в регулируемом резонансном режиме необходимо использовать принципы адаптивного управления. Анализ показал, что требуемым условиям удовлетворяет бес-поисковая самонастраивающаяся система прямого действия с параметрической настройкой регулятора с фиксированной структурой его связей и алгоритма.

Целью управления является резонансный режим в ЭМС с неизменным коэффициентом динамичности по току. Основа модели управляемого процесса - это создание резонансного режима и поддержание его в ЭМС с оптимальными значениями параметров независимо от частоты возмущающих воздействий.

Алгоритм адаптации разрабатываемой структуры ЭМС вращателя бурового станка может быть охарактеризован следующим образом:

- создание резонансного режима независимо от частоты возмущающих воздействий;

- ограничение величины коэффициента динамичности по току до оптимального значения в пределах кд = 1,1 ^ 1,4;

- поддержание резонансного режима независимо от частоты возмущающих воздействий;

- поддержание постоянства оптимального значения коэффициента динамичности по току в рабочем диапазоне частоты возмущающих воздействий.

Создание резонансного режима в ЭМС, независимо от частоты возмущающих воздействий, возможно при использовании гибкой обратной связи по току. Наличие жёстких обратных связей при этом позволяет изменять коэффициент динамичности по току до требуемых величин, а также поддерживать его постоянным в рабочем

диапазоне частот возмущающих воздействий.

Одна из возможностей придать системе адаптивные свойства заключается в определении параметров системы в ходе эксплуатации. Это может быть достигнуто путём непосредственного измерения параметров системы, что, однако, часто осуществить на практике весьма трудно. Второй путь заключается в косвенном определении параметров путём измерения на каждом интервале входных и выходных величин. В выходных величинах (например, токе двигателя) содержатся составляющие, вызванные возмущающими воздействиями.

В соответствии с проведёнными исследованиями, наиболее рациональными для создания регулируемого резонанса следует считать структуры с жесткими отрицательными обратными связями по току и скорости двигателя при статическом возмущающем воздействии. Данные структуры должна быть дополнены гибкой обратной связью по току якоря двигателя для настройки на резонансную частоту.

На рис. 1 приведена рациональная структура ЭМС вращателя бурового станка для создания в ней управляемого резонансного режима при совместном действии гибкой обратной связи по току и жёсткой отрицательной обратной связи по току на основе принципов адаптивности. Возможности данной структурной схемы могут быть реализованы при применении современных вычислительных устройств, микропроцессорной техники.

В данной схеме измерение частоты возмущающих воздействий ю осуществляется с помощью блока измерения БИ, на вход которого подаётся сигнал в виде статической составляющей тока двигателя ic = I sin ot, а с выхода

Рис. 1. Рациональная структура ЭМС с гибкой и жёсткой обратными связями по току в резонансном управляемом режиме: БУ1, БУ2 - блоки умножения (умножители); БИ - блок измерения частоты возмущающих воздействий; БВ1,БВ2 - блоки вычисления коэффициентов обратных связей

снимается значение частоты ю, которое затем поступает на входы вычислительных блоков БВ1 и БВ2. Значения выходных сигналов вычислительных блоков БВ1 и БВ2 формируют соответственно коэффициенты гибкой обратной связи по току и жёсткой обратной связи по току, создавая в ЭМС вращателя бурового станка резонансный режим с постоянным заранее заданным коэффициентом динамичности по току независимо от частоты возмущающих воздействий.

Функции, вычисляющие коэффициенты обратных связей в резонансном режиме в соответствии с частотой возмущающих воздействий, имеют вид

^І(°

п2

О

2пО КуКпКя

=

П - 2 тпо 2 тпокукпкя

Задаваясь значениями т = 1,1^1,4 в (1) и (2), будем иметь в ЭМС управляемый резонансный режим с соответствующими значениями коэффициента динамичности по току. Для беспоиско-вого типа адаптации функции ^(ю), ^(ю) вычисляются и измеряются непосредственно при изменении частоты статических возмущений ю.

Для настройки электромеханической системы на резонансный режим необходимо непрерывно получать данные о величине частоты возмущающих воздействий. Как известно, частота колебаний статического тока определяется частотой возмущающих воздействий. Поэтому для определения величины частоты возмущающих

С2

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема выделения статического тока электродвигателя

воздействий необходимо выделить статический ток электропривода, а затем измерить его частоту.

При этом, величина статического тока используется для подсчета энергетических затрат (расхода электроэнергии) на полезную работу - бурение.

Принцип работы датчика статического тока основывается на выделении динамической составляющей тока при помощи модели двигателя, либо при помощи наблюдателя состояния (модели с коррекцией). Динамическая составляющая затем вычитается из полного тока якоря двигателя, а оставшаяся часть и представляет собой статический ток. Данная задача решается разными методами. В данной работе предлагается выполнение наблюдателя состояния в аналоговом виде на основе модели двигателя и операционных усилителей.

Уравнение движения электропривода имеет вид:

Мдв - Мс = Мдин = Л —, йг

откуда получаем

Л—- — сгя — с1а; йг

тогда статический ток определяется

1С 1Я

1С 1Я

З Сю с С ’ Сю Сі

или

к-

Предлагаемая схема выделения статического тока электродвигателя представлена на рис. 2. Из приведённых соотношений становится ясной суть работы данной схемы.

С сопротивления Н1 снимается напряжение, равное ЭДС якоря,

иЯ =ю. На выходе дифференциального регулятора получаем величину динамической составляющей тока дю

як°ря 1дин = кдн— , где Клн - коэф-ді

фициент датчика напряжения.

Напряжение шунта, пропорциональное току якоря иш = ія Нш подаётся на вход датчика тока ДТ, а затем суммируется с динамической составляющей. На выходе сумматора получаем значение статического тока

При периодических колебаниях возмущающих воздействий ста-

1

2

Рис. 3. Осциллограмма тока якоря двигателя вращателя бурового станка в структуре ЭМС: 1 - с разомкнутой системой управления; 2 - ГООСТ при настройке на резонанс

тический ток может быть представлен в виде iC = Imc sin rat, где Imc - амплитуда статического тока, га - частота колебаний статического тока.

Далее сигнал с сумматора поступает на блок измерения частоты БИЧ с целью измерения частоты статического тока, равной частоте возмущающих колебаний.

Для практического применения данной схемы необходимо решить проблемы помехозащищенности, нестабильности параметров операционных усилителей, а также произвести масштабирование переменных (привязки их к уровням питающего напряжения).

Экспериментальные исследования электромеханической системы бурового станка с рациональной структу-

рой активного управления электромеханическими характеристиками осуществлялись на Лебединском ГОКе.

Технологическое состояние скважины на момент проведения экспериментов: крепость пород - 17 по шкале М.М. Протодьякова; глубина бурения - 8 м; скорость бурения - 60 об/мин. Фиксация осциллограмм производилась на электронном осциллографе «Эскорт - 420М».

Эксперименты производились в системе управления электроприводом вращателя бурового станка СБШ-250МН.

На первом этапе фиксировались осциллограммы тока с отключенной структурой активного управления энергетическими характеристиками. На втором этапе экспериментов ис-

следования проводились для замкнутых структур управления.

Осциллограмма на рис. 3 показывает колебания тока якоря двигателя вращателя в структуре ЭМС сначала с разомкнутой системой управления, а затем с гибкой отрицательной обратной связью по току (ГООСТ) при настройке на резонанс. Значение параметра ГООСТ рассчитывалось таким, чтобы обеспечить коэффициент динамичности по току 1,4.

Осциллограмма показывает, что колебания тока якоря соответствуют

заданному значению коэффициента динамичности.

Величина частоты вынужденных колебаний тока якоря составляет / = 1,67 Гц (ю = 10,5,с-1), что соответствует частоте статических возмущающих воздействий. Работа системы характеризуется некоторой величиной осевого давления Рп .

Результаты экспериментов и моделирования режимов работы рациональной структуры ЭМС вращателя бурового станка показали соответствие теоретическим обоснованиям, ггш

— Коротко об авторах--------------------------------------------------------

Пейль Н.Г. - доцент кафедры ЭЭГП, Московский государственный горный университет.

ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИИ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ИНСТИТУТ УГЛЯ И УГЛЕХИМИИ СО РАН

ЯСЮЧЕНЯ Сергей Владимирович Обоснование рациональных параметров технологических систем высокопроизводительных угольных шахт 25.00.22 к.т.н.

ЛИПЕЦКИЙ Г< ЭСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИ] Й УНИВЕРСИ! ЕТ

ПОДЕЩЕНКО

Дмитрий

Александрович

Повышение эффективности управления чашевым окомкователем путем совершенствования алгоритмов экстремального регулирования