книги из ГПНТБ / Глушко В.В. Характеристики режимов работы горных машин и их автоматическое управление
.pdfВынесение за скобки символа Дэ свидетельствует о наличии в структурной схеме системы параллельного включения звеньев ПаТц X X Р2Ш и ЗжР2ш. Если в качестве регулируемой величины принять один из параметров электродвигателя, то его передаточная функция входит в передаточную функцию разомкнутой системы дважды:
W (s) = Wy (s) W0 (s) WA (s) [Wn (s) WT (s) Wp (s) +
+Wu(s)W,(s)]Wa(s)W4(s).
Передаточные функции замкнутых систем при отсутствии мест ных обратных связей находятся по формуле
W (s)= W ( s )
С учетом местной обратной связи передаточная функция разомк нутой САР комбайна 2К52 может быть определена по формуле
w м |
._ Wy (s) Wc (s) Wo (s) Wn |
(s) Wr (s) Wp (s) W3 (s) WR (s) Wq (s) |
УУ™ѴІ |
i + |
WK(s)Wy(s)Wc(s)W0(s)W„(s) |
Передаточные функции разомкнутых CAP относительно главного возмущающего воздействия будут:
для комбайна 2К52
для струга УСБ-67 |
Ts + i |
3 r§x2+r7 s-|-i |
|
||
|
|
|
|
||
для комбайна |
Б KT |
W |
(s) = |
Kp; |
|
|
|
|
|
||
|
W' (?) — |
p |
К |
д |
• |
|
\ь) |
Ts + i |
Л з |
Тр* + Т6s + l |
' |
для комбайна |
1К52ШЭ |
|
|
|
|
Передаточная функция замкнутой системы этого комбайна от носительно главного возмущающего воздействия
W '-X - |
Wp |
{ s ) W ° ( s ) Ж д ( s ) |
™шКЧ- |
|
i+w(s) |
Переменные параметры системы регулирования (длина тягового органа, крепость разрушаемого массива, угол наклона пласта, тем пература масла гидропривода и другие параметры) по-разному влияют на коэффициенты К и Т соответствующих звеньев. Взаимосвязь между ними и параметрами К и Г звеньев, производящих компенса цию переменных параметров системы, должна определяться для конкретных структурных схем САУ в зависимости от заложенных способов ее построения.
111
Элементы самонастройки системы на структурной схеме САР, на пример комбайна 2К52, показываются следующим образом, если про изводится компенсация изменения крепости угля:
4 |
I |
4 |
|
-> УэСэг^г |
— *• Пг |
„Тц • Р2ШНЗЖД |
—> Чт — |
Стрелка над индексами, связывающая два индекса, показывает, по параметрам какого звена судим об изменении параметров системы (І7Г „) и изменением параметров какого звена мы стабилизируем пара метры системы в целом.
Для комплекса УКР-1 система регулирования, обеспечивающая контролируемые изменения параметров системы для компенсации
изменений длины каната |
и, следовательно, жесткости системы |
подачи |
||
комбайна, будет описываться в виде формулы |
|
|
||
4 |
I |
4 |
|
|
—V УэСэпОп |
—> ППТК |
+ РгшНЗжД„ |
-> Ч0 — |
|
В данном случае жесткость системы подачи определяется |
от ука |
|||
зателя положения комбайна по длине лавы. |
|
|
||
СЭУ также могут быть описаны формулами с помощью |
предло |
|||
женных выше символов. СЭУ комбайна 2К52 в случае замены глав
ного электродвигателя |
на регулируемый |
гидродвигатель будет |
|
описываться формулой |
|
|
|
|
4 |
|
|
ч— Чѵ ч— ПгТц |
• Р2щНЗжДгр |
ч— СЭГУэ ч— Э ч—, |
|
где Э — экстремальный |
регулятор |
шагового |
типа. |
Для систем экстремального управления стрелки, показывающие направление передачи воздействия, идут справа налево.
В случае замены главного привода на двигатель постоянного тока СЭУ будет описываться в виде
ч - Чѵ ч - Я Г Г Ц . Р2ШНЗЖДЭ ч - ОтСэУэ ч - Э Ч - .
СЭУ проходческого комбайна типа ПКЛ-8 циклического действия опишется следующей формулой, если главный двигатель будет за менен на гидравлический:
4
ч— Чѵ ч— ПѴТА • Ргш^жДгр СЭГУэ ч— Э ч—.
Все перечисленные автоматические регуляторы относятся к неприспосабливающимся системам. Основным их недостатком явля ется необходимость в дополнительной настройке при работе горных машин в различных горногеологических условиях. Для обеспечения высокого качества процесса регулирования при работе однотипных горных машин в различных горногеологических условиях и при из-
112
менении других параметров их работы необходимо создание приспо сабливающихся, или адаптивных, систем регулирования. Такие си стемы обеспечат контролируемые изменения своих свойств при изме нении условий работы горной машины. Наиболее простыми из них являются самонастраивающиеся системы, которые обеспечивают конт ролируемые изменения ее параметров. Более сложными получаются самоорганизующиеся системы, в которых контролируемыми измене ниями являются изменения ее структуры.
В зависимости от того, при изменении каких условий работы гор ных машин хотим обеспечить хорошее качество процесса регулирова ния, может возникнуть необходимость в создании как активных, так и пассивных самоприспосабливающихся систем.
Так, контролируемые изменения параметров системы для обеспе чения высокого качества процесса регулирования при изменении жесткости тягового каната горных машин, работающих на пластах крутого падения, можно осуществить программным изменением па раметров системы в зависимости от ожидаемого изменения длины тяго вого органа или пройденного горной машиной пути. И хотя програм ма изменения параметров системы регулирования не всетда при этом будет соответствовать фактическому изменению жесткости системы подачи горной машины, однако такая пассивная самонастраивающая ся система может обеспечить удовлетворительное качество процесса регулирования при любых изменениях жесткости системы подачи горной машины.
Жесткость характеристики системы подачи горной машины зави сит от жесткости тягового органа, равной
где Е — модуль |
с = 4 г . |
( З - 4 8 ) |
|
упругости; |
|
||
F |
— сечение |
тягового органа; |
|
L |
— длина тягового органа. |
|
|
Учитывая, что изменение длины тягового органа при движении машины вдоль лавы можно учесть заранее, компенсация изменений этого параметра САУ может быть обеспечена пассивной системой,
управляемой от указателя ориентировочного |
положения машины |
||
в лаве, |
у которого |
АІ^т^, |
(3-49) |
|
|
||
где |
— величина, |
пропорциональная длине |
тяговой ветви; |
т1 |
— масштаб |
указателя; |
|
Ьх |
— длина ветви тягового звена со стороны движения машины. |
||
Однако многие параметры в процессе работы горной машины из меняются стахостически, например крепость угля. В этом случае пассивная самонастраивающаяся система уже не может обеспечить хорошее качество процесса при любых изменениях крепости угля. Это может быть достигнуто при помощи самоприспосабливающихся систем, осуществляющих контролируемые изменения своих парамет ров в результате решения задачи оптимизации качества регулирования
8 З а к а з 2111 |
И З |
в реальных условиях эксплуатации в зависимости от текущей ин формации об условиях работы системы управления.
Контролируемые изменения параметров САУ при изменении кре пости угля можно осуществить согласно текущей информации от одно го из звеньев горной машины, параметры которого изменяются в со ответствии с изменением крепости угля. Как и изменение жесткости тягового органа, изменения крепости угля разрушаемого массива могут быть в дальнейшем скомпенсированы изменением с обратным знаком параметров сервопривода регулятора механизма подачи.
При поддержании автоматическим регулятором постоянства нагрузки на привод горной машины и при постоянной скорости реза ния (ѵр = const) изменение крепости угля будет характеризоваться изменением средней скорости подачи машины, связь между которыми определяется выражением (2—7).
Следовательно, элемент, осуществляющий контролируемые из менения свойств системы, должен быть связан с устройством, из меряющим параметр, который изменяется в соответствии с изменени ями скорости подачи. Для этой цели могут быть использованы датчики линейной скорости подачи ѵп машины или угловой скорости привода
(і)п. п пли |
звездочки соп . з |
(барабана), которые |
связаны |
между |
собой |
|
линейной |
зависимостью |
|
|
|
|
|
|
УП = Я П . , Ю П . З |
= - Г ^ С О П І |
П , |
(3 - 50) |
||
|
|
|
in. п |
|
|
|
где і?п . з — радиус приводной звездочки (барабана); |
подачи. |
|||||
^ п . п |
— передаточное число редуктора механизма |
|||||
Из (2-6), (2-7) и (3-50) найдем зависимость угловой скорости |
при |
|||||
вода подачи машины. |
Аср |
|
|
|
|
|
Для средней величины |
|
|
|
|
||
|
|
Дп.а(*8 + МЕр) |
|
|
(3-51) |
|
|
|
|
|
|
||
Для максимальной величины |
Аср |
|
|
|
||
|
С 0 П | П = * і - 1 0 - 8 ' п . п ( * , - а И - « , ) . |
|
( з _ 5 1 а ) |
|||
|
|
|
Rn. 3&3А |
|
|
|
В свою очередь, угловая скорость вала привода подачи при гид равлическом механизме подачи с нерегулируемым гидродвигателем и
регулируемым гидронасосом |
связана |
определенными зависимостя |
|
ми с производительностью насоса, величиной |
эксцентриситета рото |
||
ра или угла наклона шайбы насоса. |
|
|
|
Для рассмотренной объемной гидропередачи |
|||
« с |
„ = |
|
(3-52) |
г Д е Qa — производительность |
регулируемого |
гидронасоса; |
|
дм — постоянная (рабочий объем) |
гидродвигателя. |
||
114
Из (3-51), (3-51а) и (3-52) получим зависимость между крепостью угля и производительностью насоса:
|
(Л |
30-Ріп. п<?м |
|
|
|
|
Ѵ Н |
Я Л п . з ( * а + * й | р ) ' |
|
|
|
п |
_ 30 • 10-3 дмМп. п (feg — « И |
— иа ) |
• |
||
Ѵн |
|
- |
= |
|
|
|
|
я Л п . |
з&3А |
|
|
/г, |
ео\ |
[ |
' |
л „ .
(о-эоа;
Производительность насоса линейно связана с эксцентриситетом его ротора или углом наклона шайбы насоса:
Q„ = kHe,
где кн — постоянная насоса.
Следовательно, связь между параметрами регулирования насоса и крепостью угля аналогична (3-53) с учетом постоянной насоса кя.
Если гидропривод будет иметь нерегулируемый насос и регули руемый гидродвигатель, то связь между угловой скоростью вала
привода и регулируемым параметром им гидродвигателя |
при работе |
||||||||
гидропривода |
в системе стабилизации |
нагрузки |
(т. е. при статичес |
||||||
ком моменте |
нагрузки |
Мс = |
const) определится |
уравнением |
|||||
|
|
|
|
|
- |
ЗОШп.пЗм |
|
(3-54) |
|
|
|
|
|
|
|
я С н |
|
|
|
Следовательно, зависимость между регулируемым параметром |
|||||||||
гидродвигателя и крепостью |
угля: |
|
|
|
|||||
|
|
|
,, |
п <?нЯп. з (^з + |
^-^ср) . |
|
/о с с \ |
||
|
|
U M = |
|
nQHRn.3asA |
_ |
_ |
(3-55а) |
||
|
|
|
|
30- 1 0 _ 3 д м М п . п (fc2 —«іЛ — « s ) |
|
|
|||
Конструктивно наиболее просто контролируемые изменения па |
|||||||||
раметров САР могут быть произведены |
в зависимости от |
изменений |
|||||||
ѵт |
СО п. п > *?ні е> им- |
|
|
|
|
|
|
||
Уравнение расхода |
поршневого серводвигателя |
|
|||||||
|
|
|
|
|
Q = vcSn, |
|
|
(3-56) |
|
где ѵс |
— скорость |
перемещения |
поршня; |
|
|
||||
Sn |
— рабочая |
площадь |
поршня. |
|
|
|
|||
Скорость |
поршня определяется по формуле |
|
|
||||||
|
° . - £ - £ Ч Е - ) Ч ( » - * - £ ) - |
|
|||||||
|
|
|
- . ^ / т |
|
|
|
( 3 - 5 7 ) |
||
8* |
115 |
где |
jj, — коэффициент |
расхода, |
зависящий от |
гидравличе |
||
q; |
х; h3 |
ского сопротивления |
золотника; |
|
||
— площадь переходного сечения, ширина канала и сме |
||||||
|
g |
шение золотника; |
|
|
||
|
— ускорение силы |
тяжести; |
|
|||
|
у — удельный вес рабочей жидкости; |
|
||||
|
Рн> Ро — давление соответственно в напорном и сливном тру |
|||||
|
R |
бопроводе; |
|
|
|
|
|
— перестановочная |
сила |
(сопротивление |
перемещению |
||
|
|
регулирующего |
органа). |
|
||
В нелинейных САР горных машин входной величиной серводви |
||||||
гателя |
является коэффициент |
расхода, |
а выходной — величина пе |
|||
ремещения поршня. В этом случае передаточная функция серводви гателя определяется уравнением
W(s)^y= S n f у К s SILZ.. (3-58)
Числитель дроби представляет коэффициент усиления серводви гателя. Для компенсации изменений рассмотренных выше параметров он может быть изменен за счет давления рн и р0 автоматической регу лировкой сопротивления гидравлических дросселей, установленных на нагнетательном и сливном трубопроводах серводвигателя. При этом связь между датчиком, контролирующим изменения L , А и дру гих параметров, и регулирующим элементом дросселя может быть механической, гидравлической или электрической.
Зная необходимые для поддержания заданных величин ри и р0 расход через дроссель и перепад давления на дросселе А р д р , можно определить необходимое сечение дросселя / д р , которое будет автома тически устанавливаться при изменении параметров системы
/ д р
где \іх — коэффициент расхода дросселя. Отсюда перепад давления на дросселе равен
A " » = i ï ê r - |
< 3 - 5 9 ) |
Зависимость коэффициента усиления серводвигателя от регули руемого сечения гидравлического дросселя
^•-•£/f(*-ft-£--sSiïrl- <3-в0>
116
Уравнение исполнительного органа может быть записано в виде
|
|
t |
Ми.0(і) |
= КИ0 |
jvndt + C% |
или упрощенно |
|
t-T |
|
|
|
где Ки. 0 — коэффициент |
усиления |
исполнительного органа ком |
байна. |
|
|
Здесь входной величиной является скорость подачи, а выходной — момент на валу исполнительного органа. Передаточная функция ис полнительного органа
™м=тІтг- |
(3"62> |
В некоторых САР передаточная функция этого звена может быть
W = о-
С изменением крепости разрушаемого массива коэффициент уси ления исполнительного органа также изменяется, т. е.
W(s) = ^ - Ä c p |
(3-63) |
или
w ( * ) = # ; . <Лр.
Самонастройка заключается в поддержании постоянства пара метров системы в широком диапазоне изменения А. Для этого необ ходимо, чтобы система имела звено с коэффициентом усиления, рав-
Кі
ным — .
Согласно (2-56) уравнение движения комбайна без учета внешних возмущающих воздействий может быть записано в виде
t |
|
|
|
с ^ (ѵп 3 — ѵ„) dt = m -jf-~\-Gf |
cos a ± G sin а + b2xvn |
+ |
Cy, |
о |
|
|
|
откуда |
|
|
|
t |
t |
|
|
с j ѵПщ 3dt = m - + Gf cos a ± G sin a + с J vndt + b2xvn |
+ Cv |
(3-64) |
|
о |
0 |
|
|
Производя преобразование по Лапласу, получим |
|
|
|
(TOS2 + 62TS + с) ѵп (s) = сѵПш з (s), |
|
|
|
откуда |
|
|
|
( • г s 2 + • ¥ + 1 |
) v " ^ = v » - 3 ( s >- |
|
( 3 " 6 5 > |
117
Передаточная функция звена подачи
W(s)- |
T,0 + |
l T t S + |
i |
|
где |
|
|
|
|
|
— |
• |
т = |
Ь г Х |
|
с |
' |
2 |
с |
При расчете САР режимов работы горных машин при больших длинах цепи или каната это звено можно принимать апериодическим звеном второго порядка, при малых длинах (0—25 м) колебатель ным звеном.
Для этого звена коэффициент усиления равен единице (ориенти ровочно).
Из формул, определяющих Т1 и Т2, видно, что при малых изме нениях жесткости с структура звена не меняется, так как изменение постоянных времени Тх и Т2 происходит пропорционально и незна чительно.
В этих случаях величина Т2 > 2Тг, поэтому звено является апе риодическим. При значительных изменениях величины с величина Т2 уменьшается значительно быстрее величины Т1 и звено переходит в колебательное. Это объясняет значительное увеличение частоты колебаний при длинах цепи 5—15 м.
С некоторым упрощением можно принять |
|
||
w^=Tïé+T- |
|
<3-66> |
|
Для сохранения параметров разомкнутой системы необходимо |
|||
иметь звено с передаточной функцией |
|
|
|
W(s)= |
К1(Г^1) |
• |
(З - 6 7 ) |
т |
|
|
|
Соотношение —=г- определяет |
степень |
успокоения |
колебаний |
звена.
Однако эти коэффициенты являются переменными и могут рас сматриваться как постоянные только для очень малых периодов времени.
Рассмотрим функциональные схемы различных систем автомати ческого регулирования горных машин.
Функциональная схема наиболее распространенных САР нагруз ки показана на рис. 47. При отклонении нагрузки двигателя 1 горной машины от заданной изменяется величина выходного сигнала изме рительного устройства — датчика 2 регулируемого параметра. При отличии нагрузки на машину от заданной сигнал со схемы сравнения 3 поступает на усилительное устройство 4, которое управляет испол нительным устройством 5. Оно, в свою очередь, воздействует на серво привод 6, регулирующий привод механизма подачи 7, например ре гулирующий производительность насоса гидравлического механизма
118
подачи. Регулятор привода подачи соединен с двигателем механизма подачи 8, например с гидродвигателем системы регулируемый на сос — нерегулируемый двигатель. При рассогласовании на схеме
.•сравнения 3 параметры регулятора привода подачи и скорость вра- /щения гидродвигателя изменяются; что приводит к изменению момента на валу исполнительного органа 9 и нагрузки на двигатель 1. На процесс работы машины воздействуют силы сопротивления на ее
органах разрушения.
Схемой предусмотрена корректировка постоянных времени эле ментов сервопривода при изменении крепости угля. Если при этом постоянная времени изменяться не будет, то качество регулирования
10
\\
6 7 â S I п
5
Рис. 47. Функциональная схема регулятора нагрузки горной машины
при значительном отклонении крепости угля от величины, для кото рой подобраны постоянные времени, может значительно ухудшиться.
Коррекция постоянных времени осуществляется по одному из параметров, характеризующих при заданной постоянной нагрузке на электродвигатель машины крепость разрушаемого массива.
Для обеспечения коррекции датчик 10 параметра, характеризу ющего крепость угля, при отличии крепости от заданной величины воздействует на регулирующий элемент 11, изменяющий после не которой выдержки времени постоянные времени сервопривода 6. Задержка необходима для обеспечения надежной защиты привода от опрокидывания или технологических перегрузок. Время задержки должно быть несколько выше времени нарастания экстренных на грузок. Учитывая, что параметры, характеризующие крепость угля, могут изменяться и за счет принудительного уменьшения нагрузки на привод вмешательством машиниста, постоянные времени серво привода корректируются и в зависимости от уставки автоматиче ского регулятора. Для этого выход датчика 2 или задатчика нагрузки соединен с элементом 11, изменяющим постоянные времени сервопри вода 6.
Коррекция постоянных времени при изменении крепости разру шаемого массива может быть произведена при помощи устройства,
119
состоящего из гидравлического дросселя и копира. Гидравлический дроссель представляет собой шариковый клапан, в котором шарик прижимается к проходному отверстию пружиной. Предваритель ное поджатие пружины изменяется при помощи штока, соединенного с копиром, который опирается на подвижную часть гидравлического насоса и перемещает шток клапана пропорционально эксцентриси тету ротора или углу наклона люльки гидравлического на coca.Коэф фициент пропорциональности зависит как от конструкции клапана, так и от параметров всей системы и может быть нелинейным. Если для гидравлического привода подачи горной машины применяется ревер сивный насос, то профиль копира должен быть симметричным отно сительно нейтрального положения ротора регулируемого гидронасоса.
При изменении крепости разрушаемого массива сопротивление дросселя и быстродействие сервопривода регулятора за счет измене ния эксцентриситета ротора или угла наклона люльки будет изме няться. Однако эксцентриситет или угол наклона могут изменяться и за счет изменения величины уставки регулятора при неизменной крепости массива. Поэтому одновременно величина постоянной време ни сервопривода корректируется и в зависимости от величины уставки регулятора. Для этого последовательно с вышеописанным гидрав лическим дросселем включается другой аналогичный гидравлический дроссель. Его сопротивление регулируется изменением поджатия пружины шарикового клапана сердечником соленоида. Величина тока катушки соленоида и сила поджатия, а следовательно, и сопро тивление дросселя изменяются пропорционально величине уставки регулятора.
Постоянная времени сервопривода будет увеличиваться при уменьшении эксцентриситета гидронасоса и при увеличении уставки регулятора. При снижении величины уставки и возрастании эксцент риситета гидронасоса постоянная времени снижается.
Для улучшения качества процесса регулирования системы и обес печения надежности защиты привода от опрокидывания регулировка сопротивления гидравлического дросселя, включенного в управля ющую сеть гидросистемы, и, следовательно, его постоянной времени может производиться в соответствии с величиной расхождения факти ческой нагрузки привода машины от заданной.
Коррекция уставки регулятора при превышении температуры об мотки электродвигателя максимально допустимой для данного класса изоляции величины или превышении температуры масла осуществ ляется при помощи датчика температуры 12, воздействующего на зада ваемую уставку.
На рис. 48 показана функциональная схема САР комбайна с вы несенным механизмом подачи. Особенностью данной машины яв ляется наличие двух или одного двигателей механизма подачи, выне сенных в ниши лав и закрепленных на конвейере. Питание этих дви гателей может осуществляться от одной или двух станций, имеющих свои электрические двигатели или другие приводы. Главный двига тель 1 машины служит только для привода исполнительного органа.
120