книги из ГПНТБ / Глушко В.В. Характеристики режимов работы горных машин и их автоматическое управление

Методика исследования САР на электронных моделирующих уста­ новках заключается в следующем.

Полученное при проведении промышленных стендовых исследо­ ваний горных машин и по литературным источникам [17. 19, 20, 22, 31, 55] математическое описание звеньев системы автоматического регулирования позволяет определить их передаточные функции и составить структурную схему системы. Так как процесс работы гор­ ной машины является нестационарным и его полное математическое описание чрезвычайно затруднено, как правило, находят числовые значения для текущего времени.

Основными уравнениями, характеризующими объект регулиро­ вания — горные машины, являются: уравнение нагрузок на. исполни­ тельный орган машины; уравнение движения горной машины; урав­ нения звеньев САУ.

При составлении уравнений звеньев автоматического регулятора должны быть строго отражены их временные характеристики — время чистого запаздывания, постоянные времени.

Так как решение любого дифференциального уравнения зависит не только от вида функций и постоянных коэффициентов при перемен­ ной и ее производных, но и от начальных условий, последние должны быть правильно определены и учтены при решении задачи.

При исследовании регуляторов режимов работы горных машин желательно принять следующие начальные условия: приводные дви­ гатели имеют номинальные скорости; исполнительный орган комбай­ на подведен вплотную к массиву угля, но резание отсутствует, так как скорость подачи равна нулю, а скорость резания равна заданной; нагрузка двигателя равна нагрузке холостого хода машины; источник питания регулятора выключен.

Принятое исходное состояние позволяет начать разгон системы в момент времени, равный нулю.. Равны нулю первые и высшие произ­ водные всех переменных. При включении источника питания регуля-/ тора система приходит в действие, обеспечивая разгон САР и ее работу в режиме, обусловленном параметрами звеньев системы.

Для составления структурной схемы набора задачи на моделиру­ ющей установке система физических уравнений, полученных ранее, должна быть заменена системой машинных уравнений. С этой целью физические переменные заменяются соответствующими машинными переменными путем введения масштабных коэффициентов. В случае комбинированного моделирования (физического и математического) или использования при математическом моделировании реального электрического блока автоматического регулирования в сопряжении с моделирующей установкой необходимо решение задачи в реальном масштабе времени (масштабный коэффициент времени mt = 1).Прн этом масштабные коэффициенты по переменным и их производным оказываются численно одинаковыми [20, 67].

Обозначая машинные переменные прописными буквами, получим следующие соотношения:

203 ,

таким образом, чтобы при максимальных значениях переменных со­ ответствующие им напряжения не превышали допустимой для моде­ лирующей установки величины.

Некоторые масштабные коэффициенты определяются, кроме того, в зависимости от возможности набора соответствующих зависимостей на диодных элементах. Масштаб имеет размерность в том случае, если размерности физической и машинной переменной не совпадают. Основные машинные уравнения, характеризующие объект автомати­ ческого регулирования — горную машину — следующие:

1) машинное уравнение исполнительного органа и привода

соответствующих естественных коэффициентов и принятых масштаб­ ных коэффициентов;

2) машинное уравнение внешней динамики

204

и режимов работы отдельные составляющие уравнений могут ока­ заться очень малыми но величине и ими можно будет пренебречь.

Применительно к полученным машинным уравнениям составля­ ются блок-схема модели и рабочая схема набора задачи на моделиру­ ющей установке*

На рис. 62 изображена обобщенная структурная схема системы автоматического регулирования нагрузки на привод или элементы машины путем изменения скорости подачи при отклонении указанной нагрузки от заданного значения, одинаковая для всех типов горных машин, любого типа привода механизма подачи исполнительного ор­ гана и любого способа построения автоматического регулятора на­ грузки. •

Обобщенная структурная схема содержит общие для всех случаев следующие основные звенья:

а) задатчик уставки регулируемого параметра;

205

б) элемент сравнения заданной н фактической величин нагрузок;

в) усилительно-преобразующий элемент регулятора (как правило, нелинейный элемент для гидравлических механизмов или линейный для электрических механизмов подачи);

г) исполнительный элемент регулятора с усилителем; д) регулятор привода подачи; е) звено запаздывания; ж) двигатель механизма подачи;

я) звено, характеризующее процесс деформации подающего звена механизма подачи;

13 случае применения в качестве привода механизма подачи системы

ным уравнением первого порядка.

В системе предусмотрены обратные связи, отражающие влияние характера работы исполнительного органа на внешнюю динамику машины и характера скорости подачи на деформацию подающего звена.

После построения структурной схемы САР строится рабочая блоксхема модели системы в соответствии с общепринятыми правилами, которые широко освещены в литературе.

На рис. 63 показана обобщенная схема системы экстремального регулирования горных машин, имеющих два обособленных приводных регулируемых двигателя на исполнительном органе и механизме подачи.

206

Система экстремального регулирования горных машин состоит из двух самостоятельных взаимосвязанных систем: быстродейству­

а) задатчик установки регулируемого параметра; б) устройство сравнения заданной и фактической величин нагру­

зок на машину; в) исполнительный элемент регулятора с усилителем;

г) регулируемый привод механизма подачи; д) звено, характеризующее процесс деформации подающего звена

механизма подачи; е) звено, характеризующее рабочий процесс взаимодействия ис­

полнительного органа с разрушаемым массивом; ж) датчик нагрузки на исполнительный орган или привод

машины.

Структурной схемой предусмотрены те же обратные связи, ко­ торые предусмотрены и структурной схемой САР нагрузки (см. рис, 62).

207

2. Инерционную систему экстремального регулирования удельной нагрузки пли удельной энергоемкости машины, имеющую:

а) логический элемент СЭР; б) поисковое устройство СЭР;

в) исполнительный элемент СЭР с усилительным звеном; г) регулируемый привод исполнительного органа;

д) звено, характеризующее процесс взаимодействия исполнитель­ ного органа с разрушаемым массивом и зависимость удельных вели­

структурной схемы производится построение рабочей блок-схемы мо­ дели системы экстремального регулирования.

Для различных конкретных схем САР и СЭР в зависимости от типа привода горной машины, ее кинематической схемы, способа построе­ ния регулятора и элементов, примененных в схеме регулятора, ис­ пользования корректирующих звеньев приведенные структурные схе­ мы должны быть дополнены соответствующими звеньями и связями. Однако принцип построения модели и методика моделирования систем на электронных моделирующих установках прп этом не изменяется. Рабочая блок-схема модели САР приведена на рис. 64 [117].

При исследованиях варьируются следующие параметры объекта и системы:

1) объекта: а) крепость угля разрушаемого массива Аср; б) сила трения ^ т р ; в) масса комбайна т; г) жесткость тягового звена механиз­ маподачи с; д) сопротивление трубопроводов гидросистемы (при на­

и напряжения питания машины); ж) амплитуда и длительность им­ пульсного воздействия (нагрузки и напряжения машины).

Это соответствует работе машины по выемке углей различной крепости, при разных углах наклона линии забоя, разных направле­ ниях ее движения прп челноковой работе, разных длинах линии за­ боя и т. п.

2) системы: а) уставка регулируемого параметра; б) чувствитель­ ность и гистерезис элементов схемы автоматического регулятора; в) время чистой задержки звеньев автоматического регулятора; г) ко­ эффициенты усиления системы и ее звеньев.

Хотя для анализа качества переходных процессов в САУ доста­ точно знать огибающую, при моделировании систем нагрузка машины

208

должна задаваться с учетом вынужденной и случайной составля­ ющих, так как при этом может происходить линеаризация релейного звена, что может повлиять на параметры некоторых звеньев системы. Если это не учесть, то исследуемый процесс может измениться и будет существенно отличаться от реального переходного процесса. Иссле­

Для номинального режима производится анализ переходных про­ цессов при разгоне и перенастройке системы, а также при ее нормаль­ ном функционировании.

По величине установившихся после разгона системы автоколеба­ ний нагрузки, скорости подачи, скорости резания (для систем экстре­

тральную плотность N" (N" — количество шариков в барабане генера­ тора). Для получения требуемой спектральной плотности на выходе

Передаточная функция формирующего фильтра, следовательно, должна иметь вид

Приближенно можно заменить эту передаточную функцию вы­ ражением

210

которому соответствует апериодическое звено. Зная граничную ча­ стоту среза, можно определить коэффициент К2 усилителя, модели­ рующего фильтр,

где mt — масштаб времени модели; Тср =-у- период частоты среза.

Возможна подача и реальных возмущающих воздействий, запи­ санных на магнитную ленту.

§ 5. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ

Проведение исследований на натурных образцах в промышленных условиях обходится очень дорого, постановка исследований весьма сложна, так как нарушает нормальную эксплуатацию горных машин. Время подготовки исследований и различных мероприятий по обес­ печению безопасности в период их проведения во много раз превы­ шает время самого эксперимента или длительность проведения иссле­ дований. Надежность работы САУ и машины в этот период снижается. Кроме того, многие режимы, близкие к аварийным, не могут быть ис­ кусственно созданы и исследованы, так как они могут развиться в настоящие тяжелые аварии и привести к разрушению аппаратуры и машин. По этим причинам объем промышленных исследований и ко­ личество исследуемых объектов при исследовании САУ горных машин очень ограничены. Обычно эти исследования проводятся только в самом начале работ по созданию САУ и в качестве контрольных при испытании опытных образцов САУ. В случае необходимости в прове­ дении исследований для определения свойств вновь проектируемой САУ проведение исследований на натурных образцах, естественно, невозможно.

Метод физического моделирования позволяет относительно легко преодолевать указанные затруднения. Построение подобной ориги­

Этими же соображениями можно объяснить причины широкого применения моделирования как метода изучения сложных явлений во многих областях современной техники — автомобилестроении, авиастроении, ракетостроении, энергетике и т. п. Поэтому перечис­ ленные исследования лабораторных или экспериментальных образцов САУ в полном объеме могут быть проведены только на электродина­ мической модели с использованием методов физического моделирова­ ния.

Известно, что методы расчета таких САУ являются математически очень сложными. Для практического их выполнения нужны многие

допущения, которые могут внести существенные искажения. Попытки уточнить существующие методы расчета, а затем применить их для практических целей Стребуют надежной экспериментальной про­ верки.

Моделирование так же, как и исследование САУ в промышленных условиях, не исключает аналитических исследований САУ, а, наобо­ рот, дает материал для более точного математического анализа. Анализ, в свою очередь, позволяет уточнить эксперимент. Кроме то­ го, сравнение результатов математического анализа и данных, по­ лученных при физическом моделировании, позволяет уточнить процесс моделирования. Тем самым обеспечивается повышение точности моделирования режимов работы горных машин и ди­ намики САУ не только в качественном, но п в количественном отношении.

Не все задачи, касающиеся САУ, могут быть решены аналити­ чески. Но и аналитическое решение нуждается в проверке эксперимен­ том на натуре или на физической модели. Последнее проще, дешевле, удобнее, особенно при исследовании влияния вариаций различных параметров на протекание процесса.

Исследованию на физических или электродинамических моделях подлежат экспериментальные и опытно-промышленные образцы но­ вых САУ с целью настройки, регулирования и проверки работы в нормальных и аварийных режимах работы горных машин, а также предварительного сравнения технического уровня САУ различных конструкций.

Учитывая относительную сложность и высокую стоимость созда­ ния физических аналогов отдельных звеньев, применяется электро­ динамическое моделирование. Электродинамическая модель САУ гор­ ных машин предназначена для выполнения исследований согласно задачам, сформулированным в предыдущей главе.

Для создания модели САУ горных машин необходимо найти кри­ терии подобия для процессов, протекающих при работе системы в условиях забоя, и выделить из них определяющие критерии, которые должны быть составлены из заданных параметров САУ горных ма­ шин и независимых параметров процесса. Необходимо учитывать, что подобие может быть установлено как для явлений, подчиня­ ющихся детерминированным законам, так и для явлений, подчиня­ ющихся статистическим закономерностям [20].

Существуют два основных способа определения критериев подобия. Первый заключается в приведении уравнения физического процесса к безразмерному виду, т. е. к получению дифференциального уравне­ ния исследуемого процесса. Второй способ базируется на применении я-теоремы. Им можно пользоваться, когда известны параметры, уча­ ствующие в исследуемом процессе, но уравнение процесса неизвестно. Иногда на практике пользуются уравнением относительных единиц. Первый способ является наиболее простым и в данном случае наиболее приемлемым. Он основан на том, что уравнения физического процесса

212