Исследование системы управления многодвигательным электроприводом поворота мощного экскаватора-драглайна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Со Хтун Мьят Тхан

• Со Хтун Мьят Тхан
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Со Хтун Мьят Тхан

Страница

Введение

1,Обзор литературы. Постановка задачи. Возможности программ Simulink, Control System Toolbox и Nonlinear Control Design.

1.1 Обзор литературы по исследованию динамических процессов в электромеханической системе поворота шагающих экскаваторов.

1.2 Особенности электромеханической системы поворота экскаватора драглайна

1.3 Возможности программ Simulink, Control System Toolbox и Nonlinear Control Design.

1.4 Порядок исследований.

2. Разомкнутые одномассовая и двухмассовая системы с якорным управлением

2.1 Математическое описание и структурные схемы моделирования двигателя постоянного тока в установившемся и динамическом режимах

2.2 Допущения ,принятые при математическом описании много двигательного электропривода поворота экскаватора драглайна.

2.3 Математическое описание и структурные схемы моделирования динамического режима электропривода поворота экскаватора при идентичной работе двигателей поворота на уровне разомкнутой одномассовой системы

2.4 Математическое описание и структурные схемы моделирования разомкнутой линейной двухмассовой электромеханической системы в динамическом режиме работы

2.5 Математическое описание и структурные схемы моделирования разомкнутой нелинейной двухмассовой электромеханической системы в динамическом режиме работы.

2.6 Математическое описание и структурные схемы моделирования динамических процессов электропривода поворота экскаватора при идентичной работе двигателей поворота на уровне двухмассовой разомкнутой системы

3. Замкнутые одномассовая и многомассовые системы с управлением по схеме с суммирующим усилителем

3.1 Исследование замкнутой одномассовой системы с обратной связью по скорости двигателя.

3.2 Математическое описание и структурные схемы моделирования динамических процессов в электроприводе поворота экскаватора при идентичной работе двигателей поворота на уровне замкнутой одномассовой системы с обратной связью по скорости двигателя.

3.3 Математическое описание и структурные схемы моделирования для автоматизированного выбора параметров регуляторов в замкнутой двухмассовой электромеханической системе, управляемой по схеме с суммирующим усилителем.

3.4 Математическое описание и структурные схемы моделирования для автоматизированного выбора параметров регуляторов много-двигательного электропривода поворота экскаватора на уровне двухмассовой замкнутой системы при идентичной и попарно идентичной работе двигателей.

4. Замкнутая система, управляемая по схеме подчинённого регулирования

4.1 Математическое описание и структурные схемы моделирования замкнутой двухмассовой электромеханической системы, управляемой по схеме подчинённого регулирования.

4.2 Математическое описание и структурные схемы моделирования для автоматизированного выбора параметров регуляторов в замкнутой двухмассовой электромеханической системе поворота экскаватора драглайна, управляемой по схеме подчинённого регулирования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование системы управления многодвигательным электроприводом поворота мощного экскаватора-драглайна»

Задача исследования системы управления многодвигательным электроприводом поворота экскаватора драглайна является актуальной в связи с высокими требованиями, предъявляемыми к качеству динамических процессов, протекающих в управляемой многомассовой электромеханической системе. Существующие аналитические методы расчёта показателей качества динамических процессов в системах подобной сложности, как правило, связаны с многими упрощениями, такими, как замена многомассовой электромеханической системы одномассовой системой или замена многодвигательного электропривода одно-двигательным.

Современное программное обеспечение для моделирования сложных систем управления, представленное комплексом программ МаНаЪ, позволяет выполнить исследование системы управления электроприводом поворота экскаватора-драглайна с учётом как многомассового, так и многодвигательного состава системы с учётом имеющихся в ней существенных нелинейностей.

При этом возникает задача создания адекватной математической модели и адекватных структурных схем решения входящих в состав этой модели дифференциальных уравнений. Наиболее надёжным способом проверки правильности получающегося математического описания и полученных на его основе решений является постепенное усложнение математических моделей и структурных схем моделирования, начиная с изучения установившихся процессов в одномассовой системе и заканчивая многомассовой и многодвигательной системой. Каждый последующий этап исследования при этом проверяется числовыми данными, полученными на предшествующем этапе, обеспечивая не только верификацию новых данных, но и возможность иерархического построения математического описания и структурных схем моделирования, обеспечивающего модульный характер каждого этапа исследований. Каждый этап модуль) исследований при таком подходе сохраняет возможность совершенствования без корректировки остальных модулей.

Особенную ценность такой подход, принятый в данной диссертационной работе, приобретает при исследовании различных систем управления многодвигательным электроприводом поворота экскаватора драглайна, характеризующегося высокими требованиями к качеству переходных процессов не только электрических но и механических параметров системы. В качестве основного программного обеспечения исследований использованы программы Simulink и Nonlinear Control Design, входящие в программный комплекс Matlab.

Эффективность использования мощных экскаваторов драглайнов во многом зависит от правильного выбора параметров настройки систем автоматического управления основных рабочих механизмов экскаватора. Существующие аналитические методы расчёта этих параметров относятся к системам автоматического управления одномассовыми и однодвигательными электромеханическими системами и не учитывают ряда существенных нелинейностей, присущих электромеханической системе поворота экскаватора, к которым, в первую очередь, относится нелинейность, создаваемая наличием кинематических зазоров в валопроводе механизма поворота.

Современное программное обеспечение для моделирования сложных систем управления, представленное комплексом программ Matlab, позволяет выполнить исследование системы управления электроприводом поворота экскаватора драглайна с учётом как многомассового, так и многодвигательного состава системы с учётом имеющихся в ней существенных нелинейностей.

Целью работы: является разработка математической модели динами-ческих процессов в системе автоматического управления многомассовой и многодвигательной электромеханической системы электропривода поворота мощного экскаватора-драглайна, позволяющей обеспечить лучшие показатели качества процесса управления и повысить эффективность эксплуатащии экскаватора-драглайна.

Идея работы состоит в том, что созданные математическое описание динамических процессов в многомассовой электромеханической системе поворота экскаватора виде системы дифференциальных уравнений и структурные схемы их решения с использованием программы МаЙаЬ, позволяют осуществить автоматизированный выбор параметров регуляторов с учётом многогомассового и многодвигательного состава управляемой системы и присущих ей существенных нелинейностей.

Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель и соответствующие схемы моделирования динамических процессов в различных классах систем автоматического управления многодвигательным электроприводом поворота мощного экскаватора драглайна.

2. На основе результатов моделирования разработать метод автоматизированного выбора параметров и структуры регуляторов системы автоматического управления многодвигательным электроприводом экскаватора-драглайна.

3. Исследовать качество переходных процессов в многомассовой электромеханической системе поворота экскаватора драглайна и разработать рекомендации по улучшению качества переходных процессов.

Методы исследования: использован метод постепенного усложнения структуры управляемой системы от разомкнутой одномассовой до замкнутой многомассовой и многодвигательной системы. Рассмотрены два типа систем управления многомассовой и многодвигательной системой. Для исследований используются программные продукты Simulink, Control System Toolbox и Nonlinear Control Design, входящие в программный комплекс Matlab.

Научные положения и новизна работы:

1. Разработанная математическая модель многомассовой и многодвигательной электромеханической системы электропривода поворота экскаватора-драглайна с достаточно обоснованной системой допущений и ограничений, адекватно описывает динамические процессы в реалной системе электропривода поворота.

2. Разработанная рациональная схема управления электроприводом с суммирующим усилителем и схема подчинённого регулирования мощного экскаватора-драглайна показали путём моделирования, возможность улучшения качества процесса управления.

3. Разработанный метод автоматизированного определения параметров настройки регуляторов системы управления электроприводом поворота экскаватора-драглайна с использованием технологии моделирования программного комплекса Simulink, Control System Toolbox и Nonlinear Control Design, позволил получить улучшенные показатели качества переходных процессов в многодвигательной электромеханической системе поворота с учётом существенных нелинейностей исследуемой системы.

4. Новизна работы состоит в использовании модульного принципа в построении математического описания и моделирования динамических процессов в системе управления многодвигательным электроприводом поворота мощного экскаватора драглайна и в использовании программного метода для автоматизированного выбора параметров систем автоматического управления этим электроприводом.

Практическая ценность: Разработанные математическое описание и динамические процессы в многомассовой электромеханической системе поворота с учётом существенных нелинейностей, позволяют использовать современные программные средства для автоматизированного выбора параметров системы управления, обеспечивающих лучшее качество переходных характеристик системы управления электроприводом поворота экскаватора-драглайна.

Публикация: по результатам выполненных исследований опубликованы 2 статьи в журнале, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Автоматики и управления в технических системах» Московского государственного горного униветситета.

1.Обзор литературы. Постановка задачи. Возможности программ Simulink, Control System Toolbox и Nonlinear

Control Design.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Со Хтун Мьят Тхан

Заключение

В диссертационной работе изложен поэтапный (модульный) принцип построения математического описания и моделирования динамических процессов в различных классах систем автоматического управления электроприводом поворота экскаватора-драглайна. На каждом этапе исследований на примере учебной системы установлены особенности математической модели и структурной схемы моделирования. Далее приведены математическое описание, соответствующая ему структурная схема моделирования для экскаватора-драглайна, приведены осциллограммы переходных процессов для электрических и механических переменных, характеризующих системы управления электроприводом поворота экскаватора.

Для автоматизированного выбора параметров систем управления многомассовой электромеханической системой поворота использована программа Nonlinear Control Design, входящая в программный комплекс Matlab, позволяющая найти значения параметров настройки регуляторов, обеспечивающие протекание переходных процессов электрических переменных в пределах установленных ограничений переходных характеристик. Установлена необходимость использования дополнительных демпфирующих средств для гашения колебаний в валопроводе многомассовой электромеханической системы.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Разработаны математическое описания и структурные схемы моделирования динамических процессов в системе автоматического управления электроприводом поворота экскаватора, позволяющие методом моделирования определять параметры регуляторов с учётом многомассового и многодвигательного состава управляемой электромеханической системы.

2. Использован поэтапный (модульный) принцип построения математического описания и соответствующих ему структурных схем моделирования динамических процессов в различных классах систем автоматического управления электроприводом поворота экскаватора-драглайна. На каждом этапе исследований на примере учебной системы установлены особенности математической модели и структурной схемы моделирования на каждом этапе исследования. На этой основе созданы математическое описание и соответствующие ему структурные схемы моделирования для экскаватора драглайна, получены осциллограммы переходных процессов для электрических и механических переменных, характеризующих системы управления электроприводом поворота, экскаватора.

3. Использован метод постепенного усложнения структуры управляемой системы: от разомкнутой одномассовой системы до замкнутой многомассовой и многодвигательной системы. Рассмотрены два типа систем управления многомассовой и многодвигательной системой. В качестве программного обеспечения исследований используются программы Simnlink, Control System Toolbox и Nonlinear Control Design, входящие в программный комплекс Matlab.

4. Систематизированы особенности электромеханической системы поворота экскаватора драглайна и обоснована система допущений, принятых при составлении математической модели системы управления многомассовой и многодвигательной электро-механической системой поворота экскаватора драглайна.

5. Обоснован и реализован метод использования программ Simulink, Control System Toolbox и Nonlinear Control Design для определения параметров настройки регуляторов, входящих в систему управления электроприводом поворота экскаватора драглайна; на основании результатов моделирования разработаны рекомендации по улучшению качества переходных процессов в многодвигательной электро-механической системе поворота с учётом существенных нелинейностей исследуемой системы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Со Хтун Мьят Тхан, 2010 год

1. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами. М., "Наука", 1976.

2. Башарин A.B., Новиков В.А. Управление электроприводами. "Энергоиздат", М., 1982.

3. Беньковч Е., Колесов Ю., Сениченков Ю. Практическое моделирование двинамических систем. СПб., изд-во "БХВ-Петербург", 2002.

4. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М., "Наука", 1975

5. Бессекерский В.А. п/р. Сборник задач по теории автоматического управления. М., "Наука", 1983.

6. Борцов Ю.А. Соколовкий Г.Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. СПб., "Энергоатомиздат", 1992.

7. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Тиристорные системы электропривода с упругими связями. JL, "Энергия", 1979.

8. В.В.Солодовников В.В. п/р. Основы автоматического регулирования. М., "Машгиз ", 1954.

9. Волков Д.П., Каминская Д.А. Динамика электромеханических систем экскаваторов. М., "Машиностроение", 1971.

10. Ю.Волков Д.П. Динамика и прочность одноковшовых экскаваторов. М., "Машиностроение", 1965.

11. Воронов A.A. Устойчивость, управляемость, наблюдаемость. М., "Наука", 1979.

12. Воронов A.A. п/р. Теория автоматического управления. М., "Высшая школа", 1989.

13. Вуль Ю.Н., Ключев В.И , Седаков JI.B. Наладка электроприводов экскаваторов. "Нелра", М., 1964.

14. Гарднер М.Ф. и др. Переходные процессы в линейных системах. М., "Гостехиздат", 1951.

15. Герман-Галкин С.Г. и др. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями.

16. М., "Энергоатомиздат", 1986.

17. Герман-Галкин С.Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных система на ПК. Изд-во "КОРОНА-Век", 2008.

18. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем. СПб., изд-во "Корона-Принт", 2001.

19. Герман-Галкин С.Г. и др. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями.

20. М., "Энергоатомиздат", 1986.

21. ГОСТ 20913-75. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Стадии создания.

22. ГОСТ 19675-74. Автоматизированные системы управления. Основные положения. Термины и определения.

23. ГОСТ 19084-75.Системы автоматического управления технологическими процессами в промышленности. Основные положения.

24. Гультяев A.K. MATLAB 5.3. Имитационное моделирование в среде Windows. СПб., изд-во "Корона-Принт", 2001.

25. Денисов A.A., Колесников Д.М. Теория больших систем управления. JL, "Энергоиздат", 1982.

26. Дудников В.Г., Левин A.A. Автоматизированные системы управления. М., "Энергия", 1973.

27. Дьяконов В., М., "Simulink4". "Питер", 2002

28. Дьяконов В.М., Круглов В., М., "Математические пакеты расширения Matlab". "Питер", 2002.

29. Дьяконов В.П. Абраменкова И.В. MATLAB 5.0/5.3. Система символьной математики. М., изд-во "Нолидж", 1999.

30. Егупов Н.Д. п/р, "Методы классической и современной теории автоматического управления", М., издательство МГТУ им Н.Э. Баумана, 2002.

31. Елисеев В.А., Шинянский A.B. п/р. "Справочник по автоматизированному электроприводу ". "Энергоатомиздат", М., 1988.

32. Залесов O.A. п/р. Применение электронных моделей для исследования горных иашин."Недра", М., 1966.

33. Зимин E.H., Яковлев В.И. Автоматическое управление электроприводами. М., "Высшая школа", 1989.

34. Зубов В.И. Лекции по теории управления. М., "Наука", 1975.

35. Квартальнов Б.В. Динамика электропривода с упругими связями. М., "Энергия", 1965.

36. Кожевников С.Н. Динамика машин с упругими звеньями. Киев, изд-во АН УССР, 1961.

37. Ключев В.И. Динамика экскаваторных электроприводов. М., МЭИ. 1970. М., "Машиностроение", 1968.

38. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов. "Энергия", М., 1980.

39. Ключев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. М., "Энергия", 1971.

40. Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики. М., "Энергоатомиздат", 1987.

41. Красовский A.A. п/р. Справочник по теории автоматического управления. М., "Наука", 1987.

42. Красовский A.A., Поспелов В.Г. Основы автоматики и технической кибернентики. М., "Госэнергоиздат", 1962.

43. Крупович В.И., Барыбин Ю.Г., Самовер M.JI. п/р. "Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами", М., "Энергоиздат", 1982.

44. Кузнецов В.Ф. Динамические нагрузки в редукторных приводах тяжёлых горных машин. "Горное оборудование и электромеханика". 2007, № 1.

45. Кузнецов В.Ф., Потапов В.Д. Динамические нагрузки в многодвигательном приводе поворота экскаваторов с параллельным соединением двигателей. Известия ВУЗов. Горный журнал. 1973. №3.

46. Кузнецов В.Ф. Демпфирующая способность однодвигательного электропривода по системе генератор-двигатель. Известия ВУЗов. Горный журнал. 1964, № 9.

47. Кузнецов В.Ф. Моделирование электромеханической системы поворота шагающего экскаватора ЭШ 50/125. Известия ВУЗов. Горный Журнал. 1963, №10.

48. Кузнецов В.Ф."Электромеханические системы. Примеры исследования с использованием программы Matlab", М., изд. МГГУ, 2008.

49. Кузнецов В.Ф., Со Хтун Мьят Тхан. Исследование демпфирующей способности многодвигательного электропривода поворота экскаватора драглайна. Горный информационно-аналитический бюллетень. М., МГГУ, 2010 №2.

50. Кузнецов В.Ф., Со Хтун Мьят Тхан. Математическая модель и исследование системы управления электроприводом поворота экскаватора драглайна. Горный информационно-аналитический бюллетень. М., МГГУ, 2010 №3.

51. Кузнецов В.Ф."Электромеханические системы. Примеры исследования с использованием программы Matlab", М., изд. МГГУ, 2008.

52. Лазарев Ю.Ф. MATLAB-5.x. Киев, изд-во "БХВ-Киев ", 2000.

53. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB. СПб., изд-во "БХВ-Петербург", 2005.

54. Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы. М., "Машиностроение", 1982.

55. Мартынов М.В., Переслегин Н.Г. Автоматизированный электропривод в горной промышленности. М., "Недра", 1977.

56. Медведев B.C., Потёмкин B.C., М. "Control System Toolbox". "Диалог МИФИ", 1999.

57. Михалевич B.C., Волкович В.Л. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем. М., "Наука", 1982.

58. Нетушил А.В. п/р. Теория автоматического управления. М., "Высшая школа", 1976.

59. Низэ В.Э., Антик И.В. п/р. Справочник по средствам автоматики. М., "Энергоатомиздат", 1983.

60. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. М., изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2000.

61. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование. М., "Высшая школа", 1980.

62. Пановко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем. М., "Машиностроение", 1968.

63. Певзнер Л.Д. "Теория систем управления", МГГУ, М., 2002.

64. Потапов В.Д., Кузнецов В.Ф. Отчёт о научно-исследовательской работе "Исследование режимов работы и выбор рациональной системы электропривода экскаваторов". МГИ, М., 1971.

65. Потапов В.Д., Кузнецов В.Ф. Отчёт о научно-исследовательской работе "Разработка систем и режимов управления приводом механизма поворота шагающих экскаваторов". МГИ, М., 1974.

66. Потапов В.Д., Кузнецов В.Ф., Дроздов И.А. Методика выбора параметров диагностической модели одноковшовых экскаваторов. М., Горный журнал. 1980 №5.

67. Потёмкин В.Г. Система инженерных и научных расчётов MATLAB-5.x. М., "ДИАЛОГ-МИФИ", 1999.

68. Потёмкин В.Г. Введение в MATLAB. М., "ДИАЛОГ-МИФИ", 2000.

69. Пугачёв B.C. п/р. Основы автоматического регулирования. М., "Наука", 1974.

70. Райниш К. Кибернетические основы и описание непрерывных систем. М., "Энергия", 1978.

71. Решмин Б.И., Ямпольский Д.С. Проектирование и наладка систем подчинённого регулирования электроприводов. М., "Энергия", 1975.

72. Розанов Ю.К. Электронные устройства электромеханических систем. М., изд-во "ACADEMIA", 2004.

73. Ройтенберг Я.Н. Автоматическое управление. М., "Наука", 1978.

74. Сабинин.Ю.А. Электромашинные устройства автоматики. " Энергоатомиздат" JL, 1988.

75. Сиротин А.А. Автоматическое управление электроприводами. М., "Энергия", 1969.

76. Слежановский О.В. Реверсивный электропривод постоянного тока. М., "Металлургия", 1967.

77. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Теория автоматического управления техническими системами. М., изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 1998.

78. Соколов М.М. Автоматизированный электропривод общепромышленных механизмов. М., "Энергия", 1976

79. Терехов В.М. Элементы систем автоматизированного электропривода. М., МЭИ, 1977.

80. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов. М., изд-во "ACADEMIA", 2006.

81. ЦыпкинЯ.З. Основы теории автоматических систем. М., "Наука", 1977.

82. Фрер Ф., Орттенбургер Ф. Введение в электронную технику регулирования. М., "Энергия", 1973.

83. Хэлворсон М., Янг М. Эффективная работа с Microsoft Office 2000. M., Изд-во "Питер". 2003. 2005. Киев, изд-во "Ирина", 2000.

84. Черных И.В. SIMULINK среда создания инженерных приложений. М., изд-во "Диалог МИФИ", 2004.

85. Чиликин М.Г. и др. Основы автоматизированного электропривода. М., "Энергия", 1974.

86. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. М., "Энергия", 1981.

87. Шипилло. Автоматизированный вентильный электропривод. М., "Энергия", 1969.

88. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. Л., "Энергия", 1975.