Устройство комбинированного оптимального управления электроприводом экскаватора
Полезная модель относится к управлению горной техникой, а именно, к управлению электроприводами механизмов одноковшовых экскаваторов, которое представляет комбинированную оптимальную систему управления содержащую двухконтурную систему подчиненного регулирования внутренних координат с внешним контуром питающего напряжения и регулятором питающего напряжения и внутренним контуром напряжения возбуждения с регулятором напряжения возбуждения, и аналитически конструируемый оптимальный регулятор (АКОР) внешних координат: скорости второй массы и упругого момента, который переключается на оптимальные обратные связи по внешним координатам: скорости двигателя, упругому моменту и скорости второй массы.
Полезная модель относится к управлению горной техникой, а именно к управлению электроприводами главных механизмов одноковшовых экскаваторов, в которых требуется ограничение динамических нагрузок механической части, 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 датчиком 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 пуска, торможения и реверса многодвигательных приводов при наличии зазоров в кинематических передачах, что характерно для поворотных механизмов, динамические выбросы упругого момента превышают его стопорное значение в 2-3 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 (прототип) является устройство комбинированного управления электроприводами экскаватора (а.с. 
1733577), состоящее из последовательно соединенных командоаппарата, сумматора, системы подчиненного регулирования питающего напряжения и электропривода, последовательно соединенных датчика температуры, пороговый элемент, нелинейность типа отсечки, а также регулятор снижения динамических нагрузок, состоящий из двух интеграторов, трех инвертирующих усилителей и одного усилителя, выходы регулятора соединены с входами сумматора, а входы регулятора соединены с датчиком тока, датчиком скорости, датчиком нагрузки.
Недостатком последнего устройства является высокий уровень динамических нагрузок в электроприводах главных механизмов, вследствие чего уменьшается надежность и производительность экскаватора.
Целью полезной модели является повышение производительности экскаватора.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство комбинированного оптимального управления электроприводами экскаватора, состоящем из последовательно соединенных командоаппарата, сумматора, системы подчиненного регулирования питающего напряжения с последовательно соединенными регуляторами питающего напряжения и напряжения возбуждения, суммирующим магнитным усилителем и генератором, соединенным с двигателем, передающим движение через упругий элемент на вторую массу, причем первый вход регулятора питающего напряжения соединен с выходом первого сумматора, а вторые входы регуляторов питающего напряжения и напряжения возбуждения соединены соответственно с выходами датчиков питающего напряжения и напряжения возбуждения, датчик тока и датчик скорости двигателя, который через размыкающий контакт коммутирующего ключа соединен с первым входом регулятора снижения динамических нагрузок, содержащего первый интегратор, в обратной связи которого включен четвертый инвертирующий усилитель, а выход соединен со вторым усилителем и через пятый инвертирующий усилитель со вторым интегратором, первый вход регулятора соединен с первым инвертирующим усилителем, датчик нагрузки, выход которого соединен с коммутирующим ключом, последовательно соединенные датчик температуры, пороговый элемент и нелинейность типа отсечки, второй вход которой соединен с датчиком тока, а выход соединен с входом первого сумматора, два других входа которого соединены с выходами регулятора снижения динамических нагрузок, дополнительно введены датчики упругого момента и второй скорости, а в регулятор снижения динамических нагрузок введены три усилителя и четыре инвертирующих усилителя, три сумматора и один интегратор, причем выход датчика упругого момента соединен с входом датчика нагрузки, представляющим второй нелинейный элемент, а также через размыкающий контакт коммутирующего ключа с четвертым входом регулятора снижения динамических нагрузок, пятый вход которого через размыкающий контакт коммутирующего ключа соединен с датчиком скорости второй массы, первый инвертирующий усилитель регулятора соединен с входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго инвертирующего усилителя, вход которого соединен с вторым входом регулятора, третий вход которого через третий инвертирующий усилитель соединен с входом второго сумматора, выход которого соединен с первым выходом регулятора, второй выход которого соединен с выходом третьего сумматора, входы которого соединены через первый усилитель с выходом второго интегратора, в обратной связи которого включен шестой инвертирующий усилитель, и с выходом второго усилителя, выход которого соединен с выходом первого интегратора, вход которого соединен через третий усилитель с выходом второго интегратора, вход которого соединен с четвертым входом регулятора, который через замыкающий контакт коммутирующего ключа соединен с выходом датчика упругого момента. Выход второго интегратора через седьмой инвертирующий усилитель соединен с входом третьего интегратора, выход которого через четвертый усилитель соединен с входом второго интегратора, выходы которого соединены с пятым входом регулятора и через замыкающий контакт коммутирующего ключа с командоаппаратом, а пятый вход регулятора через замыкающий контакт коммутирующего ключа с датчиком второй скорости.
Предлагаемое изобретение характеризуется во-первых, оптимизацией при управляющем воздействии путем минимизации квадратичных отклонений скоростей двигателя и второй массы от их установившихся значений при минимуме расхода энергии управления, во-вторых, оптимизацией при возмущающем воздействии путем минимизации квадратичных отклонений упругого момента от установившегося значения 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 времен 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 вторым 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. Датчик температуры (перегрева) 13, пороговый элемент 14 и первый нелинейный элемент типа отсечки 15 последовательно соединены между собой. Второй вход нелинейного элемента 15 соединен с датчиком тока 16, а выход - со вторым входом первого сумматора 2. Кроме этого использованы датчики скорости двигателя 17, упругого момента 18 и скорости второй массы 19. Датчик упругого момента 18 подключен последовательно к датчику нагрузки 20, представляющему второй нелинейный элемент, и коммутирующему ключу 21. Датчики скорости двигателя 17, упругого момента 18 и скорости второй массы 19 через размыкающие контакты коммутирующего ключа 21 соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами регулятора снижения динамических нагрузок 22. Датчик упругого момента 18 также соединен с четвертым входом регулятора 22 через замыкающий контакт коммутирующего ключа 21. Регулятор снижения динамических нагрузок 22 состоит из трех интеграторов 23-25,семи инвертирующих усилителей 26-32, четырех усилителей 33-36 и трех сумматоров 37-39. В обратной связи первого интегратора 23 включен четвертый инвертирующий усилитель 29, а выход интегратора 23 соединен через пятый инвертирующий усилитель 30 с входом второго интегратора 24. Первый вход регулятора снижения динамических нагрузок 22 через первый инвертирующий усилитель 26 соединен с входом второго сумматора 37. Второй вход регулятора снижения динамических нагрузок 22 через второй инвертирующий усилитель 27 соединен с входом второго сумматора 37 и третий вход регулятора 22 через третий инвертирующий усилитель 28 соединен с входом второго сумматора 37. Четвертый вход регулятора снижения динамических нагрузок 22 соединен с входом второго интегратора 24, в обратной связи которого включен шестой инвертирующий усилитель 31, третий вход через пятый инвертирующий усилитель 30 соединен с выходом первого интегратора 23, а четвертый вход через четвертый усилитель 36 соединен с выходом третьего интегратора 25. Выход второго интегратора 24 через третий усилитель 35 соединен с входом первого интегратора 23, через седьмой инвертирующий усилитель 32 с входом третьего интегратора 25 и через первый усилитель 33 с первым входом третьего сумматора 38, второй вход которого через второй усилитель 34 соединен с выходом первого интегратора 23. Выход третьего сумматора 38 соединен со вторым выходом регулятора снижения динамических нагрузок 22, первый выход которого соединен с выходом второго сумматора 37. Первый и второй выходы регулятора 22 соединены с третьим и четвертым входами первого сумматора 2.
Пятый вход регулятора 22 через замыкающий контакт коммутирующего ключа 21 соединен с выходом датчика скорости 19 и с входом четвертого сумматора 39, выход которого соединен с входом третьего интегратора 25. Замыкающий контакт командоаппарата 1 соединен с входом четвертого сумматора 39, а размыкающий контакт командоаппарата 1 соединен с первым сумматором 2.
Устройство работает следующим образом. В том случае, если значение нагрузки не превышает заданное, определяемое вторым нелинейным элементом 20, замыкающие контакты коммутирующего ключа 21 разомкнуты, замкнуты размыкающие контакты коммутирующего ключа 21. На первый, второй и третий входы регулятора снижения динамических нагрузок 22 поступают сигналы обратных связей по скорости двигателя, упругому моменту и скорости второй массы, которые поступают на соответственно первый 26, второй 27 и третий 28 инвертирующие усилители, в которых усиливаются в число раз, определяемое коэффициентами оптимальных обратных связей по скорости двигателя, упругому моменту и скорости второй массы. Полученные оптимальные сигналы обратных связей с инвертирующих усилителей 26, 27 и 28 суммируются во втором сумматоре 37, а затем с задающим сигналом с командоаппарата 1 в первом сумматоре 2. Результирующее оптимальное управляющее воздействие является задающим для систем подчиненного регулирования питающего напряжения 3.
Коэффициенты оптимальных обратных связей по скорости двигателя, упругому моменту и скорости второй массы определяются при минимизации квадратичных отклонений скоростей двигателя и второй массы от их установившихся значений при минимуме расхода энергии управления, в соответствии с методикой (В.П.Кочетков, В.А.Троян. Оптимальное управление электроприводами. Красноярск: Изд-во Краснояр. ун-та, 1987, с.67-73).
В случае, если упругий момент превышает заданное значение, определяемое нелинейным элементом 20, срабатывает коммутирующий ключ 21 и отключаются оптимальные обратные связи по скорости двигателя, упругому моменту и скорости второй массы. Замыкаются замыкающие контакты коммутирующего ключа 21 и подключаются сигналы обратной связи по упругому моменту и скорости второй массы к аналитически конструируемому оптимальному регулятору (регулятор ограничения динамических нагрузок 22), вырабатывающему оптимальное управляющее воздействие и построенному на трех интеграторах 23-25, семи инвертирующих усилителях 26-32 и трех сумматорах 37-39. Интеграторы 23, 24 являются форсирующими благодаря наличию в обратных связях соответственно инвертирующих усилителей 29 и 31. На выходе первого интегратора 23 формируется сигнал первой внутренней координаты, на выходе второго интегратора 24 формируется сигнал второй внутренней координаты, а на выходе третьего интегратора 25 формируется сигнал третьей внутренней координаты. Первая, вторая и третья внутренние координаты - соответственно скорость двигателя, упругий момент и скорость второй массы. Сигнал первой внутренней координаты получают в результате форсированного интегрирования сигнала второй внутренней координаты, усиленной в усилителе 35. В обратной связи первого интегратора включен четвертый инвертирующий усилитель 29. Сигнал второй внутренней координаты получают в результате форсированного интегрирования сигнала обратной связи по упругому моменту, который поступает с датчика упругого момента 18 через замыкающий контакт коммутирующего ключа 21, четвертый вход регулятора 22 на первый вход интегратора 24, на второй вход интегратора 24 поступает сигнал третьей внутренней координаты с интегратора 25, усиленный в четвертом усилителе 36. В обратной связи интегратора 24 включен шестой инвертирующий усилитель 31. Сигнал третьей внутренней координаты получают в результате интегрирования сигнала ошибки по скорости второй массы и сигнала второй внутренней координаты с интегратора 24, усиленного в седьмом инвертирующем усилителе 32. Сигнал первой внутренней координаты с интегратора 23 усиливается в усилителе 34. Сигнал второй внутренней координаты с интегратора 24 усиливается в усилителе 33. Усиленные сигналы первой и второй внутренних координат суммируются в третьем сумматоре 38. Суммированный сигнал поступает на второй выход регулятора 22, а затем, полученный таким образом оптимальный сигнал по упругому моменту, поступает в первый сумматор 2. Алгоритм оптимального управления по усилию в упругих элементах, реализованный в аналитически конструируемом оптимальном регуляторе (регулятор ограничения динамических нагрузок 22) получают реализуя минимизацию квадратичного отклонения упругого момента от его установившегося значения при минимуме расхода энергии управления, на основании теории оптимального управления (там же, с.69).
В том случае, если температура двигателя превышает заданное значение, определяемое пороговым элементом 14, на нелинейном элементе типа отсечки 15 происходит сложение сигналов с выхода порогового элемента 14 и датчика тока 16. Если сумма превышает значение, определяемое нелинейным элементом 15, то сигнал поступает на сумматор 2 и происходит снижение тока. Кроме этого нелинейный элемент типа отсечки 15 формирует необходимый вид экскаваторной характеристики.
Как при управляющем, так и при возмущающем воздействиях, действует двухконтурная система подчиненного регулирования питающего напряжения. Внутренний контур, за счет регулятора напряжения возбуждения 5, компенсирует постоянную времени суммирующего магнитного усилителя 6. Передаточную функцию регулятора напряжения возбуждения 5 определяют на основании методики расчета систем на «технический оптимум».
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. Передаточную функцию регулятора питающего напряжения 4 определяют также на основании методики расчета систем на «технический оптимум».
Третий интегратор, форсирующие интеграторы первый и второй рассматриваются как регуляторы соответственно скорости второй массы, упругого момента и скорости двигателя, с внутренними обратными связями, и представляют три контура подчиненного регулирования, а в целом представляют пятиконтурную систему подчиненного регулирования напряжения возбуждения, питающего напряжения, скорости двигателя, упругого момента и скорости второй массы.
Преимущества предлагаемого устройства особенно сказываются на приводах копающих механизмов. Во-первых, в режиме жесткого стопорения ковша обеспечивается эффективное снижение коэффициента динамичности механизмов за счет аналитически конструируемого оптимального регулятора, уменьшаются динамические броски на (5-10) %, что приводит к увеличению надежности, а следовательно, и эксплуатационной производительности экскаватора. Во-вторых, применение при управляющем воздействии сигналов оптимальных обратных связей по скорости двигателя, упругому моменту и скорости второй массы, полученным в соответствии с минимизацией среднеквадратичных отклонений упругого момента и скоростей двигателя и второй массы от их установившихся значений, 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%.
1. Устройство комбинированного оптимального управления электроприводом экскаватора, содержащее последовательно соединенные командоаппарат, сумматор, систему подчиненного регулирования питающего напряжения и напряжения возбуждения, суммирующим магнитным усилителем и генератором, соединенным с двигателем, передающим движение через упругий элемент на вторую массу, причем первый вход регулятора питающего напряжения соединен с выходом первого сумматора, а вторые входы регуляторов питающего напряжения и напряжения возбуждения соединены соответственно с выходами датчиков питающего напряжения и напряжения возбуждения, датчик тока и датчик скорости двигателя, который через размыкающий контакт коммутирующего ключа соединен с первым входом регулятора снижения динамических нагрузок, содержащего первый интегратор, в обратной связи которого включен четвертый инвертирующий усилитель, а выход соединен с вторым усилителем и через пятый инвертирующий усилитель со вторым интегратором, первый вход регулятора соединен с первым инвертирующим усилителем, датчик нагрузки, выход которого соединен с коммутирующим ключом, последовательно соединенные датчик температуры, пороговый элемент и нелинейность типа отсечки, второй вход которой соединен с датчиком тока, а выход соединен с входом первого сумматора, два других входа которого соединены с выходами регулятора снижения динамических нагрузок, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности экскаватора, дополнительно введены датчики упругого момента и второй скорости, а в регулятор снижения динамических нагрузок введены три усилителя и четыре инвертирующих усилителя, три сумматора и один интегратор, причем выход датчика второй скорости через размыкающий контакт коммутирующего ключа соединен с третьим входом регулятора снижения динамических нагрузок, а выход датчика упругого момента соединен со вторым входом регулятора снижения динамических нагрузок через размыкающий контакт коммутирующего ключа и с входом датчика нагрузки, а также через размыкающий контакт коммутирующего ключа с четвертым входом регулятора снижения динамических нагрузок, пятый вход которого через размыкающий контакт коммутирующего ключа соединен с датчиком второй скорости, а первый инвертирующий усилитель регулятора соединен с входом второго инвертирующего усилителя, вход которого соединен с вторым входом регулятора, третий вход которого через третий инвертирующий усилитель соединен с входом второго сумматора, выход которого соединен с первым выходом регулятора, второй выход которого соединен с выходом третьего сумматора, входы которого соединены через первый усилитель с выходом второго интегратора, в обратной связи которого включен шестой инвертирующий усилитель, и с выходом второго усилителя, вход которого соединен с выходом первого интегратора, вход которого соединен через третий усилитель с выходом второго интегратора, вход которого соединен с четвертым входом регулятора, а пятый вход регулятора соединен с входом четвертого сумматора, второй вход которого через замыкающий контакт коммутирующего ключа присоединен к выходу командоаппарата, а выходом подключен к входу третьего интегратора, второй вход которого через седьмой инвертирующий усилитель присоединен к выходу второго интегратора, а выходом через четвертый усилитель к входу второго интегратора, при этом к входу первого сумматора через размыкающий контакт коммутирующего ключа подсоединен командоаппарат.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коэффициенты усиления первого, второго и третьего инвертирующих усилителей равны оптимальным, в смысле минимизации квадратичных отклонений скоростей первой и второй масс и упругого момента от их установившихся значений, коэффициентам обратных связей соответственно по скорости двигателя, упругому моменту и скорости второй массы, а остальные коэффициенты усилителей и инвертирующих усилителей равны коэффициентам при соответствующих координатах и управляющих воздействиях объекта управления, определяемым его параметрами.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что третий, второй и первый интеграторы вместе со своими внутренними обратными связями составляют контуры регулирования второй скорости и упругого момента с апериодическими регуляторами и скорости двигателя с интегральным регулятором, а с учетом последовательной коррекции внутренних координат напряжения возбуждения и питающего напряжения с ПИ-регуляторами, комбинированная оптимальная система управления представляет пятиконтурную систему подчиненного регулирования с контурами второй скорости, упругого момента, скорости двигателя, питающего напряжения и напряжения возбуждения.
