SU1733577A1 - Устройство управлени электроприводом экскаватора - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : устройство содержит командоаппарат 1, сумматор 2, датчик 4 питающего напр жени , регул тор 5 питающего напр жени , датчик 6 напр жени  возбуждени , регул тор 7 напр жени  возбуждени , суммирующий магнитный усилитель 8, генератор 9, двигатель 10, датчик 11 тока, датчик 12 скорости, коммутирующий ключ 13,датчик 14 тока нагрузки, регул тор 15 снижени  динамических нагрузок . 1 з.п. ф-лы. 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к управлению горной техникой, а именно к управлению электроприводами механизмов одноковшовых экскаваторов, в которых требуетс  ограничение токов, возникающих в режимах с управл ющими и возмущающими воздействи ми , и может быть использовано дл  управлени  электроприводами других горных машин.

Известны устройства управлени , представл ющие в качестве системы регулировани  или один суммирующий усилитель, соединенный с датчиками тока и скорости, или двухконтурную систему подчиненного регулировани  с внутренним контуром тока, представл ющим регул тор тока и датчик тока, и внешним контуром скорости, состо щим из регул тора скорости и датчика скорости .

Недостатком первого устройства управлени   вл етс  то, что в режимах стопоре- ни  ковша, характерных дл  копающих механизмов, и в режимах пуска, торможени  и реверса многодвигательных приводов при наличии зазоров в кинематических передачах , что характерно дл  поворотных механизмов , динамические выбросы тока превышают его стопорное значение в 1,3- 1,7 раза, что  вл етс  причиной разрушени  электромеханического оборудовани .

Недостатком второго устройства управлени   вл етс  недостаточно эффективное снижение коэффициента динамичности механизма дл  приводов копающих механизмов в режиме жесткого стопорени  ковша, что приводит к снижению производительности и надежности экскаватора.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  устройство управлени , состо щее из последовательно соединенных командо- аппарата, сумматора и электропривода, регул тора снижени  динамических нагрузок, содержащего два интегратора, два инвертирующих усилител  и коммутирующий элемент , датчики тока и скорости двигател . Датчик тока соединен с первым входом регул тора , который через замыкающий контакт коммутирующего элемента соединен с первым входом первого интегратора, в обратной св зи которого включен первый инвертирующий .усилитель, датчик скорости соединен с вторым входом регул тора, выход которого соединен с вторым входом сумматора, датчик тока нагрузки, первый вход которого соединен с датчиком тока, а второй - с датчиком скорости, а выход - с коммутирующим ключом, а также последовательно соединенные датчик температуры, пороговый элемент и нелинейность типа отсечки , второй вход которой соединен с выходом датчика тока, а выход соединен с третьим входом сумматора, причем выход первого интегратора регул тора снижени  динамических нагрузок соединен через второй интегратор с своим входом и через усилитель - с выходом регул тора.

Недостатком устройства  вл етс  невысокий уровень быстродействи ,что в элект- роприводах главных механизмов с

0 системой суммирующий магнитный усилитель - генератор - двигатель (СМУ - Г - Д), которыми оборудованы в СССР 80% парка экскаваторов,  вл етс  очень существенным .

5 Цель изобретени  - повышение производительности экскаватора за счет увеличени  быстродействи  устройства управлени .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что

0 в устройство комбинированного управлени  электроприводом экскаватора, содержащее командоаппарат. выход которого подключен к первому входу сумматора, датчик температуры, выход которого через по5 роговый элемент подключен к первому входу нелинейного элемента, выход которого подключен к второму входу сумматора, датчик тока-двигател , выход которого подключен к второму входу нелинейного эле0 мента и к первому входу датчика нагрузки, выход которого подключен к входу коммутирующего ключа, датчик скорости подключен к второму входу датчика нагрузки, датчик тока двигател  через замыкающий контакт

5 коммутирующего ключа подключен к первому входу регул тора снижени  динамических нагрузок, а первый выход регул тора подключен к третьему входу сумматора, дополнительно снабжено датчиком напр же0 ни  возбуждени , регул тором напр жени , регул тором напр жени  возбуждени , магнитным усилителем возбуждени  генератора, размыкающим контактом коммутирующего ключа и датчи5 ком напр жени , выход которого подключен к первому входу регул тора напр жени , к второму входу которого подключен сумматор, а выход регул тора напр жени  подключен к первому входу

0 регул тора напр жени  возбуждени , к второму входу которого подключен датчик напр жени  возбуждени , а выход регул тора напр жени  возбуждени  подключен к входу магнитного усилител  возбуждени  гене5 ратора, причем датчик скорости через размыкающий контакт коммутирующего ключа подключен к второму входу регул тора снижени  динамических нагрузок, а второй выход регул тора снижени  нагрузок подключен к четвертому входу сумматора,

причем регул тор снижени  динамических нагрузок содержит два интегратора, три инвертирующих усилител  и неинвертирующий , усилитель, при этом выход первого интегратора подключен через первый инвертирующий усилитель к его входу и непос- редственно к неинвертирующему усилителю, а второй вход первого интегратора  вл етс  первым входом регул тора, вторым входом которого  вл етс  вход второго инвертирующего усилител , выход которого  вл етс  первым выходом блока, вторым выходом которого  вл етс  выход неинвертирующего усилител , а выход первого интегратора через третий инвертирующий усилитель подключен к входу второго интегратора, выход которого подключен к третьему входу первого интегратора.

Предлагаемое устройство характеризуетс  оптимизацией управл ющего воздействи  путем минимизации квадратичных отклонений скорости от установившихс  значений и подключении оптимальной обратной св зи по скорости при управл ющем воздействии. При превышении током нагрузки порогового значени  отключаетс  оптимальна  обратна  св зь по скорости и подключаетс  обратна  св зь по току к регул тору ограничени  динамических нагрузок , в результате чего минимизируютс  отклонени  тока от установившегос  значени . Кроме того, посто нно подключена двухконтурна  система подчиненного регулировани  питающего напр жени , котора  включает внутренний контур регулировани , в котором регул тор напр жени  возбуждени  компенсирует посто нную времени магнитного усилител , и внешний контур регулировани  питающего напр жени , в котором регул тор питающего напр жени  компенсирует посто нную времени генератора. Таким образом, по вл етс  возможность максимально увеличить быстродействие системы СМУ - Г - Д и в конеч- ном счете надежнее ограничить динамические нагрузки.

На чертеже представлена структурно- функциональна  схема комбинированной системы управлени  экскаваторным электроприводом .

Устройство содержит командоаппарат 1, соединенный с сумматором 2, выход которого соединен с двухконтурной системой 3 подчиненного регулировани  (СПР) питающего напр жени , состо щей из внешнего контура регулировани  с датчиком 4 питающего напр жени , соединенного с регул то- ром 5 питающего напр жени , и внутреннего контура напр жени  возбуждени , представл ющего последовательно

соединенные датчик 6 напр жени  возбуждени , регул тор 7 напр жени  возбуждени  и суммирующий магнитный усилитель 8. Выход сумматора 2 соединен с вторым вхо- 5 дом регул тора 5 питающего напр жени , выход суммирующего магнитного усилител  8 соединен с генератором 9, последний соединен с двигателем 10 привода. Датчики тока 11 и скорости 12 соединены соответст0 венное замыкающим 13 и размыкающим 13 контактами коммутирующего ключа 13. Датчик 14 тока нагрузки соединен своими входами с датчиками тока 11 и скорости 12, а выходами - с коммутирующим ключом 13,

5 замыкающий и размыкающий контакты которого соединены соответственно с первым и вторым входами регул тора 15 снижени  динамических нагрузок, который состоит из двух интеграторов 16 и 17, трех инвертиру0 ющих усилителей 18 - 20 и одного неинвертирующего усилител  21. Первый вход регул тора 15 соединен с первым входом первого интегратора 16, в цепи обратной св зи которого включен первый инвертиру5 ющий усилитель 19. Выход первого интегратора 16 через усилитель 21 соединен с первым выходом регул тора 15 и через третий инвертирующий усилитель 20 - с входом второго интегратора 17, выход последнего

0 соединен с третьим входом первого интегратора 16. Второй вход регул тора 16 соединен с вторым инвертирующим усилителе м 18, выход которого соединен с вторым выходом регул тора 15. Первый вы5 ход регул тора 15 соединен с вторым входом сумматора 2, а второй выход регул тора 15 соединен с третьим входом сумматора 2. Кроме того, устройство содержит последовательно соединенные датчик 22 температу0 ры (перегрева), пороговый элемент 23 и нелинейность типа отсечки 24, выход которой соединен с четвертым входом сумматора 2, а второй вход соединен с выходом датчика 11 тока.

5 Устройство работает следующим образом .

Сигнал напр жени  возбуждени  сдатчика 6 напр жени  возбуждени  поступает в регул тор 7 напр жени  возбуждени ,

0 который компенсирует посто нную времени магнитного усилител  8. Задающим сигналом дл  регул тора 7 напр жени   вл етс  выходной сигнал с регул тора 5 питающего напр жени . Сигнал питающего

5 напр жени  с датчика 4 питающего напр жени  поступает в регул тор 5 питающего напр жени , который компенсирует посто нную времени генератора. Задающим сигналом дл  регул тора 5 питающего напр жени   вл етс  сигнал с командоаппарата 1, который поступает в сумматор 2, а затем в регул тор 5 питающего напр жени . Таким образом, система 3 подчиненного регулировани  питающего напр жени , представл юща  двухконтурную систему подчиненного регулировани , осуществл ет последовательную коррекцию напр жени  возбуждени , обеспечива  максимально возможное быстродействие нарастани  питающего напр жени , которое еще зависит от коэффициента форсировки магнитного усилител .

На основании методики расчета-систем подчиненного регулировани  на технический оптимум передаточна  функци  регул тора напр жени  возбуждени 

/ч Тмур +1

рнв(р) - Тц. п , Тн1 - 2Ты

W,

КмуК

мутоне.

Wpnn{p) :

: Т„2 A-ffi КтКон;

Тщ р

где Тму - посто нна  времени магнитного усилител ;

7ц - некомпенсируемые посто нные времени;

Кму - коэффициент усилени  магнитного усилител ;

Коми коэффициент передачи датчика напр жени  возбуждени .

Передаточна  функци  регул тора питающего напр жени  Тгр + 1 Тн2Р где Тг - посто нна  времени генератора;

Кг - коэффициент усилени  генератора;

Кон - коэффициент передачи датчика питающего напр жени ..

Таким образом, и регул тор напр жени  возбуждени , и регул тор питающего напр жени   вл ютс  пропорционально- интегральными регул торами (ПИ-регул то- ры). В том случае, если значение тока нагрузки не превышает заданного, коммутирующий ключ не срабатывает, его размыкающий контакт 13 замкнут а цепи второго инвертирующего усилител  18 регул тора снижени  динамических нагрузок 15. Сигнал скорости с датчика 12 скорости, проход щий на второй вход регул тора 15, и усиленный в число раз, определ емое коэффициентом оптимальной обратной св зи по . скорости, во втором инвертирующем усилителе 18. поступает в сумматор 20,где суммируетс  с задающим сигналом с командоаппарата 1.

Коэффициент оптимальной обратной св зи по скорости определ етс  следующим образом. При управл ющем воздействии , пренебрега  некомпенсируемыми посто нными времени в электромагнитной посто нной времени, которое почти на два пор дка меньше, чем электромеханическа 

посто нна  времени, может представить математическое описание одномассовой электромеханической системы в виде х -aiix + bu;

0

5

0

5

аи ь сКн

SRa

где с - конструктивна  посто нна  двигател ;

f- суммарный момент инерции;

Ra - активное сопротивление  корной цепи;

Кн - коэффициент усилени  замкнутого контура питающего напр жени ;

х - скорость;

и - управл ющее воздействие..

Критерий оптимальности - минимизаци  квадратичных отклонений скорости от установившегос  значени  при минимуме расхода энергии управлени 

l, /o°°(x2 + u2)dt.

Используем метод динамического программировани . Уравнение Беллмана примет вид

dv

W +

6х

(-anx + bu) 0.

0

5

0

5

0

5

Вз в производную по уравнению, определим оптимальное управление

м° -b iv

и 2 дх

Задава  функцию Беллмана в виде v у х2, оптимальное управление

u0 byii х. Подставл   в выражение в квадратных скобд V ках -дг: 2 у х , получим

х2-Ь2у2х2-2 уэцх2 0. Решив последнее уравнение и провед  несложные преобразовани , получим коэффициент оптимальной обратной св зи по скорости (коэффициент усилени  инвертирующего усилител  18).

/-2 , |/2

УС -г 1Чн С, л

NOC - и.(1)

NH

В случае, если значение тока нагрузки превышает заданное, срабатывает коммутирующий ключ 13, размыкаетс  размыкающий контакт 13 в цепи второго инвертирующего усилител  18 регул тора 15 и разрываетс  оптимальна  обратна  св зь по скорости. Замыкающий контакт коммутирующего ключа 13 подключает обратную св зь по току к аналитически конструируемому оптимальному регул тору (АКОР). На выходе АКОР (первый выход регул тора 15) получаетс  сигнал оптимального управл ющего воздействи  по току в результате усилени  в усилителе 21 сигнала первой внутренней координаты с выхода

форсирующего интегратора 16, за счет наличи  в обратной св зи интегратора 16 инвертирующего усилител  19 с коэффициентом усилени , равном величине , обратной электромагнитной посто нной времени (коэффициент 311), в число раз, равное отношению коэффициента усилени  замкнутого контура питающего напр жени  к индуктивности  корной цепи (коэффициент Ь). Сигнал первой внутренней координа- ты получают в результате форсированного интегрировани  сигнала тока  корной цепи и сигнала второй внутренней координаты. Сигнал второй внутренней координаты с выхода второго интегратора 17 получают в ре- зультате интегрировани  сигнала первой внутренней координаты, усиленной в третьем инвертирующем усилителе 20 в число раз, равное отношению квадрата конструктивной посто нной к произведению сум- марного момента инерции на индуктивность  корной цепи (произведение коэффициентов ai2 x a2i). AKOP осуществл ет оптимальное в смысле минимизации квадратичного отклонени  тока от устано- вившегос  значени  при минимуме расхода энергии управлени , регулирование тока. В качестве критери  оптимальности рассматриваетс  минимум функционала 12:

I2 + u2)dt.

При возмущающем воздействии учитываем посто нную времени  корной цепи, в результате математическое описание одно- массовой электромеханической системы примет вид

XT -ацх1 - 312X2 + Ьи

Х2 Э21Х1

an а12 т-: 321 7- : b aLa12La

Система уравнений св зи, определ юща  структуру AKOP имеет следующий вид Г AI an Ui - Э21 А2 + xi

fa ai2 Ai .

В том случае, если температура двигател  с датчика 22 температуры превышает заданное значение, определ емое пороговым элементом 23 на нелинейном элементе типа отсечки 23, происходит сложение сигналов с выходэ порогового элемента 23 и дэтчика 11 тока. Если сумма превышает значение, определ емое в нелинейном элемеи ге 23, то сигнал поступает на сумматор 2 и происходит снижение тока  кор .

Наличие системы подчиненного регулировани  питающего напр жени  позвол ет увеличить быстродействие нарэстани  напр жени , питающего  корь двигател , как

5 10 15 20 25

°

5

0

5

0 5

копающих механизмов, так и поворотного, и, следовательно, увеличить производительность экскаватора примерно на 5-7%. В режиме жесткого стопорени  ковша обеспечиваетс  эффективное снижение коэффициента динамичности, уменьшаютс  динамические броски на 10-15% за счет аналитически конструируемого оптимального регул тора, оптимизирующего сигнал тока  корной цепи. При управл ющем воздействии присутствует оптимальна  обратна  св зь по скорости, по вл етс  возможность более полного заполнени  врем -и токовой диаграммы и, следовательно , увеличение быстродействи  и производительности .

Claims (2)

1. Формула изобретени  1. Устройство управлени  электроприводом экскаватора, содержащее командо- аппарат, выход которого подключен к первому входу сумматора, датчик температуры , выход которого через пороговый элемент подключен к первому входу нелинейного элемента, выход которого подключен к второму входу сумматора, датчик тока двигател , выход которого подключен к второму входу нелинейного элемента и к первому входу датчика нагрузки, выход которого подключен к входу коммутирующего ключа, датчик скорости подключен к второму входу датчика нагрузки, датчик тока двигател  через замыкающий контакт коммутирующего ключа подключен к первому входу регул тора снижени  динамических нагрузок, а первый выход регул тора подключен к третьему входу сумматора, о т- личающеес  тем, что, с целью повышени  производительности экскаватора за счет увеличени  быстродействи  устройства управлени , оно снабжено датчиком напр жени  возбуждени , регул тором напр жени , регул тором напр жени  возбуждени , магнитным усилителем возбуждени  генератора и датчиком напр жени , выход которого подключен к первому входу регул тора напр жени , к второму входу которого подключен сумматор, а выход регул тора напр жени  подключен к первому входу регул тора напр жени  возбуждени , к второму входу которого подключен дэтчик напр жени  возбуждени , а выход регул тора напр жени  возбуждени  подключен к входу магнитного усилител  возбуждени  генератора,-причем дэтчик скорости через размыкающий контакт коммутирующего ключа подключен к второму входу регул тора снижени  динамических нагрузок, а второй выход регул тора снижени  нагрузок подключен к четвертому входу сумматора.
2. 2. Устройство по п. 1,отличающее- с   тем, что регул тор снижени  динамических нагрузок содержит два интегратора, три инвертирующих усилител  и неинвертирующий усилитель, причем выход первого интегратора подключен через первый инвертирующий усилитель к его входу и непос- редственно к неинвертирующему усилителю, а второй вход первого интегратора  вл етс  первым входом регул тора,

   0

   вторым входом которого  вл етс  вход второго инвертирующего усилител , выход которого  вл етс  первым выходом блока, вторым выходом которого  вл етс  выход неинвертирующего усилител , а выход первого интегратора через третий инвертирующий усилитель подключен к входу второго интегратора, выход которого подключен к третьему входу первого интегратора .