Обоснование областей настройки PID-регулятора на энергоэффективный резонансный режим

Размещено на http://www.allbest.ru/

НИТУ МИСиС

Обоснование областей настройки PID-регулятора на энергоэффективный резонансный режим

Фащиленко В.Н., Решетняк С.Н.

Аннотация

электромеханический резонансный добыча ископаемое

В работе представлена возможность использования энергоэффективного электромеханического резонансного способа разрушения горного массива, с целью снижения себестоимости добычи полезного ископаемого как открытым, так и подземным способом. Современное горное оборудования, в большинстве случаев, имеет регулируемую систему электроприводов исполнительных органов, управление которыми осуществляется с использованием преобразователя частоты в состав, которого входит PID-регулятор. Особенности настройки на этот режим работы системы электроприводов представлен в публикации.

Ключевые слова: PID-регулятор; система электропривода; энергоэффективность; резонансный режим.

Современная горнодобывающая промышленность, в настоящее время, в рамках повышения конкурентоспособности должна использовать инновационные решения по повышению энергоэффективности оборудования с целью снижения себестоимости добычи полезных ископаемых. Это утверждение характерно при добыче полезного ископаемого как открытым, так и подземным способом.

Одним из энергоэффективных способов разрушения горного массива является электромеханический резонансный режим работы системы электропривода исполнительного органа. До недавнего времени, все резонансные явления, которые возникали в электромеханических системах исполнительных органов, считались крайне вредными явлениями, которые пытались ограничить различным способами, однако применение резонансных явлений для разрушения горного массива, с целью снижения энергопотребления горной машиной является актуальной и требующей решения задачей.

Электромеханический резонансный режим работы системы электропривода исполнительного органа может наступить в случае, когда происходит совпадение внешнего возмущающего воздействия с внутренними возмущениями.

Система управления электроприводом исполнительного органа горной машины, в большинстве случаев, является управляемой, однако ряд горных машин имеет нерегулируемую скорость вращения исполнительного органа. В связи с этим необходима модернизация системы управления электроприводом путем разработки новой системы управления с возможностью регулирования скорости вращения исполнительного органа. В качестве системы управления электроприводов используется система «Преобразователь частоты - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором», иногда находит применение система «Управляемый выпрямитель - двигатель постоянного тока». Как правило, в состав таких систем входит встроенный PID-регулятор, определенные настройки которого позволяют ввести систему управления электропривода органом резания в энергоэффективный электромеханический резонансный режим работы [1, 2]. Опытно-промышленные испытания электромеханического резонансного режима работы на буровом станке СБШ-250 позволили оценить ряд энергетических показателей: производительность станка увеличилась на 22%, потребляемая мощность привода вращателя снизилась на 31,6%, удельное электропотребление снизилось на 46% [3]. Однако в представленной системе управления системой электропривода органа вращения, а именно введения ее в режим электромеханического резонанса, было осуществлено с использование аналоговой техники, т.е. использовались обратные связи и аналоговые операционные усилители. Развитие современной элементной позволило создать более совершенные системы управления электроприводов, на базе цифровой техники, и изыскать возможность по расширению использования этого способа разрушения горного массива на ряд горных машин.

Структурная схема, используемая для исследования резонансных режимов работы в электромеханической системе органов резания горных машин, на основе системы «Преобразователь частоты - двигатель» представлена на рис.1.

Рисунок 1. Структурная схема для исследования резонансных режимов органов резания

В структурной схеме приняты следующие обозначения: - сигнал задания; - сигнал обратной связи по току двигателя;

передаточная функция ПИД-регулятора; - коэффициент передачи пропорциональной части регулятора; - постоянная времени интегральной части регулятора; - постоянная времени дифференциальной части регулятора; - сигнал управления на преобразователь частоты; - статический коэффициент передачи преобразователя частоты; - постоянная времени преобразователя частоты; - ЭДС преобразователя частоты; - коэффициент передачи звена тока двигателя; - электромагнитная постоянная времени системы «преобразователь частоты - двигатель»; - ток двигателя; - коэффициент передачи звена скорости двигателя; - электромеханическая постоянная времени; - угловая скорость вала двигателя; - коэффициент внутренней обратной связи по ЭДС двигателя; - ЭДС двигателя; - коэффициент передачи обратной связи по току двигателя; - математическое представление внешнего возмущающего воздействия в виде гармонических колебаний статического тока; - амплитуда статического тока; - номер гармоники угловой частоты внешнего возмущающего воздействия.

В соответствии с ранее проведенными исследованиями [1] была получена зависимость коэффициента динамичности тока двигателя в резонансном режиме, как основного показателя эффективности работы электромеханической системы:

где - коэффициент динамичности тока двигателя в резонансном режиме; - частота собственных колебаний электромеханической системы; - коэффициент затухания колебаний; - постоянная времени дифференциальной части PID регулятора; - коэффициент жесткой обратной связи по току двигателя (кжт); - обратная величина постоянной времени интегральной части PID регулятора; - коэффициент пропорциональной части PID регулятора.

Анализ представленной зависимости показал избыточность настройки PID регулятора по всем трем параметрам. Если в структуре управления резонансным режимом исключить интегральную часть PID регулятора, а использовать только пропорциональную и дифференциальную части, то зависимость можно представить в виде

Если в структуре управления резонансным режимом исключить пропорциональную часть PID регулятора, а использовать только интегральную и дифференциальную части, то зависимость можно представить в виде

В связи этим необходимо определить значения PID регуляторов для обоих вариантов настроек на электромеханический резонансный режим работы.

При исследовании первого варианта настройки PID регулятора, настройке пропорциональной и дифференциальной части, были получены величины настроек дифференциальной части PID регулятора при различных значениях внешнего возмущающего воздействия для ряда гармоник (табл.1) (рис. 2) и зависимость параметра жесткой отрицательной обратной связи по току двигателя от частоты возмущающих воздействий (рис. 3).

Анализ графических зависимостей позволяет сделать заключение об отсутствии возможности настройки регулятора на резонансную частоту (кроме первой гармоники) т.к. при различных частотах возмущающего воздействия от 15 до 30 с^-1, величина постоянной времени дифференциальной части PID регулятора располагается в отрицательной части. Настройку регулятора на частоты возмущающего воздействия забоя ниже 15 с^-1, проводить нет необходимости т.к., при добыче полезного ископаемого такие частоты обычно отсутствуют.

Таблица 1. Параметр дифференциальной части PID регулятора при различных значениях внешнего возмущающего воздействия для ряда гармоник

Рисунок 2. Зависимость параметра постоянной времени дифференциальной части PID-регулятора от частоты возмущающих воздействий (Вариант 1)

Рисунок 3. Зависимость параметра жесткой отрицательной обратной связи по току двигателя от частоты возмущающих воздействий

Таблица 2. Параметры настроек интегральной части PID регулятора при различных значениях внешнего возмущающего воздействия и параметров постоянной времени дифференциальной части регулятора

При исследовании второго варианта настройки PID регулятора, настройке интегральной и дифференциальной части, были получены величины настроек PID регулятора при различных значениях внешнего возмущающего воздействия (табл.2).

Зависимости параметров настроек интегральной части PID регулятора при различных значениях внешнего возмущающего воздействия и параметров постоянной времени дифференциальной части регулятора представлены на рис. 4 и рис. 5.

Анализ представленных зависимостей показал, что использование представленного набора настроек PID регулятора для электромеханического резонансного режима работы ограниченно ввиду низких значений частот внешних возмущающих воздействий забоя не превышающих значения 7 с^-1. Поэтому необходимо уделить внимание первому варианту настроек PID регулятора (настройкой пропорциональной и дифференциальной части) для электромеханического резонансного режима работы органа резания горной машины.

Рисунок 4. Зависимость параметра постоянной времени дифференциальной части PID регулятора от частоты возмущающих воздействий (Вариант 2)

Рисунок 5. Зависимость параметра постоянной времени интегральной части ПИД регулятора от частоты возмущающих воздействий

Список литературы

1. Фащиленко В.Н., Решетняк С.Н. Энергоэффективный резонансный режим электромеханических систем органов резания горных машин на базе структур управления с ПИД-регулятором. Горные машины и электромеханика №4 2016 г. стр.

2. Фащиленко В.Н. Теория управляемого электромеханического резонанса. Часть 1. Монография. - Saarbrьcken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014. - 101 с.

3. Ляхомский А.В., Фащиленко В.Н. Теория и практика разработки энергоэффективного электропривода вращателя станков шарошечного бурения // Труды VII Международной (XVIII Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-12. - Иваново: ФГБОУ «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина», 2012. - С.579 - 583.

Размещено на Allbest.ru