CC BY
13
Ogarkov Nikolay Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor., ogarkov@mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University,
Makarov Bogdan Borisovich, student, Nexusbionics@yandex.ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University,
Kharchenko Maksim Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, kharchenko.mv@bk.ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University
УДК 62.523
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-686-691
ПРИМЕНЕНИЕ АДАПТИВНОГО РЕГУЛЯТОРА СКОРОСТИ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ СКРЕБКОВОГО КОНВЕЙЕРА
Д.С. Овсянников
Рассмотрен перспективный способ управления электроприводом забойного скребкового конвейера, основанный на применении адаптивного регулятора скорости, на основе нечеткой логики. Приведены результаты компьютерного моделирования адаптивного регулятора при различной скорости конвейера.
Ключевые слова: скребковый конвейер, моделирование, привод, тяговый орган, регулятор скорости, нечёткая логика.
Введение. Скребковый конвейер (СК) является одним из важнейших электромеханических объектов в составе горнодобывающего комплекса угольной шахты, который используется в качестве основного транспортного оборудования в угольном забое, перемещая отбитый очистным комбайном уголь на магистральный ленточный конвейер [1, 2].
Как правило, электропривод СК конвейера является многодвигательным и включает головной и концевой приводы, работающие на ведущие звездочки своих приводных барабанов. Головной и концевой приводы конвейера соединены бесконечной упругой тяговой цепью, к которой прикрепляются скребки, несущие груз [3]. Длина СК для различных забоев изменяется от 200 до 500 м, а установленная мощность электропривода от 220 до 2000 кВт, что означает, что он может выдерживать значительные нагрузки [4].
Известно, что работа СК сопровождается неравномерным движением цепи при постоянной скорости вращения звездочки из-за наличия зубьев [5].
Звездочка радиуса R3B рис. 1, с количеством зубьев z вращается с постоянной скоростью Юзв. При этом каждый её зуб совершает угловое перемещение ф= юзв^ Скорость линейного движения цепи равна [5]:
v =о> ■ R • cos®, (1)
ц зв зв Т > ^ '
где Уд - линейная скорость цепи, м/с; тзв - частота вращения приводной звёздочки, 1/с; Rзв - радиус приводной звёздочки, м; ф - угловое перемещение зуба звёздочки в момент зацепления и выхода из зацепления.
Из рис. 1 следует, что мгновенный радиус набегания цепи на приводную звёздочку изменяется от R5B до R-sii-cos(a/2). В точках 1 и 3 скорость цепи минимальна, а в точке 2 максимальна, поэтому вращение звёздочки вызывает пульсации в движении цепи.
Эти пульсации через редуктор передаются на вал двигателя, в результате он работает с резко переменным моментом нагрузки. При работе с резко переменной нагрузкой, происходит изменение скорости ротора двигателя, в соответствии с жёсткостью его механической характеристики.
В [6] было доказано, что наиболее оптимальной системой управления в многодвигательном электроприводе СК является система, реализованная по принципу «ведущий ведомый» - рис. 2. Так как скорость ротора двигателя используется в данной системе управления в качестве сигнала обратной связи в регуляторе скорости (РС), то регулятор, отрабатывая значительные изменения скорости, начинает также выдавать колебательное задание момента М* на регулятор момента (РМ) каждого двигателя, что приводит к неравномерному потреблению мощности и возникновению дополнительных колебаний.
Часть колебаний скорости в такой системе удаётся подавить с помощью высокоэластичной муфты, устанавливаемой между двигателем и редуктором. Однако она не способна подавить все возникающие колебания. Применение фильтра низкой частоты в канале обратной связи по скорости, также не
способно улучшить ситуацию, так как частота основных колебаний, зависящих от скорости вращения звёздочки и числа зубьев (2), лежит в области низких частот (от 1 до 10 Гц), а применение фильтра низкой частоты с такой частотой среза приведёт к неустойчивости системы, ввиду вносимой временной задержки.
/ = 2 , (2) 2я
где / - частота колебаний, Гц; 2 - число зубьев у приводной звёздочки.
Рис. 1. Описание работы звёздочки
РС
м*
Г РМ1 ПЧ1
м, 1
й- РМ2 ПЧ2
-ш-
-ш-
1 дс
АД 1
АД 2
М,
Рис. 2. Схема управления по принципу «ведущий-ведомый»
Изучению данного вопроса было посвящено несколько исследований |7,81, однако в них авторы предлагают уменьшить упругий момент колебаний в трансмиссии, путём ввода обратных связей по скорости двигателя и исполнительного органа, а также величине упругого момента, что является затруднительным, т.к. требует установки дорогого датчика момента и нескольких высокоточных датчиков скорости.
Учитывая, что производительность скребкового конвейера зависит от средней скорости его движения за период работы, т.е. она может незначительно изменяться в течение времени использования СК, поэтому необходимо поддерживать неизменной не конкретно заданную скорость, а некую среднюю её величину. При этом двигатель невозможно одновременно стабилизировать как по скорости, так и по развиваемому электромагнитному моменту. Поэтому необходимо перевести двигатель при его работе в определённом диапазоне скоростей, к работе с фиксированным электромагнитным моментом, тем самым поддерживая постоянную среднюю скорость с минимальными колебаниями момента.
Цель работы - заключается в разработке адаптивного регулятора скорости, позволяющего обеспечить минимальные колебания электромагнитного момента двигателя, при поддержании постоянной средней скорости перемещения конвейера.
Рассмотрим наиболее распространенный тип двухприводного скребкового конвейера. Кинематическая схема электромеханической системы такого конвейера имеет вид, представленный на рис. 3. Каждый двигатель головного (АД1) и хвостового (АД2) приводов получает питание от своего преобразователя частоты (ПЧ).
/[К'.
0'1В
н
Л
•/ад
¿)рел
АД1
АД2
т т
/рел
н
л
т 1
ГПк
Ото
Ьтс
/7777777
т„
Сто Ьто
Ото Ь тс
Л,
/7777777
Шк 1
Сто Ьто
Звезда
Сто /7777777 Сто Сто /7777777 Сто
с)™
Звезда
Рис. 3. Кинематическая схема двухприводного скребкового конвейера
687
На рис. 3 приняты следующие обозначения: 3ад, ,/ред и Зъв -соответственно моменты инерции ротора АД, редуктора и приводной звездочки, Сред, кред, Сзв, кзв, Сто, кто — соответственно коэффициенты жесткости и вязкости связей между АД и редуктором, между редуктором и приводной звездочкой, между сосредоточенными массами тягового органа конвейера; Лзв — радиус приводной звезды конвейера; /ред — передаточное отношение редуктора; п — число сосредоточенных масс тягового органа; к = п/2.
На рис. 4 (а, б) представлены результаты моделирования пуска, работы на номинальной и половинной скорости загруженного (как наиболее тяжёлый режим) СК, где РС выполнен в виде обычного ПИД регулятора. На рис. 4 (а), регулятор имеет большие коэффициенты усиления, поэтому он практически идеально отрабатывает задание скорости, однако в установившемся режиме имеет значительную величину колебаний задания момента ДМ=0,12 о.е., что в соответствии с рис. 2, заставляет все двигатели работать с непостоянным развиваемым моментом. На рис. 4 (б) представлены результаты с маленькими по величине коэффициентами. Можно заметить, что величина колебаний значительно уменьшилась до ДМ=0,04 о.е., однако вместе с этим ухудшились графики переходного процесса скорости. Также на рис. 4 показаны результаты при различном числе зубьев приводной звёздочки.
1 — г V—» 01 99: 15.2 15.4 ! ta 5.6 1 5,8 1 t. с
-- - — -! 1 — - — 1 _
б
Рис. 4. ПИД регулятор с большими коэффициентами усиления (а), ПИД регулятор с маленькими коэффициентами усиления (б): 1 - при числе зубьев 1=7; 2 - при числе зубьев г=70
а
Анализ рис. 4 позволяет заключить, что использование ПИД регулятора с фиксированными (неизменными) коэффициентами не обеспечивает требуемый по качеству переходный процесс, поэтому необходимо применение регулятора, коэффициенты которого будут подстраиваться (адаптироваться) под возникающий переходный процесс.
Стратегию адаптивного управления можно сформулировать следующим образом: с ростом величины ошибки, необходимо увеличивать коэффициенты регулятора, а при достижении заданного диапазона ошибки, (для СК допускается ошибка отклонения скорости А = +10%), их (коэффициенты) следует уменьшать, тем самым снижая выдаваемые регулятором скорости колебания.
В качестве механизма адаптации коэффициентов ПИД регулятора, предложено использовать нечеткую логику [91, которая для организации систем управления показала хорошие результаты при недостаточном знании объекта управления, а также в случаях, когда по условию задачи необходимо использовать знания эксперта.
Под нечетким управлением понимается стратегия управления, основанная на эмпирически приобретенных знаниях («опыте эксперта») о функционировании объекта, при которой сложные отношения между входом и выходом регулируемого процесса представляются в лингвистической форме в виде некоторой совокупности нечетких инструкций (правил) (IF- THEN). На рис. 5 представлена структурная схема адаптивного регулятора на нечёткой логике, которая включает следующие блоки [101:
- блок фаззификации, преобразующий четкие данные параметров процесса (ошибку регулирования e) в нечеткую величину
- блок базы правил, содержащий набор лингвистических правил, отражающих алгоритм работы
системы;
- блок нечеткого вывода, который содержит алгоритм получения функций принадлежности выходной величины (ц^);
- блок дефаззификации преобразует функции принадлежности выходной величины в физическую величину (Кр, Кг, Ко — коэффициенты регулятора).
Рис. 5. Структурная схема адаптивного регулятора
Зададим параметры адаптивного нечеткого регулятора:
- диапазон выходных значений примем равным для Кр [0; 201, KI [0; 2001, KD [0; 1].
- диапазон входных значений модуля ошибки по скорости e - [0; 0,11 [м/с1.
Функции принадлежности (Membership function - MF) фаззификации входного сигнала и дефаз-зификации выходных сигналов, заданы пятью «п» образными формами рис. 6, что обеспечивает плавное изменение коэффициентов, а настройка осуществляется путём изменения параметров функции принадлежности как входного сигнала, так и в отдельности для каждого из выходного сигналов, тем самым добиваясь независимой настройки каждого коэффициента, в зависимости от входной ошибки.
На рис. 7 представлены результаты работы адаптивного РС. Из анализа рис. 7 следует, что регулятор точно поддерживает заданную скорость двигателя, а значит и линейную скорость перемещения конвейера, при этом имеются колебания момента на уровне ДМ=0,04 о.е., Таким образом, данный регулятор объединяет в себе преимущества ПИД регулятора с большими и малыми величинами коэффициентов регулирования.
функции принадлежности (MF) Функции принадлежности (MFJ
в г
Рис. 6. Параметры функций принадлежности для входного сигнала (а), пропорциональной (б),
интегральной (в) и дифференциальной (г)
Предлагаемый адаптивный регулятор дополнительно можно улучшить, путём введения дополнительных входных параметров в нечёткую логику, таких как производная ошибки или скорость СК, увеличением числа функций принадлежности их формы и т.д.
Рис. 7. Сравнение различных регуляторов скорости: 1 - адаптивный ПИД; 2 - ПИД с большими коэффициентами усиления; 3 - ПИД с малыми коэффициентами усиления
Вывод. Предложенная система адаптации коэффициентов регулятора скорости может найти широкое применение в системе управления СК, так как, имеет простую реализацию, позволяет уменьшить колебания электромагнитного момента двигателя, что может увеличить его срок службы приводных двигателей и трансмиссии.
Список литературы
1. He B.Y., Sun Y.H., Nie R. et al. Dynamic behavior analysis on the ringchain transmission system of an armoured face conveyor, J. Mech. Eng., 2012, 48 (17). P. 50-56.
2 Mao J., Shi J.G., Zhang D.S. et al. Dynamic modeling and simulation of heavy scraper conveyor', J. China Coal Soc., 2008, 33, (1). P. 103-106.
3. Ткаченко А.А., Осичев А.В. Анализ динамических процессов в двухприводном скребковом конвейере СР72 в различных технологических режимах // Электротехнические и компьютерные системы. 2011. № 3(79). С. 182-184.
4. Meng G.Y., Li G.P., Wo L. et al. Intelligent key technologies of complete heavy scraper conveyor equipment // Coal Sci. Technol., 2014, 42, (9). P. 57-60.
5. Чугреев Л.И. Динамика конвейеров с цепным тяговым органом. М.: Недра,1976. 160 с.
6. Шпрехер Д.М., Овсянников Д.С. Разработка и исследование систем управления многодвигательным электроприводом шахтного скребкового конвейера // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 9. С. 524-530.
7. Завьялов В.М., Куприянов И.А. Подавление упругих колебаний в трёхмассовой механической системе // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2006. Вып. 6. С. 7577.
8. Семыкина И.Ю., Завьялов В.М. Применение нечеткой логики в задаче регулирования угловой скорости исполнительных органов горных машин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2006. Вып. 4. С. 80-83.
9. Mamdani E.H. Application of fuzzy algorithms for control of simple dynamic part. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1974. 121(12). P. 1585-1588.
10. Takagi T., Sugeno M. Fuzzy identification of systems and its applications to modeling and control // IEEE Trans. Systems Man Cybernet. 1985. Vol. 15. №. 116. P. 116-132.
Овсянников Дмитрий Сергеевич, аспирант, ovsyannikov_d_s@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Научный руководитель - Шпрехер Дмитрий Маркович, д-р техн. наук, профессор, shpreher-d@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
APPLICA TION OF ADAPTIVE SPEED CONTROLLER BASED ON FUZZY LOGIC IN THE ELECTRIC DRIVE CONTROL SYSTEM OF SCRAPER CONVEYOR
D.S. Ovsyannikov 690
A promising method for controlling the electric drive of a face scraper conveyor based on the use of an adaptive speed controller based on fuzzy logic is considered. The results of computer simulation of an adaptive controller at different conveyor speeds are presented.
Key words: scraper conveyor, simulation, drive, traction element, speed controller, fuzzy logic.
Ovsyannikov Dmitry Sergeevich, postgraduate, ovsyannikov_d_s@mail. ru, Russia, Tula, Tula State
University,
Scientific supervisor - Shprekher Dmitry Markovich, doctor of technical science, professor, shpreher-d@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.791.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-691-695
МОНИТОРИНГ ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННОГО ДИФФУЗИОННОГО СОЕДИНЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТАЛЕЙ И ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ПРОСЛОЙКИ, ИЗГОТОВЛЕННОЙ НА ЭЛЕМЕНТАХ
ТЕХНОЛОГИИ ШЕЛКОГРАФИИ
В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, В.Р. Петренко, О.М. Губанов, А.А. Калинин
В статье рассмотрены особенности формирования диффузионного соединения металлических изделий из сталей и жаропрочных ставов на никелевой основе с промежуточной прослойкой с применением метода шелкографии.
Ключевые слова: диффузионное соединение; схватывание; прослойка; порошковая паста; сталь; жаропрочный никелевый сплав; биндер; диффузионная сварка в вакууме; гомогенизация; фазовый состав.
Существующая технология изготовления биметаллических изделий [1], основанная на совместной горячей пластической деформации горячих слоев, часто не обеспечивает их высококачественные, стабильные физико-химические и механические свойства.
При соединении биметаллических материалов, в частности с различными коэффициентами термического расширения (КТР), для релаксации внутренних напряжений между ними вводится (прослойка-прокладка) из материала, имеющего, промежуточное значение КТР. Кроме того, в зависимости от соединяемой композиции, прослойка может выполнять и другие функции. Так при сварке разнородных материалов в процессе объёмного взаимодействия возможно образование в контакте слоя интерметаллидов, которые быстро снижают прочностные характеристики соединения. В этих случаях необходимо вводить в зону контактирования промежуточную прослойку из материала, который не образует интерме-таллидного соединения с каждым из свариваемых материалов. Существуют твердые и мягкие прослойки - последние применяются для сварки материалов, обладающих высокой твёрдостью, что облегчает условия формирования фактического контакта и ускоряет протекания последующих стадий процесса диффузионной сварки.
Многочисленные исследования показывают, что большинство металлов и неметаллов образуют только соединения, когда между ними находится третий металл - промежуточный слой в виде металлической фольги, распыленного или оцинкованного покрытия с металлическим порошком. Этот слой выполняет множество функций, наиболее важным из которых является металлургическая совместимость двух сварных поверхностей [1,28].
Установлена полезность использования промежуточных слоёв на основе металлов с высокой склонностью к диффузии: золота, серебра, меди, никеля и др. элементов [2, 3, 20, 22-24, 35].
Возможность варьирования материалами и толщиной промежуточной прослойки в зависимости от сочетания свариваемых материалов является важным достоинством диффузионной сварки (ДС) и способствует расширению области её применения [2-24, 35].
Проведённый мониторинг научно-технической литературы [1-38] показал, что предлагаемые материалы и конкретные технологии для изготовления качественного диффузионного соединения из стали и никелевого спецсплава с использованием многофункциональной пастообразной прослойки на основе высокодисперсных порошковых систем типа: Ni-Cr-Me, где Me-Fe, Si, В и др. с применением элементов технологии шелкографии, представляются перспективными и актуальными направлениями развития ДС.
