Behaviour of electric drive of roller-bit drilling rig swivel head with fuzzy control

Для создания интеллектуальных систем прогнозирования электропотребления на горных предприятиях необходимо выполнять мониторинг энерготехнологических показателей, анализ влияния показателей на потребление электрической энергии, моделирование режимов работы технологического оборудования. При разработке математических моделей процесса электропотребления необходимо применять методы и способы прогнозного моделирования потребления электрической энергии с учетом специфики организации, планирования и ведения горных работ [1, 2]. Анализ геологических, технологических и организационных факторов, влияющих на эффективность добычи в угольных шахтах [3, 4], позволяет разработать динамические и прогнозные модели энергопотребления с учетом основных временных тенденций и аддитивных составляющих в пределах, обеспечивающих устойчивый уровень энергопотребления. Например, предлагаемые в более ранних исследованиях модели определения потребляемой мощности шаровой мельницы, позволяют:

• –    произвести оценку эффективности потребления электрической энергии электроприводом мельницы;

• –    определить качественные показатели системы; контролировать график нагрузки;

• –    прогнозировать производственные циклы и пиковые значения энергопотребления; перераспределять нагрузки и анализировать изменения режима работы мельницы [5].

Внедрение автоматизированных систем мониторинга и управления производственными процессами горных предприятий с применением частотно-регулируемых электроприводов позволяет получить значительное сокращение потребления электроэнергии, снижение затрат на технологическое обслуживание и ремонт оборудования [6]. Эффективное потребле-

ние электрической энергии при добыче и переработке полезных ископаемых является актуальной задачей оптимизации электропотребления [7].

Применение высокопроизводительных буровых станков требует особого внимания к разработке энергосберегающего частотно-регулируемого электропривода при добыче полезных ископаемых открытым способом. Повышение коэффициента полезного действия буровых станков, качества электроэнергии и энергоэффективности достигается при управлении электроприводом, которое обеспечивает возможность регулировки удельной резонансной частоты и возможность ограничения амплитуд тока и скорости, используя моделирование переходных процессов с ПИД-регулятором [8, 9]. При этом именно частотно-регулируемый электропривод, используемый для регулирования скорости вращателя бурового станка, позволяет получить высокое качество механических характеристик во всем диапазоне регулирования скорости электродвигателя.

Необходимо отметить, что решения, основанные на применении фильтро-компенсирующих устройств и активных фильтров гармоник, также находят значительное распространение среди инженерных решений при решении задач повышение качества электрической энергии [10, 11, 12].

Все чаще производственники сталкиваются с необходимостью использования для автоматического регулирования режимами работы технологических процессов и оборудования горных предприятий алгоритмов и систем на базе нечеткого управления [13]. Библиотеки нечеткого управления в современных системах программирования имеют удобный графический интерфейс и позволяют корректировать вид функции принадлежности нечеткого вывода, что значительно упрощает настройку систем автоматического регулирования нечетких регуляторов и улучшает характеристики ПИ- и ПИД-регуляторов [14]. Однако

Таблица 1 Параметры модели системы управления электроприводом механизма вращателя бурового станка с различными типами классических регуляторов
Параметр, элемент модели	Функция	Значение
Токовое звено
Передаточная функция W ( p )	Р W ( p )   , 1 + Т э Р	42,07
		1 + 0,066 p
Модуль жесткости линеаризованной механической характеристики электродвигателя, β	2 M Р -      к * кр “ 0 ном	42,07
Момент критический M к, Нм	–	309
Критическое скольжение, s кр	–	0,144
Угловая номинальная скорость двигателя ω 0 , с-1	2п П ®о    =---- 0ном     60	102
Эквивалентная электромагнитная постоянная времени цепей статора и ротора двигателя T э, с	1	0,066
	Тэ ” 0™ 5 кр
Угловая скорость электромагнитного поля электродвигателя ω 0эл.ном , рад/с	2 п f to0    = — эл.ном      p	104,7
Частота питания f , Гц	–	50
Число пар полюсов, p	–	3

Механическое звено

Передаточная функция W ( p )	1 W ( p ) = Р Тм Р	1 0,13 p
Электромеханическая постоянная времени двигателя, Т м	T = J м в	0,003
Момент инерции, приведенный к валу двигателя, J , кг м2	0,126

Преобразователь частоты ( зона полюсов f ₁ ≤ f _1ном = 50 ГЦ )

Передаточная функция Wпч(p) -' (p) = 1 + Тпч p 0,3 1+ 0, 001p Передаточный коэффициент kпч k ∆ω0 2π∆f1 пч=∆Upc=p∆Upc 0,3 Постоянная интегрирования Tм, с Tм = T02 + Tпч 0,021 https://mst.misis.ru/

2022;7(1):78–88

Кузнецов Н. М., Морозов И. Н. Исследование динамики электропривода вращателя бурового станка...

расчет динамических процессов бурения довольно сложен, что затрудняет автоматизировать процесс бурения и заставляет использовать человеческие ресурсы для контроля и управления процессом. Поэтому представляется актуальной разработка систем регулирования процесса бурения с применением нечеткого регулирования.

Описание электропривода вращателя буровых станков

Регулирование скорости привода вращателя самоходных станков вращательного бурения (БСШ-1М, БСШ-2М, 2СБШ-200) осуществлялось изменением возбуждения генератора в системе генератор-двигатель с применением обратных связей по напряжению генератора и электромашинного усилителя [15]. Электроснабжение электропривода вращателя самоходного бурового станка шарошечного бурения БАШ-320 осуществлялось от трехфазного силово-

го магнитного усилителя. Питание электропривода вращателя бурового станка СБШ-250 МН обеспечи-ватся системой тиристорный преобразователь-электродвигатель постоянного тока с автоматическим регулированием скорости долота при изменении параметров бурения. В цепи управления и возбуждения системы электродвигателя вращателя используется датчик напряжения и скорости. После подачи напряжения в цепи управления и возбуждения двигателя вращателя устанавливают скорость и усилие подачи в зависимости от крепости пород. Необходимое осевое усилие на забой устанавливается ручкой регулятора давления.

Параметры модели

Параметры основных передаточных звеньев системы электропривода вращателя бурового станка определяются в соответствии с традиционной методикой и представлены в табл. 1.

2022;7(1):78–88

Kuznetsov N. M., Morozov I. N. Behaviour of electric drive of roller-bit drilling rig swivel head...

Окончание табл. 1
Параметр, элемент модели	Функция	Значение
ПИ-регулятор скорости
Передаточная функция Wpc ( p )	Д U         1 W ( p ) = —pc- = k +--- pc                   pc y           pc p	0,008 p +1
		0,09 p
Постоянная интегрирования Tpc , c	T pc = k о.с k рт k пч a м T м	0,09
Коэффициент передачи kpc	T k = T 1 pc T T pc	0,09

ПИ-регулятор тока

Передаточная функция Wpm ( p )	Wpm ( P ) =	ди          1 pm = k +— pm y          pm p	0,06 p +1
			0,03 p
Постоянная интегрирования Tpm , c	T pm	= k о.т k пч a м T м	0,3
Коэффициент передачи kpm		T k = T oi pm T pm	0,2

Цепь обратной связи

Передаточная функция W о.с( p )	^ о.с ( P )	Д U о.с , = "    = k о.с Дю
Коэффициент обратной связи по скорости k с	k с	u о.с ном	3,7
		^ ном
Коэффициент обратной связи по току k т	k т	u = о.сном	0,03
		I ном
Номинальный сигнал управления u о.с ном, В		–	380
Номинальная скорость ω ном, рад/с		–	102

Асинхронный двигатель

, . Дю Передаточная функция W д( p )                                W g ( p ) = “ Дю о	1 Т э Т м Р 2 + T Р +1
1 при Т м >  4 Т э                                                           д ) ( T 01 p +1)( T 02 p +		1 )	1 ( 0,008 p +1 )( 0,02 p +1 )
11 Малая некомпенсируемая постоянная Т оь с                  — = — T 01    2 T э	,4 1 + 1 э < V     Тм V		0,008
Малая некомпенсируемая постоянная Т 02 , с                   — = T 02    2 T э	Г /4 T 1 - J1 - V V 1 T м 7		0,02

Моделирование переходных процессов с ПИ-регулятором

Расчет и построение переходных процессов выполнен с помощью программы MatLab 7.11 моделированием системы в программе Simulink (рис. 1).

Моделирование выполнено для следующих режимов изменения скорости вращателя бурового станка: пуск, изменение скорости по заданию на 5-й секунде, режим изменения скорости на 10-й секунде, введение переменной нагрузки на 15-й секунде. Режим наброса нагрузки представляет собой резкое изменение статического момента на валу электродвигателя. Результаты моделирования представлены на рис. 2.

Моделирование переходных процессов с ПИД-регулятором

Произведем регулирование системы с помощью ПИД-регулятора. В MatLab 7.11 есть возможность автоматического определения параметров ПИД-регулятора для заданной системы с помощью кнопки tune (настройка, регулировка), находящейся в параметрах ПИД-регулятора. При входе в блок tune мы имеем возможность ручной регулировки параметров. Сравнивая характеристики, полученные с помощью автоматической настройки и настройки вручную, выбираем наиболее выгодные для данной системы параметры регулирования ПИД-регулятора. Регулирование параметров ПИД-регулятора изображено на рис. 3.

2022;7(1):78–88

Кузнецов Н. М., Морозов И. Н. Исследование динамики электропривода вращателя бурового станка...

Mc1

Рис. 1. Модель системы в среде MatLab

Рис. 2. Графики переходных процессов с ПИ-регулятором

Рис. 3. Регулирование параметров ПИД-регулятора

2022;7(1):78–88

Kuznetsov N. M., Morozov I. N. Behaviour of electric drive of roller-bit drilling rig swivel head...

Моделирование выполнено для следующих режимов изменения скорости вращателя бурового станка: пуск, режим изменения скорости по заданию на 5-й секунде, режим изменения нагрузки на 10-й секунде и введение переменной нагрузки на 15-й секунде (рис. 4).

Режим наброса нагрузки представляет собой резкое изменение момента. Результаты моделирования представлены на рис. 5.

Графики переходных процессов при применении ПИД-регулятора отображают изменение скорости вращения вращателя, изменение момента, изменение тока при заданных величинах. На графиках видно, что применение ПИД-регулятора скорости намного лучше влияет на изменение характеристик по скорости, моменту и по току. Время регулирования уменьшается. Применение такого регулятора наиболее выгодно для данной системы.

Синтез нечёткого регулятора автоматического регулирования скорости вращения вращателя бурового станка

Для моделирования переходных процессов изменения скорости вращателя бурового станка с применением нечеткого регулятора вводим нечеткие переменные: рассогласование скорости вращения, скорость изменения рассогласования, напряжение задания по скорости. Определяем терм-множества нечетких переменных и задаем функции принадлежности каждому терм-множеству нечеткой переменной. Все данные функции принадлежности реализуем в редакторе функций MatLab (рис. 6).

Сигналы рассогласования скорости вращения и скорости изменения рассогласования задаем на вход нечеткого регулятора, на выходе получаем сигнал напряжения задания по скорости.

Mc1

Рис. 4. Моделирование системы в среде MatLab

Рис. 5. Графики переходных процессов с ПИД-регулятором

2022;7(1):78–88

Кузнецов Н. М., Морозов И. Н. Исследование динамики электропривода вращателя бурового станка...

Рис. 6. Редактор составления логических правил

2022;7(1):78–88

Kuznetsov N. M., Morozov I. N. Behaviour of electric drive of roller-bit drilling rig swivel head...

Построение переходных процессов с нечетким регулятором

Расчет и построение переходных процессов выполняется с помощью программы MatLab 7.11 моделированием системы в программе Simulink (рис. 7).

Режимы переходных процессов для моделирования системы автоматического регулирования скорости вращателя бурового станка с нечетким регулятором были выбраны такими же, как и при моделировании с ПИ- и ПИД-регуляторами. Результаты моделирования переходных процессов при применении нечеткого регулятора при заданных режимах приведены на рис. 8.

Результаты моделирования переходных процессов для заданных режимов с различными регуляторами приведены в табл. 2.

Режим 1: переходный процесс при пуске под нагрузкой ( t = 0 с).

Режим 2: переходный процесс при увеличении сигнала задания ( t = 5 с).

Режим 3: переходный процесс при увеличении нагрузки ( t = 10 с).

Режим 4: переходный процесс при неравномерной нагрузке ( t = 15 с).

Сравнительный анализ показателей качества переходных процессов по результатам моделирования при заданных режимах систем автоматического регулирования бурового станка показывает, что при применении регулирования скорости вращателя системы управления с нечетким регулятором значительно сокращается время переходного процесса изменения тока.

Mc1

Рис. 7. Модель системы в среде MatLab с использованием регуляторов с нечеткой логикой

Рис. 8. Графики переходных процессов с нечетким регулятором

2022;7(1):78–88

Кузнецов Н. М., Морозов И. Н. Исследование динамики электропривода вращателя бурового станка...

Выводы

Предложенная имитационная модель электропривода вращателя бурового станка шарошечного бурения с нечетким управлением позволяет с высокой степенью достоверности оценивать динамические процессы в системе электропривода в разных режимах работы.

Результаты моделирования режимов работы вращателя бурового станка с классическими регуляторами и нечетким регулятором показывают, что время регулирования переходных процессов для заданных режимов системы автоматического управления с нечетким регулятором сокращается. Время

регулирования переходных процессов изменения момента и тока двигателя вращателя при применении регулирования скорости вращателя с нечетким регулятором при увеличении нагрузки в зависимости от крепости породы уменьшается практически в 2 раза.

Внедрение системы автоматического регулирования скорости вращателя бурового станка с применением нечеткого регулятора позволит снизить вибрацию бурового станка, обеспечить эффективную защиту двигателя вращателя от перегрузки, повысить надежность работы оборудования и производительность при бурении.

Таблица 2

Время регулирования переходных процессов

Режимы работы	Тип регулятора	Время регулирования, с
		скорости вращателя	момента	тока
Режим 1	ПИ-регулятор	2,3	2,5	2,4
	ПИД-регулятор	2,3	2,8	2,5
	Нечеткий регулятор	2,3	1	1
Режим 2	ПИ-регулятор	2,8	2,4	2,5
	ПИД-регулятор	2,4	3	3
	Нечеткий регулятор	1,4	1,1	1,4
Режим 3	ПИ-регулятор	1,4	1,7	1,9
	ПИД-регулятор	1,8	1	2
	Нечеткий регулятор	1,1	0,7	0,7
Режим 4	ПИ-регулятор	1,9	2,1	1,8
	ПИД-регулятор	2	2	2,2
	Нечеткий регулятор	1,3	2	1,3

2022;7(1):78–88

2022;7(1):78–88