Устройство автоматического регулирования нагрузки угледобывающего комбайна Российский патент 2021 года по МПК E21C35/24 

Техническое решение относится к области управления горными машинами и может быть использовано для автоматического регулирования нагрузки угледобывающего комбайна.

Известен регулируемый электропривод угольного комбайна (А.С. №1795096 МПК⁸ Е21С 35/24, опубл. 15.02.1993 г.), содержащий преобразователь частоты, к выходу которого подключены электродвигатели подачи, датчики тока двигателей подачи, двигатели резания, подключенные к сети переменного тока, датчики токов резания, блоки выделения максимального сигнала тока от двигателей подачи и двигателей резания, регулятор нагрузки, задатчик интенсивности, сумматор, элемент сравнения, пороговый элемент, однополярный усилитель, три источника опорного сигнала.

Устройство обеспечивает постоянную заданную нагрузку привода резания в условиях изменения крепости угля посредством ПИ-регулятора нагрузки, для которого требуется настройка его параметров пропорционального и интегрального коэффициентов.

Недостатком данного устройства является то, что коэффициенты ПИ-регулятора подобраны оптимально для определенной крепости угля, т.е. для конкретного состояния объекта управления. При изменении крепости угля данные значения коэффициентов уже не позволяют получать оптимальные по качеству переходные процессы (перерегулирование и время установления). Поэтому устройство обладает низким быстродействием в широком диапазоне изменения крепости угля.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является устройство автоматического регулирования скорости подачи угледобывающего комбайна (А.С. №1344899, МПК⁸ Е21С 35/24, опубл. 15.10.87 г.), содержащее блок деления и регулятор скорости подачи, выход которого соединен с входом привода угледобывающего комбайна, в выходные цепи которого включен датчик тока резания. Устройство снабжено регулируемым усилителем, источником опорного сигнала, сумматором, задатчиком тока резания и фильтром низкой частоты, причем регулятор скорости подачи состоит из операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включены последовательно соединенные конденсатор и выходная цепь резисторной оптопары, а также из двух входных резисторов, к первому из которых подключен задатчик тока резания, при этом выход датчика тока резания подключен к входу фильтра низкой частоты, выход которого связан с вторым входным резистором регулятора скорости подачи и с входом регулируемого усилителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к источнику опорного сигнала, а выход сумматора соединен с первым входом блока деления, выход которого подключен к входным цепям резисторной оптопары, а выход операционного усилителя, являющийся выходом регулятора скорости подачи, соединен со вторым входом блока деления.

Однако недостатком данного устройства является низкое быстродействие в широком диапазоне изменения крепости угля. Это объясняется наличием достаточно инерционной резистивной оптопары в схеме ПИ-регулятора, а также отсутствии подстройки коэффициента интегральной части ПИ-регулятора в зависимости от изменения крепости угля.

Техническим результатом заявляемого устройства является повышение быстродействия системы регулирования в условиях изменяющихся параметров объекта управления (крепости угля) с целью обеспечения заданного качества переходного процесса.

Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство автоматического регулирования нагрузки угледобывающего комбайна, содержащее источник задающего сигнала, сумматор и ПИ-регулятор, выход которого соединен с входом привода угледобывающего комбайна, в выходные цепи которого включен датчик тока резания, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, причем, в него дополнительно введены два блока временной задержки и нейросетевой блок, первый вход которого соединен с первым входом регулятора и выходом сумматора, причем первый вход и выход регулятора соответственно через первый и второй блоки временной задержки соединены соответственно со вторым и третьим входами нейросетевого блока, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторым и третьим входами регулятора, а выход источника задающего сигнала соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот.

Существенными отличиями предлагаемого устройства является введение двух блоков временной задержки и нейросетевого блока, выполнение ПИ-регулятора в виде интегратора, двух перемножителей и сумматора, а также новая организация связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения быстродействия устройства.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, на фиг. 2 - функциональная схема ПИ-регулятора, на фиг. 3 - схема модели для создания обучающей выборки нейросетевого блока, реализованная в Matlab/Simulink; на фиг. 4 - результаты математического моделирования предлагаемого устройства.

Устройство автоматического регулирования нагрузки угледобывающего комбайна (фиг. 1) содержит ПИ-регулятор 1, нейросетевой блок 2, блоки временной задержки 3, 4, источник задающего сигнала 5, сумматор 6, привод угледобывающего комбайна 7, датчик тока резания 8, фильтр нижних частот 9. ПИ-регулятор 1 содержит интегратор 10, два перемножителя 11, 12 и сумматор 13.

Работает устройство автоматического регулирования нагрузки угледобывающего комбайна следующим образом.

Регулятор нагрузки ПИ-регулятор 1, обеспечивает поддержание на заданном уровне тока электродвигателя резания I_p, сигнал о величине которого снимают с датчика тока резания 8 привода комбайна 7 и после прохождения через фильтр нижних частот 9 поступает на второй (вычитающий вход) сумматора 6. Этот сигнал вычитают из сигнала задания I₃, который поступает на первый вход сумматора 6 с выхода источника задающего сигнала 5. В результате сравнения заданного I₃ и измеренного (фактического) тока резания I_p вырабатывают сигнал рассогласования ΔI=I₃-I_p, который передают на первый вход ПИ-регулятора 1: непосредственно на первый вход перемножителя 11 и через интегратор 10 на второй вход перемножителя 12. На вторые входы перемножителей 11 и 12 подают сигналы с выхода нейросетевого блока 2, в котором производят расчет параметров ПИ-регулятора 1: второй вход перемножителя 11 соединен с П-каналом регулятора, второй вход перемножителя 12 соединен с И-каналом регулятора. Сигналы с выходов 11 и 12 суммируют в сумматоре 13 - суммируется пропорциональная составляющая сигнала K_pΔI(t) и интегральная составляющая сигнала

В результате ПИ-регулятор 1 вырабатывает управляющий сигнал U(t), который описывается следующим уравнением

где ΔI(t) - рассогласование между заданием и выходом объекта управления; K_pK_I - настраиваемые параметры регулятора.

Назначение нейросетевого блока - автоматическая коррекция (подстройка) коэффициентов ПИ-регулятора. Он представляет собой многослойную нейронную сетью прямого распространения сигнала. Нейронная сеть имеет архитектуру входной слой, скрытый слой, выходной слой. На входной слой, содержащий 3 нейрона, поступает: ошибка регулирования; задержанный на Δt сигнал ошибки регулирования, задержанный на Δt сигнал управления, формируемый ПИ-регулятором. В скрытом слое расположено 20 нейронов и сигмоидальная функция активации, в выходном слое - 2 нейрона, соответствующие коэффициентам ПИ-регулятора K_P и K_I и линейная функция активации.

На начальном (подготовительном) этапе нейронную сеть обучают, ставя в соответствие конкретным дискретным значениям крепости угля значения коэффициентов K_P и K_I ПИ-регулятора, полученные по методу Циглера-Никольса (фиг. 3). Промежуточные коэффициенты регулятора вычисляют сплайн-интеполяцией, реализованной в блоке Matlab Function. Таким образом, выходы нейросетевого блока оказываются равными значениям параметров ПИ-регулятора, при подаче на входы нейронной сети параметров, соответствующих определенным состояниям объекта (крепостям угля).

Нейросетевой блок 2 работает следующим образом. На него поступают сигналы рассогласования (ошибки регулирования) с выхода сумматора 6 (первый вход), задержанный на Δt первым блоком временной задержки 3 сигнал с выхода сумматора 6 (второй вход) и сигнал с выхода ПИ-регулятора 1, задержанный на Δt вторым блоком задержки сигнала 4 (третий вход). Другими словами, поступают сигналы, входящие в уравнение работы ПИ-регулятора для k-го шага управления (момента времени t_k), которое имеет вид:

где а₁=(K_P+K_IΔt), a₂=K_P.

На выходах нейросетевого блока генерируют новые коэффициенты ПИ-регулятора 1. Первый выход нейросетевого блока, соединен с П-каналом регулятора 1 (фиг. 2), второй выход которого соединен с И-каналом регулятора. Вызов нейросетевого блока производиться раз в Δt.

Сигнал на выходе ПИ-регулятора (управляющий сигнал) в дискретной форме u(t_k) описывается уравнением (1), и, как только вычислен u(t_k), в нейросетевом блоке 2 происходит вычисление новых значений K_P и K_I для использования на следующем шаге.

Далее действия повторяются.

На фиг. 4 представлены результаты моделирования. Из графиков б) и в) на фиг. 4 видно, что при изменении крепости угля в пределах 150-450 Н/мм быстродействие обычного ПИ-регулятора составило при набросе нагрузки 0,97 с, при сбросе - 1,4 с; при изменении крепости угля в пределах 400-800 Н/мм быстродействие составило при набросе нагрузки 0,66 с, при сбросе - 1,25 с. При изменении крепости угля в пределах 150-450 Н/мм быстродействие ПИ-регулятора 1 с нейросетевым блоком 2 составило при набросе и сбросе нагрузки 0,37 с; при изменении крепости угля в пределах 400-800 Н/мм быстродействие составило при набросе и сбросе нагрузки 0,43 с.

При практической реализации предлагаемого устройства нейросетевой блок 2 может быть реализован как программно, так и аппаратно. Блоки временной задержки 3 и 4 могут быть выполнены в виде аналоговых линий задержки на микросхемах типа К593БР1. В качестве источника задающего сигнала 5 может быть использован регулируемый стабилизатор напряжения. Сумматор 6 представляет собой параллельный сумматор на операционном усилителе. В качестве датчика тока 8 может быть использован трансформатор тока. Фильтр нижних частот 9 можно выполнить по схеме фильтра нижних частот первого порядка на ОУ (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 105, рис. 6.10). ПИ-регулятор 10 выполняется по стандартной схеме на операционном усилителе. Перемножители 11 и 12 выполнены на микросхемах типа К525ПС3. Сумматор 13 представляет собой обычный сумматор на операционном усилителе.

Таким образом, применение ПИ-регулятора с нейросетевым блоком позволит существенно повысить быстродействие регулятора нагрузки в среднем от 1,5 до 3 раз. Это обеспечит снижение динамических нагрузок в трансмиссии ОК при проработке твердых включений и возможных стопорениях исполнительного органа и тем самым повысит надежность ОК.

Изобретение относится к области управления горными машинами и может быть использовано для автоматического регулирования нагрузки угледобывающего комбайна. Технический результат - повышение быстродействия системы регулирования в условиях изменяющихся параметров объекта к управлению (крепости угля) с целью обеспечения заданного качества переходного процесса. Устройство автоматического регулирования нагрузки угледобывающего комбайна содержит источник задающего сигнала, сумматор и ПИ-регулятор, выход которого соединен с входом привода угледобывающего комбайна, в выходные цепи которого включен датчик тока резания, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот. При этом в него дополнительно введены два блока временной задержки и нейросетевой блок, первый вход которого соединен с первым входом регулятора и выходом сумматора, причем первый вход и выход регулятора соответственно через первый и второй блоки временной задержки соединены соответственно со вторым и третьим входами нейросетевого блока, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторым и третьим входами регулятора, а выход источника задающего сигнала соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, причем ПИ-регулятор содержит интегратор, первый и второй перемножители и сумматор. Причем первый вход регулятора соединен с входом интегратора и первым входом первого перемножителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, а выход интегратора соединен с первым входом второго перемножителя, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого является выходом регулятора, второй и третий входы которого соединены соответственно со вторыми входами первого и второго перемножителей. 4 ил.

Устройство автоматического регулирования нагрузки угледобывающего комбайна, содержащее источник задающего сигнала, сумматор и ПИ-регулятор, выход которого соединен с входом привода угледобывающего комбайна, в выходные цепи которого включен датчик тока резания, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, отличающееся тем, что в него дополнительно введены два блока временной задержки и нейросетевой блок, первый вход которого соединен с первым входом регулятора и выходом сумматора, причем первый вход и выход регулятора соответственно через первый и второй блоки временной задержки соединены соответственно со вторым и третьим входами нейросетевого блока, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторым и третьим входами регулятора, а выход источника задающего сигнала соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, причем ПИ-регулятор содержит интегратор, первый и второй перемножители и сумматор, причем первый вход регулятора соединен с входом интегратора и первым входом первого перемножителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, а выход интегратора соединен с первым входом второго перемножителя, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого является выходом регулятора, второй и третий входы которого соединены соответственно со вторыми входами первого и второго перемножителей.