Выбор структуры нечеткого регулятора нагрузки привода подачи очистного комбайна

Г.И. Бабокин

ВЫБОР СТРУКТУРЫ НЕЧЕТКОГО РЕГУЛЯТОРА НАГРУЗКИ ПРИВОДА ПОДАЧИ ОЧИСТНОГО КОМБАЙНА

Рассмотрена структура нечеткого регулятора автоматизированного электропривода очистного комбайна.

Ключевые слова: нечеткий регулятор, преобразователь частоты, очистной комбайн.

Яовышение эффективности механизированной выемки полезных ископаемых способствуют методы совершенствования конструкций и систем управления очистными комбайнами (ОК). Очистной комбайн основная машина в механизированном комплексе, осуществляющая отбойку и погрузку, например угля, на конвейерную систему комплекса. Производительность ОК в основном определяет и производительность добычи угля на угольных предприятиях. Современные ОК представляют сложную электромеханическую систему, включающую приводы резания и механизма подачи. Как правило, привод резания включает два асинхронных электродвигателя, которые через редукторы вращают шнеки, оснащенные резцами. При этом электродвигатели могут быть не связаны друг с другом и передавать механическую энергию каждый отдельно своему шнеку и могут быть механически связаны. При этом передача энергии осуществляется от каждого электродвигателя к обоим шнекам. В качестве привода механизма подачи применяются регулируемый гидравлический привод или регулируемый электропривод (ЭП) постоянного или переменного тока.

Современный электропривод механизма подачи (МП) ОК -это частотно-регулируемый асинхронный электропривод, включающий общий преобразователь частоты (ПЧ), питающий два асинхронных электродвигателя (АД), приводящих в движение каждый свой двигатель бесцепной системы подачи (БСП).

Рис. 1. Структурная схема системы автоматического регулирования нагрузки электропривода очистного комбайна

Для обеспечения полной загрузки электродвигателей резания в СИСтеме управления ЭП очистного комбайна применяется регулятор нагрузки (РН), назначение которого обеспечить полную загрузку по мощности электродвигателей шнеков.

На рис. 1 представлена система автоматического регулирования нагрузки электропривода ОК, включающая объект управления и регулятор нагрузки с передаточной функцией WPH [1].

Объект управления включает передаточные функции элементов электромеханической системы ОК:

— система «преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель» механизма подачи:

W

где Кь Т3 - соответственно, приведенный коэффициент передачи и постоянная времени системы;

— трансмиссия механизма подачи:

Wт.р

где Кред.п ,Т4 , - соответственно, коэффициент передачи, постоян-

ная времени, коэффициент затухания редуктора МП;

Т4=Лр„/С„ ; ^.„йл/стХ" ,

где 1ок, Ст.п , Дгп - соответственно, приведенный момент инерции ОК, жесткость трансмиссии, коэффициент передачи.

— шнековый исполнительный орган ОК

Жш

где т - постоянная времени запаздывания в процесса стружкообра-зования ИО, зависящая от количества резцов в одной линии реза-

ния; В - коэффициент зарубаемости, пропорциональный крепости угля.

Передаточную функцию ЖИО(р) можно приближенно аппроксимировать разложением в ряд Пада:

— трансмиссия привода резания (двухмассовая расчетная схема):

где Кредп , Т5 , £р - соответственно, коэффициент передачи, постоянная времени, коэффициент затухания редуктора резания:

С учетом (5) уравнение (4) имеет вид:

ЖиО

— электродвигатель резания (колебательное звено второго порядка):

где КАдр - коэффициент передачи АД резания; Тэ, Тм - соответственно электромагнитная и механическая постоянные времени АД резания.

Передаточная функция объекта регулирования регулятора нагрузки с учетом (1 - 7) имеет вид:

где К=К:Кред.пК

ред.р тDKАДр.

Полученная передаточная функция Ж(р) показывает, что объект регулирования представляет собой сложную динамическую систему с набором последовательно соединенных звеньев первого и второго порядка. Коэффициент передачи объекта К пропорционален коэффициенту крепости угля D, который изменяется в процессе работы комбайна случайным образом, при этом его математическое ожидание в условиях одной лавы может изменятся в 3 - 5 раз.

Гио(р)=т£ Жт.р(р)/(т2р2/ 12+тр/2+1) .

^т.р(р)= Кред.п/(Т2 р2+2^рТ5р+1) ,

Яддр(р)= КАДр/(ТэТмр2+Тмр+1),

Ж(р)=К/[(ТзР+1)(т2р2/12+хр/2+1)(ТэТмр2+Тмр+1)х х(Т4 р2+2^рТ4р+1)( Т2 р2+2^р+1)]

Рис. 2. Структурная схема нечеткого регулятора нагрузки

Кроме того, передаточная функция объекта получена путем линеаризации ряда параметров, тогда как в реальных условиях работы системы управления эти нелинейности существуют. Таким образом, объект управления регулятора нагрузки обладает элементами неопределенности в части изменения его параметров в процессе работы, поэтому применяемые статические пропорционально

- интегрально - дифференциальные (ПИД) регуляторы нагрузки не обеспечивают качества переходных процессов (быстродействия, перерегулирования, минимума среднеквадратической ошибки) во всех режимах работы ОК.

В работе предложено применить в качестве РН нечеткий регулятор, что потребовало обоснование его структуры.

Как известно [2], нечеткий регулятор обладает большим числом настроечных параметров (степеней свободы), определенных его структурой, чем статический ПИД регулятор, имеющий три параметра настройки. Далее рассматривается цифровой нечеткий регулятор нагрузки (НРН), на вход которого поступает сигнал рассогласования (рис. 1).

е = 1з - 1ф ,

где 1з , 1ф - соответственно, заданное фактическое значения доли резания.

В связи со сложностью дифференцирования сигнала рассогласования тока первоначально предложен пропорционально - интегральный (ПИ) НРН.

Такой регулятор обеспечивает статическую ошибку регулирования равной нулю. Кроме того, далее в системе принять

Мер)

1

^ Єрі 6р2 ЄрЗ Єр4 ^

а б

Рис. 3. Функции принадлежности нечеткого ПИ регулятора нагрузки: а - пропорциональной части ; б - интегральной части

«прямое» регулирование. Структура нечеткого РН представлена на рис. 2.

В структурной схеме сигнал рассогласования в дискретном виде ек поступает на блок «1» вычисления пропорциональной части ер и интегральной части е1 по формуле

К

еі = Т X Є

Н

В блоке фаззификации для сигнала ер используются четыре нечетких множества А1, А2, А3, А4, а для сигнала е1 три нечетких множества К, 7, Р. Функции принадлежности для входов нечеткого регулятора представлены на рис.3.

Применение для фаззификации пропорциональной части четырех нечетких множеств позволяет автоматически изменять коэффициент усиления пропорциональной части регулятора нагрузки в зависимости от величины сигнала рассогласования.

Так если сигнал рассогласования находится в пределах ері<ер<ер2 или ер3<ер<ер4, то коэффициент усиления одинаков и определяется наклоном статической характеристики и(е) и равен К2, а когда сигнал рассогласования находится в пределах ер2<ер<ер3, то коэффициент усиления равен К1, который меньше К2.

В базу правил предлагаемой структуры регулятора (рис.2) входят 12 элементов правил составляемых по лингвинистическим правилам:

R1: ЕСЛИ

Я12: ЕСЛИ

Дефаззификация осуществляется по методу одноэлементных нечетких множеств с использованием множеств В1...В12, рис. 2. В этом случае сигнал и на выходе регулятора нагрузки принимает одно из дискретных значений В1...В12.

Таким образом, в работе предложена структура нечеткого ПИ регулятора нагрузки, имеющего возможность при настройке (проектировании) устанавливать двенадцать параметров для обеспечения заданного качества процессов регулирования, обладающего астатизмом и обеспечивающего стабильное качество стабилизации нагрузки в условиях неопределенной среды.

-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Серов В.П., Бабокин Г.Н., Колесников Е.Б. Система управления частотно - регулируемым электроприводом механизма подачи // Изд. вузов. Горный журнал. - 1992. - №6. - с. 93 - 96.

2. Пегат А. Нечеткое моделирование и управление. М.: Бином. Лаборатория знаний. - 2009.- 798 с. іі5и=і

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------

Бабокин Г.И. - доктор технических наук, профессор, зам. директора, НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева), prorector.nauka@nirhtu.ru,