CC BY
12
УДК 622.232.83
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-46-52
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ И УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА
Т.Л. Фам
В статье представлен обзор информационно-измерительных и управляющих систем рабочих органов проходческих комбайнов. Представлена общая структура проходческих комбайнов с учетов включения в их состав управляющих систем. Проведен анализ приводов, используемых в горнопроходческой технике, включая электропривод и гидропривод. Исследованы особенности конструкции и управляющих систем горных машин. Показано, что для повышения производительность необходимо улучшить автоматическое управление.
Ключевые слова: проходческий комбайн, электропривод, гидропривод, система управления.
1. Общая структура рабочего органа проходческого комбайна. Проходческие комбайны [16] являются специализированными проходческими комбайнами и обычно выпускаются для проведения выработок определенной формы и сечения в заданном диапазоне. Они состоят из рабочего органа, разрушающего породу по площади забоя, механизма передвижения комбайна, погрузочно-транспортного оборудования, силового оборудования, пылеподавляющих устройств и средств управления.
Структура рабочего органа комбайна и систем, обеспечивающих рабочие режимы его функционирования, приведена на рис. 1, где применены следующие обозначения: М - электро-двигатель; ГМ -
гидромотор; " - гидравлический насос;.......► - информационныесвязи;--- управляющие связи;
^т механические связи.
Рабочий орган проходческого комбайна представляет собой фрезу, приводимую в движение соответствующим гидроприводом. Для перемещения фрезы по площади забоя используется рукоять, обеспечивающая цикличное круговое перемещение фрезы, и соединённая с ней качалка, определяющая текущий рабочий радиус. Фрезы с горизонтальной осью вращения качалки и вертикальной осью вращения рукояти допускают регулирование в большом диапазоне благодаря их качанию на рукояти. Вращение рукояти обеспечивается гидроцилиндром 1, а выбор рабочего радиуса - гидроцилиндрами 2 и 3.
Для обеспечения эффективного управления процессом разрушения горной породы информационно-измерительная подсистема [7, 8] с помощью соответствующих датчиков собирает сенсорную информацию о состоянии отдельных элементов проходческого комбайна. В системе используется следующая информация: 1, 13 - информация о состоянии; 2, 12 - температура рабочего тела; 3, 11 - давление в гидроприводе; 4 - угловая скорость вращения фрезы; 5 - момент на валу; 6, 8, 10 - линейные перемещения механизмов; 7 - угол раствора качалки; 9 - угол поворота рукояти. Состав информационных сигналов, регистрируемых и обрабатываемых информационно-измерительной системой, может быть расширен, например, за счет системы оценки состояния породоразрушающей фрезы и системы оценки твердости разрушаемой породы.
Рабочий орган
Фреза Са чалка Рукоять
Рис. 1. Структура рабочего органа и вспомогательных систем
46
2. Классификация приводов проходческих комбайнов. В конструкциях проходческих комбайнов в настоящее время широкое применение находит гидропривод и электродвигатель.
2.1. Гидропривод. По принципу действия гидроприводы делятся на объёмные, в которых передача энергии осуществляется за счёт гидростатического давления, и динамические, в которых передача энергии осуществляется за счёт кинетической энергии потока рабочей жидкости (рис. 2).
Из процесса изучения документов [9-14] о гидроприводах видно, что: шестеренчатые насосы и гидромоторы имеют простую конструкцию, низкое давление сжатия, высокий расход, поэтому их используют для заливки высоковязкой жидкости;
лопастные насосы и гидромоторы имеют довольно сложную конструкцию с высоким средним давлением потока;
поршневые насосы и гидромоторы являются наиболее сложным типом, имеют высокое давление, но низкий расход, поэтому их используют в системах, требующих высокого и стабильного давления;
гидроцилиндры просты в изготовлении, надежны в эксплуатации, с их помощью можно получать значительные усилия, их расположение не зависит от установки насоса, распределительной и регулирующей аппаратуры.
Рис. 2. Классификация гидроприводов по принципу действия
2.2. Электродвигатель. В качестве источника механической энергии в горнопроходческой технике используют электродвигатели [15-20], преобразующие электроэнергию во вращательное движение ротора.
По типу напряжения питания различают: электродвигатели постоянного тока и двигатели переменного тока. Классификация приведена на рис. 3.
а) Электродвигатели постоянного тока
Двигатели постоянного тока (ДПТ) широко применяются в качестве привода промышленного оборудования и исполнительных механизмов. Такие электрические машины обладают следующими преимуществами:
возможность регулировки частоты вращения путем изменения напряжения в обмотке возбуждения. При этом крутящий момент на валу двигателей остается неизменным;
коэффициент полезного действия (к.п.д.) у машин постоянного тока 10-15% выше, чем у асинхронных двигателей переменного тока;
возможность изготовления ДПТ небольших габаритов;
простота схем управления (для пуска, реверса и регулирования скорости и момента не требуется сложного электронного оборудования и большого количества аппаратов для коммутации);
высокий пусковой момент, что ДПТ продляет использовать двигатель в электроприводах кранов, тяговых и грузоподъемных механизмов, где требуется запуск под значительной нагрузкой.
б) Электродвигатели переменного тока
Электрические машины такого типа широко используют для приводов всех типов технологического оборудования, электроинструментов, автоматических регуляторов. По наличию разности между скоростью вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора различают синхронные и асинхронные двигатели.
Асинхронные электродвигатели
По конструкции ротора асинхронные электрические машины делят на двигатели с короткоза-мкнутым и фазным ротором.
Двигатели с короткозамкнутым ротором. Асинхронные двигатели такого типа обладают следующими преимуществами:
достаточно простая схема пуска;
допустимость кратковременных перегрузок;
возможность изготавливать электрические машины высокой мощности;
двигатель такого типа не содержит скользящих контактов, препятствующих наращиванию мощности;
относительно простое ТО и ремонт, простого конструкции; невысокая цена.
Двигатели с короткозамкнутым ротором имеют свои недостатки:
предельная скорость вращения составляет не более 3000 об/мин при входе в синхронный режим;
технически сложная реализация регулирования частоты вращения; высокие пусковые токи при прямом запуске.
Двигатели с фазным ротором. Такие электродвигатели обладают следующими достоинствами: возможность ограничивать пусковые токи при помощи резистора, включенного в цепь электромагнитов ротора;
больший, чем у электромашин с короткозамкнутым ротором, пусковой момент; возможность регулировки скорости;
Недостатками таких двигателей являются относительно большие габариты и масса, высокая цена, более сложный ремонт и сервисное обслуживание.
Рис. 3. Классификация электродвигателей по виду питающего напряжения
Синхронные двигатели переменного тока. Синхронные двигатели имеют следующие особенности: постоянная скорость вращения при переменной нагрузке; высокий к.п.д. и коэффициент мощности; небольшая реактивная составляющая; допустимость перегрузки.
К недостаткам синхронных электродвигателей относятся: высокая цена, относительно сложная конструкция; сложный пуск; необходимость в источнике постоянного напряжения; сложность регулировки скорости вращения и момента на валу.
3. Анализ особенностей информационно-измерительных и управляющих систем проходческих комбайнов
3.1. Классификация систем управления по степени участия оператора. Для обеспечения возможности задания и поддержания в процессе эксплуатации режимов работы механизмов проходческих комбайнов в соответствии с технологическими требованиями ведения работ, в их состав входят соответствующие системы управления [21-27] (рис. 4).
3.2. Системы ручного управления. Ручное управление проходческим комбайном предполагает обязательное наличие человека-оператора, контролирующего режимы работы машины и изменяющего их в соответствии с принимаемыми решениями.
Наиболее простыми являются системы ручного управления прямого действия, в которых воздействие на силовое оборудование осуществляется за счёт затрат механической энергии оператора.
Системы ручного непрямого управления включают в свой состав источник энергии и усилители управляющих сигналов, которые позволяют воздействовать на исполнительные механизмы через вспомогательные приводы.
При опасных условиях эксплуатации, когда условия работы сопряжены с угрозой для жизни или здоровья оператора, используются системы дистанционного управления. В дополнение к компонентам систем непрямого управления такие системы содержат выносной пульт управления и коммуникационные каналы, обеспечивающие передачу сигналов управления и контрольно-измерительной информации от проходческого комбайна.
3.3. Системы автоматического управления. Системы автоматического управления, в зависимости от сложности внутренней организации, выполняют управление проходческим комбайном без привлечения оператора. В простейшем случае на систему управления возлагаются функции контроля согласованности развиваемых сил и моментов на рабочих органах с техническими характеристиками проход-
ческого комбайна, и блокировки в случае возникновения аварийных ситуаций. В более сложных случаях системы управления содержат регуляторы с устройствами для задания режима работы, которые обеспечивают поддержание на заданном уровне или изменение некоторого параметра по заданной программе, а также датчики контроля параметров для непрерывного отслеживания управляющих сигналов. В наиболее сложном случае система автоматического управления содержит развитые средства извлечения сенсорной информации о состоянии различных элементов исполнительной системы, а также мощные вычислительные ресурсы и эффективное алгоритмическое и программное обеспечение, осуществляющее поддержку функционирования проходческого комбайна без участия человека-оператора.
Рис. 4. Системы управления проходческим комбайнами
В системе автоматического управления по форме сигнала ее можно разделить на аналоговых и цифровых регуляторы. Преимущества и недостатки этого регулятора показаны в табл. 1.
Таблица 1
Преимущества и недостатки аналоговых и цифровых регуляторов._
№ Регуляторы цифровые Регуляторы аналоговые
Преимущества Недостатки
1 Цифровые компоненты в схеме регулятора имеют только 2 уровня низкой и высокой энергии (0 и 1), поэтому на них не влияет дрейф параметров измерения сигнала; Дрейф параметров измерения сигнала, обусловленный различными причинами (температурными, химико-физическими, механическими и др.);
2 Цифровые структуры могут быть защищены методами, применимыми к аналоговым (экранирование, металлизация и т. д.), в дополнение к методам цифровой фильтрации; Аналоговое оборудование часто чувствительно к помехам. Шум может возникать из-за самого компонента (температура, старение и т. д.) или помех от внешних факторов;
3 На передачу цифровых сигналов меньше влияет затухание; Передача аналогового сигнала также затруднена из-за затухания сигнала;
4 Цифровые компоненты имеют одинаковые параметры, поэтому стабильность высокая; Подобные компоненты имеют разные свойства, когда массовое производство делает аналогичные компоненты менее стабильными;
5 Выполнение некоторых функций, таких как запоминание или задержка, довольно просто; Выполнение некоторых функций, таких как память или задержка, с использованием той же техники сталкивается со многими трудностями;
6 Для систем числового программного управления, использующих вычислительное оборудование с большой вычислительной мощностью, могут быть применены многие современные алгоритмы управления, которые ранее были невозможны. Реализация схемы и калибровка аналоговой схемы сложна, поэтому требует много времени и сил.
1 Цифровые устройства работают медленно из-за необходимости преобразования и времени обработки; Аналоговые устройства действуют почти мгновенно;
2 Не используйте для управления параметры, которые меняются очень быстро; Позволяет использовать для управления параметры (ток, напряжение и т.д.), которые изменяются очень быстро;
3 Числовое управление имеет простую структуру с простым или сложным управлением. Аналоговые элементы управления имеют сложную или простую структуру в зависимости от сложности управления.
3.4. Элементы систем управления проходческих комбайнов. В общем виде контур регулирования (рис. 5) реализует операцию измерения текущего значения регулируемой величины, сравнение её с эталонным (заданным) значением, вычисление управляющего воздействия и выдачу его через управляющий орган на объект регулирования.
По характеру изменения регулирующего воздействия автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы с линейным и нелинейным законами регулирования. Типовыми линейными законами регулирования являются пропорциональный, интегральный, дифференциальный, а также их комбинации.
Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор. В таком регуляторе для формирования управляющего воздействия используется информация о самой ошибке, её производной и интеграле от нее.
и (я) = Е (я)( кп + ки .1 + кд .я ^ (2)
Пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы - воздействуют на объект регулирования пропорционально отклонению Е регулируемой величины, интегралу от этого отклонения и скорости изменения регулируемой величины. Передаточная функция регулятора определяется равенством:
и(я) , , 1 , кп .я + ки + кд .я2 .
—— = к + к — + кд .я = —-и--— = к
Е(з)
к _
( Т,2.52 + Т2.я + 1 ^
ид
я
(3)
где Т1 = — и Т2 = —- поскольку операция дифференцирования часто выполняется пассивными эле-
V ки ки
ментами, то коэффициент кд меньше единицы.
При выполнении условия кп > кд частотные свойства регулятора близки к свойствам изодром-ного устройства. Этот вид регулятора является более общим и используется по мере необходимости при разработке систем управления.
Задающая величина
Управляющее воздействие Возмущение
Регулируемая величина
Рис. 5. Схема контура регулирования
Исследование и применение алгоритма ПИД-регулятора на регуляторе считается целью разработки системы управления проходческого комбайна.
( 1 ' , X +--Г хЛ
+ Т.
Лх
Л
пЬ
Л
(
Из уравнения у = кр ПИД-регулятора в контур управления показана на рис. 6.
ПИД-регулятор
и передаточной функции к
1 + -
1
Л
Тиз Р
+ ТпЪР
т.
Ф
АЦП
ПИД-регулятор
т
К
Ш)
^УЦцЛП^ 1ГГ„(/)
IV)
б
Рис. 6. Включение ПИД-регулятора в контур управления: а - цифровая ПИД-регулировка в цифровом контуре управления, б- цифровая ПИД-регулировка в аналоговом контуре управления
4. Выводы
Вышесказанный анализ информационно-измерительных и управляющих систем рабочих органов в проходческих комбайнах позволяет сделать следующие выводы:
я
а
показано, что для эффективного управления процессом разрушения горной породы необходимо улучшить измерительные средства элементов рабочего органа;
показано, что для управления рабочими органами в проходческих комбайнах широко применяются системы автоматического управления;
показано, что для повышения эффективности системы автоматического управления следует использовать численную настройку;
для определения параметров систем управления рабочими органами в проходческих комбайнах необходимо решить следующие задачи: разработка математической модели типового рабочего органа вычисление параметров регуляторов и их поправки.
Список литературы
1. Абморшев В.И. Проходческий комбайн ПК-3 (ПК-3м). 2-е изд., доп. и перераб. М.: Госгортехиздат, 1962 220 с.
2. Солод В.И. Горные машины и автоматизированные комплексы: учебник для вузов / В.И. Солод, В.И. Зайков, К.М. Первов. М.: Недра, 1981. 503 с.
3. Исследование и разработка теории построения функциональных машин угольных комбайнов нового поколения. Разработка теории блочно-модульной компоновки энергонасыщенных угольных комбайнов: Отчет о НИР/промежут. / ТулГУ; Науч. рук. д.т.н., проф. П. Г. Сидоров. N темы 34-91 (Госбюджет). Тула, 1994. 34 с.
4. Семенов В.В. Результаты сравнительных исследований исполнительных органов комбайны "Мариетта 900А" и "Урал-20Р" / В.В. Семенов [и др.] // Горное оборудование и электромеханика: научно-аналитический и производственный журнал. М.2012, №2. С. 11-16.
5. Гилёв А.В. Горные машины и оборудование подземных разработок: учебное пособие к практическим занятиям / В.Т. Чесноков, В.А. Карепов, Е.Г. Малиновский // Горные машины и оборудование подземных разработок, 2024-05-16. Электрон. дан. (1 файл). Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2014. 128 с.
6. Горные машины и комплексы: учебное пособие для курсового проектирования / А.А. Хоре-шок, А.М. Цехин, Л.Е. Маметьев [и др.] // Горные машины и комплексы, 2026-08-10. Электрон. дан. (1 файл). Кемерово: Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачёва, 2018. 156 с.
7. Новоселов О.Н. Основы теории и расчета информационно-измерительных систем / О.Н. Новоселов, А.Ф. Фомин. М.: Машиностроение, 1991. 336 с.
8. Калашников В.И. Информационно-измерительная техника и технологии : учеб. для вузов / В.И. Калашников [и др.]; под ред. Г.Г. Раннева. М.: Высш. шк., 2002. 454 с.
9. Марутов В.А., Павловский С.А. Гидроцилиндры. М.: Машиностроение, 1966. 169 с.
10. Башта Т.М. Объемные гидравлические приводы / Т.М. Башта [и др.]. М.: Машиностроение, 1969. 628 с.
11. Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. М.: Машиностроение, 1974. 607 с.
12. Бреннер В.А Динамика проходческих комбайнов / В.А. Бреннер [и др.]. М.: Машиностроение, 1977. 224 с.
13. Берман В.М., Верескунов В.Н., Цетнарский И.А. Системы гидропривода выемочных и проходческих машин. М.: Недра, 1982. 206 с.
14. Башта Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для вузов / Т.М. Башта [и др.]. 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1982. 423 с.
15. Фираго Б.И. Теория электропривода: учеб. Пособие / Б.И. Фигаро, Л.Б. Павлячик, Минск: Техноперспектива, 2004 527с.
16. Лихачев В.Л. Электродвигатели асинхронные. М.: Солон-Р, 2003. Вып. 60. 304 с.
17. Электродвигатели и электрооборудование: Каталог-справочник. Ч. 3. Электродвигатели постоянного тока; коллекторные электродвигатели; электроприводы; оборудование для оснащения электроприводов и электродвигателей // Всерос. науч. -исслед. ин-т информ. и техн.-экон. исслед. по машиностроению и робототехнике. Информ. -коммерч. фирма "Каталог"; ред.-сост. Жмылевская М.Л. М.: Каталог, 2001, 158 с.
18. Лихачев. В.Л. Электродвигатели асинхронные. М.: Солон-Р, 2002. Вып. 60. 304с.
19. Степанов В.М. Проектирование асинхронных электродвигателей: учебно-методическое пособие / В.М. Степанов, С.В. Ершов, Т.Е. Сергеева. ТулГУ, ИВТС им. В.П. Грязева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018, 104 с.
20. Негадаев В.А. Электрический привод [Электронный ресурс]: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 13.03.02 "электроэнергетика и электротехника" / Негадаев В. А. Кемерово: КузГТУ имени Т.Ф. Горбачева, 2019. 132 с.
21. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование: Теория и элементы систем. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1973. 606 с.
22. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1978. 786 с.
23. Зубков Л.А., Силаев В.И., Ененков Б.И. Аппаратура автоматизации очистных комбайнов. М.: Недра, 1979. 112 с.
24. Изерман Р. Цифровые системы управления: пер. с англ. М., Мир, 1984. 541 с.
25. Клюев А.С. Автоматическое регулирование: учеб. для сред. спец. учеб. заведений. М.: Высш. шк., 1986. 351 с.
26. Воронова А.А. Теория автоматического управления. Теория линейных систем автоматического управления: учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1986. 303 с.
27. Востриков А.С., Французова Г.А. Теория автоматического регулирования: учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 2006. 365 с.
Фам Тхань Лием, аспирант, phamthanhliem1982@smail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESEARCH ON INFORMATION-MEASURING AND CONTROL SYSTEM OF A ROADHEADER
Pham Thanh Liem
The article presents an overview of the information-measuring and control systems of the working bodies of roadheader machines. The general structure of roadheader machines is presented, considering the inclusion of control systems in their composition. The analysis of drives used in mining equipment, including electric drive and hydraulic drive, was carried out. The design features and control systems of mining machines have been studied. It is shown that to increase productivity, it is necessary to improve automatic control.
Key words: roadheader, electric drive, hydraulic drive, control system.
Pham Thanh Liem, postgraduate, phamthanhliem1982@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 004.932.72'1
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-52-56
ОБУЧЕНИЕ СВЕРТОЧНОЙ НЕЙРОННОЙ СЕТИ С АВТОМАТИЧЕСКИМ УЧЕТОМ ИСКАЖЕННОСТИ ВХОДНЫХ ДАННЫХ
И.М. Янишевский, В.В. Арлазаров
В статье изложен подход к обучению сверточной нейронной сети, отличающийся учетом информации о степени искажения входных данных, благодаря чему сверточная нейронная сеть, сохраняя качество обучения, дополнительно приобретает ряд важных свойств, обеспечивающих учет зависимости между данными и степенью их искажений, а также ненулевой уровень безошибочности.
Ключевые слова: сверточные нейронные сети, обучение нейронной сети, распознавание образов, машинное обучение, гауссово размытие.
Прогресс информационно-телекоммуникационных технологий обусловливает необходимость развития средств и методов обработки неформализованной и слабо формализованной информации, в том числе - основанных на применении искусственных нейронных сетей [1-3]. Одним из часто встречающимся на практике примером решения таких задач является распознавание образов и изображений в видеопотоке, частью которой является оптическое распознавание, реализуемое с помощью нейронной сети [4-6]. Применение нейросетевых технологий для решения таких задач обеспечивает рациональный баланс между вычислительной (аппаратной) сложностью и качеством распознавания [2].
На вход нейронной сети подаются цифровые изображения - фотоснимки, кадры из видеопотока и т.п. Такие изображения существенно отличаются от идеальных вследствие разности освещения при съемке, бликов от источников света, пространственных искажений изображений, помех матрицы камеры и т.д. [6]. Для повышения качества настройки (обучения) нейронной сети необходимо не только иметь достаточный (по объему) массив данных для обучения (репрезентативную обучающую выборку), но и обеспечить наличие в этом массиве примеров, соответствующими искажениям, присутствующим в реальных изображениях [7-10]. Результатом работы нейронной сети является набор оценок принадлежности изображения, подаваемого на вход нейронной сети, к одному из альтернативных классов [10].
Анализ опыта решения аналогичных по постановке задач показывает, что наиболее эффективные решения обеспечиваются с применением сверточных нейронных сетей. Такие нейронные сети обеспечивают устойчивость к изменениям масштаба, смещениям, поворотам, смене ракурса и прочим искажениям входных изображений [1-3].
