[發明專利]一種煤礦井下無人值守排水系統及控制方法

有效

• 申請號: 201910919969.1
• 申請日: 2019-09-26
• 公開（公告）號: CN110647078B
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 史曉娟;陳迪迪;齊彪;張修德;王高洋
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042;E21F16/00;F04B49/06
• 代理公司: 西安啟誠專利知識產權代理事務所(普通合伙) 61240
• 代理人: 李艷春

1.一種煤礦井下無人值守排水系統的控制方法，排水系統包括用于排水的水泵(15)、備用水泵(16)、上位PC機(17)、DSP數字信號處理器模塊(1)和與DSP數字信號處理器模塊(1)相接的用于與上位PC機(17)進行通信的通信電路模塊(2)，以及為所述排水系統中各用電模塊供電的電源模塊(3)；所述DSP數字信號處理器模塊(1)的輸入端接有數字量輸入隔離電路模塊(4)和信號調理電路模塊(5)，所述信號調理電路模塊(5)的輸入端接有用于檢測電機軸承溫度的溫度傳感器(6)、用于檢測水泵入口真空度的真空度傳感器(7)、用于檢測排水管路流量的流量傳感器(8)、用于檢測水泵出水口壓力的壓力傳感器(9)和用于檢測水倉內水位的液位傳感器(10)，所述DSP數字信號處理器模塊(1)的輸出端接有D/A轉換電路模塊(11)、顯示模塊(12)和聲光報警電路模塊(13)，所述D/A轉換電路模塊(11)的輸出端接有多個用于控制水泵(15)和備用水泵(16)的變頻器(14)；其特征在于：該方法包括以下步驟：

步驟一、所述液位傳感器(10)對水倉內水位進行實時監測，水位采集信號經過信號調理電路模塊(5)進行調理放大，所述DSP數字信號處理器模塊(1)對調理放大后的信號進行周期性采樣；

步驟二、所述DSP數字信號處理器模塊(1)采用復合控制算法對水倉水位測量值和初始水位設定值進行處理，輸出數字量的控制信號到D/A轉換電路模塊(11)中，具體包括：

所述DSP數字信號處理器模塊(1)根據公式e(k)＝l_PS(k)-l_S(k)對其初始水位設定值l_PS(k)與第k次采樣得到的水倉水位測量值l_S(k)作差，得到第k次采樣時初始水位設定值與水位測量值的水位偏差e(k)；其中，k的取值為非0自然數；DSP數字信號處理器模塊(1)將水位偏差e(k)與預先設定的閾值進行對比，當水位偏差e(k)大于預先設定的閾值時，采用PD控制算法；當水位偏差e(k)不大于預先設定的閾值時，采用帶前饋PD補償的單神經元模糊PID控制算法；

其中，帶前饋PD補償的單神經元模糊PID控制算法的實現步驟如下：

步驟A1、所述DSP數字信號處理器模塊(1)將水位偏差e(k)作為單神經元PID控制器的第一個分量輸入信號，將其記作x₁(k)；

步驟A2、所述DSP數字信號處理器模塊(1)根據公式Δe(k)＝e(k)-e(k-1)對其第k次采樣時初始水位設定值與水倉水位測量值的水位偏差e(k)與第k-1次采樣時初始水位設定值與水倉水位測量值的水位偏差e(k-1)作差，得到第k次采樣時初始水位設定值與水倉水位測量值的水位偏差變化量Δe(k)，作為單神經元PID控制器的第二個分量輸入信號，將其記作x₂(k)；

步驟A3、所述DSP數字信號處理器模塊(1)根據公式Δe(k-1)＝e(k-1)-e(k-2)對其第k-1次采樣時初始水位設定值與水倉水位測量值的水位偏差e(k-1)與第k-2次采樣時初始水位設定值與水倉水位測量值的水位偏差e(k-2)作差，得到第k-1次采樣時初始水位設定值與水倉水位測量值的水位偏差Δe(k-1)；

步驟A4、所述DSP數字信號處理器模塊(1)根據公式Δe₂(k)＝Δe(k)-Δe(k-1)對其第k次采樣時初始水位設定值與水倉水位測量值的水位偏差變化量Δe(k)與第k-1次采樣時初始水位設定值與水倉水位測量值的水位偏差變化量Δe(k-1)作差，將所得差值Δe₂(k)，作為單神經元PID控制器的第三個分量輸入信號，將其記作x₃(k)；

步驟A5、所述DSP數字信號處理器模塊(1)根據公式得到單神經元PID控制器的輸入A，其中，i＝1,2,3，w_i(k)為第k次測量、第i個輸入信號x_i(k)的連接權值；

步驟A6、所述DSP數字信號處理器模塊(1)中單神經元PID控制器的算法公式為其中，u_p(k)為第k次測量時，單神經元PID控制器產生的控制輸出信號，u_p(k-1)為第k-1次測量時，單神經元PID控制器產生的控制輸出信號，K(k)為第k次測量時神經元的輸出增益；

步驟A7、所述DSP數字信號處理器模塊(1)根據公式采用有監督的Hebb學習規則，對連接權值進行調整，其中，w₁(k)為第k次測量時第1個輸入信號x₁(k)的連接權值，w₁(k-1)為第k-1次測量時第1個輸入信號x₁(k)的連接權值，w₂(k)為第k次測量時第2個輸入信號x₂(k)的連接權值，w₂(k-1)為第k-1次測量時第2個輸入信號x₂(k)的連接權值，w₃(k)為第k次測量時第3個輸入信號x₃(k)的連接權值，w₃(k-1)為第k-1次測量時第3個輸入信號x₃(k)的連接權值，η_I為積分學習速率，η_P為比例學習速率，η_D為微分學習速率，γ_i(k)為學習信號，z(k)為教師信號；

步驟A8、所述DSP數字信號處理器模塊(1)根據公式對連接權值w₁(k)、w₂(k)和w₃(k)進行規范化處理，其中，

步驟A9、所述DSP數字信號處理器模塊(1)采用模糊控制算法調整神經元輸出增益K(k)，并將步驟A8處理得到的w_i′(k)替換步驟A6公式中w_i(k)并整理，得到第k次測量時單神經元模糊PID控制器產生的控制輸出量

步驟A10、所述DSP數字信號處理器模塊(1)根據公式u_f(k)＝l_PS(k)G_r(S)，得到前饋PD補償控制器的輸出量u_f(k)，其中，l_PS(k)為第k次測量時的初始水位設定值，G_r(S)為前饋PD通道的傳遞函數，K_p為比例系數，K_d為微分系數；

步驟A11、所述DSP數字信號處理器模塊(1)將單神經元模糊PID控制器產生的控制輸出量u_p(k)與前饋PD補償控制器的輸出量u_f(k)進行求和運算，得到帶前饋PD補償的單神經元模糊PID控制算法的輸出量u(k)，即u(k)＝u_p(k)+u_f(k)；

步驟三、所述D/A轉換電路模塊(11)對數字量的控制信號進行數模轉換，得到模擬量的控制信號，通過變頻器(14)控制水泵(15)和備用水泵(16)，調節排水量。