Пристрій автоматичного контролю кускових матеріалів на вході конусної дробарки

Пристрій автоматичного контролю кускових матеріалів на вході конусної дробарки, що включає аналоговий смуговий фільтр сигналу активної потужності, помножувач сигналу на опорну частоту, фільтр нижніх частот, другий смуговий фільтр, перший усереднювач, другий усереднювач, блок корекції, перший реєстратор, який відрізняється тим, що містить другий реєстратор та дискретизатор, вхід якого підключений до виходу аналогового смугового фільтра сигналу активної потужності, вихід дискретизатора підключений до входу квад 3 52338 У результаті навантажувальний момент має постійну складову (на нульовій частоті), пропорційну крупності d і міцності р руди, що дробиться, і перемінну складову (у смузі частот f = fн...fв), пропорційну крупності d. Цей момент прикладений до ексцентрикового вузла, що обертається з частотою хитань конуса fk (fk > fв). Тоді рівень складової 2 (див. Фіг.1) активної потужності на частоті fк хитань рухливого конуса відповідає постійній складовій навантажувального моменту і пропорційний функції міцності і крупності вихідної руди: (1) 1 ( d, ) , ~ а рівень складових 3 і 4 у смугах fk ±(fн...fв), що характеризують перемінну складову навантажувального моменту, пропорційний функції крупності вихідної руди: ~ (2) = Ф2(d), де Ф1, Ф2 - функції еквівалентності. У результаті рівень , скорегований по вели~ чині рівня , корелює тільки з міцністю руди. З метою зниження похибки контролю шляхом підвищення вибірковості до інформативних складових відомий пристрій [2] реалізовує метод синхронної демодуляції сигналу потужності, заснований на теоремі модуляції (змішування) [3, Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. - М: Мир, 1983. - Т. 1. - 312с.]. Цей пристрій включає множення сигналу активної потужності Ракт на гармоніку опорної частоти f0, що приводить до зсуву спектра сигналу щодо вихідної інформативної складової 5 (див. Фіг.1) по частоті на ±f0 (складові 6 і 7), і фільтрацію результуючого сигналу в низькочастотній області (складова 6), де відношення розділюваних частот і, відповідно, вибірковість більше (на Фіг.1 прийнято, що f0 = fk). Недоліками відомого пристрою [2] є складність реалізації інфранизькочастотної фільтрації аналоговими засобами, а також мала вибірковість фільтрів (ослаблення сигналів сторонніх частот) внаслідок виникнення паразитної складової 7 (див. Фіг.1). Відомий пристрій має також велику інструментальну похибку, обумовлену варіацією параметрів аналогових схем, і жорсткі вимоги до точності синхронізації фази гармоніки опорної частоти і складової сигналу активної потужності на оборотній частоті. В основу корисной моделі поставлена задача удосконалення відомого пристрою автоматичного контролю кускових матеріалів на вході конусної дробарки шляхом введення нових елементів та зв'язків для здійснення демодуляції сигналів за методом спектральної лупи, заснованого на відомій теоремі зсуву [3]: x t exp j2 f0 t f f0 , що дозволяє підвищити точність спектральних пристроїв контролю за рахунок покращення їхньої вибірковості (внаслідок відсутності паразитної складової 7) і зниження інструментальної похибки, а також дозволяє одночасно реєструвати крупність і міцність кускового матеріалу і, за рахунок цього, 4 підвищити ефективність управління процесом дроблення в конусних дробарках. Ця задача вирішуються тим, що пристрій автоматичного контролю кускових матеріалів на вході конусної дробарки, що включає аналоговий смуговий фільтр сигналу активної потужності, помножувач сигналу на опорну частоту, фільтр нижніх частот, другий смуговий фільтр, перший усереднювач, другий усереднювач, блок корекції, перший реєстратор, відрізняється тим, що він має другий реєстратор та дискретизатор, вхід якого підключений до виходу аналогового смугового фільтра сигналу активної потужності, вихід дискретизатора підключений до входу квадратурного помножувача дискретного сигналу на опорну частоту, а вихід квадратурного помножувача дискретного сигналу на опорну частоту підключений до входу цифрового фільтра нижніх частот і входу цифрового смугового фільтра, вихід цифрового фільтра нижніх частот підключений до входу першого усереднювача, вихід цифрового смугового фільтра підключений до входу другого усереднювача, вихід першого усереднювача підключений до першого входу блоку корекції, вихід другого усереднювача підключений до входу другого реєстратора і другого входу блоку корекції, вихід блоку корекції підключений до входу першого реєстратора, перший і другий реєстратори фіксують величини міцності й крупності кускових матеріалів, відповідно. На Фіг.1 представлений типовий спектр 1 активної потужності Ракт приводного двигуна конусної дробарки, де 2 - складова спектру активної потужності на частоті fк хитань рухливого конуса; 3, 4 складові спектру у смугах fк (fн...fв), що характеризують перемінну складову навантажувального моменту, пропорційну функції крупності кускових матеріалів; 5 - вихідна інформативна складова спектру; 6 - результуючий сигнал в низькочастотній області; 7 - паразитна складова у спектрі зсунутого сигналу; 8 - складова спектру, рівень якої корелює з крупністю і міцністю кускових матеріалів; 9 - складова спектру, рівень якої корелює з крупністю кускових матеріалів. На Фіг.2 наведено структурну схему запропонованого пристрою, де 10 - аналоговий смуговий фільтр сигналу активної потужності; 11 - дискретизатор; 12 - квадратурний помножувач дискретного сигналу на опорну частоту; 13 - цифровий фільтр нижніх частот; 14 цифровий смуговий фільтр; 15 - перший усреднювач сигналу цифрової низькочастотної фільтрації; 16 - другий усреднювач сигналу цифрової смугової фільтрації; 17 - блок корекції усередненого сигналу цифрової низькочастотної фільтрації по значенню усередненого сигналу цифрової смугової фільтрації; 18 - перший реєстратор міцності кускових матеріалів; 19 - другий реєстратор крупності кускових матеріалів. На Фіг.3, 4 представлений спектр вихідного сигналу аналогового смугового фільтра, що наведений на Фіг.3 і спектр квадратурного (зсунутого) сигналу - на Фіг.4. На Фіг.5, 6 представлена амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) цифрового смугового фільт 5 ра Баттерворта 7-го порядку з нескінченною імпульсною характеристикою (НІХ) і з розрядністю 16 біт, що наведений на Фіг.5 і спектр його вихідного сигналу (складова 8 на Фіг.1) - на Фіг.6. На Фіг.7, 8 представлений АЧХ цифрового смугового НІХ-фільтра Баттерворта 8-го порядку з розрядністю 16 біт, що наведений на Фіг.7 і спектр його вихідного сигналу (складова 9 на Фіг.1) - на Фіг.8. Як видно з Фіг.2, сигнал активної потужності поступає на аналоговий смуговий фільтр 10, вихід якого сполучений з входом дискретизатора 11. Вихід дискретизатора 11 сполучений з входом квадратурного помножувача дискретного сигналу на опорну частоту 12, а вихід останнього сполучений з входом цифрового фільтру нижніх частот 13 і входом цифрового смугового фільтру 14. Вихід цифрового фільтру нижніх частот 13 сполучений з входом усреднителя сигналу цифрової низькочастотної фільтрації 15, а вихід цифрового смугового фільтру 14 сполучений з входом усреднителя сигналу цифрової смугової фільтрації 16. Вихід усереднювача 15 сполучений з першим входом блоку корекції усередненого сигналу цифрової низькочастотної фільтрації по значенню усередненого сигналу цифрової смугової фільтрації 17, а вихід усереднювача 16 сполучений з другим входом блоку корекції 17 і входом реєстратора крупності кускових матеріалів 19. Вихід блоку корекції 17 сполучений з входом реєстратора міцності кускових матеріалів 18. Демодуляція сигналів в пропонованому пристрої виконується згідно схеми, яка наведена на Фіг.2 і включає наступні етапи: - аналогову смугову фільтрацію сигналу активної потужності Pакт(t) [вихідний сигнал р1(t)], - дискретизацію сигналу аналогового смугового фільтра p1,(t) [p1(k)]; - зсув дискретного сигналу р1(k) на опорну частоту f0 [p2(k)]; - цифрову низькочастотну фільтрацію квадра p турного сигналу 2 (k) [p3(k)]; - цифрову смугову фільтрацію квадратурного  p сигналу 2 (k) [р4(k) ]; - усереднення сигналу цифрової низькочастотної фільтрації р3(k) [ ]; - усереднення сигналу цифрової смугової фі~ льтрації р4(k) [ ]; - корегування усередненого сигналу цифрової низькочастотної фільтрації по значенню усередненого сигналу цифрової смугової фільтрації. Аналогова смугова фільтрація призначена для виділення зі спектра активної потужності 1 (див. Фіг.1) складової 5 в інформативній смузі частот fk±fв, а також для запобігання накладення спектрів при наступній дискретизації аналогового сигналу: P1(t) = Pакт(е)* hПФ1(t), (3) де hПФ1(t) - імпульсна перехідна функція (ІПФ) аналогового предфільтра; * - знак операції згортки. Дискретизація виконується відповідно до теореми Котельникова-Шеннона. Оскільки верхня 52338 6 частота в спектрі сигналу p1(t) дорівнює Fв= fк+fв, то частота дискретизації визначається як: F 2 fk fв 2 Fв , (4) де - коефіцієнт запасу по частоті ( 1). Тоді дискретизований сигнал дорівнює: p1 k p1 k t k , (5) де k - такт часу; - функція Дірака; Т = F -1 період дискретизації. Зсув спектра на опорну частоту f0 здійснюється за допомогою квадратурного помножувача 12 шляхом формування квадратурного сигналу (складової 6, Фіг.1):  p2 k p1 k exp 2 f 0 t p1 k cos 2 f 0 t j sin 2 f 0 t . (6) Цифрова низькочастотна фільтрація квадратурного сигналу виконується для виділення складової 8 (Фіг.1):  p (7) р3(k) = 2 (k)*hФНЧ(k), де hФНЧ(k) - імпульсна перехідна функція (ІПФ) цифрового фільтра нижніх частот з частотою зрізу fФНЧ. Цифрова смугова фільтрація квадратурного сигналу виконується для виділення складової 9 (Фіг.1):  p (8) Р4(k) = 2 (k)*hФП2(k) де hПФ2(k) - ІПФ цифрового смугового фільтра з частотами зрізу fcp1 = fн і fcp2 = fв (зі смугою пропущення fн...fв). Рівні складових 8 і 9 (Фіг.1) визначаються як їх середні значення за час спостереження Тн: ~ н 1 н pi k ; i 12 , (9) k 1 чи як експонентне (ковзне) середнє: ~ k ~ k 1 н 1 pi k 1 ~ k 1, (10) , де i 1 2 . Тоді відповідно до (1) і (2) крупність вхідної руди фіксується другим реєстратором: ~ (11) d = Ф2-1 ( ), а її міцність визначається по сигналу блоку корекції ~ (12) s = ФК( , ) і фіксується першим реєстратором (13) = Ф1-1(s), де Ф1-1 , Ф2-1 - функції, зворотні до функцій еквівалентності Ф1, Ф2, а Фk - функція корегування. Оцінка ефективності запропонованого пристрою може бути виконана наступним шляхом. Рівень придушення сигналів аналоговим смуговим фільтром поза його смугою пропущення може бути обраний на рівні шуму наступної операції дискретизації [4, Айфичер Э.С., Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов: практический подход. - М.: Изд. дом «Вильяме», 2004. - 992с.]: min 20 lg 15 2g , [дБ], , (14) де g - розрядність аналого-цифрового перетворювача, біт. 7 52338 Так при g = 16 біт придушення повинне бути на рівні Аmin = -98 дБ. Як тип апроксимації бажаної характеристики фільтра кращим представляється фільтр Баттерворта, що має гладку амплітудно-частотну характеристику (АЧХ) в смузі пропущення [4]: f 2 1 f / fcp 2r 1 (15) , де fср - частота зрізу; r - порядок фільтра. Для одержання необхідних ІПФ h(k) в (7) і (8) при проектуванні цифрових фільтрів з кінцевою і нескінченною (НІХ) імпульсними характеристиками використовуються різні ефективні методи з апроксимацією бажаних характеристик за допомогою поліномів Чебишева, еліптичних рівнянь, тощо. Перевагами цифрової фільтрації є точність, що визначається розрядністю відліків, а також відсутність температурних перекручувань, надійність і компактність. З урахуванням вищевикладеного до параметрів настроювання спектральних пристроїв контролю необхідно віднести: - смугу пропущення аналогового смугового фільтра (від fк - fв до fн+fв); - частоту дискретизації аналогового сигналу F ( ); - частоту зсуву (f0); - частоту зрізу цифрового фільтра нижніх частот (fФНЧ); - смугу пропущення цифрового смугового фільтра (від fср1 до fcp2); - час усереднення (Тн). Для оцінки якості пропонованого пристрою і витрат на його реалізацію виконаємо моделювання обробки сигналів у середовищі Matlab. За приклад розглянемо обробку сигналу активної потужності, споживаної приводним двигуном конусної дробарки крупного дроблення ККД1500/180 [5, Качан ЮГ., Корниенко В.И., Лошкарев Л.И. Испытания устройства контроля крупности исходной руды конусной дробилки// Горный журнал. - 1990. - №1. - С. 59-60]. Для цього сигналу математичне очікування частоти хитань рухливого конуса під навантаженf ням складає fk = f k =1,23Гц з варіацією =0,023Гц =0,019fk. Спектр перемінної складової навантажувального моменту знаходиться в смузі від fн =0,2fk=0,25Гц до fв=0,5fk=0,62Гц. Тоді смуга пропущення аналогового предфільтраскладає від fk fв= 0,61 Гц до fk + fв= 1,85Гц. Приймемо коефіцієнт запасу по частоті = 1,5, тоді частота дискретизації відповідно до (4) F F буде = 5,54 Гц, а період дискретизації T = 1 =0,18c. При частоті зсуву f0 = fk смуга пропущення цифрового смугового фільтра буде ВІД fcp1 = fн = 0,25 Гц до fcp2 = fв = 0,в2Гц. Частота зрізу цифрового фільтра нижніх частот fФНЧ визначається варіацією частоти хитань конуса. Вважаючи її розподіл нормальним і прийн 8 явши імовірність 0,99 (похибку 0,01), одержимо, що fФНЧ =3 f =0,057fk= 0,07Гц. У якості часу спостереження (усереднення) Тн доцільно обрати середній час дроблення одиничної порції руди (із думпкара чи самоскида) Тн =117/fk. Тоді кількість дискретних відліків дорівнює L = TН/T = 528. Для можливості використання при моделюванні алгоритмів швидкого перетворення Фур'є приймемо L* = 512 і, відповідно, дискретність по частоті буде f = (L*.T)-11=0,011Гц. Відомо [3], що похибка апроксимації ідеальної (прямокутної) частотної характеристики фізично реалізованим фільтром визначається (для частоти f=Fн). 2 1 Fв 2 1 2r 2 2 (16) . Тоді для фільтра Баттерворта (15) при fcp = Fв одержимо: 1 2 (17) . Задавши величину відносної похибки =0,01 = 1% з урахуванням прийнятого коефіцієнта запасу по частоті = 1,5 по виразу (17) визначимо, що порядок фільтрів Баттерворта повинен бути r 6,6. Спектр вихідного сигналу аналогового предфільтра наведений на Фіг.3 і спектр квадратурного (зсунутого) сигналу - на Фіг.4. АЧХ цифрового HIХ-фільтра Баттерворта нижніх частот 7-го порядку з розрядністю 16 біт наведена на Фіг.8 і спектр його вихідного сигналу (складова 8 на Фіг.1) - на Фіг.6. АЧХ цифрового смугового НІХ-фільтра Баттерворта 8-го порядку з розрядністю 16 біт наведена на Фіг.7 і спектр його вихідного сигналу (складова 9 на Фіг.1) - на Фіг.8. Вибірковість пропонованого пристрою по верхній границі визначається відношенням частот між складовою 9 на Фіг.1 і її дзеркальною складовою від дискретизації: F / 2 fв fв fk 1 (18) . Підвищення відношення розділюваних частот по верхній границі при використанні пропонованого пристрою в порівнянні з відомими визначається значенням коефіцієнта запасу по частоті а, оскільки з урахуванням (18) маємо: цв цв u 1/ 3, fв (19) в де Bв =(2fk -fв)/fв - рівень відношення розділювальних частот у пристрої, що реалізовує метод синхронної демодуляції. Із виразів (18) і (19) для прийнятих вище значень параметрів маємо Вцв=3,5, а вибірковість складає -10,88 дБ на кожен порядок фільтра. При цьому підвищення відношення розділюваних частот складає Ен = 1,17 разів, що зумовлює покращення вибірковості на -1,34 дБ на кожен порядок фільтра. Вибірковість по нижній границі визначається відношенням частот між складовими 8 і 9 (Фіг.1), 9 що залежить від варіації f частоти хитань рухливого конуса й обчислюється як: fн цн (20) f ФНЧ , де для прийнятих значень параметрів маємо Вцн =0,2/к/0,057/к =3,5, що чисельно збігається з отриманим вище значенням Вцв. У порівнянні з прямою фільтрацією (безпосереднім виділенням інформативних складових зі спектра сигналу активної потужності без попередньої його демодуляції), де відношення розділюваних частот дорівнює 1,2 з ослабленням по -1,6 дБ 52338 10 на порядок фільтра, пропонований пристрій контролю покращує вибірковість на -9,28 дБ на кожний порядок фільтра (відношення розділюваних частот підвищується у 2,9 разів). У пропонованому пристрої для цифрових фільтрів з розрядністю 16 біт і порядком не нижче 7 інструментальна похибка складає 1-2%. Через низьку частоту дискретизації і невисокі порядки цифрових фільтрів пропонований пристрій досить просто реалізується на стандартних цифрових сигнальних процесорах, наприклад, на TMS320C5xx фірми Texas Instruments. 11 Комп’ютерна верстка Л.Купенко 52338 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601