基于模糊算法的掘進機截割機構(gòu)變頻控制策略研究

王旭啟++杜振華

摘 要： 提出一種基于模糊算法的掘進機截割機構(gòu)變頻控制策略。首先對掘進機截割機構(gòu)調(diào)速系統(tǒng)原理及特性進行分析；然后采用一種基于模糊PID算法的變頻控制策略，通過模糊自適應在線修正PID參數(shù)，實現(xiàn)對截割電機的快速、準確調(diào)節(jié)；最后，通過Matlab對截割機構(gòu)的工作電流進行仿真，驗證了該控制策略的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞： 掘進機； 截割機構(gòu)； 變頻控制； 模糊控制

中圖分類號： TN876?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）11?0176?03

Research on fuzzy algorithm based variable?frequency control

strategy for cutting device of roadheader

WANG Xuqi1， DU Zhenhua2

（1. School of Mechanical Electronic and Information Engineering， China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083， China；

2. Zhongxing Telecommunication Equipment Corporation， Xian 710014， China）

Abstract： A fuzzy algorithm based new variable?frequency control strategy for cutting device of roadheader is proposed. The speed control system principle and characteristics of the cutting mechanism of the roadheader are analyzed. A variable?frequency control strategy based on fuzzy PID algorithm is used to adjust the cutting machine quickly and accurately by means of PID parameters online correction with fuzzy self?adaption. The working current of the cutting device is simulated with Matlab to verify the correctness and effectiveness of the control strategy.

Keywords： roadheader； cutting device； variable?frequency control； fuzzy control

0 引 言

在我國，煤炭資源在相當長的一段時間內(nèi)依然是我國的支柱能源[1]，降低煤炭的開采成本，提高企業(yè)效率仍然是研究的重點。掘進機作為煤礦開采的重要設備，其高效、穩(wěn)定、安全運行是生產(chǎn)的重要保障。現(xiàn)有的掘進機截割電機多采用固定轉(zhuǎn)速分檔調(diào)節(jié)，但由于井下地質(zhì)條件復雜，工作面煤、巖構(gòu)造情況多變，當工作面截割工況發(fā)生突變時，無法及時有效地調(diào)整截割機構(gòu)電機轉(zhuǎn)速，容易造成其負載劇烈變化，嚴重時電流過大會觸發(fā)保護甚至引發(fā)安全事故。

為使掘進機在復雜截割條件下能夠針對負載擾動，快速、準確地控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)在工作面全煤構(gòu)造時高轉(zhuǎn)速快速截割，巖石占比突然增加或突遇硫化鐵結(jié)核時，通過迅速降低轉(zhuǎn)速以提高輸出轉(zhuǎn)矩的目標。文獻[2]通過對工作結(jié)構(gòu)進給速度的模糊控制實現(xiàn)對截割電機的恒功率控制。文獻[3]實現(xiàn)了一種掘進機智能型自動成形恒功率截割控制系統(tǒng)。文獻[4]以PLC為控制核心，構(gòu)建了自適應模糊控制的掘進機恒功率變頻調(diào)速系統(tǒng)。文獻[5]提出記憶截割，為掘進機提供了一種新的控制手段。文獻[6]采用高度非線性識別能力的神經(jīng)網(wǎng)絡與遺傳算法相融合的方法，實現(xiàn)懸臂式掘進機恒功率變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制。上述應用雖然取得了一定的效果，但也存在穩(wěn)定性不高、效率低的缺點。在上述文獻收集和分析的基礎(chǔ)上，本文分析了截割機構(gòu)調(diào)速系統(tǒng)的原理及特性，采用一種基于模糊PID算法的變頻控制策略，通過模糊自適應在線修正PID參數(shù)，實現(xiàn)對截割電機快速、準確的調(diào)節(jié)。最后，通過Matlab對截割機構(gòu)的工作電流進行仿真，驗證了該方法的正確性和有效性。

1 截割機構(gòu)調(diào)速系統(tǒng)

1.1 調(diào)速系統(tǒng)原理

目前，異步交流電機的變頻調(diào)速方法應用廣泛，其啟動電流小，可實現(xiàn)恒功率、恒轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，運行效率高，井下通風系統(tǒng)、提升系統(tǒng)等都有相關(guān)的應用研究。變頻調(diào)速的基本原理表達式為：

（1）

式中：為磁極對數(shù)；為轉(zhuǎn)差率；為電機轉(zhuǎn)速；為電源頻率。

式（1）表明，在磁極對數(shù)轉(zhuǎn)差率不變的條件下，電機轉(zhuǎn)速與電源頻率正相關(guān)，通過調(diào)節(jié)電源頻率就可以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。根據(jù)電機理論，三相異步電機單相電勢的有效值為：

（2）

式中：為定子單相電勢有效值；為定子電源頻率；為定子繞組匝數(shù)；為定子磁通。

根據(jù)式（2）中與額定電源頻率的關(guān)系，調(diào)速系統(tǒng)可分為恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速模式。圖1為異步電機在應用調(diào)速系統(tǒng)時的輸出特性曲線。當小于額定電源頻率時，電機工作在恒轉(zhuǎn)矩模式；當大于額定電源頻率時，電機工作在恒功率模式。

圖1 調(diào)速異步電機的輸出特性

以截割電機為例，電機啟動后，若工作面位于煤層，負載較輕，不需要較大的截割力矩，調(diào)速系統(tǒng)可升高電機的工作頻率使之在恒功率狀態(tài)下運行，以達到最高的工作效率；當工作面地質(zhì)構(gòu)造發(fā)生變化，巖石比例突然上升，截割電機負載加重時，調(diào)速系統(tǒng)要降低工作頻率使定子磁通升高來提升截割電機的轉(zhuǎn)矩，從而適于當前的工況。

1.2 截割機構(gòu)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

掘進機截割電機變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與控制以及執(zhí)行機構(gòu)等三部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2中，數(shù)據(jù)采集部分主要包括故障監(jiān)測裝置、電流檢測裝置以及各類傳感器等，其作用是將采集到的電流、轉(zhuǎn)速信號傳送給控制器；數(shù)據(jù)處理與控制部分主要將采集到的信號與預置值進行對比，并通過模糊算法進行參數(shù)的在線修正，然后將輸出的控制信號給變頻調(diào)速裝置，對掘進機相應的故障進行監(jiān)控，完成自檢、報警等功能；執(zhí)行機構(gòu)主要包括變頻調(diào)速裝置、截割電機、牽引電機等，其主要作用是根據(jù)變頻調(diào)速裝置來控制牽引電機的速度，實現(xiàn)掘進機的轉(zhuǎn)速根據(jù)煤巖負載的變化而自動調(diào)整。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 模糊PID控制器設計

模糊控制屬于智能控制范疇，它以模糊邏輯推理、模糊語言變量和模糊集合論為基礎(chǔ)，實質(zhì)是一種非線性控制。在掘進機截割過程中，模糊控制可以對掘進工作面復雜的工況進行模糊辨識，并建立它們之間的對應關(guān)系，從而滿足掘進機在截割過程中自動調(diào)整截割參數(shù)來適應工況變化的要求[7?10]。根據(jù)速度的偏差和偏差變化率可以滿足不同時刻的偏差和偏差變化率對PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊規(guī)則對PID參數(shù)進行修改，構(gòu)成自適應PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)框圖

假設偏差的語言變量為把它量化為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，其偏差變量的模糊子集選取詞集{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；同樣假設偏差變化率的語言變量為把它量化為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，其偏差變量的模糊子集選取詞集{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；同時輸出變量的模糊子集輸出變量為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，論域量化為（0，3）。根據(jù)經(jīng)驗，創(chuàng)立的模糊規(guī)則表，如表1～表3所示。

符合三角形隸屬度函數(shù)，根據(jù)它們的模糊規(guī)則表在線改變PID參數(shù)，計算公式如下：

（3）

式中：為上一次整定好的PID參數(shù)。

模糊PID控制是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計算當前系統(tǒng)誤差和誤差變化率利用模糊規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊規(guī)則表進行參數(shù)整定。

3 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)掘進機的運行特點，采用Matlab構(gòu)建掘進機截割電機變頻控制系統(tǒng)模型，以此來驗證模糊算法在掘進機截割電機變頻控制中的應用效果。該系統(tǒng)模型以階躍響應的電流信號作為輸入，觀察其擾動對信號的影響情況，當以截割煤巖硬度變小時的電流作為擾動信號時，其仿真結(jié)果如圖4所示；當以截割煤巖硬度變大時的電流作為擾動信號時，其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4表示截割煤巖硬度突然變小時，截割電機的負載變小，電流減小，通過模糊PID控制器對掘進機的截割參數(shù)進行迅速調(diào)整，提高轉(zhuǎn)速；圖5表示截割煤巖突然變大時，截割電機的負載變大，電流增大，通過模糊PID控制器對掘進機的截割參數(shù)進行迅速調(diào)整，降低轉(zhuǎn)速，以此使掘進機始終保持在最佳的工作狀態(tài)。

4 結(jié) 語

本文探討了一種基于模糊PID算法的變頻控制策略，該方法通過模糊自適應在線修正PID參數(shù)，實現(xiàn)對截割電機的快速、準確調(diào)節(jié)，提高了工作效率，具有良好的控制特性。同時，該方法大大提高了掘進機對煤礦井下復雜工況的自適應能力。

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