滑模變結(jié)構(gòu)在礦井提升仿真教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

【摘要】基于傳統(tǒng)的礦井仿真系統(tǒng)難以控制罐籠有效準(zhǔn)確到達預(yù)定位置的難題，本文在分析傳統(tǒng)繼電器——接觸器控制系統(tǒng)的弊端的基礎(chǔ)上，運用滑模變結(jié)構(gòu)控制理論與PLC相結(jié)合的思路提出了一種新的控制算法，通過約束條件，使控制軌跡在滑模面兩側(cè)穿越并收斂，并對算法進行了最優(yōu)化模擬仿真，借助一個典型離散二階系統(tǒng)進行仿真，結(jié)果驗證了新算法在一定的約束條件下具有特定的實際意義，且新系統(tǒng)具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性，為礦用提升系統(tǒng)的改進和升級提供了一個新方向。

【關(guān)鍵詞】礦井提升仿真系統(tǒng) 滑模變結(jié)構(gòu) PLC 魯棒性

【中圖分類號】G42 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）19-0222-02

1.滑模變結(jié)構(gòu)與PLC的結(jié)合

鑒于PLC控制技術(shù)的諸多局限性，本文引入一種先進的控制方法，即滑模變結(jié)構(gòu)控制方法。這種方法的優(yōu)點是針對離散系統(tǒng)，對控制輸入和干擾不敏感，從而使控制系統(tǒng)不受任何干擾和擾動，表現(xiàn)出良好的動態(tài)品質(zhì)和魯棒性。PLC系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，也是閉環(huán)系統(tǒng)，控制過程中干擾較多，影響到控制效果?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)與PLC的結(jié)合能有效的解決控制過程中的問題，針對具體的回路實現(xiàn)區(qū)域性的智能控制，進一步提高PLC的使用效率，提高我國煤企提升系統(tǒng)的自動化水平。

由于礦用提升系統(tǒng)比較復(fù)雜，所以建立精確的數(shù)學(xué)模型難度較大，所以變結(jié)構(gòu)應(yīng)用于礦用提升仿真系統(tǒng)，只能局限于具體的回路中，即以PLC的輸入作為建模的條件，通過對輸入進行控制，從而達到對輸出的控制，經(jīng)變頻器輸出后，到達交流電動機端實現(xiàn)對鋼絲繩的控制，實現(xiàn)罐籠上升下降的精確性和穩(wěn)定性。近幾年來，罐籠的安全出現(xiàn)了很多問題，具體體現(xiàn)罐籠脫軌傷人、鋼絲繩斷裂導(dǎo)致的墜落事故等，變結(jié)構(gòu)和PLC的結(jié)合，從根本上解決了PLC對罐籠的精確控制，避免了安全事故的發(fā)生。

即在傳統(tǒng)的PLC+變頻器控制的基礎(chǔ)上，引入變結(jié)構(gòu)控制器，形成PLC控制系統(tǒng)+變結(jié)構(gòu)控制器+變頻器模式，實現(xiàn)了PLC系統(tǒng)的輸出必須經(jīng)過設(shè)定的變結(jié)構(gòu)控制器，通過控制器實現(xiàn)對變頻器過濾式的控制。具體體現(xiàn)在當(dāng)罐籠在上升或下降的過程中出現(xiàn)罐籠脫軌或罐籠卡滯等問題，對于鋼絲繩的拉力增加，反饋給變頻器的信號增強，流過變結(jié)構(gòu)控制器的電流就會增大，滑模面就會發(fā)生變化，從而自動切斷電流，對罐籠中的人或物實現(xiàn)有效的保護。

2.滑模軌跡插值法分析

插值法是工業(yè)控制中常見的控制算法，主要針對于離散系統(tǒng)?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制就是典型的離散系統(tǒng)，且系統(tǒng)的模型不確定，隨著時間的變化而發(fā)生全局或部分變化，所以利用插值法既能描述系統(tǒng)的特征，又能利用數(shù)學(xué)的方法去近似描述系統(tǒng)。

插值法描述如下：函數(shù)f（x）在某一特定的區(qū)間內(nèi)取若干個值，利用這些值設(shè)定出具體的函數(shù)，利用這個函數(shù)把未知區(qū)間的值近似表示出來。利用插值法的思路：在滑模軌跡的某一段上取幾個特定的易取的值模擬出具體函數(shù)，利用函數(shù)取近似值，逼近實際軌跡，減小誤差，最終達到系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)。

插值后的控制律為：

控制律是結(jié)合了輸入和趨近律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)而來，其中除輸入外參數(shù)都為常數(shù)，選擇的參數(shù)參考礦用提升仿真系統(tǒng)的實際和趨近律的范圍，通過反復(fù)的代入仿真后，得出了圖像，也許圖像還不是最優(yōu)的，但是符合實際。

仿真圖像可以看出PLC+變頻器的控制曲線和PLC+變結(jié)構(gòu)控制器+變頻器的控制曲線有比較明顯的區(qū)別，可以看出后者的控制曲線和原控制曲線匹配效果較好，所以變結(jié)構(gòu)與PLC控制技術(shù)的結(jié)合是比較成功的，至少在理論上是成立的。變頻器的控制曲線也是按周期性進行變化的，且控制曲線光滑，抖振較小。

3.結(jié)束語

面向礦用提升仿真教學(xué)系統(tǒng)的安全問題屬于煤礦安全生產(chǎn)的重中之重，對其的分析和研究具有廣泛的理論價值和實際意義。本文針對取代傳統(tǒng)繼電器——交流接觸器控制的PLC控制技術(shù)展開，預(yù)測出礦用提升系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，即PLC參與整個控制過程或參與其中的部分控制，對于精度要求較高或復(fù)雜的提升系統(tǒng)，PLC有其局限性，針對以上問題，提出了滑模變結(jié)構(gòu)與PLC相結(jié)合來實現(xiàn)罐籠終端的預(yù)防和控制，根據(jù)理論推導(dǎo)和圖像仿真，基本符合理論要求，通過仿真系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù)進行了驗證，仿真結(jié)果表明，控制曲線光滑，跟蹤曲線在中后段完全和原控制系統(tǒng)的曲線吻合，表現(xiàn)出較好的動態(tài)品質(zhì)和魯棒性?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)和PLC的結(jié)合比較適合預(yù)防和彌補礦用提升系統(tǒng)的相關(guān)電氣問題，上述理論推導(dǎo)和驗證是基于我校自主研發(fā)的礦用提升仿真系統(tǒng)基礎(chǔ)上完成，在實際應(yīng)用中具有實際意義。

參考文獻：

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