摘 要：針對刮板機在井下運行存在能源浪費和磨損嚴重的現(xiàn)狀，本課題通過結(jié)合刮板機和采煤機在井下的生產(chǎn)工藝，提出一種基于模糊控制的智能調(diào)速方案。通過生產(chǎn)經(jīng)驗和現(xiàn)場考察論證，選取刮板機的轉(zhuǎn)矩和采煤機相對機頭的位置，作為刮板機負載預測的重要參數(shù)，通過模糊推理得出相對應的轉(zhuǎn)速。通過仿真分析，得出基于刮板機轉(zhuǎn)矩和采煤機位置的智能調(diào)速系統(tǒng)具有較好的系統(tǒng)跟隨性和抗干擾性。同時該智能調(diào)系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的恒功率或恒轉(zhuǎn)速模式，極大地減少了電能消耗和設(shè)備磨損，提高了企業(yè)的效益。

關(guān)鍵詞：模糊控制；刮板機；負載調(diào)速；MATLAB

中圖分類號：TD528.3 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）05-0183-03

Design and MATLAB Simulation of Intelligent Speed Control System Based

on Load Prediction of Scraper

SUN Hao

（College of Electrical and Information Engineering，Beifang Univesity of Nationality，Yinchuan 750021，China）

Abstract：In view of the fact that the scraper has serious energy waste and wear in the down hole operation，the subject proposes an intelligent speed control program based on fuzzy control by combining the production technology of the scraper and the shearer in the down hole. Through production experience and field investigation and demonstration，the torque of the scraper and the position of the shearer relative to the nose were selected as the important parameters for the load prediction of the scraper，and the corresponding rotational speed was obtained through fuzzy inference. Through simulation and analysis，it is concluded that the intelligent speed control system based on the scraper torque and shearer position has good system follow ability and anti-jamming performance. At the same time，the intelligent adjusting system has greatly reduced the power consumption and equipment wear compared with the traditional constant power or constant speed mode，and improved the efficiency of the enterprise.

Keywords：fuzzy control；scraper conveyor；load speed control；MATLAB

0 引 言

我國是世界第一大產(chǎn)煤國，2014年國內(nèi)總產(chǎn)煤量接近全球總產(chǎn)煤量的一半，達到38.7億噸左右。同時我國也是全球煤炭消費最大的國家，達到36.5億噸左右，煤炭在我國的能源消費結(jié)構(gòu)比例超過65%[1]。因此發(fā)展和提高我國煤礦綜采工作面的自動化、智能化，具有極大的經(jīng)濟潛力，也符合國家戰(zhàn)略能源的相關(guān)政策。

當前國內(nèi)礦用刮板機一般采用恒功率工作模式，刮板機根據(jù)實際負載即采煤量進行調(diào)速。而在國外由于其制造技術(shù)較發(fā)達，采煤機可按照刮板機的最大配比進行調(diào)速工作，即刮板機在恒速運行，采煤機根據(jù)刮板機的最大負載進行速度、截深、截高調(diào)整。該調(diào)速模式對刮板機和采煤機等設(shè)備提出極高的性能要求，國內(nèi)礦用刮板機一般不采取該調(diào)速模式。

1 控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計

本文提出一種基于刮板機負載預測的模糊調(diào)速方案，刮板機的負載主要與采煤量、自身轉(zhuǎn)速有關(guān)。采煤量與采煤機相對速度、位置及切割電流等因素有關(guān)，采煤機速度和位置可以通過液壓柱的油壓變化獲取，本文結(jié)合刮板機工作特性，選取刮板機的轉(zhuǎn)矩作為修正刮板機煤量的另一參數(shù)。刮板機的轉(zhuǎn)矩可以實時反應當前負載的大小，而采煤機位置可以提前預測刮板機煤量，解決系統(tǒng)調(diào)速滯后的不足之處。

轉(zhuǎn)速給定值由采煤機相對位置和刮板機轉(zhuǎn)矩通過模糊推理，本調(diào)速控制系統(tǒng)為一個類三環(huán)結(jié)構(gòu)，可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1[2，3]所示。

2 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

模糊控制針對無法建立精確數(shù)學模型的系統(tǒng)具有很好的控制效果，魯棒性好，可以較好地抑制環(huán)境變量對權(quán)重的影響。模糊控制的核心是模糊化和反模糊化，模糊控制器選擇Mamdani多輸入單輸出類型，隸屬度函數(shù)采用三角形分布[4]。

2.1 刮板機串級調(diào)速控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速給定的模糊控制設(shè)計

將表1的控制規(guī)則轉(zhuǎn)化為PLC可執(zhí)行的查詢表，并存放在指定的DB數(shù)據(jù)塊中，刮板機轉(zhuǎn)速給定值即可通過查詢表的方式獲取實時的轉(zhuǎn)速給定值。采煤機位置S基本論域[0，330]，刮板機轉(zhuǎn)矩T基本論域[0，20000]，兩個變量的量化等級均為5，其模糊控制規(guī)則如表1所示。采煤機位置S和刮板機轉(zhuǎn)矩T隸屬度函數(shù)均如圖2所示。

2.2 刮板機串級調(diào)速控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)的模糊PI控制器設(shè)計

轉(zhuǎn)速環(huán)采用模糊PI控制器，控制器的輸入為轉(zhuǎn)速的誤差e和誤差的變化率ec。誤差e的論域[-300，300]，誤差變化率ec的論域[-100，100]，量化等級均為11，即{-5，-4…0…4，5}。模糊PI控制器輸入輸出：e、ec、△Kp、△Ki的規(guī)則表和隸屬度函數(shù)同采煤機位置和轉(zhuǎn)矩模糊控制器設(shè)計類似。

3 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真

3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型按照圖1設(shè)計，直流電動機各參數(shù)如下Ce=0.132V.min/r，Tm=0.18，Tl= 0.03，Ts=0.0017，Ks=40，R=0.5[5]。

電流環(huán)傳遞函數(shù)設(shè)計，按照超調(diào)σi≤5%，穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)調(diào)節(jié)器，按照圖1等效電路可得電流環(huán)的傳遞函數(shù)為公式（2），且KITΣi=0.5，Tl=τi=003。

通過公式（1）、（2）即可得動態(tài)數(shù)學模型如圖3所示，轉(zhuǎn)速響應曲線如圖4所示。

3.2 雙閉環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型的設(shè)計

異步電機轉(zhuǎn)子回路中附加交流電動勢調(diào)速的關(guān)鍵就是在轉(zhuǎn)子側(cè)串入一個可變頻、變幅的電壓。較好的辦法就是將轉(zhuǎn)子電壓先整流為直流電壓，然后再引入一個附加的直流電動勢，通過控制該電動勢，即可調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)等效電路求得直流回路的動態(tài)電壓平衡方程式：

對式（3）進行拉氏變換可得轉(zhuǎn)子直流回路的傳遞函數(shù)：

三相異步電機其他常數(shù)，nN=370r/min，轉(zhuǎn)子開路線電壓=943V，XD0=0.23，RD=0.025，XT=0.18，RT=0.01，L=5mH，RL=0.004，GD2=9848N·m2，轉(zhuǎn)差率s=0.7。通過式（1）-式（4），得雙閉環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，其仿真模型與圖3直流調(diào)速模型相似。

3.3 仿真結(jié)果分析

交直流雙閉環(huán)模糊調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應快，基本上沒有超調(diào)，主要得益于轉(zhuǎn)速環(huán)采用模糊控制，系統(tǒng)在突加擾動時，系統(tǒng)的跟隨性較好，同時不會出現(xiàn)震蕩、超調(diào)，符合特定的生產(chǎn)需求。從交直流轉(zhuǎn)速的響應可以發(fā)現(xiàn)，直流電動機轉(zhuǎn)速響應要比交流電動機快，這符合交直流電動機的機械特性。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合井下刮板機的工作原理及生產(chǎn)工藝，提出一種基于模糊控制的串級控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速的給定值，通過采煤機的位置和電流反饋環(huán)得到的轉(zhuǎn)矩進行一定的模糊推理，通過PLC查詢表得出刮板機的給定轉(zhuǎn)速，該控制系統(tǒng)可近似看成三閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高。通過MATLAB仿真，完成交直流電動機模型的驗證，通過仿真驗證，交直流電動機，采用該控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的抗干擾性、穩(wěn)定性，比傳統(tǒng)的串級控制系統(tǒng)效果要好。在井下安裝調(diào)試中也取得一定預期效果，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。

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作者簡介：孫浩（1990-），男，安徽宿州人，碩士。研究方向：計算機控制。