(陜西安技煤礦安全裝備檢測有限公司,陜西 榆林 719000)

0 引言

煤礦輔助運(yùn)輸是整個(gè)煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，涉及煤炭以外的人員，材料，設(shè)備和煤礦石的運(yùn)輸，包括軌道輔助運(yùn)輸和無軌輔助運(yùn)輸。目前，世界上許多先進(jìn)國家在煤礦輔助運(yùn)輸中采用無軌模式，總是由橡膠輪胎或履帶運(yùn)行，并由防爆柴油機(jī)或電池[1]提供動力。無軌車輛具有快速、靈活、少勞動力和無軌道限制的優(yōu)點(diǎn)，從而帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。雖然防爆柴油機(jī)無軌車輛符合煤礦的基本要求，但柴油機(jī)無法克服自身的缺陷：其排放物含有大量有害氣體NOx，需要用新鮮空氣稀釋用于礦山生產(chǎn)安全。此外，柴油機(jī)的缺點(diǎn)如噪音，起動困難，易“沸騰”，氣缸，活塞環(huán)易堵塞，氣缸水等使維修成本高[2]。因此，我們必須找到并開發(fā)一種無污染、低故障率、良好動態(tài)性能的無軌車輛。煤礦車輛有專門的設(shè)計(jì)規(guī)范，低速限制可以使低速電動車在地面的缺點(diǎn)成為優(yōu)勢。現(xiàn)在關(guān)鍵問題是控制器的設(shè)計(jì)。本文控制器采用防爆設(shè)計(jì)，其方法用于矢量控制技術(shù)，效率高，可靠。

本文首先對無軌膠輪胎電動車的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，對它的驅(qū)動過程詳細(xì)闡述。然后，本文重點(diǎn)分析了Matlab / Simulink中基于矢量控制理論，驅(qū)動系統(tǒng)各模塊的建模過程。最后，經(jīng)過有機(jī)集成，完成了驅(qū)動系統(tǒng)的整體模型，實(shí)現(xiàn)了模擬的動態(tài)性能。同時(shí)，我國煤礦井下交通擁堵現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。無膠輪胎車出現(xiàn)在地下運(yùn)輸巷道中，影響了地下運(yùn)輸系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)合理的最優(yōu)調(diào)度無軌橡膠輪胎車，對其輸送線也進(jìn)行了詳細(xì)分析研究。

1 無軌橡膠輪胎電動車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動車輛與燃料車輛的不同之處主要在于驅(qū)動系統(tǒng)。電動車輛的結(jié)構(gòu)是靈活的。雖然大多數(shù)借鑒了成熟的燃料汽車系統(tǒng)，但電動汽車在能量傳遞，系統(tǒng)布置，輔助能源以及尺寸和形狀方面都有其自身的特點(diǎn)。本文將無軌膠輪胎電動車系統(tǒng)劃分為三個(gè)子系統(tǒng)，如圖1所示，如電驅(qū)動子系統(tǒng)，能量子系統(tǒng)和輔助控制子系統(tǒng)[3]。無軌橡膠輪胎電動車的驅(qū)動系統(tǒng)由電池組，交流牽引電動機(jī)，控制系統(tǒng)(包括傳感器，控制器和電源模塊等)，機(jī)械減速器和傳動裝置組成。

圖1 無軌橡膠輪胎電動車的驅(qū)動系統(tǒng)

如圖1所示，電驅(qū)動子系統(tǒng)和能量子系統(tǒng)構(gòu)成電動車輛的運(yùn)動控制系統(tǒng)(也稱為傳動系)，其是用于傳遞能量并獲得車輛的運(yùn)動能力的所有部件的總稱。運(yùn)動控制系統(tǒng)中的電機(jī)控制器也是本文的目的，主要用于將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率的速度和大小。為了控制驅(qū)動電機(jī)的速度和扭矩，電機(jī)控制器接受來自加速踏板，制動器或“P，D，R，N(停車，驅(qū)動，反向和空檔)”的這些信號，這將是通過信號處理輸入到電源模塊，控制電源電路的輸出通過機(jī)械傳動裝置驅(qū)動車輪[4]?？刂扑惴ú捎檬噶靠刂品椒ǎ瑢Ω袘?yīng)電機(jī)具有更高的反饋跟蹤性能。

2 仿真系統(tǒng)的研究與建立

2.1 無軌橡膠輪胎電動汽車矢量控制系統(tǒng)建模

本研究以轉(zhuǎn)子磁場為導(dǎo)向，在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系[6]中設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子短路的三相籠型異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型：

圖2 Matlab/Simulink中交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的矢量控制模型

(1)

其中:uM1，uT1分別是定子電壓勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，Ls，Lr分別是定子電感和轉(zhuǎn)子電感，r1，r2分別是定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻，iM1，iT1分別是定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，iM2，iT2分別是轉(zhuǎn)子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩元件，Lm相當(dāng)于定子和轉(zhuǎn)子的磁化電感，ωs是滑差交流電動機(jī)的頻率，ω1是定子的角頻率，p是微分算子。矢量控制的最終結(jié)果是實(shí)現(xiàn)定子電流的分解和轉(zhuǎn)子磁通與電磁轉(zhuǎn)矩的解耦。矢量控制器MOD設(shè)計(jì)了交流異步電動機(jī)矢量控制的思想。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，模塊的輸入是轉(zhuǎn)子參考磁通Ψ2和參考電磁轉(zhuǎn)矩Te，并且輸出是磁通分量IM1和轉(zhuǎn)矩分量IM1。從電磁轉(zhuǎn)矩方程(2)和轉(zhuǎn)子磁通方程(3)出發(fā)，計(jì)算出Tion模型。

電磁轉(zhuǎn)矩公式：

(2)

轉(zhuǎn)子磁通方程：

(3)

坐標(biāo)變換模塊，三相靜止坐標(biāo)系向兩相靜止坐標(biāo)系再向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方程是基于變換前后磁動力和總功率不變的原理：

(4)

矢量控制的關(guān)鍵是三相異步電動機(jī)的磁場定向.只有準(zhǔn)確地知道轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g中的位置，才能使磁鏈實(shí)現(xiàn)沿轉(zhuǎn)子場定向的坐標(biāo)和矢量控制。本文采用通量計(jì)算的方法，將其稱為直接場的方法?；诜匠?3)和(5)，可以推出將實(shí)際轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量和滑動頻率的模型。

(5)

逆變器和感應(yīng)電機(jī)模塊。逆變器是直流到交流變壓器，脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)由逆變橋，控制邏輯和濾波電路組成。異步電機(jī)模型選自SimPowerSystems in matlab / simulink 。利用IGBT逆變器，它構(gòu)成了由電流控制的電壓源逆變器模塊。

遲滯電流控制模塊。與參考值和定子三相電流的測量值相比，差值將通過遲滯比較器發(fā)送，其中輸出邏輯信號將確定逆變器IGBT電子開關(guān)是否應(yīng)該打開或關(guān)閉。通過這些功能模塊的有機(jī)集成，可以在Matlab / Simulink中建立交流感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，并采用雙閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動控制系統(tǒng)的整體模型如圖2所示。

2.2 不同類型運(yùn)輸線路的分析與研究

可采用一套分段線路將運(yùn)輸巷道簡化成一組，分離片段的基本組成，主要類型如下。

圖3 第一類線

第一類線的定義如下：A和B是線路的兩端，它們可以實(shí)現(xiàn)大車和小車相遇時(shí)避免或調(diào)車；連接A和B的線路有長度，Dist 在地下巷道中，節(jié)點(diǎn)之間的性能是不一樣的；A和B之間的線上方的雙箭頭表示這部分中的小車允許相反的交通操作。

圖4 第二類線

第二類線的定義如下：A和B是線路的兩端，它們可以實(shí)現(xiàn)大車和小車相遇時(shí)避免或調(diào)車；連接A和B的線路有長度，在地下巷道中，節(jié)點(diǎn)之間的位置是不一樣的；A和B之間的直線上方和下面的單向箭頭表示，本節(jié)中的小型汽車只允許單程交通。

以下定義適用于第三類線路：B為三條交通線(三線在同一層級)的交叉點(diǎn)；三條線路中的每條線與第一類線路具有相同的定義。

圖5 第三類線

第四類線的定義如下：它代表巷道末端的碼或調(diào)車點(diǎn)。

圖6 第四類線

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 電機(jī)驅(qū)動的仿真

該實(shí)驗(yàn)假設(shè)無軌電動車輛在水平面上沿著直線行駛，其中傾斜角為零。通過電動車輛方程[7]，可以在表1所示的模擬中設(shè)定電動車輛的參數(shù)。電動機(jī)的參數(shù)如表2所示，基于實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的無軌橡膠輪胎車輛，需要經(jīng)?？蛰d啟動，制動和負(fù)載啟動，制動。它應(yīng)始終在煤礦中以低速運(yùn)行。定義轉(zhuǎn)子參考磁通Ψ= 8，速度PI調(diào)節(jié)器P=100，I=1。

表1 無軌電動車輛的參數(shù)

表2 電動機(jī)的參數(shù)

最初給定初始轉(zhuǎn)速ω=100 rad/s，在0.2 s穩(wěn)定空載運(yùn)行后，驅(qū)動控制系統(tǒng)以20 N·m負(fù)載運(yùn)行。圖7顯示了這些電機(jī)仿真曲線。

從這些電動機(jī)模擬曲線可以看出，初始加速過程中的系統(tǒng)具有較大的起動電流峰值，并且由于旋轉(zhuǎn)磁場的建立，電磁轉(zhuǎn)矩迅速增加，從而可以加速電動機(jī)。

在加速過程中，沒有過沖，上升時(shí)間小于0.05 s，同時(shí)速度的穩(wěn)態(tài)誤差約為0.2%。當(dāng)ω達(dá)到100 rad/s時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩跳至零并保持不變。在0.2 s時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩迅速跳入給定的負(fù)載值，其恢復(fù)時(shí)間約為0.03 s。因此，電流也將增加并保持穩(wěn)定。驅(qū)動控制系統(tǒng)具有完善的抗干擾能力。所有這些都可以充分說明控制定子電流的矢量控制方法能夠有效地控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，從而進(jìn)一步控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)速性能。最后，高性能實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。

圖7 交流異步電動機(jī)的仿真曲線

3.2 無軌橡膠輪胎運(yùn)輸線規(guī)劃方法研究

這里我們定義的命名原則如下：從第一個(gè)端點(diǎn)開始，數(shù)字從1開始。當(dāng)遇到一個(gè)交叉點(diǎn)時(shí)，端點(diǎn)數(shù)變成兩位數(shù)。遇到時(shí)g下一個(gè)交叉點(diǎn)，端點(diǎn)數(shù)變成三位數(shù)，以此類推，如下所示。使用這種端點(diǎn)命名方法，我們可以清楚地了解地下交通線路圖和快速路，y找到端點(diǎn)位置，如圖8所示。

圖8 定義的命名原則

根據(jù)運(yùn)輸巷道的命名規(guī)則，具有相同數(shù)字號的運(yùn)輸巷道可以與其它運(yùn)輸巷道進(jìn)行分類。因此，運(yùn)輸巷道規(guī)劃可以由數(shù)字節(jié)點(diǎn)決定。方法：1)根據(jù)運(yùn)輸任務(wù)的要求，找出目標(biāo)點(diǎn)；2)分析起點(diǎn)，確定目標(biāo)點(diǎn)數(shù)相同。 是否運(yùn)輸?shù)缆窐?biāo)高。如果它們是相同的級別，則確定它是否處于相同的級別編號。如果是增加或減小的起點(diǎn)，則找到目標(biāo)點(diǎn)。 計(jì)劃運(yùn)輸線路，如果找不到共同點(diǎn)，將一個(gè)公共點(diǎn)切換到另一個(gè)水平車道。找出與目標(biāo)相同的水平運(yùn)輸巷道，然后逐個(gè)搜索，找出目標(biāo)點(diǎn)。3)將過線從起點(diǎn)連接到目標(biāo)點(diǎn)，完成運(yùn)輸巷道線路的規(guī)劃。

另外，可以使用元胞自動機(jī)辦法對路線進(jìn)行模擬。

3.3 元胞自動機(jī)對路線進(jìn)行預(yù)測

3.3.1 元胞自動機(jī)(CA)

元胞自動機(jī)又稱細(xì)胞自動機(jī)，可以簡單的理解為以一個(gè)方塊作為一個(gè)元胞，制定與它臨界的元胞發(fā)生關(guān)系的法則。早期John Horton Conway所提出的生命游戲就是一個(gè)元胞自動機(jī)，后來再由Stephen Wolfram 在A NEM KIND OF SCIENCE一書中詳細(xì)介紹。在此書中沒有用一個(gè)數(shù)學(xué)公式來證明其中的定理，證明過程全都由畫圖完成。并且Wolfram本人也在書中說明：“完全打破現(xiàn)有的學(xué)術(shù)體系，按照完全不同的原理來理解自然界?！边@也是元胞自動機(jī)的亮點(diǎn)，雖現(xiàn)在爭議較大。不過元胞自動機(jī)在解決復(fù)雜性科學(xué)上的問題發(fā)揮了它舉足輕重的作用，這是大家都公認(rèn)的。

元胞自動機(jī)具有如下特點(diǎn)：①胞分布在按照一定規(guī)則劃分的離散元胞空間上；②系統(tǒng)的演化按照等間隔時(shí)間分步進(jìn)行，時(shí)間變量取等長的時(shí)刻點(diǎn)；③每個(gè)元胞都有明確的狀態(tài)，并且元胞的狀態(tài)只能取有限個(gè)離散值；元胞的下一時(shí)刻演化的狀態(tài)值是由確定的轉(zhuǎn)換規(guī)則所決定的；每個(gè)元胞的轉(zhuǎn)換規(guī)則只有局部領(lǐng)域內(nèi)的元胞狀態(tài)所決定。用數(shù)學(xué)語言所描述就是A=(L,d,S,N,f)，A代表一個(gè)元胞自動機(jī)系統(tǒng)，L表示元胞空間，d表示元胞自動機(jī)內(nèi)元胞空間的維數(shù)，是一正整數(shù)。S是元胞有限的、離散的狀態(tài)集合。N表示某個(gè)鄰域內(nèi)所有元胞的集合。f表示局部映射或局部規(guī)則。

元胞空間可以理解為一個(gè)方塊，每個(gè)方塊都有它的元胞狀態(tài)，可以表示為{0，1}，{生，死}，{燒著的樹，沒燒著的樹，空地}或{a，b，c，d}領(lǐng)域現(xiàn)在主要介紹二維的元胞自動機(jī)領(lǐng)域，通常情況下二維領(lǐng)域主要有以下三種:①von neuman型;②moore型;③margolus型。其中von Neuman型只有上下左右四個(gè)領(lǐng)域，moore型是有周圍8個(gè)領(lǐng)域 Moore型還可以由周邊第二圈乃至于第三圈的領(lǐng)域。而margulous型是它每次將2*2的元胞塊做統(tǒng)一處理，而其他兩種領(lǐng)域類型中，是每個(gè)元胞塊單獨(dú)處理。當(dāng)然還有一維的領(lǐng)域或者更高維度的領(lǐng)域，在此我們只討論和城市空間結(jié)構(gòu)及其拓展的方面，因此只需討論二維領(lǐng)域即可。

圖9 元胞空間

元胞狀態(tài)的更新規(guī)則就好比在一個(gè)有元胞組成的世界中制定那個(gè)世界的物理規(guī)則。其實(shí)在元胞自動機(jī)萌芽時(shí)期，諾伊曼想要研究自復(fù)制機(jī)然而在他那個(gè)時(shí)代，生命科學(xué)還沒有完全發(fā)展起來，后來Conway就向諾伊曼介紹了元胞自動機(jī)，并且讓他制定其中的法則來為那個(gè)世界創(chuàng)造“生命”并研究自復(fù)制。于是生命游戲的概念就在那時(shí)被提了出來。那么狀態(tài)更新規(guī)則就是指根據(jù)元胞當(dāng)前狀態(tài)及其領(lǐng)域內(nèi)元胞的狀態(tài)決定下一刻時(shí)該元胞的狀態(tài)的轉(zhuǎn)移函數(shù)，可以寫為:

(6)

3.3.2 ELM-CA模型

在此的介紹就由王鶴，曾永年(以下簡稱王)做過的城市用地轉(zhuǎn)換實(shí)列來說明。

在王的模型中，元胞狀態(tài)為{城市用地，耕地，林地，水域，裸地}，轉(zhuǎn)換規(guī)則為河流，湖泊等水域不發(fā)生轉(zhuǎn)換，城市用地不向非城市用地轉(zhuǎn)換。在其中非城市用地向城市用地轉(zhuǎn)換的概率為P，P由以下三種因素決定:①城市用地潛力PELM;②元胞領(lǐng)域影響Pneighbor;③隨機(jī)因素Prandom。

P=PELM·Pneighbor·prandom

(7)

其中:PELM可以用極限學(xué)習(xí)機(jī)來表示，因此將非城市用地(耕地，林地，裸地)轉(zhuǎn)化為城市用地的潛力。每一個(gè)元胞單元有n個(gè)驅(qū)動因子，這些驅(qū)動因子由空間距離變量(離城市的距離)，自然屬性變量決定。對應(yīng)著輸入層的n個(gè)神經(jīng)元，而極限學(xué)習(xí)的輸出層就對應(yīng)于轉(zhuǎn)換潛力。

(8)

領(lǐng)域影響因素:

(9)

其中:Si,j代表著領(lǐng)域坐標(biāo)(i，j)的狀態(tài)，con是條件函數(shù)，隨機(jī)因素是一個(gè)函數(shù)值介于0～1之間的隨機(jī)變量。

結(jié)果如下：

隨機(jī)慢化概率p=0.2；密度ρ=13.3 veh/km/lan(0.1)。

圖10 隨機(jī)慢化概率p=0.2；密度ρ=13.3 veh/km/lan(0.1)預(yù)測結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出并闡述了無軌橡膠輪胎電動汽車的基本結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動系統(tǒng)的控制算法。這些矢量控制統(tǒng)的各個(gè)模塊都是用Matlab/Simulink構(gòu)建的。通過模塊的集成，完成了無軌電動車驅(qū)動系統(tǒng)的仿真模型。結(jié)果表明，矢量控制方法具有良好的解耦能力，能夠?qū)崿F(xiàn)交流電機(jī)快速穩(wěn)定的速度閉環(huán)控制。此外，它為煤礦輔助運(yùn)輸以及電動汽車的發(fā)展開辟了一條新的思路，并提供了可靠的理論價(jià)值。