李 蘭

(黑龍江科技大學(xué) 電氣控制工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引 言

礦用帶式輸送機(jī)是煤礦井下主要的連續(xù)化運(yùn)輸設(shè)備,隨著運(yùn)行阻力和總裝功率的大幅增加,其在煤礦井下的功率消耗也急劇增加,因此研究帶式輸送機(jī)的節(jié)能策略具有重要意義。在載煤量較高時(shí),電機(jī)的有功做工較大,實(shí)際的功率因數(shù)較高;在載煤量較低時(shí),電機(jī)的有功做工較小,實(shí)際的功率因數(shù)較低,電能浪費(fèi)較大,煤礦的生產(chǎn)成本增加。因此,急需找到一種礦用帶式輸送機(jī)的智能調(diào)速方法,以實(shí)時(shí)檢測(cè)載煤量并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸送機(jī)的帶速。為減少電能浪費(fèi)、提高電機(jī)的功率因數(shù),筆者提出了礦用帶式輸送機(jī)恒功率智能調(diào)速策略,對(duì)帶式輸送機(jī)的帶速進(jìn)行智能調(diào)速,以此降低礦用帶式輸送機(jī)的能耗,提升煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。查閱文獻(xiàn)[1]、[2]可知,影響礦用帶式輸送機(jī)運(yùn)輸功率的因素為載煤量和輸送機(jī)的帶速,這三個(gè)量之間的關(guān)系比較復(fù)雜,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,故筆者采用模糊控制調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)的帶速,此方法不但可以有較好的控制精度,還可以有更高的魯棒性。

1 礦用帶式輸送機(jī)恒功率智能調(diào)速原理及調(diào)速系統(tǒng)

礦用帶式輸送機(jī)恒功率調(diào)速指的是當(dāng)輸送帶上發(fā)生輕載時(shí),通過調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)的帶速和給煤機(jī)的給煤速度,實(shí)現(xiàn)多煤快轉(zhuǎn)、少煤慢轉(zhuǎn),從而達(dá)到帶式輸送機(jī)運(yùn)輸功率的恒定[3]。

智能調(diào)速系統(tǒng)由變頻器傳輸、邏輯控制、傳感器采集三大模塊組成[4]。通過變頻器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)的帶速;邏輯控制功能由可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)實(shí)現(xiàn),它可以將傳感器收集到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,從而實(shí)現(xiàn)分析控制;速度傳感器和超聲波傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集工作,并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給PLC;通過多功能智能儀表PDM采集電壓、頻率和功率因數(shù),根據(jù)儀表獲悉帶式輸送機(jī)的瞬時(shí)功耗。在載荷量過低時(shí),可通過PLC調(diào)高給煤速度,提高載煤量。調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)瞬時(shí)煤炭載荷量和帶式輸送機(jī)帶速對(duì)功率進(jìn)行合理調(diào)整。智能調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 使用模糊控制調(diào)節(jié)帶速

帶式輸送機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí),輸送帶的速度也為額定值。當(dāng)輸送帶的煤流量變化時(shí),若帶速維持不變,輸送帶的載荷量將會(huì)發(fā)生變化,整個(gè)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行阻力也會(huì)發(fā)生改變,運(yùn)輸系統(tǒng)的消耗功率也會(huì)隨之變化。通過分析可知,帶式輸送機(jī)的煤流量、帶速和功率存在較為復(fù)雜的關(guān)系,而且在建立關(guān)系時(shí)摩擦阻力系數(shù)fi無法預(yù)測(cè),無法通過準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和控制。故文中利用模糊控制器建立帶式輸送機(jī)煤流量、帶速和消耗功率的節(jié)能優(yōu)化模型,對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行優(yōu)化控制。

2.1 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模糊控制是由操作經(jīng)驗(yàn)、表達(dá)知識(shí)轉(zhuǎn)換成的“模糊規(guī)則”,它可以實(shí)現(xiàn)人的某些智能,屬于一種智能控制。

模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。模糊控制器主要包括輸入量的模糊化、規(guī)則庫(kù)、模糊推理、解模糊,其中最重要的是模糊推理。傳感器采集的清晰量經(jīng)過模糊化轉(zhuǎn)換成模糊量,通過規(guī)則庫(kù)完成模糊量的模糊推理,得到輸出量的模糊值,模糊值再經(jīng)過解模糊輸出清晰量[5]。

圖2 模糊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 設(shè)計(jì)模糊控制器

由于采集的帶速信號(hào)是非線性和時(shí)滯的,為更好反映帶速的動(dòng)態(tài)特性,故選擇二維模糊控制器結(jié)構(gòu)。模糊控制器將帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)帶速V0與期望帶速V1的偏差值和偏差值的變化率作為輸入量 ,將變頻器的控制信號(hào)作為模糊控制的輸出值。

(1) 自然語言變量的確定

將速度偏差記為e,取其語言變量為E,因?yàn)槊毫髁康淖兓锌赡鼙容^大,故將E的論域分為7個(gè)等級(jí),論域X={-3,-2,-1,0,1,2,3},模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},這些語言值分別表示偏差值為“極大”,“偏大”,“稍大”,“匹配”,“稍小”,“偏小”,“極小”。

偏差變化率記為ec,取其語言變量為EC,論域分為7個(gè)等級(jí),模糊子集取7個(gè)。即論域Y={-3,-2,-1,0,1,2,3},模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},所對(duì)應(yīng)的加速度為“快減速”,“減速”,“慢減速”,“匹配”,“慢加速”,“加速”,“快加速”。

變頻器的控制信號(hào)為f,設(shè)其語言變量為F,為了達(dá)到較好的控制效果,可以將論域分為7個(gè)等級(jí),論域Z={-3,-2,-1,0,1,2,3},模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},其所對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速分別表征為“帶速過低,轉(zhuǎn)速增量為大”、“帶速很低,轉(zhuǎn)速增量為中”、“帶速稍低,轉(zhuǎn)速增量為小”、“帶速匹配,轉(zhuǎn)速增量為零”,“帶速稍高,轉(zhuǎn)速減小量為小”,“帶速很高,轉(zhuǎn)速減小量為中”,“帶速過高,轉(zhuǎn)速減小量為大”。

(2) 確定隸屬函數(shù)和隸屬度賦值表

對(duì)自然語言進(jìn)行模糊化處理,需要用到隸屬函數(shù),文中選擇三角形函數(shù)作為隸屬函數(shù)。圖3(a)、(b)、(c)分別對(duì)應(yīng)了e、ec和f的隸屬函數(shù)。

圖3 隸屬函數(shù)

(3) 確立模糊規(guī)則表

確立模糊規(guī)則時(shí)需根據(jù)誤差的大小來分類考慮,誤差較小時(shí),調(diào)節(jié)不可過大,應(yīng)避免過度調(diào)節(jié);誤差較大時(shí),模糊規(guī)則調(diào)節(jié)的目標(biāo)就是要減小模糊誤差。根據(jù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)情況以及節(jié)能控制要求,確立如表1所列的模糊控制規(guī)則表[6]。

表1 模糊控制規(guī)則表

模糊控制規(guī)則的三維關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 模糊控制規(guī)則三維關(guān)系圖

模糊規(guī)則確立后,采用Mamdani型算法進(jìn)行模糊推理,得到控制量F的模糊子集;接下來利用重心法進(jìn)行解模糊,就可得到清晰的控制輸出量f。

3 方案實(shí)現(xiàn)

礦用帶式輸送機(jī)速度調(diào)節(jié)流程如圖5所示,在輸送機(jī)上安裝速度傳感器采集實(shí)時(shí)的帶速V0,然后將電子皮帶秤采集到的載煤量Q傳遞給上位機(jī),并且匹配期望帶速V1。將帶速的偏差值e和偏差值的變化率ec輸入模糊控制器 ,通過分析計(jì)算出變頻器的控制信號(hào)f,變頻器將以此為信號(hào)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的頻率,調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)的帶速。

圖5 礦用帶式輸送機(jī)帶速調(diào)節(jié)流程

在進(jìn)行帶速調(diào)節(jié)的同時(shí),也要考慮輸送帶的帶寬和帶強(qiáng),避免撒料和輸送帶損壞,故需設(shè)置最大運(yùn)行速度Vmax和最低帶速Vmin,規(guī)定帶式輸送機(jī)的帶速只能在這個(gè)范圍內(nèi)調(diào)節(jié),否則報(bào)警停機(jī)。根據(jù)煤流量調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)帶速的流程如圖6所示。

圖6 帶速調(diào)節(jié)流程圖

3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模

礦用帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)主要包括純滯后環(huán)節(jié)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩部分,其主要由電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)部分、變頻器控制部分和輸送帶的純滯后環(huán)節(jié)組成[4]。

設(shè)礦用帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:

G(s)=G1G2G3G4

(1)

式中:G1為變頻器的傳遞函數(shù),G1=1/(s+5);G2為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞函數(shù),G2=1/s;G3為電動(dòng)機(jī)電磁傳遞函數(shù),G3=1/(s+1);G4為輸送帶的純滯后函數(shù),G4=e-2s。

故礦用帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:

(2)

3.2 模糊控制器的仿真

根據(jù)2.2節(jié)選定的隸屬函數(shù)完成模糊控制器的仿真設(shè)計(jì),結(jié)果如圖7所示。將其命名為fuzzyxin.fis,通過模糊編輯器的To Workspace工具將其發(fā)送到Matlab的工作空間中,準(zhǔn)備后續(xù)的調(diào)用。

圖7 模糊控制器

3.3 模糊控制系統(tǒng)仿真

采用Matlab/Simulink模塊進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,建立模糊控制系統(tǒng)仿真模型。雙擊打開fuzzy logic controller模塊里輸入fis文件名,完成模糊控制的調(diào)用。礦用帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)模糊控制仿真模型如圖8所示。

圖8 模糊控制系統(tǒng)仿真

將PID控制與模糊控制進(jìn)行仿真模擬測(cè)試,仿真時(shí)間30 s,仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 仿真結(jié)果圖

由圖9可知,PID控制系統(tǒng)的超調(diào)量較大,容易造成驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障,而模糊控制系統(tǒng)基本無超調(diào),大大降低了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的故障概率。

在15 s時(shí)對(duì)系統(tǒng)加入擾動(dòng)信號(hào),響應(yīng)曲線如圖10所示。由圖10可知,PID控制在擾動(dòng)發(fā)生后產(chǎn)生了較大的超調(diào)量,而模糊控制只有很小的超調(diào)量,故模糊控制比PID控制的穩(wěn)定性更好,更適合帶式輸送機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境。

圖10 擾動(dòng)響應(yīng)曲線

4 結(jié) 語

文中提出的礦用帶式輸送機(jī)恒功率智能調(diào)速策略,可智能調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)帶速,改變輸送帶上的物料填充率,實(shí)現(xiàn)礦用帶式輸送機(jī)的恒功率智調(diào)速。以PLC為控制主機(jī),設(shè)計(jì)模糊控制器,使帶式輸送機(jī)的帶速可根據(jù)煤流量的大小智能調(diào)節(jié)。利用Matlab軟件進(jìn)行仿真模擬,驗(yàn)證了模糊控制的穩(wěn)定性和可靠性,驗(yàn)證了調(diào)速策略的可行性。帶式輸送機(jī)恒功率智能調(diào)速策略使輸送機(jī)平穩(wěn)、高效、節(jié)能運(yùn)行,減少電能消耗和機(jī)械磨損,延長(zhǎng)輸送機(jī)使用壽命,可為煤礦帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。