基于刮板機負載預測的智能調速系統的設計及MATLAB仿真

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狀，本課題通過結合刮板機和采煤機在井下的生產工藝，提出一種基于模糊控制的智能調速方案。通過生產經驗和現場考察論證，選取刮板機的轉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，通過模糊推理得出相對應的轉速。通過仿真分析，得出基于刮板機轉矩和采煤機位置的智能調速系統具有較好的系統跟隨性和抗干擾性。同時該智能調系統相比于傳統的恒功率或恒轉速模式，極大地減少了電能消耗和設備磨損，提高了企業的效益。

關鍵詞：模糊控制；刮板機；負載調速；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煤國，2014年國內總產煤量接近全球總產煤量的一半，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構比例超過65%[1]。因此發展和提高我國煤礦綜采工作面的自動化、智能化，具有極大的經濟潛力，也符合國家戰略能源的相關政策。

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

1 控制系統的分析與設計

本文提出一種基于刮板機負載預測的模糊調速方案，刮板機的負載主要與采煤量、自身轉速有關。采煤量與采煤機相對速度、位置及切割電流等因素有關，采煤機速度和位置可以通過液壓柱的油壓變化獲取，本文結合刮板機工作特性，選取刮板機的轉矩作為修正刮板機煤量的另一參數。刮板機的轉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，解決系統調速滯后的不足之處。

轉速給定值由采煤機相對位置和刮板機轉矩通過模糊推理，本調速控制系統為一個類三環結構，可以增加系統的穩定性和抗干擾性，控制系統結構如圖1[2，3]所示。

2 模糊控制系統設計

模糊控制針對無法建立精確數學模型的系統具有很好的控制效果，魯棒性好，可以較好地抑制環境變量對權重的影響。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，隸屬度函數采用三角形分布[4]。

2.1 刮板機串級調速控制系統轉速給定的模糊控制設計

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

2.2 刮板機串級調速控制系統轉速環的模糊PI控制器設計

轉速環采用模糊PI控制器，控制器的輸入為轉速的誤差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的規則表和隸屬度函數同采煤機位置和轉矩模糊控制器設計類似。

3 串級控制系統的設計及仿真

3.1 雙閉環直流調速系統的動態數學模型

雙閉環直流調速系統的動態數學模型按照圖1設計，直流電動機各參數如下Ce=0.132V.min/r，Tm=0.18，Tl= 0.03，Ts=0.0017，Ks=40，R=0.5[5]。

電流環傳遞函數設計，按照超調σi≤5%，穩態電流無靜差，可按Ⅰ型系統設計電流環調節器，按照圖1等效電路可得電流環的傳遞函數為公式（2），且KITΣi=0.5，Tl=τi=003。

通過公式（1）、（2）即可得動態數學模型如圖3所示，轉速響應曲線如圖4所示。

3.2 雙閉環交流調速系統的動態數學模型的設計

異步電機轉子回路中附加交流電動勢調速的關鍵就是在轉子側串入一個可變頻、變幅的電壓。較好的辦法就是將轉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，即可調節異步電機的轉速。

根據等效電路求得直流回路的動態電壓平衡方程式：

對式（3）進行拉氏變換可得轉子直流回路的傳遞函數：

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

3.3 仿真結果分析

交直流雙閉環模糊調速系統轉速響應快，基本上沒有超調，主要得益于轉速環采用模糊控制，系統在突加擾動時，系統的跟隨性較好，同時不會出現震蕩、超調，符合特定的生產需求。從交直流轉速的響應可以發現，直流電動機轉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 論

本文結合井下刮板機的工作原理及生產工藝，提出一種基于模糊控制的串級控制系統。轉速的給定值，通過采煤機的位置和電流反饋環得到的轉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速，該控制系統可近似看成三閉環控制系統，系統的穩定性更高。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，系統的抗干擾性、穩定性，比傳統的串級控制系統效果要好。在井下安裝調試中也取得一定預期效果，能夠滿足工業生產的需求。

參考文獻：

[1] 王凱.基于刮板輸送機負載預測的采煤機調速技術研究 [D].徐州：中國礦業大學，2015.

[2] 梁云峰，谷鳳民，虎恩典，等.雙閉環模糊PI控制的雙饋發電機矢量控制系統 [J].機械設計與制造，2016（6）：139-142.

[3] 張強，王海艦，井旺，等.基于模糊神經網絡信息融合的采煤機煤巖識別系統 [J].中國機械工程，2016，27（2）：201-208.

[4] 韋巍.智能控制技術 [M].北京：機械工業出版社，2015.

[5] 陳伯時.電力拖動自動控制系統 [M].北京：機械工業出版社，2003.

作者簡介：孫浩（1990-），男，安徽宿州人，碩士。研究方向：計算機控制。