滑模變結構在礦井提升仿真教學系統中的應用研究

【摘要】基于傳統的礦井仿真系統難以控制罐籠有效準確到達預定位置的難題，本文在分析傳統繼電器——接觸器控制系統的弊端的基礎上，運用滑模變結構控制理論與PLC相結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穿越并收斂，并對算法進行了最優化模擬仿真，借助一個典型離散二階系統進行仿真，結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，且新系統具有較好的魯棒性和穩定性，為礦用提升系統的改進和升級提供了一個新方向。

【關鍵詞】礦井提升仿真系統 滑模變結構 PLC 魯棒性

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

1.滑模變結構與PLC的結合

鑒于PLC控制技術的諸多局限性，本文引入一種先進的控制方法，即滑模變結構控制方法。這種方法的優點是針對離散系統，對控制輸入和干擾不敏感，從而使控制系統不受任何干擾和擾動，表現出良好的動態品質和魯棒性。PLC系統是離散系統，也是閉環系統，控制過程中干擾較多，影響到控制效果。滑模變結構與PLC的結合能有效的解決控制過程中的問題，針對具體的回路實現區域性的智能控制，進一步提高PLC的使用效率，提高我國煤企提升系統的自動化水平。

由于礦用提升系統比較復雜，所以建立精確的數學模型難度較大，所以變結構應用于礦用提升仿真系統，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，經變頻器輸出后，到達交流電動機端實現對鋼絲繩的控制，實現罐籠上升下降的精確性和穩定性。近幾年來，罐籠的安全出現了很多問題，具體體現罐籠脫軌傷人、鋼絲繩斷裂導致的墜落事故等，變結構和PLC的結合，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生。

即在傳統的PLC+變頻器控制的基礎上，引入變結構控制器，形成PLC控制系統+變結構控制器+變頻器模式，實現了PLC系統的輸出必須經過設定的變結構控制器，通過控制器實現對變頻器過濾式的控制。具體體現在當罐籠在上升或下降的過程中出現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，流過變結構控制器的電流就會增大，滑模面就會發生變化，從而自動切斷電流，對罐籠中的人或物實現有效的保護。

2.滑模軌跡插值法分析

插值法是工業控制中常見的控制算法，主要針對于離散系統。滑模變結構控制就是典型的離散系統，且系統的模型不確定，隨著時間的變化而發生全局或部分變化，所以利用插值法既能描述系統的特征，又能利用數學的方法去近似描述系統。

插值法描述如下：函數f（x）在某一特定的區間內取若干個值，利用這些值設定出具體的函數，利用這個函數把未知區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，利用函數取近似值，逼近實際軌跡，減小誤差，最終達到系統的穩定狀態。

插值后的控制律為：

控制律是結合了輸入和趨近律的基礎上推導而來，其中除輸入外參數都為常數，選擇的參數參考礦用提升仿真系統的實際和趨近律的范圍，通過反復的代入仿真后，得出了圖像，也許圖像還不是最優的，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+變結構控制器+變頻器的控制曲線有比較明顯的區別，可以看出后者的控制曲線和原控制曲線匹配效果較好，所以變結構與PLC控制技術的結合是比較成功的，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.結束語

面向礦用提升仿真教學系統的安全問題屬于煤礦安全生產的重中之重，對其的分析和研究具有廣泛的理論價值和實際意義。本文針對取代傳統繼電器——交流接觸器控制的PLC控制技術展開，預測出礦用提升系統的發展趨勢，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雜的提升系統，PLC有其局限性，針對以上問題，提出了滑模變結構與PLC相結合來實現罐籠終端的預防和控制，根據理論推導和圖像仿真，基本符合理論要求，通過仿真系統的實際數據進行了驗證，仿真結果表明，控制曲線光滑，跟蹤曲線在中后段完全和原控制系統的曲線吻合，表現出較好的動態品質和魯棒性。滑模變結構和PLC的結合比較適合預防和彌補礦用提升系統的相關電氣問題，上述理論推導和驗證是基于我校自主研發的礦用提升仿真系統基礎上完成，在實際應用中具有實際意義。

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