礦用防爆柴油機無軌膠輪車檢測系統建模

(陜西安技煤礦安全裝備檢測有限公司,陜西 榆林 719000)

0 引言

煤礦輔助運輸是整個煤炭運輸系統中不可或缺的重要組成部分，涉及煤炭以外的人員，材料，設備和煤礦石的運輸，包括軌道輔助運輸和無軌輔助運輸。目前，世界上許多先進國家在煤礦輔助運輸中采用無軌模式，總是由橡膠輪胎或履帶運行，并由防爆柴油機或電池[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點，從而帶來了巨大的經濟效益。雖然防爆柴油機無軌車輛符合煤礦的基本要求，但柴油機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安全。此外，柴油機的缺點如噪音，起動困難，易“沸騰”，氣缸，活塞環易堵塞，氣缸水等使維修成本高[2]。因此，我們必須找到并開發一種無污染、低故障率、良好動態性能的無軌車輛。煤礦車輛有專門的設計規范，低速限制可以使低速電動車在地面的缺點成為優勢?，F在關鍵問題是控制器的設計。本文控制器采用防爆設計，其方法用于矢量控制技術，效率高，可靠。

本文首先對無軌膠輪胎電動車的整體結構進行了分析，對它的驅動過程詳細闡述。然后，本文重點分析了Matlab / Simulink中基于矢量控制理論，驅動系統各模塊的建模過程。最后，經過有機集成，完成了驅動系統的整體模型，實現了模擬的動態性能。同時，我國煤礦井下交通擁堵現象時有發生。無膠輪胎車出現在地下運輸巷道中，影響了地下運輸系統的正常運行。為了實現合理的最優調度無軌橡膠輪胎車，對其輸送線也進行了詳細分析研究。

1 無軌橡膠輪胎電動車總體結構設計

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

圖1 無軌橡膠輪胎電動車的驅動系統

如圖1所示，電驅動子系統和能量子系統構成電動車輛的運動控制系統(也稱為傳動系)，其是用于傳遞能量并獲得車輛的運動能力的所有部件的總稱。運動控制系統中的電機控制器也是本文的目的，主要用于將電能轉換為機械功率的速度和大小。為了控制驅動電機的速度和扭矩，電機控制器接受來自加速踏板，制動器或“P，D，R，N(停車，驅動，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械傳動裝置驅動車輪[4]?？刂扑惴ú捎檬噶靠刂品椒ǎ瑢Ω袘姍C具有更高的反饋跟蹤性能。

2 仿真系統的研究與建立

2.1 無軌橡膠輪胎電動汽車矢量控制系統建模

本研究以轉子磁場為導向，在兩相同步旋轉坐標系[6]中設計了轉子短路的三相籠型異步電動機的數學模型：

圖2 Matlab/Simulink中交流感應電機驅動系統的矢量控制模型

(1)

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

電磁轉矩公式：

(2)

轉子磁通方程：

(3)

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

(4)

矢量控制的關鍵是三相異步電動機的磁場定向.只有準確地知道轉子磁鏈矢量在空間中的位置，才能使磁鏈實現沿轉子場定向的坐標和矢量控制。本文采用通量計算的方法，將其稱為直接場的方法。基于方程(3)和(5)，可以推出將實際轉子磁鏈空間矢量和滑動頻率的模型。

(5)

逆變器和感應電機模塊。逆變器是直流到交流變壓器，脈沖寬度調制(PWM)技術由逆變橋，控制邏輯和濾波電路組成。異步電機模型選自SimPowerSystems in matlab / simulink 。利用IGBT逆變器，它構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送，其中輸出邏輯信號將確定逆變器IGBT電子開關是否應該打開或關閉。通過這些功能模塊的有機集成，可以在Matlab / Simulink中建立交流感應電機控制系統的仿真模型，并采用雙閉環控制算法實現。驅動控制系統的整體模型如圖2所示。

2.2 不同類型運輸線路的分析與研究

可采用一套分段線路將運輸巷道簡化成一組，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，它們可以實現大車和小車相遇時避免或調車；連接A和B的線路有長度，Dist 在地下巷道中，節點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，它們可以實現大車和小車相遇時避免或調車；連接A和B的線路有長度，在地下巷道中，節點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；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車點。

圖6 第四類線

3 仿真結果與分析

3.1 電機驅動的仿真

該實驗假設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所示的模擬中設定電動車輛的參數。電動機的參數如表2所示，基于實際運行狀態的無軌橡膠輪胎車輛，需要經常空載啟動，制動和負載啟動，制動。它應始終在煤礦中以低速運行。定義轉子參考磁通Ψ= 8，速度PI調節器P=100，I=1。

表1 無軌電動車輛的參數

表2 電動機的參數

最初給定初始轉速ω=100 rad/s，在0.2 s穩定空載運行后，驅動控制系統以20 N·m負載運行。圖7顯示了這些電機仿真曲線。

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

在加速過程中，沒有過沖，上升時間小于0.05 s，同時速度的穩態誤差約為0.2%。當ω達到100 rad/s時，電磁轉矩跳至零并保持不變。在0.2 s時，電磁轉矩迅速跳入給定的負載值，其恢復時間約為0.03 s。因此，電流也將增加并保持穩定。驅動控制系統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轉矩，從而進一步控制電機轉速，提高轉速性能。最后，高性能實現了閉環控制。

圖7 交流異步電動機的仿真曲線

3.2 無軌橡膠輪胎運輸線規劃方法研究

這里我們定義的命名原則如下：從第一個端點開始，數字從1開始。當遇到一個交叉點時，端點數變成兩位數。遇到時g下一個交叉點，端點數變成三位數，以此類推，如下所示。使用這種端點命名方法，我們可以清楚地了解地下交通線路圖和快速路，y找到端點位置，如圖8所示。

圖8 定義的命名原則

根據運輸巷道的命名規則，具有相同數字號的運輸巷道可以與其它運輸巷道進行分類。因此，運輸巷道規劃可以由數字節點決定。方法：1)根據運輸任務的要求，找出目標點；2)分析起點，確定目標點數相同。 是否運輸道路標高。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，則找到目標點。 計劃運輸線路，如果找不到共同點，將一個公共點切換到另一個水平車道。找出與目標相同的水平運輸巷道，然后逐個搜索，找出目標點。3)將過線從起點連接到目標點，完成運輸巷道線路的規劃。

另外，可以使用元胞自動機辦法對路線進行模擬。

3.3 元胞自動機對路線進行預測

3.3.1 元胞自動機(CA)

元胞自動機又稱細胞自動機，可以簡單的理解為以一個方塊作為一個元胞，制定與它臨界的元胞發生關系的法則。早期John Horton Conway所提出的生命游戲就是一個元胞自動機，后來再由Stephen Wolfram 在A NEM KIND OF SCIENCE一書中詳細介紹。在此書中沒有用一個數學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：“完全打破現有的學術體系，按照完全不同的原理來理解自然界。”這也是元胞自動機的亮點，雖現在爭議較大。不過元胞自動機在解決復雜性科學上的問題發揮了它舉足輕重的作用，這是大家都公認的。

元胞自動機具有如下特點：①胞分布在按照一定規則劃分的離散元胞空間上；②系統的演化按照等間隔時間分步進行，時間變量取等長的時刻點；③每個元胞都有明確的狀態，并且元胞的狀態只能取有限個離散值；元胞的下一時刻演化的狀態值是由確定的轉換規則所決定的；每個元胞的轉換規則只有局部領域內的元胞狀態所決定。用數學語言所描述就是A=(L,d,S,N,f)，A代表一個元胞自動機系統，L表示元胞空間，d表示元胞自動機內元胞空間的維數，是一正整數。S是元胞有限的、離散的狀態集合。N表示某個鄰域內所有元胞的集合。f表示局部映射或局部規則。

元胞空間可以理解為一個方塊，每個方塊都有它的元胞狀態，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}領域現在主要介紹二維的元胞自動機領域，通常情況下二維領域主要有以下三種:①von neuman型;②moore型;③margolus型。其中von Neuman型只有上下左右四個領域，moore型是有周圍8個領域 Moore型還可以由周邊第二圈乃至于第三圈的領域。而margulous型是它每次將2*2的元胞塊做統一處理，而其他兩種領域類型中，是每個元胞塊單獨處理。當然還有一維的領域或者更高維度的領域，在此我們只討論和城市空間結構及其拓展的方面，因此只需討論二維領域即可。

圖9 元胞空間

元胞狀態的更新規則就好比在一個有元胞組成的世界中制定那個世界的物理規則。其實在元胞自動機萌芽時期，諾伊曼想要研究自復制機然而在他那個時代，生命科學還沒有完全發展起來，后來Conway就向諾伊曼介紹了元胞自動機，并且讓他制定其中的法則來為那個世界創造“生命”并研究自復制。于是生命游戲的概念就在那時被提了出來。那么狀態更新規則就是指根據元胞當前狀態及其領域內元胞的狀態決定下一刻時該元胞的狀態的轉移函數，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)做過的城市用地轉換實列來說明。

在王的模型中，元胞狀態為{城市用地，耕地，林地，水域，裸地}，轉換規則為河流，湖泊等水域不發生轉換，城市用地不向非城市用地轉換。在其中非城市用地向城市用地轉換的概率為P，P由以下三種因素決定:①城市用地潛力PELM;②元胞領域影響Pneighbor;③隨機因素Prandom。

P=PELM·Pneighbor·prandom

(7)

其中:PELM可以用極限學習機來表示，因此將非城市用地(耕地，林地，裸地)轉化為城市用地的潛力。每一個元胞單元有n個驅動因子，這些驅動因子由空間距離變量(離城市的距離)，自然屬性變量決定。對應著輸入層的n個神經元，而極限學習的輸出層就對應于轉換潛力。

(8)

領域影響因素:

(9)

其中:Si,j代表著領域坐標(i，j)的狀態，con是條件函數，隨機因素是一個函數值介于0～1之間的隨機變量。

結果如下：

隨機慢化概率p=0.2；密度ρ=13.3 veh/km/lan(0.1)。

圖10 隨機慢化概率p=0.2；密度ρ=13.3 veh/km/lan(0.1)預測結果

4 結論

本文提出并闡述了無軌橡膠輪胎電動汽車的基本結構及其驅動系統的控制算法。這些矢量控制統的各個模塊都是用Matlab/Simulink構建的。通過模塊的集成，完成了無軌電動車驅動系統的仿真模型。結果表明，矢量控制方法具有良好的解耦能力，能夠實現交流電機快速穩定的速度閉環控制。此外，它為煤礦輔助運輸以及電動汽車的發展開辟了一條新的思路，并提供了可靠的理論價值。