帶式輸送機模糊自適應控制驅動的優化應用

張曉麗

（晉能控股煤業集團有限公司精煤分公司馬脊梁選煤廠，山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機是煤礦、港口等進行物料輸送的重要設備，在長距離的物料輸送中具有易于布置、穩定性高的特點，對煤礦復雜的礦井環境變化具有較好的適應性。帶式輸送機的輸送量大，在工作過程中，消耗的能量較大，特別是傳統的帶式輸送機采用工頻驅動的方式，在設備的驅動過程中造成功率的不平衡[1]，形成較大的沖擊，不利于帶式輸送機的運行穩定及設備的維護使用，進而影響煤礦等的輸送效率。

針對上述問題，對帶式輸送機的驅動方式進行模糊自適應的優化設計[2]，從而改善帶式輸送機的驅動特性，降低能量的消耗使用，提高輸送效率。

1 帶式輸送機模糊自適應控制驅動器的設計

傳統的帶式輸送機采用異步電機結合減速器進行驅動的方式，在工作過程中，異步電機通過無功電場進行能量的轉換，負載功率因數只有0.7，且需要結合減速機和滾筒進行配合實現大負載的驅動作業，傳動效率只有0.6[3]，使得帶式輸送機的電能具有較大的消耗，能量的利用率較低。隨著外轉子永磁同步電機的發展應用，可采用永磁同步電機對帶式輸送機進行驅動，提高帶式輸送機的傳動效率。

帶式輸送機在煤礦的輸送過程中，由于工作過程的復雜性及負載的動態變化，使得帶式輸送機的實際運行中存在著容量的滯后，且輸送負載的變化較大，使得常規的PID 控制方式無法保證帶式輸送機的穩定性。針對這一問題，采用永磁同步電機，并結合模糊自適應控制的方式對帶式輸送機進行驅動[4]。

傳統的PID 控制形式在工作過程中，將系統的偏差值作為核心的反饋數據進行控制，但由于帶式輸送機的滯后性，使得控制的精度較低。模糊控制以語言規則為基礎，通過標準化的模糊推理進行控制，采用邏輯關系進行系統的規劃執行，使得系統的復雜性降低，對帶式輸送機的具有較好的適用性，提高了帶式輸送機控制中的靈活性，具有較好的控制效果。將模糊控制與PID 控制的形式進行結合，形成模糊自適應的控制系統[5]，其整體結構如圖1 所示。

圖1 模糊自適應控制系統的結構

在控制過程中，將控制誤差與誤差率作為核心的反饋數據，通過模糊控制的形式進行參數的調整，并通過PID 控制進行整體數據的控制，使得帶式輸送機具有良好的控制性能，建立模糊自適應控制的模型如圖2 所示。

圖2 模糊自適應控制驅動模型

2 帶式輸送機模糊自適應控制驅動硬件設計

帶式輸送機在工作過程中的負載處于實時的動態變化過程中，且具有一定的滯后，為了提高帶式輸送機的穩定可靠性，改變帶式輸送機的驅動控制的同時，對自使用控制驅動的硬件進行同步設計，主要包括對控制功率開關及熔斷器進行選型設計。

在帶式輸送機的選型設計中，依據運行過程中的正反向最大電壓值進行功率開關的選型，為保證使用過程中的安全裕量[6]，選擇功率開關的使用電壓值為帶式輸送機最大電壓值的2～3 倍。經過實驗測定帶式輸送機的正反向最大電壓值為537 V，由此選定絕緣柵晶體管型功率開關，其電壓使用值為1 342 V，滿足系統的使用需求。

同樣依據帶式輸送機的工作電流進行熔斷器的選型設計，驅動系統整流器的工作輸出為84 A，帶式輸送機的工作電流為69 A，同樣對其進行一定的安全裕量設計，選取熔斷器的過流電流值為工作電流的1.1 倍，由此選定80 型的熔斷器規格，其過流電流值為80 A，滿足系統的使用需求。

3 帶式輸送機模糊自適應控制驅動的穩定性分析

采用模糊自適應控制驅動的方式對帶式輸送機進行驅動控制，其采用模糊自適應的控制理論對帶式輸送機的速度進行控制，采用Matlab 仿真的形式對設計的控制系統的穩定性進行分析。采用Matlab進行帶式輸送機模糊自適應控制系統的建模，并設定驅動電機的相關參數，包括電機額定轉速為130 r/min，轉動慣量為0.2 kg·m2，電機對數為20。在分析過程中，設定采樣周期為1 600 s，將模糊自適應控制驅動的穩定性與傳統的PID 控制的穩定性進行對比分析。

由于帶式輸送機在工作過程中負載不斷的變化，存在著一定的外接干擾，對存在干擾時模糊自適應控制及PID 控制的穩定性進行分析，得到如圖3、圖4 所示的兩種控制模型的誤差變化曲線。

從圖3 中可以看出，采用傳統的PID 控制方式的控制誤差變化較大，最大值為3.5 rad/s，而圖4 中采用模糊自適應控制模型控制的誤差值較小，最大值為0.7 rad/s。對比圖3 和圖4 中的曲線可知，采用模糊自適應控制的方式進行帶式輸送機驅動控制，可以提高對帶式輸送機的控制精度，減小誤差，提高帶式輸送機的穩定性。

圖3 PID 控制模型的誤差曲線

圖4 模糊自適應控制的誤差曲線

4 結語

帶式輸送機是廣泛使用的輸送設備，在使用過程中，由于輸送物料的變化，使得帶式輸送機的負載處于動態的變化中，而傳統的帶式輸送機的異步電機結合減速機驅動的方式，對帶式輸送機的控制精度低，無法實現對帶式輸送機的準確控制，造成大量電能的浪費，不利于節約型社會的建設發展。采用永磁同步電機進行帶式輸送機的驅動，可以提高運行過程中的傳遞效率，并采用模糊自適應控制的形式對帶式輸送機的驅動進行控制。模糊自適應的控制方式，結合了模糊控制與PID 控制的優點，同時以誤差及誤差率作為反饋數據，并結合一定的模糊推理對帶式輸送機進行驅動控制。

經過仿真分析可知，模糊自適應的控制模型對帶式輸送機的控制精度遠高于傳統的PID 控制模型，可以實現對帶式輸送機的精確控制，從而實現對帶式輸送機的自適應控制，促進帶式輸送機的穩定性及節能減排。