基于模糊控制實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)化調(diào)速控制

范 超

（華陽(yáng)集團(tuán)總調(diào)度室，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

采煤機(jī)作為綜采工作面的煤層截割和落煤設(shè)備，其牽引速度和滾筒旋轉(zhuǎn)速度等均是決定開(kāi)采效率的重要因素。同時(shí)，工作面地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，采煤機(jī)截割滾筒所承受的載荷處于動(dòng)態(tài)變化中，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒截割速度和牽引速度隨負(fù)載的實(shí)時(shí)變化控制對(duì)于保證生產(chǎn)率、保護(hù)設(shè)備具有重要意義。當(dāng)前基于PID對(duì)采煤機(jī)的自動(dòng)化調(diào)速控制存在延時(shí)明顯、精度不夠以及效率低的問(wèn)題[1]。因此，本文將開(kāi)展基于模糊控制算法對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)化變頻調(diào)速控制的研究。

1 采煤機(jī)變頻調(diào)速原理

本小節(jié)將重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)基本結(jié)構(gòu)及變頻調(diào)速原理進(jìn)行研究，為后續(xù)采煤機(jī)自動(dòng)化調(diào)速控制的模糊控制器的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1.1 采煤機(jī)概述

采煤機(jī)為綜采工作面的主要生產(chǎn)設(shè)備，在高產(chǎn)高效開(kāi)采的背景下，工作面主要采用雙滾筒采煤機(jī)，本文所研究采煤機(jī)的具體型號(hào)為MG2×70/325-BWD，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，采煤機(jī)主要包括有滾筒、搖臂、行走部、牽引部、調(diào)高油缸、截割電機(jī)以及電氣控制箱等。在實(shí)際生產(chǎn)中，采煤機(jī)截割部滾筒所承受的載荷隨機(jī)性較強(qiáng)。當(dāng)滾筒所承受的載荷較大時(shí)，可適當(dāng)降低采煤機(jī)的牽引速度，在保證截割效率的基礎(chǔ)上避免截割部電機(jī)電流過(guò)大而燒毀；當(dāng)滾筒所承受的載荷較小時(shí)，可適當(dāng)增加采煤機(jī)的牽引速度，保證煤層的截割效率。

1.2 采煤機(jī)變頻調(diào)速控制

本文所研究的調(diào)速控制是采煤機(jī)的牽引速度，即根據(jù)采煤機(jī)滾筒的負(fù)載情況對(duì)牽引速度進(jìn)行實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)控制，從而提升采煤機(jī)的生產(chǎn)效率，同時(shí)減小隨機(jī)、動(dòng)態(tài)變化的載荷對(duì)采煤機(jī)的沖擊，從而降低采煤機(jī)的故障率，節(jié)約維修成本[2]。實(shí)踐表明，基于變頻調(diào)速控制實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)牽引速度自動(dòng)化、智能化控制，可將采煤機(jī)的牽引速度提升30%左右。采煤機(jī)變頻調(diào)速控制的原理。如圖2所示，采煤機(jī)速度調(diào)節(jié)器對(duì)實(shí)時(shí)采集的速度和根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載換算出的最佳速度進(jìn)行對(duì)比，基于控制算法得出相應(yīng)的控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器及采煤機(jī)牽引電機(jī)頻率的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)牽引速度的控制。本文采用模糊控制算法得出實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的控制指令。

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器為基于模糊算法的PID控制器。PID控制根據(jù)控制對(duì)象和控制要求的不同對(duì)其中的比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)賦予不同的參數(shù)。基于模糊算法的PID控制器為采用模糊算法對(duì)比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)的系數(shù)進(jìn)行賦值，保證3個(gè)系數(shù)始終達(dá)到最佳狀態(tài)，從而保證最有效、最實(shí)時(shí)和最精確的控制效果。

圖2 采煤機(jī)變頻調(diào)速控制原理

針對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)，首先需要根據(jù)控制對(duì)象確定最基本的結(jié)構(gòu)；而后分別完成輸入輸出空間的模糊劃分、語(yǔ)言值的隸屬度函數(shù)的確定、模糊規(guī)則的建立、模糊推理機(jī)制的確定、解模糊策略的確定以及模糊語(yǔ)言變量和比例因子的確定等步驟。

首先，模糊PID控制器的基本結(jié)構(gòu)采用工業(yè)中常用的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 模糊PID控制器的基本結(jié)構(gòu)

本方案中所選用的語(yǔ)言值的隸屬函數(shù)為三角函數(shù)；模糊控制規(guī)則如下：針對(duì)比例環(huán)節(jié)系數(shù)，采用初期取大值減小響應(yīng)時(shí)間；中期取稍大值，保證控制精度；后期取稍大一定的值，減小靜差。針對(duì)積分環(huán)節(jié)系數(shù)，在初期取值偏小；在中期取適當(dāng)值保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在后期增大值，提高系統(tǒng)的控制精度，減小靜差[3]。針對(duì)微分環(huán)節(jié)，在初期取較大值減小系統(tǒng)的超調(diào)量；在中期取適當(dāng)小的固定值，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在后期取較大值，減小調(diào)節(jié)時(shí)間[4-5]。

3 模糊控制的自動(dòng)化調(diào)速功能仿真分析

基于上述模糊控制規(guī)則和語(yǔ)言值的隸屬函數(shù)，采用MATLAB軟件對(duì)模糊PID控制器的3個(gè)系數(shù)進(jìn)行整定設(shè)計(jì)，結(jié)果為比例環(huán)節(jié)系數(shù)為0.4，積分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.2，微分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.000 33。基于普通算法得出的3個(gè)環(huán)節(jié)的系數(shù)分別為比例環(huán)節(jié)系數(shù)為12，積分環(huán)節(jié)系數(shù)為6，微分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.01。

本節(jié)將對(duì)PID控制器和模糊PID控制器的控制效果進(jìn)行對(duì)比。仿真條件設(shè)置如下：采煤機(jī)實(shí)際工作面煤層平均厚度為1.25 m，截割部滾筒的旋轉(zhuǎn)速度為83.5 r/min，滾筒的截割深度為0.63 m，煤層的堅(jiān)固性系數(shù)為3。兩種控制器對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果對(duì)比如圖4、圖5所示。

基于模糊PID控制器采煤機(jī)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及三相電流值達(dá)到平穩(wěn)的時(shí)間均低于基于PID控制器約0.02 s；同時(shí)，在0.4 s截割時(shí)采煤機(jī)遇到包裹體時(shí)，即采煤機(jī)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，基于模糊PID控制算法下速度波動(dòng)較小且恢復(fù)所需時(shí)間短。

總的來(lái)講，基于模糊PID控制器能夠?qū)Σ擅簷C(jī)進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)速控制具有更快的響應(yīng)速度，過(guò)渡時(shí)間小，系統(tǒng)整體的抗干擾能力明顯增加，可實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)牽引電機(jī)的平滑調(diào)速。

4 結(jié)論

圖4 PID控制器控制效果

采煤機(jī)作為綜采工作面的主要設(shè)備，其截割效率與滾筒旋轉(zhuǎn)速度、牽引速度相關(guān)。當(dāng)采煤機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其牽引速度的有效、準(zhǔn)確控制，可在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)降低負(fù)載對(duì)整機(jī)的沖擊。本文重點(diǎn)開(kāi)展模糊PID控制器對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)化調(diào)速控制，并總結(jié)如下。

圖5 模糊PID控制器控制效果

1）適用于采煤機(jī)牽引速度自動(dòng)化調(diào)速控制對(duì)應(yīng)PID控制器的參數(shù)如下：比例環(huán)節(jié)系數(shù)為0.4，積分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.2，微分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.000 33；

2）基于模糊PID控制器能夠?qū)Σ擅簷C(jī)進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)速控制具有更快的響應(yīng)速度，過(guò)渡時(shí)間小，系統(tǒng)整體的抗干擾能力明顯增加，可實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)牽引電機(jī)的平滑調(diào)速。