基于自適應(yīng)評價設(shè)計的帶式輸送機速度控制優(yōu)化

張國鳴

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古錫林浩特 026015）

0 引言

帶式輸送機[1-3]相對于其他運輸方式，具有運輸效率高的特點，因而廣泛應(yīng)用于中短途散裝固體物料的搬運和輸送系統(tǒng)中。帶式輸送機是煤礦的主要運輸設(shè)備，其傳動系統(tǒng)的控制效果直接影響著煤炭生產(chǎn)的安全性、可靠性和成本。同時，皮帶輸送機工作過程中會消耗大量的電力能源，考慮到經(jīng)濟(jì)效益和成本的因素，如何降低帶式輸送機的能源消耗的研究十分必要。

帶式輸送機是一種典型的電能—機械能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。其能源效率可分為4 個部分：性能效率、運行效率、設(shè)備效率和技術(shù)效率。對大多數(shù)能源系統(tǒng)來說，提高能源效率可以很容易地提高運行效率和設(shè)備效率，帶式輸送機也是如此。

速度控制[4-6]是提高帶式輸送機運行效率和降低能耗的有效途徑之一。傳統(tǒng)的電傳動系統(tǒng)由于啟動速度不平穩(wěn)，導(dǎo)致皮帶脫軌或斷裂，甚至發(fā)生安全事故。因此，將一種新型的智能控制方法引入帶式輸送機的速度控制中，對解決以上這些問題具有重要的理論和實踐意義。

帶式輸送機的速度控制有兩種方式：被動控制和主動控制[7]。被動速度控制是根據(jù)未來幾分鐘或幾小時內(nèi)物料流量的潛在峰值來選擇合適的帶速。根據(jù)某一時間段內(nèi)作業(yè)卸料機的數(shù)量，可以確定該時間段內(nèi)料流的勢峰。然后調(diào)整輸送機的速度，使其與物料流量的潛在峰值相匹配，或與可用卸料機的數(shù)量相匹配。主動速度控制能夠?qū)崟r監(jiān)控物料流動，根據(jù)實際料率的變化自動調(diào)整輸送機的速度，保證輸送帶上散裝物料的截面面積最大。被動速度控制根據(jù)未來時間間隔內(nèi)料流來選擇一個固定的運行速度。因此，物料流動的微小或暫時的變化不會導(dǎo)致皮帶速度的變化，因此被動速度控制是一種半最優(yōu)的方法。而在主動速度控制中，物料流動的變化是一個主要的速度調(diào)節(jié)指標(biāo)。如果偏差較大，則調(diào)整輸送機速度以減小偏差。因此，與被動速度控制相比，主動速度控制的帶速平均值較低。因此，主動速度控制有望實現(xiàn)好的節(jié)能效果。

最優(yōu)控制[8]通常被認(rèn)為是一種離線控制策略，它試圖在一定的約束條件下使性能指標(biāo)達(dá)到最大值或最小值。在設(shè)計最優(yōu)控制器時，需要知道系統(tǒng)的全部動態(tài)。動態(tài)規(guī)劃是求解最優(yōu)控制問題的一種有效方法，是一種基于貝爾曼最優(yōu)性原理求解優(yōu)化決策過程的數(shù)學(xué)方法。在實際應(yīng)用中，動態(tài)規(guī)劃方法通常在離線情況下使用，并且在處理復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化控制時容易受到“維數(shù)災(zāi)”問題的影響，導(dǎo)致無法應(yīng)用動態(tài)規(guī)劃得到最優(yōu)解。

為了克服這一問題，自適應(yīng)評價設(shè)計及其相關(guān)研究取得了許多令人振奮的成果，該方法基于強化學(xué)習(xí)和行為評價體系結(jié)構(gòu)獲得近似最優(yōu)控制策略。自適應(yīng)評價設(shè)計方法是一種求解最優(yōu)控制問題的有效方法，近年來備受關(guān)注。一般來說，自適應(yīng)評價設(shè)計兩個部分組成：一個是執(zhí)行部分能夠根據(jù)被控系統(tǒng)生成控制輸入，另一個是評價部分用于評估當(dāng)前控制作用的性能，并更新控制行為以提高性能。

因此，利用自適應(yīng)評價設(shè)計算法來實現(xiàn)帶式輸送機的速度控制，具有良好的應(yīng)用前景。首次嘗試將自適應(yīng)評價設(shè)計應(yīng)用于帶式輸送機的速度控制器設(shè)計，通過迭代結(jié)構(gòu)逐步求解出最優(yōu)速度控制，為提高帶式輸送機的運輸效率、延長其使用壽命提供一種可行的解決方案。

1 動態(tài)規(guī)劃

1.1 目標(biāo)系統(tǒng)

考慮一類具有以下形式的離散系統(tǒng)：

其中，x（k）是系統(tǒng)的狀態(tài)，y（k）是系統(tǒng)的輸出，u（k）是系統(tǒng)的輸入。

為了便于算法的設(shè)計，假設(shè)離散系統(tǒng)是能觀和能控的?？紤]的參考軌跡動力學(xué)特性為：

定義變量z（k）滿足：

根據(jù)狀態(tài)方程（1）和參考軌跡系統(tǒng)（3），可定義增廣離散系統(tǒng)為

1.2 貝爾曼方程

最優(yōu)跟蹤控制問題的核心是找到最優(yōu)控制策略u（k），使目標(biāo)系統(tǒng)的輸出y（k）跟蹤參考軌跡r（k），同時其性能指標(biāo)達(dá)到最小。本研究的跟蹤控制問題的指標(biāo)函數(shù)具有如下形式：

其中，γ 是折扣因子，Q 和R 都是對稱正定矩陣。

根據(jù)動態(tài)規(guī)劃的思想，上述跟蹤控制問題也可以表示為

對于任意的可容許控制u，其對應(yīng)的貝爾曼方程為

其中，U（z（k））=（y（k）-r（k））TQ（y（k）-r（k））+u（k）TRu（k）。

根據(jù)貝爾曼最優(yōu)原理，跟蹤控制問題的最優(yōu)性能指標(biāo)為

對應(yīng)的最優(yōu)控制策略為

動態(tài)規(guī)劃方法的核心是貝爾曼最優(yōu)原理，對于跟蹤控制問題，其過程是對每一步的控制策略u（k），求解性能指標(biāo)函數(shù)（8），然后確定出滿足最優(yōu)性能指標(biāo)函數(shù)（9）的最優(yōu)控制，從而得到一個最優(yōu)控制策略（10）。然而，對于動態(tài)規(guī)劃方法，隨著系統(tǒng)維度的增加，其計算復(fù)雜度會顯著增加，即“維數(shù)災(zāi)”問題。為了克服這個問題，近年來自適應(yīng)評價設(shè)計方法以其自適應(yīng)學(xué)習(xí)的特點，被眾多研究者廣泛關(guān)注，成為了一個研究熱點。

2 自適應(yīng)評價設(shè)計

2.1 線性二次型跟蹤控制

對于所要研究的跟蹤控制問題，假設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)x（k）和參考軌跡r（k）組成的二次型性能指標(biāo)函數(shù)：J（k）=V（k）=。將其代入式（8），可以得到zT（k）Pz（k）=（yk-rk）TQ（yk-rk）++γzT（k+1）Pz（k+1）。

將目標(biāo)系統(tǒng)狀態(tài)方程代入到上式，可以得到代數(shù)黎卡提方程。

2.2 自適應(yīng)評價設(shè)計算法

自適應(yīng)評價設(shè)計算法是一種基于貝爾曼最優(yōu)性原理的迭代算法。當(dāng)使用自適應(yīng)評價設(shè)計算法求解最優(yōu)控制問題時，通常是通過迭代求解代數(shù)黎卡提方程（11）和反饋控制策略來得到最優(yōu)控制。

（1）自適應(yīng)評價設(shè)計算法。從任意狀態(tài)z（k），選取一個初始容許的控制，進(jìn)行如下兩步迭代直至收斂。

（2）策略評價。求解矩陣Pi+1。

本文研究的自適應(yīng)評價設(shè)計算法是通過迭代求解李雅普諾夫方程（13）來得到最優(yōu)控制。自適應(yīng)評價設(shè)計算法作為一種近似算法，在迭代過程中得到的控制策略制ui（k）和性能指標(biāo)函數(shù)Vi（k）通常不是實際系統(tǒng)的最優(yōu)值。然而，當(dāng)?shù)笖?shù) 趨于無窮時，它們最終收斂于相應(yīng)的最優(yōu)值。

3 仿真驗證

考慮如下帶式輸送機模型：

通過使用自適應(yīng)評價設(shè)計算法的策略評價方程（13），可以迭代求解出性能指標(biāo)函數(shù)P，通過使用策略改進(jìn)方程（14），可以迭代地得到輸送機的優(yōu)化控制策略u。

該系統(tǒng)的最優(yōu)性能指標(biāo)函數(shù)P*為

通過使用自適應(yīng)評價設(shè)計算法（16），迭代求解得到性能指標(biāo)函數(shù)P*。

從仿真圖1 中可以看出，使用自適應(yīng)評價設(shè)計算法，隨著迭代過程的進(jìn)行，策略評價方程（13）能夠迭代求解出性能指標(biāo)函數(shù)P。從圖2 可以看出，隨著迭代學(xué)習(xí)的進(jìn)行，通過自適應(yīng)評價設(shè)計算法所獲得的控制策略（14），能夠使帶式輸送機系統(tǒng)的速度輸出最終跟蹤物料加載的參考軌跡。

為了保證自適應(yīng)評價設(shè)計算法能夠?qū)W習(xí)到系統(tǒng)的全部模態(tài)，就需要在仿真中引入一個探測噪聲信號。迭代學(xué)習(xí)過程中的探測噪聲如圖3 所示，在300 步之后，探測噪聲從控制策略u（k）中移除。

圖1 矩陣P 的收斂過程

圖2 算法學(xué)習(xí)過程

圖3 外加擾動信號

4 結(jié)論

通過利用自適應(yīng)評價設(shè)計算法的自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)能力，設(shè)計了一種用于帶式輸送機的速度控制優(yōu)化方案，得到了以下3 個結(jié)論。

（1）將自適應(yīng)評價設(shè)計應(yīng)用于帶式輸送機的速度控制器設(shè)計，通過迭代結(jié)構(gòu)逐步求解出最優(yōu)速度控制。

（2）基于自適應(yīng)評價設(shè)計算法的速度控制方法，能夠根據(jù)來料的變化自適應(yīng)地調(diào)節(jié)帶式輸送機的運行速度，提高運輸效率。

（3）由于自適應(yīng)評價設(shè)計算法具有較好的學(xué)習(xí)速度，能夠有效延長帶式輸送機使用壽命。