基于FOA和FEI的礦井掘進(jìn)機(jī)電機(jī)控制算法

趙 杰， 胡浩然， 葛遵輝

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

礦井掘進(jìn)機(jī)作為煤礦開(kāi)采的重要電力設(shè)備，有效提高了礦井作業(yè)的效率和安全性，在巷道掘進(jìn)中發(fā)揮了重要作用，具有掘進(jìn)速度快、安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。

由于礦井地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，一般為煤巖共存[2]，掘進(jìn)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)截割頭經(jīng)常面臨地質(zhì)突變的情況。當(dāng)截割巖石時(shí)，掘進(jìn)機(jī)截割頭需要增大輸出力矩以克服硬負(fù)載；當(dāng)截割煤時(shí)，負(fù)載硬度又會(huì)突然減小，掘進(jìn)機(jī)截割頭需要增大轉(zhuǎn)速以快速完成截割。交流電機(jī)作為掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)力輸出單元，上述工況將直接反映到交流電機(jī)上，轉(zhuǎn)化為交流電機(jī)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速突變等工況。如果不針對(duì)這幾類工況進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，掘進(jìn)機(jī)將長(zhǎng)期處于過(guò)載和欠載狀態(tài)，從而導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)故障，甚至損壞。針對(duì)礦井掘進(jìn)機(jī)面臨的復(fù)雜工況問(wèn)題，筆者提出改進(jìn)果蠅優(yōu)化算法(Fuit fly optimization algorithm，F(xiàn)OA)和特征評(píng)價(jià)指數(shù)(Fature evaluation index，F(xiàn)EI)的電機(jī)控制算法，基于Matlab/Simulink仿真軟件搭建新型礦井掘進(jìn)機(jī)控制模型，驗(yàn)證所提控制策略的正確性與有效性。

1 電機(jī)數(shù)學(xué)模型與控制原理

交流電機(jī)作為動(dòng)力輸出單元是礦井掘進(jìn)機(jī)的核心，目前掘進(jìn)機(jī)多采用交流異步電機(jī)或永磁同步電機(jī)。異步電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、啟動(dòng)力矩大的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于礦井掘進(jìn)機(jī)中[3-4]。因此，對(duì)于異步電機(jī)高性能控制的研究是礦井掘進(jìn)機(jī)性能優(yōu)化的關(guān)鍵，需要設(shè)計(jì)高速快響應(yīng)的電機(jī)控制系統(tǒng)以提高掘進(jìn)電機(jī)的利用率，降低機(jī)械損耗，延長(zhǎng)裝備壽命。

由于掘進(jìn)電機(jī)內(nèi)部存在復(fù)雜耦合關(guān)系，無(wú)法像直流電機(jī)那樣對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行獨(dú)立控制[5]。因此，采用矢量控制算法，對(duì)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行三相到兩相變換和旋轉(zhuǎn)變換，使其按轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行定向，完成耦合項(xiàng)的解耦，可實(shí)現(xiàn)高性能控制。采用坐標(biāo)變換，建立矢量控制下掘進(jìn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型：

電壓方程為

(1)

式中：Ud——定子電壓按轉(zhuǎn)子平面d軸分量；

Uq——定子電壓按轉(zhuǎn)子平面q軸分量；

Id——定子電流按轉(zhuǎn)子平面d軸分量；

Iq——定子電流按轉(zhuǎn)子平面q軸分量；

Rs——定子電阻；

Ls——定子自感；

Lr——轉(zhuǎn)子自感；

Lm——定轉(zhuǎn)子互感；

K——漏感系數(shù)；

ψr——轉(zhuǎn)子磁鏈幅值；

ω1——同步角速度。

磁鏈方程為

(2)

式中：ψrd——轉(zhuǎn)子磁鏈幅值在d軸上的分量；

tr——轉(zhuǎn)子勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)；

P——微分算子。

轉(zhuǎn)矩方程為

(3)

式中：Te——電磁轉(zhuǎn)矩；

TL——負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

np——電機(jī)極對(duì)數(shù)；

J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

ωr——轉(zhuǎn)子角速度。

式(1)～(3)構(gòu)成了掘進(jìn)電機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制基本方程，根據(jù)式(2)可知，轉(zhuǎn)子磁鏈分量ψrd僅與定子電流分量Id有關(guān)。根據(jù)式(3)可知，當(dāng)控制轉(zhuǎn)子磁鏈幅值不變時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩Te僅與定子電流分量Iq有關(guān)。因此，分別控制Id、Iq，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的解耦。

圖1 矢量控制原理Fig. 1 Principle of vector control

2 果蠅優(yōu)化算法和特征評(píng)價(jià)指數(shù)

目前，礦井掘進(jìn)機(jī)多采用傳統(tǒng)矢量控制策略，該種控制方式下，電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)一般采用PID 控制方法，雖然PID 算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但其控制參數(shù)校正不便，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)依賴較大，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，原有控制參數(shù)不再起到良好調(diào)節(jié)作用。尤其當(dāng)掘進(jìn)機(jī)工作在負(fù)載突變、轉(zhuǎn)速突變的工況下，掘進(jìn)電機(jī)需要頻繁啟停、改變轉(zhuǎn)速、在截割不同地質(zhì)時(shí)負(fù)載變化大，傳統(tǒng)矢量控制難以滿足工作要求。因此，文中將果蠅優(yōu)化算法應(yīng)用于傳統(tǒng)矢量控制中，并設(shè)計(jì)一種特征評(píng)價(jià)指數(shù)以評(píng)估控制效果，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中PI參數(shù)的快速尋優(yōu)，縮短參數(shù)校準(zhǔn)周期，提高掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能。

2.1 果蠅優(yōu)化算法

果蠅優(yōu)化算法(FOA)是一種對(duì)果蠅覓食行為進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬得出的全局優(yōu)化算法。果蠅的嗅覺(jué)和視覺(jué)系統(tǒng)十分敏銳，其嗅覺(jué)器官可以感知40 km之外的食物源[6-9]。在覓食過(guò)程中，果蠅個(gè)體先通過(guò)其嗅覺(jué)判斷食物源的大概位置，快速向其飛近，之后再利用其敏銳的視覺(jué)、嗅覺(jué)系統(tǒng)觀察同伴聚集位置，最終鎖定食物源。在這期間，果蠅的飛行方向和距離具有隨機(jī)性，但果蠅群體的移動(dòng)方向具有整體性[10-11]。

果蠅優(yōu)化算法首先會(huì)將一個(gè)空間位置坐標(biāo)P0作為果蠅群體出發(fā)的初始坐標(biāo),然后果蠅群體從該初始位置出發(fā)，移動(dòng)方向和距離隨機(jī)，各自到達(dá)新的坐標(biāo)位置P1k。在此位置上，判斷果蠅個(gè)體各自所處位置的食物氣味濃度，比較得到較優(yōu)的味道濃度位置P1i，其中，食物氣味濃度的判斷是根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)性能由某一特定的判定函數(shù)決定，用以評(píng)價(jià)當(dāng)前坐標(biāo)P1k的優(yōu)劣程度。找到較優(yōu)的味道濃度位置P1i后，果蠅群體會(huì)從該位置再次以隨機(jī)的移動(dòng)方向和速度出發(fā)，各自到達(dá)新的坐標(biāo)位置P2k,再次找到當(dāng)前位置下較優(yōu)的個(gè)體位置坐標(biāo)P2j。對(duì)上述步驟進(jìn)行反復(fù)迭代，最終找到全局最優(yōu)位置。其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)設(shè)置果蠅個(gè)體的數(shù)量N，尋優(yōu)過(guò)程最大迭代次數(shù)M，果蠅群體出發(fā)的初始位置P0=(X0,Y0)。

(2)隨機(jī)產(chǎn)生果蠅個(gè)體的搜索方向和距離，各自到達(dá)新位置

P1k=(X1k,Y1k) ，

式中:P1k——第k只果蠅第一次尋優(yōu)所到達(dá)的位置坐標(biāo)，k≤N；

Rd——隨機(jī)產(chǎn)生的坐標(biāo)偏移量。

(3)計(jì)算當(dāng)前果蠅個(gè)體與原點(diǎn)的距離

(4)對(duì)D1k取倒數(shù)，得到當(dāng)前果蠅個(gè)體的相對(duì)食物氣味濃度

(5)將S1k代入食物氣味濃度判定函數(shù)f(S1k)，得到當(dāng)前果蠅個(gè)體所處位置的食物氣味濃度

Sm1k=f(S1k) 。

(6)找到最高的食物氣味濃度值，并記錄所對(duì)應(yīng)的個(gè)體b的當(dāng)前位置P1b，作為果蠅群體下一次出發(fā)的初始位置

P1=(X1b,Y1b) 。

(7)重復(fù)上述步驟，找出之后尋優(yōu)階段對(duì)應(yīng)的Pik、Dik、Sik、Pi-1等變量，達(dá)到設(shè)置的迭代次數(shù)M，最終獲得位置坐標(biāo)最優(yōu)值，即對(duì)應(yīng)當(dāng)前系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。

2.2 特征評(píng)價(jià)指數(shù)

在掘進(jìn)電機(jī)的控制中，控制目標(biāo)主要包括截割頭轉(zhuǎn)速跟隨給定控制和輸出轉(zhuǎn)矩跟隨給定控制，都要求系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)將被控量維持在給定值附近。此外，掘進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能也是控制過(guò)程關(guān)注的重點(diǎn)，通常采用上升時(shí)間tr、峰值時(shí)間tp、調(diào)節(jié)時(shí)間ts、超調(diào)量σ%等性能指標(biāo)對(duì)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行評(píng)估。若掘進(jìn)電機(jī)超調(diào)過(guò)大，可能導(dǎo)致因轉(zhuǎn)速過(guò)快產(chǎn)生的斷刃、擦火等情況；若調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能導(dǎo)致因轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大產(chǎn)生的截割失準(zhǔn)等情況。因此，這些指標(biāo)都對(duì)掘進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析產(chǎn)生影響。但是，由于指標(biāo)個(gè)數(shù)的增多，使在評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行性能的過(guò)程中主觀性增加，同時(shí)給控制程序的編寫帶來(lái)困難，因此，需要找到一種合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于簡(jiǎn)化對(duì)該類系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的分析。

文中設(shè)計(jì)一個(gè)針對(duì)PID控制的特征評(píng)價(jià)指數(shù)(Feature evaluation index，F(xiàn)EI)，它能很好反映系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果在期望附近的分布情況，具體公式為

(4)

式中：Q——特征評(píng)價(jià)指數(shù)；

m——采集的輸出結(jié)果總個(gè)數(shù)；

Vj——第j個(gè)輸出結(jié)果；

Vref——系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)輸出。

根據(jù)式(4)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，獲得反映被控系統(tǒng)性能的特征評(píng)價(jià)指數(shù)Q，Q值越大表示系統(tǒng)偏離給定值的程度越高，則系統(tǒng)的控制性能越差；Q值越小表示系統(tǒng)偏離給定值的程度越低，則系統(tǒng)的控制性能越好。

圖2給出同一被控對(duì)象中采用不同PI參數(shù)的單位階躍響應(yīng)曲線，當(dāng)Kp=3，Ki=100時(shí)，系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)超調(diào)量約為23%，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.3 s，此時(shí)系統(tǒng)Q值為0.141 4；當(dāng)Kp=10，Ki=100時(shí)，系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線較Kp=3時(shí)的曲線更為平滑，且快速跟隨給定，此時(shí)系統(tǒng)Q值為0.119 1，明顯小于Kp=3的特征評(píng)價(jià)指數(shù)。

圖2 特征評(píng)價(jià)指數(shù)描述的PI控制系統(tǒng) Fig. 2 PI control system described by feature evaluation index

因此，相比于一般評(píng)價(jià)方法，特征評(píng)價(jià)指數(shù)可以更直觀地反映控制結(jié)果的分布情況，簡(jiǎn)化控制策略中評(píng)價(jià)體系的設(shè)計(jì)。

3 FOA和FEI的矢量控制

傳統(tǒng)矢量控制中ASR通常采用普通PI控制器，如圖1所示，使系統(tǒng)步階響應(yīng)存在過(guò)沖，難以滿足高性能電機(jī)控制的需求。FOA具有較強(qiáng)的局部搜索能力，在PI參數(shù)尋優(yōu)方面表現(xiàn)優(yōu)異，可用于改進(jìn)傳統(tǒng)矢量控制中的ASR。此外，在掘進(jìn)機(jī)的控制中，掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性也是檢驗(yàn)控制性能的關(guān)鍵，同時(shí)也是判斷ASR性能優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)的增多使系統(tǒng)控制性能的校驗(yàn)變得繁瑣，F(xiàn)EI兼顧了控制系統(tǒng)特性曲線的動(dòng)態(tài)過(guò)程及穩(wěn)態(tài)性能，使用單一的量化參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行校驗(yàn)，可以簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

考慮在掘進(jìn)電機(jī)的矢量控制策略中加入改進(jìn)FOA和FEI控制，實(shí)現(xiàn)ASR的PI參數(shù)快速尋優(yōu)。改進(jìn)FOA原理如下:

(1)根據(jù)系統(tǒng)特性給出粗略的PI參數(shù)初始值P0=(X0,Y0)，其中X表示比例增益Kp，Y表示積分增益Ki。設(shè)置參數(shù)發(fā)散數(shù)量N，尋優(yōu)過(guò)程最大迭代次數(shù)M。

(2)與傳統(tǒng)FOA不同，此時(shí)以初始位置為圓心，設(shè)置發(fā)散距離為R0，搜索方向角θk=2kπ/N，規(guī)定逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较?，所有個(gè)體作等距離發(fā)散圓周檢索，較傳統(tǒng)FOA中隨機(jī)生成檢索距離及方向，改進(jìn)型FOA檢索路徑更具有一致性。此時(shí)，尋優(yōu)個(gè)體到達(dá)新位置P1k，個(gè)體分布如圖3所示。

P1k=(X1k,Y1k) ，

圖3 尋優(yōu)過(guò)程中的個(gè)體分布Fig. 3 Distribution of individuals in optimization process

(3)將FEI作為控制性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到當(dāng)前個(gè)體所處位置的氣味濃度Sm1k，并找到最高的氣味濃度值，將對(duì)應(yīng)的個(gè)體位置作為下一次尋優(yōu)出發(fā)的初始位置P1。

(4)記錄每次出發(fā)的方向向量Pk，若Pk·Pk-1<0，表示尋優(yōu)范圍已覆蓋最優(yōu)值，在第k+1次尋優(yōu)過(guò)程中，應(yīng)縮短發(fā)散距離R，Rk+1=Rk/2；若Pk·Pk-1>0，表示仍按尋優(yōu)方向繼續(xù)靠近最優(yōu)值，在第k+1次尋優(yōu)過(guò)程中，應(yīng)繼續(xù)保持原有發(fā)散距離R，Rk+1=Rk。根據(jù)單次迭代過(guò)程中最優(yōu)個(gè)體移動(dòng)方向，合理縮小個(gè)體發(fā)散范圍，可減少迭代次數(shù)，避免大量無(wú)關(guān)項(xiàng)的比較，與傳統(tǒng)FOA的隨機(jī)檢索相比，該方式在尋優(yōu)過(guò)程中更具有主動(dòng)性。減小發(fā)散距離的過(guò)程如圖4所示。

Pk=(Xk-Xk-1，Yk-Yk-1)。

圖4 尋優(yōu)范圍的縮小過(guò)程Fig. 4 Narrowing of search range

圖5 基于改進(jìn)FOA和FEI的掘進(jìn)電機(jī)控制結(jié)構(gòu)Fig. 5 Driving motor control structure based on improved FOA and FEI

基于改進(jìn)型FOA和FEI的異步電機(jī)矢量控制，根據(jù)電機(jī)輸出特性給出被控系統(tǒng)特征評(píng)價(jià)指數(shù)，通過(guò)果蠅優(yōu)化算法優(yōu)化ASR的PI參數(shù)，簡(jiǎn)化了調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，提高了調(diào)節(jié)器的可靠性，增強(qiáng)系統(tǒng)性能。

4 仿真結(jié)果與分析

為驗(yàn)證文中所提出的新型掘進(jìn)電機(jī)控制策略的有效性，選取三一重型裝備有限公司的EBZ系列掘進(jìn)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試。掘進(jìn)電機(jī)作為一種大功率的電氣設(shè)備，具有電壓等級(jí)高、負(fù)載電流大的特點(diǎn)，因此，選擇二極管箝位電壓型三電平驅(qū)動(dòng)器連接掘進(jìn)電機(jī)，多電平的拓?fù)溥B接可降低每個(gè)開(kāi)關(guān)管承受的耐壓值，適用于大功率場(chǎng)合。采用所提控制策略進(jìn)行控制，電控系統(tǒng)主電路如圖6所示。

圖6 二極管箝位電壓型三電平驅(qū)動(dòng)器Fig. 6 Diode-clamped voltage tri-level drivers

4.1 仿真模型

利用Matlab/Simulink建立圖7所示的仿真模型，仿真參數(shù)如表1所示，其中，Un為額定電壓，In為額定電流，Ls為定子自感，Rs為定子電阻，Lr為轉(zhuǎn)子自感，Rr為轉(zhuǎn)子電阻，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，C為濾波電容，Vdc為直流電壓，ts為仿真步長(zhǎng)，N為果蠅個(gè)體數(shù)量，M為尋優(yōu)最大迭代次數(shù)，R0為FOA發(fā)散距離，A為FEI采集輸出結(jié)果總個(gè)數(shù)。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖7 改進(jìn)FOA和FEI的礦井掘進(jìn)機(jī)仿真結(jié)構(gòu)Fig. 7 Simulation structure of mine boring machine based on improved FOA and FEI

4.2 結(jié)果分析

為模擬掘進(jìn)機(jī)在礦井中面臨的復(fù)雜工況，選取掘進(jìn)系統(tǒng)無(wú)負(fù)載啟動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)行下突加負(fù)載、恒定負(fù)載下改變轉(zhuǎn)速三種模式進(jìn)行仿真，分別模擬礦井掘進(jìn)機(jī)改變工作點(diǎn)時(shí)電機(jī)空轉(zhuǎn)、截割巖石時(shí)遇高硬度負(fù)載、同一地質(zhì)下改變掘進(jìn)速度三種典型工況，并與傳統(tǒng)矢量控制策略進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)矢量控制下ASR的PI參數(shù)取值為Kp=6.13，Ki=25.20，基于FOA和FEI的改進(jìn)型矢量控制下ASR的PI參數(shù)取值為Kp=3.11，Ki=31.70，仿真結(jié)果如圖8～9所示。

圖8 轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果Fig. 8 Speed simulation result graph

圖8a和圖9a給出了礦井掘進(jìn)機(jī)改變工作點(diǎn)后到準(zhǔn)備掘進(jìn)前電機(jī)由靜止到空轉(zhuǎn)情況，此時(shí)轉(zhuǎn)速給定為1 200 r/s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0 kN·m，采用新型掘進(jìn)電機(jī)控制策略的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線平滑，幾乎無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.08 s，Q值為87.27。采用傳統(tǒng)矢量控制的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線有較大超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.15 s，Q值為99.01。在該工況下，采用改進(jìn)型矢量控制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形如圖9a所示，啟動(dòng)階段電磁轉(zhuǎn)矩快速上升，并迅速達(dá)到飽和，待轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，電磁轉(zhuǎn)速漸漸下降，最終等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和與退飽和可加快轉(zhuǎn)速響應(yīng)，并保護(hù)系統(tǒng)不足長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載。因此，無(wú)負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，新型掘進(jìn)電機(jī)控制策略下的電機(jī)轉(zhuǎn)速可快速平穩(wěn)的保持在給定值近，轉(zhuǎn)速響應(yīng)及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)效果更好。

圖9 轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果Fig. 9 Torque simulation results

圖8b和圖9b給出了掘進(jìn)機(jī)突然截割巖石時(shí)遇高硬度負(fù)載的工況。該工況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速為1 200 r/s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為20 kN·m，用于模擬截割普通煤塊的工況，在0.3 s時(shí)突加40 kN·m擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩，表示突然截割到高硬度負(fù)載。由圖9b可以看出，采用新型掘進(jìn)電機(jī)控制策略的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)速跌落更小，恢復(fù)時(shí)間更短，Q值為7.83。采用傳統(tǒng)矢量控制的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)速跌落較大，Q值為9.14，高于新型掘進(jìn)電機(jī)控制策略下轉(zhuǎn)速響應(yīng)Q值。在該工況下，采用改進(jìn)型矢量控制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形如圖9b所示，穩(wěn)態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩基本保持恒定，突遇高硬度負(fù)載后，電磁轉(zhuǎn)矩迅速上升，以克服重載帶來(lái)的轉(zhuǎn)速降低，隨后慢慢趨于穩(wěn)定，最終與新的負(fù)載轉(zhuǎn)矩持平。因此，穩(wěn)定運(yùn)行下突然截割巖石時(shí)，新型掘進(jìn)電機(jī)控制策略下的電機(jī)轉(zhuǎn)速略有抖動(dòng)，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩波形可快速恢復(fù)，轉(zhuǎn)速響應(yīng)的抗擾動(dòng)能力較強(qiáng)。

圖8c與圖9c給出了掘進(jìn)機(jī)在同一地質(zhì)下改變掘進(jìn)速度的工況。該工況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速為1 000 r/s，設(shè)定負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定為30 kN·m，表示截割同一對(duì)象，0.3 s時(shí)將轉(zhuǎn)速給定設(shè)置為1 200 r/s。采用新型掘進(jìn)電機(jī)控制策略的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線平滑，超調(diào)量較小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，Q值為54.73。采用傳統(tǒng)矢量控制的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線有較大超調(diào)，Q值為60.85。在該工況下，采用改進(jìn)型矢量控制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形如圖9c所示，穩(wěn)態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩基本保持恒定，轉(zhuǎn)速突變后，與啟動(dòng)階段類似，電磁轉(zhuǎn)矩快速上升，并迅速達(dá)到飽和，待轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，電磁轉(zhuǎn)速漸漸下降，最終等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。因此，恒定負(fù)載下加快掘進(jìn)速度時(shí)，新型掘進(jìn)電機(jī)控制策略下的電機(jī)可快速提升掘進(jìn)功率，轉(zhuǎn)速響應(yīng)跟隨性能更好。

5 結(jié)束語(yǔ)

將FOA和FEI應(yīng)用到傳統(tǒng)礦井掘進(jìn)機(jī)的矢量控制中，根據(jù)特征評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)控制參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的高性能控制。新型控制策略可控制掘進(jìn)機(jī)在多種工況下快速切換，避免設(shè)備出現(xiàn)過(guò)載和欠載情況，提高掘進(jìn)機(jī)工作效率，降低維護(hù)成本。與傳統(tǒng)矢量控制相比，新型控制策略在無(wú)負(fù)載啟動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)行下突加負(fù)載、恒定負(fù)載下改變轉(zhuǎn)速三種工況下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)的超調(diào)量更小、調(diào)節(jié)時(shí)間更短、抗擾性能和跟隨性能更強(qiáng)，系統(tǒng)Q值可降低10%，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的快速響應(yīng)。提出的控制策略可在多種工況下快速切換，從而避免了掘進(jìn)機(jī)用交流電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載和欠載情況，提高掘進(jìn)機(jī)工作效率，降低維護(hù)成本。