神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在帶式輸送機張緊力控制系統(tǒng)的應(yīng)用與對比

趙雙斌

（陽煤集團壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045405）

引言

帶式輸送機為綜采工作面的主要運輸設(shè)備，其承擔(dān)著煤炭、矸石等物料的運輸任務(wù)。張緊裝置為保證輸送帶具備足夠張緊力的裝置，其是保證帶式輸送機高效、運行的關(guān)鍵。在實際生產(chǎn)中，由于相對復(fù)雜的工況輸送帶的張緊力需根據(jù)實際情況實現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的控制。但是，當(dāng)前帶式輸送機張緊裝置會出現(xiàn)張緊力突變、張緊力過大、張緊力過小等情況，導(dǎo)致其無法對輸送帶張緊力進行精準(zhǔn)控制，從而影響了帶式輸送機的運輸效率和安全性[1]。本文將基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對輸送帶張緊力的精準(zhǔn)控制。

1 張緊裝置基本結(jié)構(gòu)及功能

目前，絕大多數(shù)帶式輸送機所配置張緊裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 張緊裝置結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示，張緊裝置主要包括張緊小車、鋼絲繩和控制系統(tǒng)。通過獲取張力傳感器的實時數(shù)值，對張緊裝置中液壓缸的行程和移動方向進行控制，從而實現(xiàn)對張緊力增大或者減小的控制。

帶式輸送機配置張緊裝置的主要功能是保證輸送帶與滾筒之間具有足夠的摩擦力，保證輸送帶與滾筒之間不出現(xiàn)打滑現(xiàn)象[2]。具體分析，張緊裝置在帶式輸送機的主要功能如下：

1）為帶式輸送機和滾筒之間的靜摩擦提供足夠的張緊力，防止輸送帶出現(xiàn)松弛的現(xiàn)象；

2）輸送帶在長時間被拉動的情況下極易發(fā)生彈性變形，張緊力會抵消輸送帶的此類彈性變形；

3）與帶式輸送機在啟動、停機階段輸送帶拉力進行抵消，避免輸送帶張緊力變化過大，導(dǎo)致帶式輸送機的工作狀態(tài)發(fā)生突變。

2 張緊裝置控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及改進思路

2.1 張緊裝置控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

帶式輸送機張緊裝置控制系統(tǒng)主要由四部分組成，包括傳感器部分、預(yù)測部分、控制部分和操作部分，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 張緊裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖2 所示，皮帶秤對輸送帶上貨物的重量進行實時采集；張緊裝置控制系統(tǒng)電流傳感器主要對驅(qū)動電機的實時電流值進行采集；張力傳感器對輸送帶的實時張力進行采集；三項所采集的數(shù)據(jù)均為對張緊裝置控制的依據(jù)。預(yù)測部分為對根據(jù)傳感器部分所提供的數(shù)據(jù)得出此時工況下對應(yīng)的最佳張緊力值。控制部分為根據(jù)傳感器部分所提供的數(shù)據(jù)和預(yù)測部分所提供的控制目標(biāo)基于PLC 控制器得出對操作部分相關(guān)部件的控制指令，同時，控制部分中的數(shù)據(jù)通訊功能還能夠?qū)Ω黝悈?shù)的實時存儲、顯示。操作部分為根據(jù)控制部分所下達的指令對滾筒驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速、張緊裝置液壓油缸活塞的移動方向和行程進行控制，最終達到預(yù)期的控制效果。

經(jīng)實踐應(yīng)用表明，上述張緊裝置控制系統(tǒng)存在如下問題：

1）當(dāng)帶式輸送機的負(fù)載量增大時，輸送帶需要更大的張緊力，而當(dāng)前控制系統(tǒng)電機變頻響應(yīng)需要時間、液壓缸活塞控制需要時間，尤其是在負(fù)載波動較大時，上述控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢；

2）上述控制系統(tǒng)無法對未來張緊力進行精準(zhǔn)預(yù)測導(dǎo)致系統(tǒng)所提供的張緊力往往大于其實際需求值，從而使得各個部件磨損嚴(yán)重，壽命降低；

3）對于加大的張緊力而言，對應(yīng)打壓電機的負(fù)荷較大，對應(yīng)輸出扭矩較大，耗能也增加。

2.2 張緊裝置控制系統(tǒng)改進思路

為解決當(dāng)前帶式輸送機張緊裝置控制系統(tǒng)所面臨的問題，重點對其響應(yīng)慢、張緊力大于實際需求值和磨損嚴(yán)重的問題進行研究。具體思路為：實現(xiàn)對帶式輸送機實際所需張緊力的提前預(yù)測，從而將電機變頻器調(diào)整至預(yù)定頻率值，將液壓油缸壓力提前調(diào)整至合理范圍，實現(xiàn)對張緊力的前饋控制?；趶埦o裝置的前饋控制的控制流程如圖3 所示。

圖3 張緊裝置前饋控制流程

如圖3 所示，本控制流程的核心在于對系統(tǒng)所需張緊力的提前預(yù)測，該預(yù)測值越準(zhǔn)確，最終的控制效果越好。實際上，帶式輸送機張緊力與其運行阻力存在一定的關(guān)系，而運行阻力與驅(qū)動電機電流值存在一定的關(guān)系。因此，基于上述驅(qū)動電機電流值-運行阻力-張緊力的數(shù)據(jù)模型可通過對驅(qū)動電機電流值的預(yù)測實現(xiàn)對張緊力的預(yù)測。

因此，本工程在傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法的基礎(chǔ)上加入差分進化算法，并進入動量因子建立ER-DEMRBF 模型，從而實現(xiàn)對帶式輸送機張緊力的精準(zhǔn)預(yù)測。具體的算法流程如圖4 所示。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ROA 算法流程

3 帶式輸送機張緊力的預(yù)測效果

為驗證本文所設(shè)計的ER-DEMRBF 對帶輸送機張緊力的預(yù)測效果，以帶式輸送機在空載啟動給煤機且隨后啟動輸送帶的運行工況為例開展研究，分別對ARIMA、BP 網(wǎng)絡(luò)、RBF 網(wǎng)絡(luò)、SVM、R-MRBF、R-DEMRBF 和ER-DEMRBF 其中算法對應(yīng)驅(qū)動電機的電流值進行預(yù)測，通過對比預(yù)測電流值與實際電流值的均方根誤差、平均絕對誤差和平均絕對誤差比評估哪種算法對張緊力的預(yù)測效果更加準(zhǔn)確。不同算法對應(yīng)的預(yù)測值與實際值之間的誤差如表1 所示。

表1 不同算法對應(yīng)驅(qū)動電機電流的預(yù)測誤差

分析表1 可知，基于本文設(shè)計的ER-DEMRBF對帶式輸送機驅(qū)動電機電流的預(yù)測誤差更小，更準(zhǔn)確，即說明基于ER-DEMRBF 可對帶式輸送機張緊裝置所需張緊力的預(yù)測更加準(zhǔn)確，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對打壓電機變頻器頻率的精準(zhǔn)控制，實現(xiàn)對液壓缸壓力的精準(zhǔn)控制，為保證帶式輸送機的穩(wěn)定、安全運行奠定了扎實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

帶式輸送機為綜采工作面的主要運輸設(shè)備，其擔(dān)負(fù)工作面煤炭、矸石等物料的運輸任務(wù)。張緊裝置作為保證輸送帶與滾筒之間靜摩擦力，避免二者之間打滑的關(guān)鍵裝置，實現(xiàn)對張緊力的精準(zhǔn)預(yù)期并達到前饋控制的目的，對于保證帶式輸送機運輸效果和安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

本文在傳統(tǒng)RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中對差分算法進行改進，并加入動力因素得到了ER-DEMRBF 算法；通過仿真可知：基于ER-DEMRBF 可對帶式輸送機張緊裝置所需張緊力的預(yù)測更加準(zhǔn)確，為實現(xiàn)對打壓電機變頻器頻率的精準(zhǔn)控制，實現(xiàn)對液壓缸壓力的精準(zhǔn)控制奠定基礎(chǔ)。