基于模糊控制實現(xiàn)采煤機的自動化調(diào)速控制

薛 銳

（山西省霍州煤電集團辛置煤礦， 山西 臨汾 031412）

0 引言

采煤機為煤礦生產(chǎn)的主要機電設(shè)備，其直接決定了煤炭的截割能力、落煤能力以及運輸能力，對整個煤礦的生產(chǎn)能力有重要影響。牽引部、截割部為采煤機的關(guān)鍵部件，對煤炭的生產(chǎn)效率有重要影響。目前，牽引部和截割部主要采用矢量變頻調(diào)速控制方式對其速度進行調(diào)整，雖然在一定程度上增加了采煤機的生產(chǎn)效率，但是該種調(diào)速控制方式并不能夠保證采煤機根據(jù)綜采工作面的煤層等條件對其牽引速度、截割速度等進行調(diào)整[1]。而且，傳統(tǒng)矢量調(diào)速控制方式的穩(wěn)定性會受到電機參數(shù)以及外界載荷的影響。鑒于模糊PID 控制性能更加優(yōu)越且控制效果更高，本文將采用模糊PID 控制算法實現(xiàn)對采煤機的自動化調(diào)速控制。

1 采煤機自動化調(diào)速原理分析

雙滾筒采煤機為當前實際生產(chǎn)中應(yīng)用作為廣泛的類型，本文將以MG2×70/325-BWD 型采煤機為例進行系列研究，其總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 采煤機總體結(jié)構(gòu)

采煤機的牽引速度與采煤機所承受的負載有很大的關(guān)系，當采煤機所承受的負載過大時會嚴重影響整機的工作性能和可靠性。也就說，當采煤機所承受的負載變小時可適當提高牽引速度，提高整機的工作效率；當采煤機所承受的負載增大時應(yīng)適當減小牽引速度，以保證整機機械系統(tǒng)的可靠性，避免其承受過大的負載而出現(xiàn)損耗[2]。

因此，針對采煤機自動化調(diào)速，旨在根據(jù)其所承受的負載對其牽引術(shù)進行實時調(diào)整控制。其中，整機所承受負載的大小可通過牽引部電機的實時功率或電流值等參數(shù)進行反應(yīng)。從理論上講，實現(xiàn)更高精度、響應(yīng)更快的控制算法對采煤機進行自動化調(diào)速，可進一步提升采煤機的生產(chǎn)效率或保證整機的可靠性。

2 模糊PID 控制器設(shè)計

2.1 PID 控制原理

PID 控制器根據(jù)系統(tǒng)給定值與輸出值的偏差作為其輸入，在比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)下實現(xiàn)對輸出值的實時控制。其中，比例環(huán)節(jié)主要保證系統(tǒng)的動態(tài)性能，避免其出現(xiàn)較大的振蕩和超調(diào)現(xiàn)象；積分環(huán)節(jié)主要是保證系統(tǒng)在較快的時間內(nèi)完成控制，即保證控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性；微分環(huán)節(jié)重點是減小控制系統(tǒng)的過渡時間[3]。

2.2 模糊控制算法在PID 控制器的應(yīng)用

PID 控制算法為工業(yè)生產(chǎn)中常見的算法，其雖然在工業(yè)中應(yīng)用廣泛且具有較好的控制效果；但是，PID控制器并不能夠根據(jù)被控系統(tǒng)的參數(shù)變化對系統(tǒng)進行實時在線調(diào)整。模糊PID 控制器可實現(xiàn)對系統(tǒng)運行參數(shù)的在線實時調(diào)整。模糊PID 控制器的核心為將模糊推理算法應(yīng)用對PID 控制器中參數(shù)的調(diào)整控制中。

本文重點對基于模糊PID 控制算法對采煤機自動化調(diào)速控制的效果進行評估。因此，不對采煤機自動化調(diào)速的元器件做過多贅述，僅從原理上對模糊PID 對采煤機自動化調(diào)速控制的效果進行仿真分析。

3 基于模糊控制采煤機自動化調(diào)速控制仿真分析

3.1 模糊PID 控制器的仿真參數(shù)設(shè)置

設(shè)定采煤機的牽引電機的平均轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。結(jié)合采煤機自動化調(diào)速系統(tǒng)的控制要求，對模糊PID控制器的參數(shù)設(shè)置如下：

對于采煤機自動化調(diào)速控制系統(tǒng)的控制精度保證在4%以內(nèi)，對應(yīng)的整個控制系統(tǒng)的誤差變化率小于其控制精度的5%。比例、積分、微分各環(huán)節(jié)因子的變化率小于各環(huán)節(jié)因子的20%[4]。在上述原則設(shè)置仿真參數(shù)如下：設(shè)定自動調(diào)速控制系統(tǒng)的誤差控制在±40；誤差率為±2；?KP為±2.4；?Ki為±1.2；?Kd為±0.002；Ke=0.15；Kec=3；Ke1=0.4；Ke2=0.2；Ke3=0.000 33。

設(shè)定采煤機牽引部電機的額定電壓為1 140 V；PID 控制器中Kp=12；Ki=6；Kd=0.01。基于上述參數(shù)所設(shè)置的PID 控制器和模糊PID 控制器的仿真模型如圖2 所示。

圖2 控制器仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

為真實反映采煤機模糊PID 控制對其自動化調(diào)速控制的控制效果，結(jié)合采煤機的實際工況完成其負載參數(shù)設(shè)置[5]。所模擬的采煤機截割煤層的工況為采煤機所截割工作面煤層的厚度為1.25 m，對應(yīng)煤層的堅固性系數(shù)為3；采煤機截割生產(chǎn)時的工藝參數(shù)為牽引速度為4 m/min、左右截割滾筒的旋轉(zhuǎn)速度為83.5 r/min，滾筒的截割深度為0.63 m。

仿真條件：仿真時間設(shè)定為1 s，在0.4 s 時刻采煤機截割對象為全煤；在0.4 s 時刻截割對象為包裹體，對應(yīng)的堅固系數(shù)為8；在0.8 s 時刻截割對象為矸石，對應(yīng)的堅固系數(shù)為5。

3.2.1 矢量PID 系統(tǒng)控制效果仿真結(jié)果

對上述工況下，基于矢量PID 控制器對采煤機牽引部電機三相電流進行仿真，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 矢量PID 控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線

如圖3 所示，基于矢量PID 控制系統(tǒng)下，采煤機在啟動瞬間的電流達到63 A，此時對應(yīng)電機的輸出轉(zhuǎn)矩為150 N·m，并且系統(tǒng)在0.26 s 后電流達到穩(wěn)定狀態(tài)并保持在18 A；當在0.4 s 截割對象變?yōu)榘w后，電流瞬間升高至25 A，并在0.6 s 后維持在穩(wěn)定狀態(tài)并保持在19 A；當在0.8 s 截割對象變?yōu)楹敷w，電流瞬間升高至65 A 左右并在0.843 s 后穩(wěn)定，此時電流穩(wěn)定在20 A 左右。

3.2.2 模糊PID 系統(tǒng)控制效果仿真結(jié)果

對上述工況下，基于模糊PID 控制器對采煤機牽引部電機三相電流進行仿真，仿真結(jié)果如圖4 所示，基于模糊PID 控制系統(tǒng)下，采煤機在啟動瞬間的電流達到63 A，并且系統(tǒng)在0.24 s 后電流達到穩(wěn)定狀態(tài)并保持在18 A；當在0.4 s 截割對象變?yōu)榘w后，電流瞬間升高至24 A，并在0.58 s 后維持在穩(wěn)定狀態(tài)并保持在18 A；當在0.8 s 時截割對象變?yōu)楹敷w，電流瞬間升高至55 A 并在0.83 s 后穩(wěn)定，此時電流穩(wěn)定在20 A 左右。

圖4 模糊PID 控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線

對比圖3、圖4 控制系統(tǒng)相應(yīng)曲線可知，模糊PID控制器比矢量PID 控制器提前使得系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，約0.02 s；在截割工況突變時，模糊PID 控制器比矢量PID 控制器下整個系統(tǒng)的抗干擾能力更強，電流波動值減小約10 A，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對采煤機自動化的平穩(wěn)調(diào)速。

4 結(jié)語

采煤機為煤礦綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其直接決定煤礦工作面的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率。為實現(xiàn)采煤機可根據(jù)其實際工況對速度進行在線調(diào)速控制，以增加整機的生產(chǎn)效率和機械系統(tǒng)的可靠性。本文基于模糊PID 和矢量PID 對采煤機的自動化調(diào)速進行研究，得出模糊PID 比矢量PID 具有更快的響應(yīng)速度，具有更強的抗干擾能力，從而實現(xiàn)對采煤機平滑調(diào)速功能。