基于模糊單神經(jīng)元PI 的煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動化控制系統(tǒng)

李杰，席義苗，曹楠楠，馬越

（1.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，西安 710049；2.陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，榆林 719302）

將大量電氣設(shè)備合理應(yīng)用于煤礦工作中，不僅可使煤礦開采的效率得到顯著提升，還可在很大程度上提升煤礦開采的質(zhì)量，而能夠?qū)崿F(xiàn)這一切的前提是煤礦電氣設(shè)備的控制質(zhì)量能夠得到有效保障[1-2]?；诖?，提高煤礦電氣設(shè)備的控制質(zhì)量勢在必行，其中，合理控制煤礦電氣設(shè)備電源頻率就是非常重要的一個方面。

近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者就煤礦電氣設(shè)備電源頻率控制問題，進(jìn)行了大量研究，提出并設(shè)計了大量行之有效的煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動化控制方法以及系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]設(shè)計的基于模糊PI 算法的煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]提出的基于直流失調(diào)消除的煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動校正方法。前者在采集到煤礦電氣設(shè)備電源頻率后，將采集到的煤礦電氣設(shè)備電源頻率與煤礦電氣設(shè)備電源標(biāo)準(zhǔn)頻率之差，當(dāng)作模糊PI 控制模塊的有效輸入，經(jīng)模糊PI 控制模塊實(shí)施合理計算與處理后，輸出相應(yīng)控制量控制煤礦電氣設(shè)備電源頻率；后者通過設(shè)計一種具備直流消除性功能的電源頻率校準(zhǔn)濾波裝置，完成煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動化控制。二者均可實(shí)現(xiàn)煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動化控制，但是電源頻率控制效果并不理想。

將模糊單神經(jīng)元PI 控制技術(shù)應(yīng)用于煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動化控制工作中，可收獲較為理想的煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動化控制效果。為此，本文設(shè)計基于模糊神經(jīng)元PI 的煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動化控制系統(tǒng)，更好地滿足實(shí)際工作需要。

1 煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動化控制系統(tǒng)

1.1 煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動化控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

對煤礦電氣設(shè)備的電源頻率實(shí)施合理自動化控制是能夠有效保障煤礦電氣設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。通常狀況下，煤礦電氣設(shè)備電源頻率控制越理想，煤礦電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況也會更加穩(wěn)定。為此，本文設(shè)計基于模糊單神經(jīng)元PI 的煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動化控制系統(tǒng)，架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall system architecture

1.2 模糊單神經(jīng)元PI 控制模塊設(shè)計

在電氣設(shè)備電源頻率自動化控制過程中，利用PID 控制技術(shù)對電氣設(shè)備電源頻率實(shí)施有效控制，是較為常見，且魯棒性能較好的頻率控制方式[5]，但是由于電氣設(shè)備頻率常常要受到多種因素的擾動影響，PID 控制器所擁有的參數(shù)在某些狀況下，并不能使其達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，由此帶來的最直接后果就是電氣設(shè)備電源頻率得不到有效控制，因此基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制策略對PI 控制模塊實(shí)施了合理設(shè)計，設(shè)計出的模糊單神經(jīng)元PI 控制模塊架構(gòu)如圖2 所示。模糊單神經(jīng)元PI 控制模塊架構(gòu)以單神經(jīng)元PID 控制、模糊控制2 個子模塊為主要構(gòu)成。其中單神經(jīng)元PID 控制模塊承擔(dān)的主要職責(zé)是當(dāng)輸入煤礦電氣設(shè)備電源當(dāng)下以及理想電源頻率后，利用單神經(jīng)元對PID 所擁有的比例以及微、積分系數(shù)執(zhí)行合理調(diào)整操作，從而有效校正煤礦電氣設(shè)備電源頻率；模糊控制模塊承擔(dān)的主要職責(zé)是用來對單神經(jīng)元所擁有的神經(jīng)元比例系數(shù)執(zhí)行合理調(diào)整操作。

圖2 模糊單神經(jīng)元PI 控制模塊架構(gòu)Fig.2 Fuzzy single neuron PI control module architecture

1.3 煤礦電氣設(shè)備電源頻率數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

鑒于電源頻率信號測量輸出檢測儀在電源頻率信號采集方面的優(yōu)勢，本文應(yīng)用該儀器完成煤礦電氣設(shè)備電源頻率數(shù)據(jù)采集工作。除此之外，在采獲到煤礦電氣設(shè)備頻率數(shù)據(jù)后，還需對其執(zhí)行有效的預(yù)處理操作，以提高頻率數(shù)據(jù)質(zhì)量，從而獲得更為理想的電源頻率控制效果。鑒于改進(jìn)小波閾值算法在數(shù)據(jù)信號去噪方面的優(yōu)勢[6]，本文將該方法應(yīng)用于煤礦電氣設(shè)備電源頻率數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊中，對所獲煤礦電氣設(shè)備電源頻率數(shù)據(jù)實(shí)施有效預(yù)處理，具體的去噪流程如圖3 所示。

圖3 電源頻率去噪流程Fig.3 Power frequency denoising flow chart

1.4 煤礦電氣設(shè)備電源理想頻率獲取

在實(shí)際工作中，想要實(shí)現(xiàn)對煤礦電氣設(shè)備電源頻率的有效控制，單純只獲取當(dāng)下煤礦電氣設(shè)備的電源頻率是不夠的，還要采取合適方法獲取到煤礦電氣設(shè)備的理想頻率。本文中煤礦電氣設(shè)備理想頻率獲取通過在理想電源頻率求解模塊，使用多元回歸模型實(shí)現(xiàn)的。因電源頻率在變化過程中要受到多種因素的影響，可以分析出各影響因素會與電源頻率產(chǎn)生一定的線性關(guān)系，這種關(guān)系可用公式描述成：

式中：Z 為煤礦電氣設(shè)備電源頻率；G1，G2，…，Gn-1，Gn為頻率影響因素；w0，w1，w2，…，wn-1，wn為回歸系數(shù)。

構(gòu)建合理的方程組，并通過最小二乘估計法求得，求解完成后，將其代入到式（1）中，便可得到一個完整的煤礦電氣設(shè)備理想電源頻率預(yù)測方程，即煤礦電氣設(shè)備理想電源頻率多元回歸預(yù)測模型，待該模型檢測合格之后，只要輸入當(dāng)前時刻煤礦電氣設(shè)備電源頻率的影響因素值，便可預(yù)測出較為準(zhǔn)確的煤礦電氣設(shè)備電源理想頻率。

1.5 模糊單神經(jīng)元PI 電源頻率控制流程

（1）煤礦電氣設(shè)備電源頻率與理想頻率進(jìn)入模糊單神經(jīng)元PI 控制模塊中的轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換模塊求解頻率與理想頻率偏差e（u），判斷其是否超過預(yù)設(shè)閾值，若超過，轉(zhuǎn)換模塊繼續(xù)執(zhí)行合理計算操作得到相應(yīng)的差分量Δe（u）；

（2）利用求和模塊對e（u）、Δe（u）執(zhí)行加權(quán)和求解操作；

（3）把e（u）、Δe（u）傳輸至模糊控制模塊，通過執(zhí)行模糊化操作，輸出單神經(jīng)元比例系數(shù)，本文將其標(biāo)記為U。模糊化操作可實(shí)現(xiàn)對U 的有效在線調(diào)整，使被控系統(tǒng)更具穩(wěn)定性；

（4）通過比例模塊求解步驟（2）所獲e（u）、Δe（u）加權(quán)和、步驟（3）輸出神經(jīng)比例系數(shù)的乘積，然后由延時模塊對比例模塊輸出結(jié)果執(zhí)行頻率累加操作，獲得相應(yīng)的模糊單神經(jīng)元PI 控制信號，向需要控制的煤礦電氣設(shè)備電源頻率傳輸頻率控制指令，實(shí)現(xiàn)對煤礦電氣設(shè)備電源頻率的自動化控制。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)以我國S 省D 市某大型煤礦中所使用的礦用變壓器電源為實(shí)驗(yàn)對象，應(yīng)用本文系統(tǒng)對其實(shí)施電源頻率自動化控制，驗(yàn)證本文系統(tǒng)有效性本文系統(tǒng)對該礦用變壓器電源實(shí)施電源頻率采集，獲得的電源頻率采集結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，應(yīng)用本文系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)煤礦電氣設(shè)備電源頻率數(shù)據(jù)采集，為煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動化控制工作提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖4 電源頻率采集結(jié)果Fig.4 Power frequency acquisition results

在實(shí)際工作中，能夠?qū)ΦV用變壓器電源頻率產(chǎn)生較大影響的因素為電壓以及電流應(yīng)力、開關(guān)損耗、負(fù)荷功率以及PWM 死區(qū)時間，在本文中，這幾個因素相當(dāng)于礦用變壓器理想電源頻率預(yù)測方程中的自變量，在16 s 內(nèi)求解這幾個因素值，并根據(jù)圖4所示數(shù)據(jù)構(gòu)建方程組，之后通過最小二乘法實(shí)施合理計算，求解出的煤礦變壓器理想電源頻率多元回歸預(yù)測模型回歸系數(shù)如表1 所示。

表1 多元回歸模型回歸系數(shù)Tab.1 Regression coefficient of multiple regression model

將表1 所獲多元回歸模型回歸系數(shù)，代入到公式（1）中，會獲得一個完整的煤礦變壓器理想電源頻率多元回歸預(yù)測模型。在實(shí)際工作中，只要輸入當(dāng)前時刻煤礦電氣設(shè)備電源頻率各影響因素的值，便可預(yù)測出較為準(zhǔn)確的煤礦電氣設(shè)備電源理想頻率。

2.2 系統(tǒng)性能測試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計系統(tǒng)的運(yùn)行性能，以能耗效率和系統(tǒng)響應(yīng)時間為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，檢驗(yàn)設(shè)計系統(tǒng)的實(shí)際性能。

使用上述采集到的煤礦電氣設(shè)備電源頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，利用實(shí)際的煤礦電氣設(shè)備，通過改變供電頻率來模擬電源頻率的控制過程；通過調(diào)節(jié)控制策略和參數(shù)，記錄并分析電源頻率隨時間的變化，以評估控制系統(tǒng)的性能。以更好地反映真實(shí)情況，得到系統(tǒng)能耗效率與電源頻率之間的關(guān)系如圖5 所示。由圖5 可知，本文設(shè)計系統(tǒng)的運(yùn)行能耗效率始終高于90%，說明設(shè)計系統(tǒng)所有的能耗均得到了有效利用，整體性能較好。

圖5 系統(tǒng)能耗效率Fig.5 Energy consumption efficiency of system

記錄本文設(shè)計系統(tǒng)從接收輸入信號到輸出結(jié)果穩(wěn)定的時間，并計算平均響應(yīng)時間。通過仿真模擬，驗(yàn)證不同操作指令下，本文設(shè)計系統(tǒng)的響應(yīng)情況，分別在15 s、25 s 和35 s 調(diào)整系統(tǒng)對于煤礦電氣設(shè)備電源頻率的控制情況，得到的結(jié)果具體如圖6所示。在圖6 中可以看出，本文設(shè)計系統(tǒng)對于指令的響應(yīng)情況和響應(yīng)速度與預(yù)期響應(yīng)曲線相符合，說明本文設(shè)計系統(tǒng)對于操作指令的響應(yīng)時間較短，能夠快速按照指令對煤礦電氣設(shè)備的電源頻率進(jìn)行精準(zhǔn)控制，說明設(shè)計系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率較高。

圖6 系統(tǒng)響應(yīng)時間Fig.6 System response time

2.3 控制效果測試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計系統(tǒng)對于煤礦電子設(shè)備電源頻率的控制效果，對該煤礦變壓器各時刻的電源頻率控制情況以及在不同方法下煤礦變壓器電源輸出端頻率變化情況進(jìn)行分析。

如圖7 所示，是某日8：10 起，該煤礦變壓器各時刻電源頻率、理想頻率進(jìn)入模糊單神經(jīng)元PI 控制模塊后，經(jīng)過一系列計算與控制操作，最終獲得的煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動化控制效果。分析圖7可知，應(yīng)用本文系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動化控制，控制后煤礦電氣設(shè)備電源頻率與理想電源頻率十分接近，將其應(yīng)用于實(shí)際工作，可收獲較好的實(shí)際工作效果，為保障煤礦電氣設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。

圖7 煤礦電氣設(shè)備電源頻率控制效果部分呈現(xiàn)Fig.7 Partial presentation of power frequency control effect of electrical equipment in coal mine

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)有效性，繪制分別使用模糊單神經(jīng)元PI、PI、神經(jīng)元PI、模糊PI 對該煤礦變壓器電源實(shí)施電源頻率自動化控制，得到的煤礦變壓器電源輸出端頻率曲線，具體如圖8 所示。從圖8 可以看出，較之使用PI、神經(jīng)元PI、模糊PI 對該煤礦變壓器電源實(shí)施電源頻率自動化控制，使用模糊單神經(jīng)元PI 控制煤礦變壓器電源頻率后，所獲煤礦變壓器電源輸出端頻率曲線趨勢更為平穩(wěn)，無明顯波動狀況出現(xiàn)，而其他幾種PI 控制所獲變壓器電源輸出端頻率曲線卻存在較為明顯的波動狀況。實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)用本文系統(tǒng)對煤礦電氣設(shè)備電源頻率實(shí)施自動化控制，可收獲更為理想的煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動化控制結(jié)果。

圖8 煤礦變壓器電源輸出端頻率曲線Fig.8 Frequency curve of power output of coal transformer

3 結(jié)語

設(shè)計基于模糊神經(jīng)元PI 的煤礦電氣設(shè)備電源頻率自動化控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的電源頻率自動化控制效果進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用該系統(tǒng)后，煤礦電氣設(shè)備電源頻率能夠得到有效自動化控制，控制后頻率能夠更接近煤礦電氣設(shè)備電源頻率的理想值，這非常有利于克服煤礦電氣設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)的非線性以及不確定性，在很大程度上促進(jìn)煤礦電氣設(shè)備更為穩(wěn)定運(yùn)行。