基于刮板机负载预测的智能调速系统的设计及MATLAB仿真

摘 要：针对刮板机在井下运行存在能源浪费和磨损严重的现状，本课题通过结合刮板机和采煤机在井下的生产工艺，提出一种基于模糊控制的智能调速方案。通过生产经验和现场考察论证，选取刮板机的转矩和采煤机相对机头的位置，作为刮板机负载预测的重要参数，通过模糊推理得出相对应的转速。通过仿真分析，得出基于刮板机转矩和采煤机位置的智能调速系统具有较好的系统跟随性和抗干扰性。同时该智能调系统相比于传统的恒功率或恒转速模式，极大地减少了电能消耗和设备磨损，提高了企业的效益。

关键词：模糊控制；刮板机；负载调速；MATLAB

中图分类号：TD528.3 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）05-0183-03

Design and MATLAB Simulation of Intelligent Speed Control System Based

on Load Prediction of Scraper

SUN Hao

（College of Electrical and Information Engineering，Beifang Univesity of Nationality，Yinchuan 750021，China）

Abstract：In view of the fact that the scraper has serious energy waste and wear in the down hole operation，the subject proposes an intelligent speed control program based on fuzzy control by combining the production technology of the scraper and the shearer in the down hole. Through production experience and field investigation and demonstration，the torque of the scraper and the position of the shearer relative to the nose were selected as the important parameters for the load prediction of the scraper，and the corresponding rotational speed was obtained through fuzzy inference. Through simulation and analysis，it is concluded that the intelligent speed control system based on the scraper torque and shearer position has good system follow ability and anti-jamming performance. At the same time，the intelligent adjusting system has greatly reduced the power consumption and equipment wear compared with the traditional constant power or constant speed mode，and improved the efficiency of the enterprise.

Keywords：fuzzy control；scraper conveyor；load speed control；MATLAB

0 引 言

我国是世界第一大产煤国，2014年国内总产煤量接近全球总产煤量的一半，达到38.7亿吨左右。同时我国也是全球煤炭消费最大的国家，达到36.5亿吨左右，煤炭在我国的能源消费结构比例超过65%[1]。因此发展和提高我国煤矿综采工作面的自动化、智能化，具有极大的经济潜力，也符合国家战略能源的相关政策。

当前国内矿用刮板机一般采用恒功率工作模式，刮板机根据实际负载即采煤量进行调速。而在国外由于其制造技术较发达，采煤机可按照刮板机的最大配比进行调速工作，即刮板机在恒速运行，采煤机根据刮板机的最大负载进行速度、截深、截高调整。该调速模式对刮板机和采煤机等设备提出极高的性能要求，国内矿用刮板机一般不采取该调速模式。

1 控制系统的分析与设计

本文提出一种基于刮板机负载预测的模糊调速方案，刮板机的负载主要与采煤量、自身转速有关。采煤量与采煤机相对速度、位置及切割电流等因素有关，采煤机速度和位置可以通过液压柱的油压变化获取，本文结合刮板机工作特性，选取刮板机的转矩作为修正刮板机煤量的另一参数。刮板机的转矩可以实时反应当前负载的大小，而采煤机位置可以提前预测刮板机煤量，解决系统调速滞后的不足之处。

转速给定值由采煤机相对位置和刮板机转矩通过模糊推理，本调速控制系统为一个类三环结构，可以增加系统的稳定性和抗干扰性，控制系统结构如图1[2，3]所示。

2 模糊控制系统设计

模糊控制针对无法建立精确数学模型的系统具有很好的控制效果，鲁棒性好，可以较好地抑制环境变量对权重的影响。模糊控制的核心是模糊化和反模糊化，模糊控制器选择Mamdani多输入单输出类型，隶属度函数采用三角形分布[4]。

2.1 刮板机串级调速控制系统转速给定的模糊控制设计

将表1的控制规则转化为PLC可执行的查询表，并存放在指定的DB数据块中，刮板机转速给定值即可通过查询表的方式获取实时的转速给定值。采煤机位置S基本论域[0，330]，刮板机转矩T基本论域[0，20000]，两个变量的量化等级均为5，其模糊控制规则如表1所示。采煤机位置S和刮板机转矩T隶属度函数均如图2所示。

2.2 刮板机串级调速控制系统转速环的模糊PI控制器设计

转速环采用模糊PI控制器，控制器的输入为转速的误差e和误差的变化率ec。误差e的论域[-300，300]，误差变化率ec的论域[-100，100]，量化等级均为11，即{-5，-4…0…4，5}。模糊PI控制器输入输出：e、ec、△Kp、△Ki的规则表和隶属度函数同采煤机位置和转矩模糊控制器设计类似。

3 串级控制系统的设计及仿真

3.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型

双闭环直流调速系统的动态数学模型按照图1设计，直流电动机各参数如下Ce=0.132V.min/r，Tm=0.18，Tl= 0.03，Ts=0.0017，Ks=40，R=0.5[5]。

电流环传递函数设计，按照超调σi≤5%，稳态电流无静差，可按Ⅰ型系统设计电流环调节器，按照图1等效电路可得电流环的传递函数为公式（2），且KITΣi=0.5，Tl=τi=003。

通过公式（1）、（2）即可得动态数学模型如图3所示，转速响应曲线如图4所示。

3.2 双闭环交流调速系统的动态数学模型的设计

异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、变幅的电压。较好的办法就是将转子电压先整流为直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，通过控制该电动势，即可调节异步电机的转速。

根据等效电路求得直流回路的动态电压平衡方程式：

对式（3）进行拉氏变换可得转子直流回路的传递函数：

三相异步电机其他常数，nN=370r/min，转子开路线电压=943V，XD0=0.23，RD=0.025，XT=0.18，RT=0.01，L=5mH，RL=0.004，GD2=9848N·m2，转差率s=0.7。通过式（1）-式（4），得双闭环交流调速系统的动态数学模型，其仿真模型与图3直流调速模型相似。

3.3 仿真结果分析

交直流双闭环模糊调速系统转速响应快，基本上没有超调，主要得益于转速环采用模糊控制，系统在突加扰动时，系统的跟随性较好，同时不会出现震荡、超调，符合特定的生产需求。从交直流转速的响应可以发现，直流电动机转速响应要比交流电动机快，这符合交直流电动机的机械特性。

4 结 论

本文结合井下刮板机的工作原理及生产工艺，提出一种基于模糊控制的串级控制系统。转速的给定值，通过采煤机的位置和电流反馈环得到的转矩进行一定的模糊推理，通过PLC查询表得出刮板机的给定转速，该控制系统可近似看成三闭环控制系统，系统的稳定性更高。通过MATLAB仿真，完成交直流电动机模型的验证，通过仿真验证，交直流电动机，采用该控制系统，系统的抗干扰性、稳定性，比传统的串级控制系统效果要好。在井下安装调试中也取得一定预期效果，能够满足工业生产的需求。

参考文献：

[1] 王凯.基于刮板输送机负载预测的采煤机调速技术研究 [D].徐州：中国矿业大学，2015.

[2] 梁云峰，谷凤民，虎恩典，等.双闭环模糊PI控制的双馈发电机矢量控制系统 [J].机械设计与制造，2016（6）：139-142.

[3] 张强，王海舰，井旺，等.基于模糊神经网络信息融合的采煤机煤岩识别系统 [J].中国机械工程，2016，27（2）：201-208.

[4] 韦巍.智能控制技术 [M].北京：机械工业出版社，2015.

[5] 陈伯时.电力拖动自动控制系统 [M].北京：机械工业出版社，2003.

作者简介：孙浩（1990-），男，安徽宿州人，硕士。研究方向：计算机控制。