基于模糊算法的掘进机截割机构变频控制策略研究
王旭启++杜振华
摘 要： 提出一种基于模糊算法的掘进机截割机构变频控制策略。首先对掘进机截割机构调速系统原理及特性进行分析；然后采用一种基于模糊PID算法的变频控制策略，通过模糊自适应在线修正PID参数，实现对截割电机的快速、准确调节；最后，通过Matlab对截割机构的工作电流进行仿真，验证了该控制策略的正确性和有效性。
关键词： 掘进机； 截割机构； 变频控制； 模糊控制
中图分类号： TN876?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）11?0176?03
Research on fuzzy algorithm based variable?frequency control
strategy for cutting device of roadheader
WANG Xuqi1， DU Zhenhua2
（1. School of Mechanical Electronic and Information Engineering， China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083， China；
2. Zhongxing Telecommunication Equipment Corporation， Xian 710014， China）
Abstract： A fuzzy algorithm based new variable?frequency control strategy for cutting device of roadheader is proposed. The speed control system principle and characteristics of the cutting mechanism of the roadheader are analyzed. A variable?frequency control strategy based on fuzzy PID algorithm is used to adjust the cutting machine quickly and accurately by means of PID parameters online correction with fuzzy self?adaption. The working current of the cutting device is simulated with Matlab to verify the correctness and effectiveness of the control strategy.
Keywords： roadheader； cutting device； variable?frequency control； fuzzy control
0 引 言
在我国，煤炭资源在相当长的一段时间内依然是我国的支柱能源[1]，降低煤炭的开采成本，提高企业效率仍然是研究的重点。掘进机作为煤矿开采的重要设备，其高效、稳定、安全运行是生产的重要保障。现有的掘进机截割电机多采用固定转速分档调节，但由于井下地质条件复杂，工作面煤、岩构造情况多变，当工作面截割工况发生突变时，无法及时有效地调整截割机构电机转速，容易造成其负载剧烈变化，严重时电流过大会触发保护甚至引发安全事故。
为使掘进机在复杂截割条件下能够针对负载扰动，快速、准确地控制转速，实现在工作面全煤构造时高转速快速截割，岩石占比突然增加或突遇硫化铁结核时，通过迅速降低转速以提高输出转矩的目标。文献[2]通过对工作结构进给速度的模糊控制实现对截割电机的恒功率控制。文献[3]实现了一种掘进机智能型自动成形恒功率截割控制系统。文献[4]以PLC为控制核心，构建了自适应模糊控制的掘进机恒功率变频调速系统。文献[5]提出记忆截割，为掘进机提供了一种新的控制手段。文献[6]采用高度非线性识别能力的神经网络与遗传算法相融合的方法，实现悬臂式掘进机恒功率变频调速系统的控制。上述应用虽然取得了一定的效果，但也存在稳定性不高、效率低的缺点。在上述文献收集和分析的基础上，本文分析了截割机构调速系统的原理及特性，采用一种基于模糊PID算法的变频控制策略，通过模糊自适应在线修正PID参数，实现对截割电机快速、准确的调节。最后，通过Matlab对截割机构的工作电流进行仿真，验证了该方法的正确性和有效性。
1 截割机构调速系统
1.1 调速系统原理
目前，异步交流电机的变频调速方法应用广泛，其启动电流小，可实现恒功率、恒转矩转速调节，运行效率高，井下通风系统、提升系统等都有相关的应用研究。变频调速的基本原理表达式为：
（1）
式中：为磁极对数；为转差率；为电机转速；为电源频率。
式（1）表明，在磁极对数转差率不变的条件下，电机转速与电源频率正相关，通过调节电源频率就可以调节电机转速。根据电机理论，三相异步电机单相电势的有效值为：
（2）
式中：为定子单相电势有效值；为定子电源频率；为定子绕组匝数；为定子磁通。
根据式（2）中与额定电源频率的关系，调速系统可分为恒转矩或恒功率调速模式。图1为异步电机在应用调速系统时的输出特性曲线。当小于额定电源频率时，电机工作在恒转矩模式；当大于额定电源频率时，电机工作在恒功率模式。
图1 调速异步电机的输出特性
以截割电机为例，电机启动后，若工作面位于煤层，负载较轻，不需要较大的截割力矩，调速系统可升高电机的工作频率使之在恒功率状态下运行，以达到最高的工作效率；当工作面地质构造发生变化，岩石比例突然上升，截割电机负载加重时，调速系统要降低工作频率使定子磁通升高来提升截割电机的转矩，从而适于当前的工况。
1.2 截割机构调速系统结构
掘进机截割电机变频调速系统主要由数据采集、数据处理与控制以及执行机构等三部分组成，其结构图如图2所示。
图2中，数据采集部分主要包括故障监测装置、电流检测装置以及各类传感器等，其作用是将采集到的电流、转速信号传送给控制器；数据处理与控制部分主要将采集到的信号与预置值进行对比，并通过模糊算法进行参数的在线修正，然后将输出的控制信号给变频调速装置，对掘进机相应的故障进行监控，完成自检、报警等功能；执行机构主要包括变频调速装置、截割电机、牵引电机等，其主要作用是根据变频调速装置来控制牵引电机的速度，实现掘进机的转速根据煤岩负载的变化而自动调整。
图2 系统结构图
2 模糊PID控制器设计
模糊控制属于智能控制范畴，它以模糊逻辑推理、模糊语言变量和模糊集合论为基礎，实质是一种非线性控制。在掘进机截割过程中，模糊控制可以对掘进工作面复杂的工况进行模糊辨识，并建立它们之间的对应关系，从而满足掘进机在截割过程中自动调整截割参数来适应工况变化的要求[7?10]。根据速度的偏差和偏差变化率可以满足不同时刻的偏差和偏差变化率对PID参数自整定的要求。利用模糊规则对PID参数进行修改，构成自适应PID控制器，其结构如图3所示。
图3 模糊PID控制器的结构框图
假设偏差的语言变量为把它量化为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，其偏差变量的模糊子集选取词集{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；同样假设偏差变化率的语言变量为把它量化为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，其偏差变量的模糊子集选取词集{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；同时输出变量的模糊子集输出变量为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，论域量化为（0，3）。根据经验，创立的模糊规则表，如表1～表3所示。
符合三角形隶属度函数，根据它们的模糊规则表在线改变PID参数，计算公式如下：
（3）
式中：为上一次整定好的PID参数。
模糊PID控制是在PID算法的基础上，通过计算当前系统误差和误差变化率利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊规则表进行参数整定。
3 仿真结果与分析
根据掘进机的运行特点，采用Matlab构建掘进机截割电机变频控制系统模型，以此来验证模糊算法在掘进机截割电机变频控制中的应用效果。该系统模型以阶跃响应的电流信号作为输入，观察其扰动对信号的影响情况，当以截割煤岩硬度变小时的电流作为扰动信号时，其仿真结果如图4所示；当以截割煤岩硬度变大时的电流作为扰动信号时，其仿真结果如图5所示。
图4表示截割煤岩硬度突然变小时，截割电机的负载变小，电流减小，通过模糊PID控制器对掘进机的截割参数进行迅速调整，提高转速；图5表示截割煤岩突然变大时，截割电机的负载变大，电流增大，通过模糊PID控制器对掘进机的截割参数进行迅速调整，降低转速，以此使掘进机始终保持在最佳的工作状态。
4 结 语
本文探讨了一种基于模糊PID算法的变频控制策略，该方法通过模糊自适应在线修正PID参数，实现对截割电机的快速、准确调节，提高了工作效率，具有良好的控制特性。同时，该方法大大提高了掘进机对煤矿井下复杂工况的自适应能力。
参考文献
[1] 张怡雪.浅析我国煤炭资源的清洁生产与高效利用[J].消费导刊，2014（10）：213?214.
[2] 尹学勇.基于模糊控制的掘进机截割机构恒功率系统设计[J].南昌工程学院学报，2005，24（3）：43?45.
[3] 魏景生，吴淼，刘建功.掘进机智能型自动成形恒功率截割控制系统的研究与应用[J].工矿自动化，2009（7）：118?121.
[4] 王慧，张笑，赵迪.基于PLC的掘进机恒功率变频调速系统仿真分析[J].电子测量与仪器学报，2013，27（10）：951?956.
[5] 王苏彧.悬臂式掘进机记忆截割及自动截割控制方法研究[D].北京：中国矿业大学，2014.
[6] 赵振民，刘若涵，赵杰.悬臂式掘进机恒功率变频调速控制器的设计[J].黑龙江科技学院学报，2014（5）：539?542.
[7] 马昭.掘进机智能截割技术探讨[J].煤矿机械，2014，35（4）：52?53.
[8] 周黎英.模糊PID控制算法在恒速升温系统中的应用[J].仪器仪表学报，2008，29（2）：406?408.
[9] 马小雨.模糊PID复合控制算法的有效改进[J].现代电子技术，2016，39（4）：153?155.
[10] 杨小龙，涂鑫阳，马自会.基于改进模糊PID算法的空燃比控制策略研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2015，42（4）：34?39.
摘 要： 提出一种基于模糊算法的掘进机截割机构变频控制策略。首先对掘进机截割机构调速系统原理及特性进行分析；然后采用一种基于模糊PID算法的变频控制策略，通过模糊自适应在线修正PID参数，实现对截割电机的快速、准确调节；最后，通过Matlab对截割机构的工作电流进行仿真，验证了该控制策略的正确性和有效性。
关键词： 掘进机； 截割机构； 变频控制； 模糊控制
中图分类号： TN876?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）11?0176?03
Research on fuzzy algorithm based variable?frequency control
strategy for cutting device of roadheader
WANG Xuqi1， DU Zhenhua2
（1. School of Mechanical Electronic and Information Engineering， China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083， China；
2. Zhongxing Telecommunication Equipment Corporation， Xian 710014， China）
Abstract： A fuzzy algorithm based new variable?frequency control strategy for cutting device of roadheader is proposed. The speed control system principle and characteristics of the cutting mechanism of the roadheader are analyzed. A variable?frequency control strategy based on fuzzy PID algorithm is used to adjust the cutting machine quickly and accurately by means of PID parameters online correction with fuzzy self?adaption. The working current of the cutting device is simulated with Matlab to verify the correctness and effectiveness of the control strategy.
Keywords： roadheader； cutting device； variable?frequency control； fuzzy control
0 引 言
在我国，煤炭资源在相当长的一段时间内依然是我国的支柱能源[1]，降低煤炭的开采成本，提高企业效率仍然是研究的重点。掘进机作为煤矿开采的重要设备，其高效、稳定、安全运行是生产的重要保障。现有的掘进机截割电机多采用固定转速分档调节，但由于井下地质条件复杂，工作面煤、岩构造情况多变，当工作面截割工况发生突变时，无法及时有效地调整截割机构电机转速，容易造成其负载剧烈变化，严重时电流过大会触发保护甚至引发安全事故。
为使掘进机在复杂截割条件下能够针对负载扰动，快速、准确地控制转速，实现在工作面全煤构造时高转速快速截割，岩石占比突然增加或突遇硫化铁结核时，通过迅速降低转速以提高输出转矩的目标。文献[2]通过对工作结构进给速度的模糊控制实现对截割电机的恒功率控制。文献[3]实现了一种掘进机智能型自动成形恒功率截割控制系统。文献[4]以PLC为控制核心，构建了自适应模糊控制的掘进机恒功率变频调速系统。文献[5]提出记忆截割，为掘进机提供了一种新的控制手段。文献[6]采用高度非线性识别能力的神经网络与遗传算法相融合的方法，实现悬臂式掘进机恒功率变频调速系统的控制。上述应用虽然取得了一定的效果，但也存在稳定性不高、效率低的缺点。在上述文献收集和分析的基础上，本文分析了截割机构调速系统的原理及特性，采用一种基于模糊PID算法的变频控制策略，通过模糊自适应在线修正PID参数，实现对截割电机快速、准确的调节。最后，通过Matlab对截割机构的工作电流进行仿真，验证了该方法的正确性和有效性。
1 截割机构调速系统
1.1 调速系统原理
目前，异步交流电机的变频调速方法应用广泛，其启动电流小，可实现恒功率、恒转矩转速调节，运行效率高，井下通风系统、提升系统等都有相关的应用研究。变频调速的基本原理表达式为：
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式（1）表明，在磁极对数转差率不变的条件下，电机转速与电源频率正相关，通过调节电源频率就可以调节电机转速。根据电机理论，三相异步电机单相电势的有效值为：
（2）
式中：为定子单相电势有效值；为定子电源频率；为定子绕组匝数；为定子磁通。
根据式（2）中与额定电源频率的关系，调速系统可分为恒转矩或恒功率调速模式。图1为异步电机在应用调速系统时的输出特性曲线。当小于额定电源频率时，电机工作在恒转矩模式；当大于额定电源频率时，电机工作在恒功率模式。
图1 调速异步电机的输出特性
以截割电机为例，电机启动后，若工作面位于煤层，负载较轻，不需要较大的截割力矩，调速系统可升高电机的工作频率使之在恒功率状态下运行，以达到最高的工作效率；当工作面地质构造发生变化，岩石比例突然上升，截割电机负载加重时，调速系统要降低工作频率使定子磁通升高来提升截割电机的转矩，从而适于当前的工况。
1.2 截割机构调速系统结构
掘进机截割电机变频调速系统主要由数据采集、数据处理与控制以及执行机构等三部分组成，其结构图如图2所示。
图2中，数据采集部分主要包括故障监测装置、电流检测装置以及各类传感器等，其作用是将采集到的电流、转速信号传送给控制器；数据处理与控制部分主要将采集到的信号与预置值进行对比，并通过模糊算法进行参数的在线修正，然后将输出的控制信号给变频调速装置，对掘进机相应的故障进行监控，完成自检、报警等功能；执行机构主要包括变频调速装置、截割电机、牵引电机等，其主要作用是根据变频调速装置来控制牵引电机的速度，实现掘进机的转速根据煤岩负载的变化而自动调整。
图2 系统结构图
2 模糊PID控制器设计
模糊控制属于智能控制范畴，它以模糊逻辑推理、模糊语言变量和模糊集合论为基礎，实质是一种非线性控制。在掘进机截割过程中，模糊控制可以对掘进工作面复杂的工况进行模糊辨识，并建立它们之间的对应关系，从而满足掘进机在截割过程中自动调整截割参数来适应工况变化的要求[7?10]。根据速度的偏差和偏差变化率可以满足不同时刻的偏差和偏差变化率对PID参数自整定的要求。利用模糊规则对PID参数进行修改，构成自适应PID控制器，其结构如图3所示。
图3 模糊PID控制器的结构框图
假设偏差的语言变量为把它量化为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，其偏差变量的模糊子集选取词集{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；同样假设偏差变化率的语言变量为把它量化为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，其偏差变量的模糊子集选取词集{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；同时输出变量的模糊子集输出变量为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，论域量化为（0，3）。根据经验，创立的模糊规则表，如表1～表3所示。
符合三角形隶属度函数，根据它们的模糊规则表在线改变PID参数，计算公式如下：
（3）
式中：为上一次整定好的PID参数。
模糊PID控制是在PID算法的基础上，通过计算当前系统误差和误差变化率利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊规则表进行参数整定。
3 仿真结果与分析
根据掘进机的运行特点，采用Matlab构建掘进机截割电机变频控制系统模型，以此来验证模糊算法在掘进机截割电机变频控制中的应用效果。该系统模型以阶跃响应的电流信号作为输入，观察其扰动对信号的影响情况，当以截割煤岩硬度变小时的电流作为扰动信号时，其仿真结果如图4所示；当以截割煤岩硬度变大时的电流作为扰动信号时，其仿真结果如图5所示。
图4表示截割煤岩硬度突然变小时，截割电机的负载变小，电流减小，通过模糊PID控制器对掘进机的截割参数进行迅速调整，提高转速；图5表示截割煤岩突然变大时，截割电机的负载变大，电流增大，通过模糊PID控制器对掘进机的截割参数进行迅速调整，降低转速，以此使掘进机始终保持在最佳的工作状态。
4 结 语
本文探讨了一种基于模糊PID算法的变频控制策略，该方法通过模糊自适应在线修正PID参数，实现对截割电机的快速、准确调节，提高了工作效率，具有良好的控制特性。同时，该方法大大提高了掘进机对煤矿井下复杂工况的自适应能力。
参考文献
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[10] 杨小龙，涂鑫阳，马自会.基于改进模糊PID算法的空燃比控制策略研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2015，42（4）：34?39.
