基于模糊控制实现采煤机的自动化调速控制.pdf

试验研究DevelopmentManagementandMechanicalNo.7,20232023年第7 期Total243机械管理开发总第2 4 3 期D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.030基于模糊控制实现采煤机的自动化调速控制薛锐（山西省霍州煤电集团辛置煤矿，I山西临汾031412)摘要：为进一步提升采煤机运行的可靠性和生产效率，实现采煤机控制系统根据实际工况达到自动化调速控制的功能尤为重要。在对采煤机自动化调速原理和模糊PID、P I D 控制原理分析的基础上，建立采煤机自动化调速控制仿真模型，并完成仿真参数的设置，对矢量PID和模糊PID控制的效果进行对比，为今后模糊PID的实践应用奠定基础。关键词：采煤机；PID；模糊算法；自动化调速；牵引部中图分类号：TD632文献标识码：A文章编号：10 0 3-7 7 3 X(2023)07-0076-030引言采煤机为煤矿生产的主要机电设备，其直接决定了煤炭的截割能力、落煤能力以及运输能力，对整个煤矿的生产能力有重要影响。牵引部、截割部为采煤机的关键部件，对煤炭的生产效率有重要影响。目前，牵引部和截割部主要采用矢量变频调速控制方式对其速度进行调整，虽然在一定程度上增加了采煤机的生产效率，但是该种调速控制方式并不能够保证采煤机根据综采工作面的煤层等条件对其牵引速度、截割速度等进行调整1。而且，传统矢量调速控制方式的稳定性会受到电机参数以及外界载荷的影响。鉴于模糊PID控制性能更加优越且控制效果更高，本文将采用模糊PID控制算法实现对采煤机的自动化调速控制。1采煤机自动化调速原理分析双滚筒采煤机为当前实际生产中应用作为广泛的类型，本文将以MG270/325-BWD型采煤机为例进行系列研究，其总体结构如图1所示。采煤机的牵引速度与采煤机所承受的负载有很大的关系，当采煤机所承受的负载过大时会严重影响整机的工作性能和可靠性。也就说，当采煤机所承受的负载变小时可适当提高牵引速度，提高整机的工作效率；当采煤机所承受的负载增大时应适当减小牵引111028121一左滚筒；2 一右滚筒；3 一左摇臂；4 一右摇臂；5 一左调高油缸；6一右调高油缸；7 一左行走部；8 一右行走部；9 一左牵引部；10一右牵引部；11一电气控制箱；12 一左截割部；13 一右截割部图1买采煤机总体结构速度，以保证整机机械系统的可靠性，避免其承受过大的负载而出现损耗2 因此，针对采煤机自动化调速，旨在根据其所承受的负载对其牵引术进行实时调整控制。其中，整机所承受负载的大小可通过牵引部电机的实时功率或电流值等参数进行反应。从理论上讲，实现更高精度、响应更快的控制算法对采煤机进行自动化调速，可进一步提升采煤机的生产效率或保证整机的可靠性。2模糊PID控制器设计2.1PID控制原理PID控制器根据系统给定值与输出值的偏差作为其输入，在比例、积分、微分三个环节的调节下实现对输出值的实时控制。其中，比例环节主要保证系统的动态性能，避免其出现较大的振荡和超调现象；积分环节主要是保证系统在较快的时间内完成控制，即保证控制系统的响应特性；微分环节重点是减小控制系统的过渡时间3 2.2模糊控制算法在PID控制器的应用PID控制算法为工业生产中常见的算法，其虽然在工业中应用广泛且具有较好的控制效果；但是,PID控制器并不能够根据被控系统的参数变化对系统进行实时在线调整。模糊PID控制器可实现对系统运行参数的在线实时调整。模糊PID控制器的核心为将模糊推理算法应用对PID控制器中参数的调整控制中。本文重点对基于模糊PID控制算法对采煤机自动化调速控制的效果进行评估。因此，不对采煤机自动化调速的元器件做过多赘述，仅从原理上对模糊PID对采煤机自动化调速控制的效果进行仿真分析。3基于模糊控制采煤机自动化调速控制仿真分析3.1模糊PID控制器的仿真参数设置设定采煤机的牵引电机的平均转速为10 0 0 r/min。结合采煤机自动化调速系统的控制要求，对模糊PID收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 8作者简介：薛锐（19 8 7 一），男，本科，毕业于太原理工大学采矿工程专业，工程师，从事矿井机电工作。0177薛锐：基于模糊控制实现采煤机的自动化调速控制2023年第7 期控制器的参数设置如下：对于采煤机自动化调速控制系统的控制精度保证在4%以内，对应的整个控制系统的误差变化率小于其控制精度的5%。比例、积分、微分各环节因子的变化率小于各环节因子的2 0%4 。在上述原则设置仿真参数如下：设定自动调速控制系统的误差控制在40；误差率为2；Kp为2.4；K为1.2；Kd为0.0 0 2;K=0.15;Ke=3;Kel=0.4;Ke2=0.2;K=0.00033。设定采煤机牵引部电机的额定电压为114 0 V；PID控制器中K=12;K;=6;Ka=0.01。基于上述参数所设置的PID控制器和模糊PID控制器的仿真模型如图2 所示。3.2仿真结果分析为真实反映采煤机模糊PID控制对其自动化调速控制的控制效果，结合采煤机的实际工况完成其负载参数设置5 。所模拟的采煤机截割煤层的工况为采煤机所截割工作面煤层的厚度为1.2 5 m，对应煤层的坚固性系数为3；采煤机截割生产时的工艺参数为牵引速度为4 m/min、左右截割滚筒的旋转速度为83.5r/min，滚筒的截割深度为0.6 3 m。仿真条件：仿真时间设定为1s，在0.4 s时刻采煤机截割对象为全煤；在0.4 s时刻截割对象为包裹体,对应的坚固系数为8；在0.8 s时刻截割对象为研石,对应的坚固系数为5。3.2.1矢量PID系统控制效果仿真结果对上述工况下，基于量PID控制器对采煤机牵引部电机三相电流进行仿真，仿真结果如图3 所示。如图3 所示，基于矢量PID控制系统下，采煤机1*G21-asrSaturationTeKdu/dtGainDerivative2-1PID控制器仿真模型G3Saturationl.15FuzzyLogicDerivativeMC4Saturation2du/dt3onstantProductSaturationF6Constant2Product2G60.0duldthtant3Productl DerivativelG12-2模糊PID控制器仿真模型图2控制器仿真模型806040200-20*-40-60.-80-0.00.10.20.30.40.50.60.7 0.80.91.0时间/s图3矢量PID#控制系统响应曲线在启动瞬间的电流达到6 3 A，此时对应电机的输出转矩为15 0 Nm，并且系统在0.2 6 s后电流达到稳定状态并保持在18 A；当在0.4 s截割对象变为包裹体后，电流瞬间升高至2 5 A，并在0.6 s后维持在稳定状态并保持在19 A；当在0.8 s截割对象变为含研体，电流瞬间升高至6 5 A左右并在0.8 4 3 s后稳定，此时电流稳定在2 0 A左右。3.2.2模糊PID系统控制效果仿真结果对上述工况下，基于模糊PID控制器对采煤机牵引部电机三相电流进行仿真，仿真结果如图4 所示，基于模糊PID控制系统下,采煤机在启动瞬间的电流达到6 3 A,并且系统在0.2 4 s后电流达到稳定状态并保持在18 A；当在0.4 s截割对象变为包裹体后，电流瞬间升高至2 4 A，并在0.5 8 s后维持在稳定状态并保持在18 A；当在0.8 s时截割对象变为含体，电流瞬间升高至5 5 A并在0.8 3 s后稳定，此时电流稳定在20A左右。80.：6040200-20-40*-60-800.00.10.20.30.40.5 0.60.70.80.91.0时间/s图4模糊月PID控制系统响应曲线对比图3、图4 控制系统相应曲线可知，模糊PID控制器比量PID控制器提前使得系统达到稳定状态，约0.0 2 s;在截割工况突变时，模糊PID控制器比量PID控制器下整个系统的抗干扰能力更强，电流波动值减小约10 A，从而能够实现对采煤机自动化的平稳调速。4结语采煤机为煤矿综采工作面的关键设备，其直接决定煤矿工作面的生产能力和生产效率。为实现采煤机可根据其实际工况对速度进行在线调速控制，以增加整机的生产效率和机械系统的可靠性。本文基于模糊PID和矢量PID对采煤机的自动化调速进行研究，得出模糊PID比矢量PID具有更快的响应速度，ChinaCoal ProcessinggPlants（编辑：王婧）上接第7 5 页ina(Jin（编辑：王慧芳）上接第7 3 页）（编辑：王婧）78第3 8 卷机械管理开发具有更强的抗干扰能力，从而实现对采煤机平滑调速功能。参考文献1王宝军，李春华，肖洋.电牵引采煤机模糊控制系统调速特性的仿真J.煤炭学报，2 0 0 7,3 2（7）：3 7-3 9.2刘春生，杨秋，李春华.采煤机滚筒记忆程控截割的模糊控制系统仿真】.煤炭学报，2 0 0 8，3 3（7）：4 2-4 3.3原钢.基于模糊控制的连续采煤机恒功率截割方法.工矿自动化,2 0 2 0(5):7 7-7 9.4徐志鹏，王忠宾，米金鹏.采煤机自适应记忆切割.重庆大学学报（自然科学版）,2 0 11,3 4（4）：117-118.5吕振，张立.采煤机油泵马达计算机试验系统研究J.煤矿安全，2006,37(10):53-54.Automatic Speed Control of Coal Mining Machine Based on Fuzzy ControlXue Rui(Xinqi Coal Mine,Huozhou Coal and Power Group,Linfen Shanxi 031412,China)Abstract:In order to further improve the reliability and productivity of coal mining machine operation,it is particularly important to realizethe function of automatic speed control of coal mining machine control system according to the actual working conditions.On the basis ofthe analysis of the principle of automatic speed control of coal mining machine and the principle of fuzzy PID and PID control,a simulationmodel of automatic speed control of coal mining machine is established,and the setting of simulation parameters is completed to comparethe effect of vector PID and fuzzy PID control,so as to lay the foundation for the practical application of fuzzy PID in the future.Key words:coal mining machine;PID;fuzzy algorithm;automatic speed control;traction section轴故障诊断J.煤炭技术，2 0 2 2，4 1（1）：2 14-2 16.8郭小燕.矿井提升机无轴式盘式制动器结构优化设计J.机械研究与应用,2 0 2 1,3 4(1)：112-114.9钱柄旭，贾清华，付志明，等.矿井提升机刚性罐道滚轮充发电装置J.煤矿机械，2 0 2 1,4 2(4)：115-117.10王福忠，李媛媛，翟昊.基于案例推理的矿井提升机电气传动系统的维修决策J.河南理工大学学报（自然科学版）,2 0 2 1,4 0(4):135-140.11张宇，赵永生，傅志民，等.矿井提升机径向液压弹簧闸技术改造J.矿山机械，2 0 2 1,4 9(12)：6 1-6 3.12罗宏博，张建锐，胡天林，等.基于AMESim的矿井提升机液压制动系统优化与仿真分析J.矿山机械，2 0 2 1，4 9（9）：2 4-2 9.Analysis of the Influence of Bolt Layout on the Connection Performance of the Main Shaft ofMine HoistsQiJineng Holdings Coal Industry Group Dadougou Coal Industry Company,Datong Shanxi 037001,ChAbstract:As an important load-bearing component of mine hoists,the bolt connection arrangement of the spindle device has a significantimpact on the bearing capacity of the spindle.The connection structure of the spindle device is analyzed and the performance of differentbolt arangements is analyzed using finite element simulation analysis.The results indicate that the more bolts used for the connection of thespindle device,the minimum stress and displacement exerted on the connecting clamp plate,which is beneficial for improving the bearingperformance of the spindleKey words:mine hoist;spindle device;connecting bolts;stress;deformation参考文献1周晓旭.选煤厂弧形筛击打器自动运行及复位程序设计J.煤炭技术,2 0 17(7):2 7-2 8.2杨红卫.弧形筛在新兴选煤厂污水处理中的应用.煤炭技术，2007,26(7):12-14.3张经充，于凤云，袁晖.鸡西市选煤厂重介工艺系统扩产改造刀.煤炭技术，2 0 0 2 2 1(10）：2 9-3 0.4郭冬梅，廖祥国，阎志刚.天宏选煤厂粗煤泥回收工艺优化研究J.煤炭工程,2 0 2 0,5 2(10)：13-14.5刘亿，吴玲，谢广元.浅析弧形筛和煤泥离心机配合的粗煤泥回收工艺J.煤炭工程，2 0 0 4(11：3 5-3 7.lation Analysis of Curved Screen Plates inSoftening and Simulation Analysis of CurveSong DanShanxi Coking Coal Huozhou Coal Power Liyazhuang Coal Washing Plant,Linfen Shanxi 031400,Abstract:In order to solve the problem of cracking or fracture of the screen plate due to the excitation vibration caused by the vibratingmotor of the coal separation arc screen,based on the analysis of the structure and working principle of the arc screen,a finite elementsimulation model is established based on ANSYS,and the softening of the screen plate is achieved by establishing a rigid area;finally,thefatigue life of the screen plate is analysed based on the simulation model constructed,laying the foundation for the subsequent improvementof the screen plate structure.Key words:coal processing plant;curved screen;screen plate;rigid area;fatigue life