带式输送机直接转矩控制系统的仿真研究.pdf

第 3 0卷第 4期 2 0 0 9年4月 煤矿机械 C o a l Mi n e Ma c h i n e Vo 1 ． 3 O No ． 4 Ap r ．2 0 0 9 带式输送机直接转矩控制系统的仿真研究 谢胡 淮南矿业 集团 张集煤矿 ， 安徽 淮 南 2 3 2 1 7 1 摘要 针对长距离带式输送机运行过程中电机的参数变化和突加负载时线性速度调节器很 难满足控制 系统的性能需求 ， 提 出了采 用 2个模糊控制 器和无速度传 感器的直接转矩控 制 系统。 建立了模糊控制带式输送机直接转矩控制 系统并搭建 了S I MU L I N K仿真模型 ， 通过 系统的仿真， 验 证 了 系统 的可行 性 。 关键词 直接转矩控制 ；模糊控制 ；无速度传感器；带式输送机 中图分类号 T D 5 2 8文献标志码 A文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 9 0 4 0 0 4 60 3 S i mu l a t i n g Re s e a r c h o f Di r e c t To r q u e Co nt r o l S y s t e m 0 f Be l t Co a l Co nv e y e r ’ XI E Hu Z h a n i C o a l Mi n e o f H u a i n a n Mi n i n g I n d u s t r y - H u a i n a n 2 3 2 1 7 1 ， C h i n a Abs t r a c t Ac c o r di ng t o r e v i e w t he pr e s e n t s t a t e a nd d e v e l o p me n t o f AC d r i v e s y s t e m o f mi n i n g l o c o mo t i v e h a u l a g e a n d t h e s c h e me a n a l y s i s ， t w o f u z z y c o n t r o l l e r s a n d s p e e d s e n s o r l e s s a r e d e s i g n e d a s s p e e d r e g u l a t o r t o i mp r o v e t h e p e rf o r ma n c e o f DT C s y s t e m d u r i n g p a r a me t e r v a ri a t i o n s a n d l o a d d i s t u r b a n c e i n A C d riv e s y s t e m o f mi n i n g l o c o mo t i v e ha u l a g e．A d i r e c t t o r qu e c o n t r o l s y s t e m o f b e l t c o a l c o n v e y e r b a s e d o n f u z z y c o n t r o l i s e s t a b l i s h e d a n d a s i mu l i n k mo d e l i s s e t u p ．T h e f e a s i b i l i t y o f s y s t e m i s v a l i d a t e d b y s i mu l a t i n g ． Ke y wo r d s d i r e c t t o r q u e c o n t r o l D T C ； f u z z y c o n t r o l ；s p e e d s e n s o r l e s s ；b e l t c o n v e y o r 0 引言 长距离带式输送机属于大惯性负载 ， 要求启动 力矩 大， 同时输送带又属于柔性带体 ， 要求启动时低 速平稳 ， 因此带式输送机 的启动加速度一般要控制 在 0 ． 3 m ／ s 之 内； 带式输送机的驱动电机功率一般 较大， 大功率、 高带速的直接启动将造成大的冲击电 流 ， 使电网电压急剧下降 ， 甚至会影响到其他电气设 备的正常运行 。 1 带式输送机的启动要求 带式输送机选择 H a r ri s o n加速度控制曲线又称 正弦形加速度控制曲线 ， 能最大限度地减小启动惯性 力和启动冲击， 最大值 a 1 T ／ 2 T 1 ． 5 7 Y o ／ T 。 正弦形加速度 0 t a m s in I “It l 0 ≤ ≤ T 式中 启动运行时间； 额定带速。 正弦形加速度控制曲线方程 ．，- 订- T-a m co s 号 4 ． 9 3 V 0 c os 号 0 ≤ ≤ 国内外公认长距离 、 大运量 、 大功率的带式输送 机采用正弦形起动 曲线为最好 ， 可 以大大降低动应 力 ， 延长输送带及整机的寿命 。起动开始时， 加速度 为零 ， 速度平稳增 加 ； 到 ／ 2时， 加 速度达 到最大 值， 速度达到％ ／ 2 ； 然后， 加速度逐渐对称降低， 速度 继续增加 ； 达到设计带速时， 加速度降为零 ， 完成起 动过程 。在制动时正好相反 ， 采用反正弦形 曲线制 动。 2 基于模糊控制的带式输送机直接转矩控制系统 由于带式输送机属于大惯性负载， 输送带又属 于柔性带体， 难以有精确的数学模型； 同时由于传统 的直接转矩控制系统特有 的 b a n gb a n g结构 ， 会造 成电流的脉动 ， 所 以本 系统采 用双模糊控制器的结 构。 模糊直接转矩控制系统如图 1 所示。 图 1 模糊直接转矩控制系统的框图 2 ． 1模 糊速度 控 制 器 为了实现对电机转速 的精确控制， 提高交流调 速系统的动态抗扰动能力， 必须引人速度反馈， 本文 采用二维模糊速度调节器。 1 模糊变量的选取 调节器的输人选 取速度误差 变化率 和速度误 差。速度误差 e aJr 一 t O一 ． - - 4 6 ． ．． 第3 0 卷第4 期 带式输送机直接转矩控制系统的仿真 二塑 式中∞ 实际速度； ∞ 给定速度。 速度误差变化率 A e e k 一e k一1 △ e 隶属度 函数均选择均匀分布 、 全交叠的三角 形隶属函数。e 、 A e 和调节器 的输 出量 ， 对应 于语言 变量为负大 N L 、 负中 N M 、 负小 N S 、 零 Z E 、 正小 、 正中 P 、 正大 共 7个模糊集。 结合本系统的实际情况， 将实验电机的转速偏差 的范围定在 [ 一1 4 5 0 ， 1 4 5 0 ] ， 但是转速采用不同的隶 属函数 ， 在偏差[ 一2 0 ， 2 0 ] 认为是稳定的， 采用梯形隶 属函数。当 e I4 5 0时采用和 e 4 5 0同样 的处理模 式； 当e ≤ 一 4 5 0时， 也是一样的。同时根据机械传动 比及其他的系统特性 ， 将 A e即加速度 a的范围定在 [ 一 0 ． 3 ， 0 ． 3 ] ， 满足带式输送机对运行加速度的要求。 然而 ， 实际系统的精确输人量的变化范围不可能只在 [ 一 6 ， 6 ] ， 如果其基本论域在[ a ， b ] ， 则可以通过变 换将在 [ a ， b ] 间变化的变量 转化为[一 6 ， 6 ] 问变 化的变量 Y 一 丁 输出控制量 C的值 可反 映给定 转矩 ，的大 小 ， 可令 系数 k 2 T 。 c 2 模糊控制规则及模糊推理 模糊规则采用“ i f t h e n ” 语句 ， 一共有 4 9条模 糊条件语句 ， 其控制规则见表 1 。本 文采用 加权平 均法进行模糊判决， 模糊推理则采用 m a x m i n规 则 ， 最后可得到输 出量。 表 1 模糊 速度调节器的模糊控制规则表 速度误差 速度误差 e 变 化率A _ z 、 P 5 、 } 5 个模糊子集， 采用三角形隶属函数； 第 3 个输入变量为定子磁链角 0a r c t g ／ ， 它 被均分在角度为 3 0 。 的区间。 1 8 0。 ≤ 1 8 0。 n1， 2， ⋯ ⋯ ， 1 2 即0 的论域为{ ， ， ⋯⋯ 。 } 。 表 2 模糊开 关控 制算法的控制规则 E 0 l 0 2 0 3 o 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 01o 0 1 1 01 2 ⅣL 5 6 6 l 1 2 2 3 3 4 4 5 5 5 6 6 1 1 2 2 3 3 4 4 Z O 0 O 0 O 0 O 0 O 0 0 0 PS 3 4 4 5 5 6 6 1 1 2 2 3 PL 3 3 4 4 5 5 6 6 l 1 2 2 5 6 6 1 1 2 2 3 3 4 4 5 0 O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Z 0 O 0 O O 0 O 0 O 0 O 0 2 3 3 4 4 5 5 6 6 1 l 2 PL 2 3 3 4 4 5 5 6 6 1 l 2 舭 6 1 l 2 2 3 3 4 4 5 5 6 l 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 Z 0 O 0 0 0 O 0 O 0 0 0 0 P5 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 1 1 PL 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 1 该模糊控制器的唯一输出控制量其实对应于电 压型 P WM逆变器 的 8种开关状态 ， 可用独点模糊 集表示， 其论域 n为 { 0 、 1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6} o当 凡0 时， 根据逆变器开关频率最小的原则来选择零矢量。 该模糊控制器的控制规则， 同样采用“ if t h e n ” 语句对 、 E T 、 0 和 n进行描述， 共 1 8 0条规则。 本系统采用的是 M a m d a n i 型模糊推理的 m a x mi n合成法。通过聚类分析 ， 输出量 Ⅳ i 的最终隶属 1 8 0 n n 最终的逆变器的开关状态 凡可以通过最小值法 来完成解模糊化的过程。 由于带式输送 机对速度 的精度要求不高， 可以 省去速度传感器 ， 利用速度观测器计算 出转子的机 械 速度 1， r 一 np ∞ e - wa d O 0 t 2 一0 t 1 0 t 2 一 0 t 1 2． 2模 糊 开 关控 制 器 一d t t 2一t l At 模糊开关控制器使用模糊分类 的方法把转矩和 R 磁链偏差分成角度为 3 0 。 的 1 2个 区间 ， 然后再使用 一J I 模糊推理及模糊决策来选择最优电压矢量。 ． ￡ ，． ，．、 第 1 个输入变量为磁链偏差 一 。 ， 对 m L m L s 一盯Ls 。 s 进行模糊化， 则变为模糊输入变量 E 它包含 磁链矢量在 一 坐标上的投影 { Ⅳ、 Z、 P} 3个模糊子集 ， 采用三角形隶属函数 ； 第 2 ． L ， ． 一．、 个输入变量为转矩偏差 一 ， 对 s 进行 一 o L s i 模糊化 ， 则变 为模糊 输入变量 E ， 它包含 { 舰 、 N S 、 ， ． 坍 一 47 一 Ⅳ Z P 0 O 1 2 2 2 3 一 一 O l 1 2 3 2 2 1 一 一 一 O 1 2 2 2 2 l 1 一 一 一 一 O l l 2 2 2 2 l 一 一 一 一 一 O 1 3 3 3 3 2 l 一 一 一 一 一 一 O 肼 {￡ 舾 M 舭 v 。 1 ． 3 0 N 。 ． 4 带式输送机直接转矩控制系统的仿真研究谢胡箜3 0 鲞箜 一 差 式 中 转子磁链 的旋转角速度 ； to 转子磁链相对转子 的转差速度 ； 漏感系数。 转子磁链的位置角 0 a r c t a n I B ／ 0 l 转子旋转的机械速度 1 t o。 击 3 模糊直接转矩控制系统的仿真 在本文模糊直接转矩六边形磁链控制系统中 ， 采用非常适用解刚性和非线性问题 的变步长 o d e l 5 s 算法。其结果如图 2～图 5所示。 图2 定子电流分量 i s l3 和 的仿真波形 图 3 仿真 时间 1 0 s 和 2 S的转矩 仿真 波形 4结 语 研究结果表 明， 运用该模糊逻辑控制器 ， 可以提 高直接转矩控制系统的动态和稳态性能 ， 同时对 于 长距离带式输送机交流电机直接转矩控制系统 ， 超 调量和调节时间较小， 而且鲁棒性好， 抗干扰性强， 可以解决系统启动时加速度不平稳的问题 ， 具有较 大的理论价值和实际意义 。 图 4磁链 的仿真 波形 图 5转速的仿真波形 参考文献 [ 1 ] 孙慧． 带式输送机动态特性与可控传动装置的研究[ D ] ． 泰安 山东科技大学 。 2 0 0 4 ． [ 2 ] 李颖， 朱伯立， 张威． S i m u l i n k动态系统建模与仿真基础[ D] ． 西 安 西安电子科技大学 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 赵洪刚．长距离下运带式输送机 的研究设 计 [ D] ．青 岛 山东科 技大学 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] 林涛．带式输送机直接转矩控制系统的研究[ D] ． 西安 西安科 技大学， 2 0 0 7 ． 作者 简介 谢胡 1 9 7 9一， 安徽 淮南人 ， 技术员 ， 助理工程 师 ， 毕 业于安徽理工大学机 械设计制 造及 自动化 专业 ， 现从 事机械 方面技 术工作 ， 电话 0 5 5 47 6 6 5 1 3 4 ． 收稿 日期 2 0 0 81 1 1 6 本干Ij 声明 煤矿机械 杂志连续 5 次被认定为中文核心期刊， 黑龙江省优秀期刊， 列入 剑桥科学文摘 、 文摘杂 志 来源期刊。本刊已加入“ 中国期刊网” 、 “ 万方数据网” 和“ 重庆维普网” ， 作者稿酬由本杂志社一次付清。 本杂志社属自负盈亏单位， 在本刊发表文章收发表费， 同时也付给作者稿酬， 如有不同意上面所述者， 请来函 说明， 本杂志社将做适当处理。投稿必须通过电子信箱发来， 投稿只能用 Wo r d 排双栏版并请仔细阅读， 字 数在 3 0 0 05 0 0 0字为宜。投稿之前 ， 请查看 m k j x ． c n网址投稿须知 ， 在第一作者简介文末 留下联系电话 、 电子信箱。 2 0 0 9 年本刊仍为国际标准 A 4开本， 2 2 4页， 定价每册 1 5元， 全年 1 2 册 1 8 0元， 订阅者可到当地邮局订 阅 ， 也可来 函索取征订单 ， 欢迎订阅、 投稿 。 2 0 0 9 年本刊发布广告价格如下 老客户老价格， 新客户执行新价格， 多登优惠 版 封面 彩色 1 0 0 0 0 封二 彩色 8 0 0 0 插页 彩色 7 0 0 0 封底 彩色 9 0 0 0 封三 彩色 7 5 0 0 插页 黑白 4 0 0 0 插页 黑 白半版 2 4 0 0 内页 黑 白 2 4 0 0 内页 半版 1 2 0 0 4 R 一