模型预测控制模型在采煤机调高系统中的应用研究.pdf

第 4 4卷 第 5 期 2018年 5 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 5 May 2018 ; 实验研究言 令 _ 丨 1 丨 _ 令 _ 丨 丨 丨 ■ 令 _ 丨 丨 丨 ■ 令 _ 丨 1 丨 _ 令 _ 丨 丨 丨 令 文章编号671-251X 201805-0042-05 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017120009 模 型 预 测 控 制 模 型 在I煤 机 调 高 系 统 中 的 应 用 研 究 张斯涵12 刘振坚12 邱锦波12 1.中煤科工集团上海研究院有限公司， 上 海 200030; 2.天地科技股份有限公司上海分公司， 上 海 200030 摘要 针对目前采煤机调高系统中通常使用电磁开关阀调高， 存在稳定性不高、 精度欠佳等问题， 以 MG300/700-W D型交流电牵引采煤机为研究对象， 通过在其调高系统常规模型中加入模型预测控制器， 建 立了该采煤机调高系统模型预测控制模型； 对该模型预测控制器的采样时间和预测时域长度2 个参数进行 调整， 可减少电磁开关阀的开关次数和工作时间， 使滚筒根据目标高度进行准确实时调高。仿真结果表明， 与常规模型相比， 基于模型预测控制模型的采煤机调高系统在给定输入后6 s 左右达到稳定， 减少了电磁开 关阀开关次数， 超调量降低了 28. 8 ， 提高了系统的稳定性与实时性。 关键词 煤炭开采采煤机调高系统电磁开关阀模型预测控制滚筒采样时间预测时域长度 中图分类号TD632 文献标志码A 网络出版地址 Ettp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. tp. 20180417. 1721. 002. html Research on model predictive control model in application of shearer height-adjusting system ZHANG Sihan1’2，LIU Zhenjian1’2，QIU Jinbo1’ 2 1.CCTEG Shanghai Research Institute, Shanghai 200030, China; 2. Shanghai Branch’ Tiandi Science and Technology Co. ’ Ltd. , Shanghai 200030, China Abstract In view of the problems of lower stability and poor precision existed in present shearer height-adjustment system’ which used electromagnetic switch valve to adjust height of drum’ a model predictive control model of the shearer height-adjustment system was established through adding model predictive controller in conventional model of the shearer height-adjusting system and taking MG300/700- WD t ype AC t racti on shearer as t he research object . The switching frequency of electromagnetic switch valve and working hours were reduced by adjusting sampling time and predictive time domain length of model predictive controller’ the drum can be realize accurate and real time height adjustment according to the target height. Simulation results show that the shearer height-adjustment system based on model predictive control model can achieve stability in 6 s after given compared with the conventional model’ switch frequency of the electromagnetic switch valve is reduced’ overshoot amount is decreased by 28.8’ stability and real-time perance of the system are improved. Key words coal mining ； shearer height-adjustment system； electromagnetic switch valve; model predictive control; drum； sampling time; predictive time domain length 收稿日期2017-12-06;修回日期 2018-04-08;责任编辑 张强。 基金项目 天地科技技术创新项目（ KJ-2014-TDSH-02。 作者筒介 张斯涵“992 ） ， 男 ， 山西大同人， 硕士研究生， 主要研究方向为矿山电气自动化， E-mail hangsihan6677126. com。 引用格式 张斯涵， 刘 振 坚 ， 邱 锦 波 .模 型 预 测 控 制 模 型 在 采 煤 机 调 高 系 统 中 的 应 用 研 究 工 矿 自 动 化 ， 2018,445 42-46. ZHANG SihanLIU Zhenjian， QIU Jinbo. Research on model predictive control model in application of shearer height-adjusting system[J]. Industry and Mine Automation, 2018,445 42-46. 2 0 1 8 年 第 5 期张 斯 涵 等 模 型 预 测 控 制 模 型 在 采 煤 机 调 高 系 统 中 的 应 用 研 究 43 〇 引言 重要意义。 采煤机作为矿井生产的主要采煤设备， 其自动 化水平是综采工作面实现自动化的关键[15]。现有 采煤机通过控制电磁开关阀的通断来控制滚筒进行 调高。电磁开关阀只有打开或者关闭2 种状态， 且 无法瞬间打开或关断。电磁开关阀在启动和停止时 存在一定的响应时间， 也无法控制液压缸流量的大 小 ， 所以， 在电磁开关阀启动和停止时滚筒有一段时 间呈非匀速运动， 导致滚筒与摇臂组成的调高系统 质量分布不均匀， 形状不规则， 存在较大的惯性。采 用电磁开关阀对采煤机滚筒进行调高的常规模型在 实际应用中存在超调过大、 精度较差、 系统稳定性欠 佳等问题8]， 影响煤矿安全生产。 针对上述问题， 本 文 以 MG300/700-W D型交 流电牵引采煤机为研究对象， 建立了模型预测控制 模型， 并将其应用到采煤机调高系统中， 对模型预测 控制器中的采样时间和预测时域长度这2 个参数进 行调整， 减少电磁开关阀的开关次数和工作时间， 使 滚 筒 可 以 根 据 目 标 高 度 进 行 准 确 实 时 调 高 。 Matlab/Simulink软件仿真结果证明了该模型的可 。 1模型预测控制原理 模型预测控制原理如图％所示 ，r 为系统的 设定输出值， 为 实 际 输 入 值 为 实 际 输 出值。 图 ％ 模型预测控制原理图 ％ 模型预测控制原理 Kig.工工 Principle 4V 5〇〇67 Freictive c4ntrol 从 图 ％可看出， 模型预测控制可以看作是一种 开环控制， 它的控制动作是在每一个采样瞬间求解 一个有限时域开环最优控制。过程的当前状态作为 最优控制的初始状态， 解得的最优控制序列只完成 第 1 个控制作用。这是它与那些使用预先计算控制 律的算法的最大不同[910]。 由于模型预测控制对模型的精度要求不高， 建 模方便， 采用滚动优化策略， 而非全局一次优化， 能 及时弥补由于模型失配、 畸变、 干扰等因素造成的不 确定性， 动态性能较好， 过程描述可由简单实验获 得[11]， 所以， 将模型预测控制应用到具有约束、 大延 迟 、 非线性的采煤机调高系统中， 能提高系统的稳定 性和抗干扰性， 对采煤机调高系统性能的提升具有 2模型预测控制模型建立 2 8 采煤机调高系统工作原理 采煤机调高系统通过控制电磁开关阀的通断状 态与时间来控制液压缸中活塞杆的伸缩， 使摇臂上 下摆动， 进而带动滚筒实现位置高度的升降， 其工作 如 图 2 所 示 。 Kig. 2 Workingp nciple oV shearer height-a usting system 为便于计算和仿真， 将 图 2 中滚筒、 摇臂、 调高 液压缸的运动关系进行简化， 示意图如图3 所示。 1 一大摇臂长度一大摇臂长度； L2小摇臂长度小摇臂长度； 1 3两铰接点之间的距离；两铰接点之间的距离； L4 一液压缸行程一液压缸行程 一两铰接点之间的水平距离一两铰接点之间的水平距离 分别为液压缸无杆腔、 有杆腔作用到活塞的 面积； ， ,2 分别为液压缸内泄漏系数、 外泄漏系数； 1 2 分别为液压缸无杆腔、 有杆腔压力； 5 1 ， 52分 44 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 别为液压缸无杆腔、 有杆腔侧体积;汉为液压油体 积弹性模量。 对式（ 1进行拉氏变换， 得到采煤机滚筒调高的 传递函数为 _ xs _ __________________Sp___________________ 4m a c I 十（ 3 pP4m a x | .1 \ | Sl4-eSq /S；S U -eSq 槡 Sp 尸 * “ 式中Sp S i S2 ； S q j 槡槡2 ; 为滚筒和摇 臂对活塞的总质量P 4m ax为液压缸最大行程； 3 p 为 运动机构黏性摩擦因数。 2.2 采煤机调高系统常规模型 以 MG300/700-W D 型交流电牵引采煤机为 例 ， 使用该采煤机机械参数对采煤机调高系统进行 仿真， 仿真参数见表1。 1 为滚筒质量； 2 为摇臂 质量； 为 液 压 缸 活 塞 杆 直 径 ； ％ 为 液 压 缸 活 塞 直径。 表表1采煤机调高系统参数采煤机调高系统参数 Table 1 Parameter of shearer height-adjusting system 1/kg2/kgL 1 / mmL2 / mmd/mm 3 6007 0002 2506002 240 *1 /mm*2 / mmL4 / mmL6 / mmL7 / mm 1801201 200 〜1 814 520 1 500 将 表 1 中的数值代入式（ 2可以得到传递函数 9 。 为 〇 0 50.“ 3 s6. 5 X 10 S 2 9. 9 X 10 4s 1 滚筒的调高量与活塞杆位移之间的比例K 的 计算公式为 K △ L 4 P1 cosarctan p arctan L4 一L4 l2 l2 l4 2L2L3 4 式 中 L4m n为液压缸最小行程。 比例K 在调高过程中呈非线性变化， 变化范围 为 3〜4,本文取8 3。 根据以上参数建立的采煤机调高系统常规模型 如 图 4 所示。 2. 3 模型预测控制模型 在 Matlab/Simulink软件中建立系统模型， 假 设采煤机在一个采样位移（ 1m内，顶板与滚筒之 图图4采煤机调高系统常规模型采煤机调高系统常规模型 Fig. 4 Conventional model of shearer height-adjusting system 间的误差为0. 020 m， 将 0. 020设置为阶跃信号的 输入值。MG300/700-W D型交流电牵引采煤机电 磁开关阀的流量为2. 49X 10-3m3/s ， 为简化系统， 将电磁开关阀转换为具有滞环特性的继电模块[12]， 仿真结果如图5 所示。 b 电磁开关阀开闭情况电磁开关阀开闭情况 图图5 采采 调高系统常规调高调高系统常规调高 的的 Fig. 5 Simulation result of conventional model of shearer height-adjusting system 从 图 5 可看出， 系统在1 s 时产生一个0. 020 m 的阶跃响应之后， 电磁开关阀开闭多次， 超调量为 4. 16X 10-3m， 经 过 5 s 后仍存在较小的等幅振荡， 系统不稳定， 电磁开关阀频繁开闭严重影响其使用 寿命， 超调量较大， 无法满足实际工程中的具体要 求 ， 因此， 在常规模型中加入模型预测控制器进行仿 真。在常规模型中加入模型预测控制器， 建立采煤 机调高系统模型预测控制模型， 如 图 6 所示。 3模型仿真及数据分析 在模型预测控制模型中， 需要整定采样时间Ts 和预测时域长度P 两个数据， 使采煤机可以快速准 确地调高。采样时间 Ts为模型预测控制器中每次 将输入和输出进行大小比较的时间， 控制器根据比 较结果对继电模块发出工作指令。采 样 时 间 Ts较 短时， 虽然可以获得更多的过程信息， 但会导致计算 量 増 加 ， 但如果采样时间Ts较 长 ， 会降低系统的动 2 0 1 8 年 第 5 期张 斯 涵 等 模 型 预 测 控 制 模 型 在 采 煤 机 调 高 系 统 中 的 应 用 研 究 45 图6采煤机调高系统模型预测控制模型 Fig. 6 Model predictive control model of shearer height-adjusting system 态性能。预测时域长度P 为模型预测控制器期望 系统达到相对稳定的时间， 决定继电模块工作的次 数。预测时域长度P 较大时， 虽然稳定性好， 但是 动态响应会变慢， 反 之 如 果 P 的值太小， 系统快速 性较好， 但稳定性和鲁棒性会变差。因此， 选取以下 5 组数据做实验， 得到系统稳定性与快速性更加优 良的基于模型预测控制的电磁开关阀开闭情况和滚 筒高度曲线， 如 图 ；一图 11所示。 时 间/s b 电磁开关阀开闭情况 F g . 图7 Ts0.01s， P10时的模型预测控制模型仿真结果 Simulation result of model predictive control model under condition of Ts 0. 01 s，P 10 F ig .8 b 电磁开关阀开闭情况 图8 Ts j 0. 1 s， P j 10时时的挺型预测控制挺型的仿真结果 Simulation resuit of model predictive control model under condition of Ts 0. 1 s i 1 1 _ 燒0 P 10 0.8 0.9 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 时 间/s b 电磁开关阀开闭情况 图9 Ts 0.002 s， P 10时的模型预测控制模型的仿真结果 Fig. 9 simulation result of model predictive control model under condition of Ts 0. 002 s， P 10 b 电磁开关阀开闭情况 图10 Ts 0.01 s， P 5 时的模型预测控制模型仿真结果 Fig. 10 simulation result ofmodel predictive controlmodel under conditionof Ts 0. 01s， P 5 通过观察上述5 组仿真数据， 令 P 1 0 为一恒 满足调高要求；当 Ts 0. 002 s 时 ， 系统稳定性极 定值， 当 Ts 0. 1 s 时，电磁开关阀开闭次数仅为 佳 ， 但由于采样时间变小， 运算时间随之增加，调高 1 次，但系统基本无法达到稳定， 且误差较大，不能 系统灵敏度变大，电磁开关阀开闭次数增加，反而缩 46 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 0.81.01.2 1.4 1.6 时 间/s 1.8 2.0 滚筒咼度曲线 （ b 电磁开关阀开闭情况 图11 Ts 0.01s， P 50时的模型预测控制模型仿真结果 Fig. 11 Simulation result of model predictive control model under condition of Ts 0. 01 s， “50 短了电磁开关阀的使用寿命， 也无法满足实际工程 要求。令采样时间Ts 0. 0 1 s 为一定值， 当预测时 域 长 度 “ 5 时 ， 电磁开关阀打开时间短， 快速性优 异 ， 但稳定性随之变差， 电磁开关阀开闭次数变多， 不利于延长电磁开关阀使用寿命； 当预测时间长度 “ 5 0 时 ， 系统在5 s 左右达到稳疋， 比其他系统稳 定时间提前了 2 s 左右， 稳定性、 实时性得到明显提 升 ， 但电磁开关阀打开时间变长， 降低了系统动态性 能 。因此， 要对采样时间T s 和预测时域长度“ 进 行综合考虑， 以获得最优的仿真结果。经过比较得 出， 当 Ts 0. 01 s， “ 10时 ， 系统的稳定性和实时 性得到了显著的提高， 较好地优化和校正了采煤机 系统滚筒调高常规模型。 通过对常规模型和模型预测控制模型对比后发 现 ， 在常规模型中加入模型预测控制器， 系统在给定 输 入 后 6 s 左右达到稳定， 电磁开关阀开关次数减 小 ， 相比常规模型而言， 超调量降低了 28. 8 ， 系统 的动态性和稳定性得到了显著提高。 4结语 针对采煤机调高系统建立了模型预测控制模 型 ， 在常规系统模型中添加模型预测控制器， 使得系 统的稳定性和准确性得到了一定的提高， 并通过对 模型预测控制器中的采样时间和预测时域长度进行 调节， 实现了采煤机滚筒准确、 快速、 稳定的调高， 电 磁开关阀开闭次数明显减少， 延长了电磁开关阀的使 用寿命， 为采煤机调高系统提供了一种可行的方法。 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References 1 * 韩 欣 玲韩 欣 玲.我 国 煤 炭 企 业 安 全 生 产 的 政 府 监 管 研 究我 国 煤 炭 企 业 安 全 生 产 的 政 府 监 管 研 究 [D *.开封开封河南大学，河南大学，2012. 2 *邱锦波邱锦波.滚筒采煤机自动化与智能化控制技术发展及滚筒采煤机自动化与智能化控制技术发展及 应用应用[P*.煤炭科学技术煤炭科学技术，2013,4111 0-13. 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