矿井交流提升机低频拖动系统的智能控制.pdf

中国矿业大学学报990 2 2 1 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第2 期 第2 8 卷 Vo l . 2 8 No . 2 1999 矿井交流提升机低频拖动系统的智能控制* 张同庄 曹以龙 谢桂林 摘要 以D PB-550 / 150 -I I 型中国矿业大学低频拖动系统为基础，应用智能控制策略，实 现了交流提升机的速度控制，得到了较好的恒减速控制性能，解决了矿井交流提升机 在减速段和爬行段的速度控制性能较差以及在负载变动时，很难实现恒减速的问题. 该 控制系统已成功地应用于龙东矿主井提升机上. 关键词 矿井提升机，低频拖动，智能控制 中图分类号 T D 534. 7 In t e l l i g e n t Co n t r o l o f Lo w -Fr e q u e n c y D r i v e Sy s t e m f o r A C Co a l M i n e H o i s t Zh a n g T o n g z h u a n g Ca o Yi l o n g Xi e G u i l i n Co l l e g e o f I n f o r m a t i o n a n d e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g , CU M T , Xu z h o u 2 2 10 0 8 A b s t r a c t Ba s e d o n l o w f r e q u e n c y d r i v e s y s t e m o f t h e D PB550 / 150 -Ⅱ t y p e a n i n t e l l i g e n t c o n t r o l s t r a t e g y a p p l i e d t o t h e s p e e d c o n t r o l o f A C m i n e h o i s t i s d e s c r i b e d a n d a s a t i s f a c t o r y c o n t r o l p e r f o r m a n c e i s o b t a i n e d . So m e p r o b l e m s , s u c h a s u n s a t i s f a c t o r y c o n t r o l p e r f o r m a n c e o f A C c o a l m i n e h o i s t i n d e c e l e r a t i o n a n d l o w s p e e d d r i v e p e r i o d , a n d t h e d i f f i c u l t y o f o b t a i n i n g t h e c o n s t a n t d e c e l e r a t i o n d u r i n g c h a n g i n g l o a d , a r e s o l v e d . A d e v e l o p e d c o n t r o l s y s t e m i s p u t i n o p e r a t i o n s u c c e s s f u l l y o n t h e m a i n s h a f t h o i s t o f Lo n g d o n g Co a l M i n e . K e y w o r d s c o a l m i n e h o i s t ， l o w -f r e q u e n c y d r i v e s y s t e m ， i n t e l l i g e n t c o n t r o l 我国有上千台矿井交流提升机，其中绝大多数是由绕线式异步电动机拖动，调速 方式采用转子串电阻［1］. 对它们的技术改造，有利于提高煤矿的生产效率和安全运行. 存在的主要问题是，减速段不能实现恒减速，爬行段爬行时间长，提升周期较长. 要实 现矿井提升机在减速、爬行阶段的高性能控制，必须对电动机的力矩实行有效的控 制，使之满足力图的要求. 对现有交流提升机简单而适宜的方法是固定低频频率，调节 低频电压，并配合投切转子电阻. 通过调节低频电压的大小以及控制转子电阻的投切时 刻，来实现对异步电动机的力矩控制. 由于控制对象的复杂性，采用常规的控制方法很 难达到满意的控制效果［2 ］，本文采用智能控制的方法来实现对矿井交流提升机低频 拖动系统的控制. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 1. h t m （第 1／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 2 中国矿业大学学报990 2 2 1 1 低频拖动系统的组成 低频拖动系统的组成如图1所示. 根据矿井提升机低频拖动系统智能控制的要求以 及全数字交-交变频器实现的需要，系统采用高可靠性的计算机控制系统实现. 整个系统 能否正常运行，主要取决于计算机系统是否稳定、可靠地工作. 由于控制系统对实时性 的特殊要求，尤其是全数字交-交变频器的要求，控制系统采用了多CPU 结构. 在硬件 设计中，共使用了4片单片机（8 0 97 BH ），各处理器的任务相互独立，处理器之间通 过数字接口以锁存器对接的形式进行数字信息交换，类似于双口RA M 结构. 电路板采 用大板结构，优点是功能独立，外连线少，避免了接插件的使用，提高了可靠性. 图1 低频拖动系统组成原理图 Fi g . 1 Bl o c k d i a g r a m o f l o w -f r e q u e n c y d r i v e s y s t e m 2 低频拖动系统智能控制结构 根据矿井提升机工艺过程的要求，低频拖动系统有减速制动过程、低速爬行过 程、低速下放重物以及检修过程等不同的工作过程. 各种工作过程不能采用同一种控制 方法，为此提出下面的智能控制结构. 智能控制器由仿人智能控制器和多模态模糊控制 器组成，多模态模糊控制器的模态转换由仿人智能控制器控制，根据不同的控制要求 采取相应的模糊控制方法. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 1. h t m （第 2 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 2 中国矿业大学学报990 2 2 1 图2 中的多模态模糊控制器是分别针对各种工作过程（减速制动、低速爬行等）要求而 设计的模糊控制器. 在不同的工作状态下将采用不同的模糊控制结构和参数，这将由上一级 的仿人智能控制器根据操作者的需要和系统的实际运行情况来确定. 仿人智能控制器的作用 是通过对整个系统的运行过程监视，进行特征分析，作出相应的控制决策，其中包括对模糊 控制器的调整、系统前馈控制量的设定、电动机转子电阻的投切控制以及对整个系统在运行 出现故障时采取的应急控制等. 图2 低频拖动系统控制结构图 Fi g . 2 Bl o c k d i a g r a m o f i n t e l l i g i n t c o n t r l o o f l o w -f r e q u e n c y d r i v e s y s t e m 模糊控制器的结构如图3所示. 图中的各模糊控制器是分别根据具体的运行要求而独立设 计的，它们的区别主要是模糊化隶属函数和模糊规则不同. 控制给定和被控反馈量经过信号 处理后，分别进入各模糊控制器. 每个模糊控制器都进行各自的模糊化、模糊推理及解模 糊，采用哪个模糊控制器进行控制，由仿人智能控制器进行决策. 在矿井提升过程中可能要 用到2 种模糊控制器，如在矿井提升机正常提升时，完成减速、爬行阶段就需要使用减速和 爬行2 种模糊控制器. 图3 多模态模糊控制结构图 Fi g . 3 Bl o c k d i a g r a m o f Fu z z y c o n t r o l 本系统的各模糊控制器均采用相同结构，如图4所示. 图中K e ，K e c ，K Δu 称为规范 化因子. 模糊控制器采用二维结构，使用速度偏差（e ）和其变化值（e c ）作为2 个变量. 每个 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 1. h t m （第 3／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 2 中国矿业大学学报990 2 2 1 输入变量定义7 个模糊子集. 输出变量采用增量型，也定义为7 个模糊子集. 图4 模糊控制器结构图 Fi g . 4 Bo c k d i a g r a m o f f u z z y c o n t r o l l e r 减速制动控制、爬行控制、低速下放重物控制的隶属函数定义分别见图5～7 . 图中相邻 的模糊数在隶属度函数值等于0 . 5 处交接［3］. 模糊控制分别如表1～3 所示，语言变量定义见 表4. 图5 减速制动模糊控制器隶属度函数定义 Fi g . 5 T h e f u z z y s e t s o f d e c e l e r a t i o n f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 1. h t m （第 4／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 2 中国矿业大学学报990 2 2 1 图6 低速爬行模糊控制器隶属度函数定义 Fi g . 6 T h e f u z z y s e t s o f l o w -s p e e d d r i v e 图7 下放重物模糊控制器隶属度函数定义 Fi g . 7 T h e f u z z y s e t s o f w e i g h t s d o w n -m o v e 表1 减速制动模糊控制规则 T a b l e 1 Fu z z y c o n t r o l r u l e o f d e c e l e r a t i o n e c e NBNMNSZEPSPMPB NBNBNBNMNMPSZEZE NMNBNBNMNMPSZEZE NSNMNMNMNSZE PMPM ZENMNMNMZEPMPMPB PSNSNSZEPSPMPBPB PMZEZEPSPMPMPBPB PBZEZEPSPMPMPBPB f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 1. h t m （第 5／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 2 中国矿业大学学报990 2 2 1 表2 低速爬行模糊控制规则 T a b l e 2 Fu z z y c o n t r o l r u l e o f l o w -s p e e d d r i v e e c e NBNMNSZEPSPMPB NBNBNBNBNBNMNSZE NMNBNBNMNMNSZEPS NSNBNMNMNSZEPSPM ZENBNMNSZEPSPMPB PSNMNSZEPSPMPMPB PMNSZEPSPMPMPBPB PBZEPSPMPBPBPBPB 表3 下放重物模糊控制规则 T a b l e 3 Fu z z y c o n t r o l r u l e o f w e i g h t ’s d o w n -m o v e e c e NB NMNSZEPSPMPB NBNBNBNBNMNSNSZE NMNBNBNMNMNSZEPS NSNB NMNSNSZEPSPM ZENB NMNSZEPSPMPB PSNSNSZEPSPMPMPB PMNSZEPSPSPMPMPB PBZEPSPSPMPMPBPB 表4 语言变量定义 T a b l e 4 D e f i n i t i o n o f s y m b o l s NBNMNSZEPSPMPB 负大 负中 负小 零 正小 正中 正大 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 1. h t m （第 6 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 2 中国矿业大学学报990 2 2 1 推理过程采用“最大-乘积推理法”，解模糊采用“重心法”. 假定模糊控制规则 为 规则1 IF e A 1 a n d e c B1 T H EN Δu C1 规则2 IF e A 2 a n d e c B2 T H EN Δu C2 ⋯⋯⋯⋯ 规则n IF e A n a n d e c Bn T H EN Δu Cn 条件部分 e e 0 e c e c0 结论部分 Δu C 其中e ，e c 是偏差和偏差的变化，A i ，Bi （i 1，2 ，⋯，n ，n 为控制规则数）分别 是输入变量e ，e c 论域上的模糊子集，Ci （i 1，2 ，⋯，n ）是输出变量Δu K 论域上的模 糊子集，隶属函数为棒型. 推理方法是首先用乘法运算求出每条规则的适用度，然后 按“最大-乘积法”合并所有规则，最后采用重心法求实际控制输出. 每条规则的适用度 μi计算如式（1），式中i 1，2 ，⋯，n . 控制增量Δu K 由式（2 ）计算获得. 1 2 3 现场运行结果及结论 D PB550 / 150 -Ⅱ型矿井提升机低频拖动系统在实验室做完各项试验之后，于1997 年 2 月运往工业现场安装并投入运行. 经过近一年的连续使用，装置的工作一切正常，控 制的性能也达到了设计要求. 经实际测试，8 0 0 k W 矿井提升机轻载（5t ）时，减速7 s ，爬 行15. 6 s ，共2 2 . 6 s ；重载（8 . 9t ）时，减速6 . 8 s ，爬行16 s ，共2 2 . 8 s . 由此可以看出，在重 载或轻载下，低频拖动系统都能使矿井提升机按照给定的速度图进行减速和爬行，控 制的效果是令人满意的. 在爬行阶段，使用原机组时速度为0 . 2 m / s ，而使用本装置时速 度可达0 . 4m / s ，爬行速度提高了两倍，大大缩短了爬行时间. 智能控制在矿井提升机低 频拖动系统的应用获得了成功. *煤炭高校优秀青年教师基金（95-0 2 1） 作者简介 张同庄，男，196 4年生，讲师，工学硕士 作者单位 中国矿业大学信息与电气工程学院 徐州 2 2 10 0 8 参考文献 1 顾永辉，范廷瓒. 煤矿电工手册（6 ）. 北京煤炭工业出版社，198 0 . 12 0 ～17 8 2 曹立兴. 转子可控硅调速系统在交流起重机上的应用. 电气自动化，1996 ，19 6 3～ f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 1. h t m （第 7 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 2 中国矿业大学学报990 2 2 1 6 3 诸 静. 模糊控制原理与应用. 北京机械工业出版社，1995. 32 8 ～36 0 收稿日期 1998 -0 5-14 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 1. h t m （第 8 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 2