采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的控制算法仿真

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1、 采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的控制算法仿真 [摘 要]根據(jù)采煤機(jī)工作環(huán)境和滾筒調(diào)高系統(tǒng)的特點(diǎn)，以 MG200 /500 型采煤機(jī)為實(shí)例，其滾筒液 壓系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 50000/s（0.94s*s+2s+1000），對(duì) 其調(diào)高液壓控制系統(tǒng)的模型分別采用常規(guī) PID，模糊 控制，神經(jīng)元算法，給出其原理仿真圖，進(jìn)行了 Simulink 仿真研究。仿真結(jié)果表明，神經(jīng)元控制器能 滿足不同條件的要求，具有良好的靜態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，有效地對(duì)電磁換向閥通斷時(shí)間進(jìn)行控制，使系統(tǒng)具有良好的再現(xiàn)跟蹤，輸出平穩(wěn)且無(wú)超調(diào)的性能。

2、 [關(guān)鍵字 ] 滾筒調(diào)高 PID 模糊控制 神經(jīng)元算法模型仿真 中圖分類號(hào)： TD82 1.現(xiàn)有的滾筒液壓控制系統(tǒng)模型 在實(shí)際工業(yè)過(guò)程控制中大多采用傳統(tǒng) PID 控制 器，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性能好、可靠性高、其 控制原理與控制技術(shù)已完善成熟，且為現(xiàn)場(chǎng)工作人員 和設(shè)計(jì)工程師們所熟悉等優(yōu)點(diǎn)。下圖為滾筒液壓 PID 控制模型。 圖 1 滾筒液壓 PID 控制模型 假設(shè)采煤機(jī)在一個(gè)行走位移采樣間隔 3m 內(nèi)。頂板落差為 0.1 米，即輸入信號(hào) r（t）=0.1[t] 。其仿真結(jié)果如下圖： 圖 2

3、仿真結(jié)果 從上圖能看到， PID 控制對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)跟蹤性能差、超調(diào)大、系統(tǒng)波動(dòng)大， 系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間長(zhǎng)，超出 3 秒，對(duì)于工業(yè)要求的穩(wěn)定， 快速很難達(dá)到要求，為了解決上述問(wèn)題，下面采用模糊控制。 2.模糊控制的滾筒液壓控制系統(tǒng)模型圖 3 模糊控制的滾筒液壓控制系統(tǒng)模型 利用 Matlab 中的 Simulink 建立常規(guī)和模糊控制系統(tǒng)的仿真模型，我們直接調(diào)用模糊控制器，考慮到電磁閥存在換向延時(shí)，在仿真模型中增加了一個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié)。常規(guī)控制系統(tǒng)中 k1（系統(tǒng)增益）和 M （死區(qū)環(huán)節(jié)的死區(qū)量）用來(lái)調(diào)整采煤機(jī)滾筒調(diào)高時(shí)，兩次位置高度所允許的誤差范圍為 0.101m。Q 為電磁換向閥

4、的模型（具有滯環(huán)的繼電非線性特性） 。當(dāng)電磁閥帶電打開(kāi)時(shí)，給定流量 2195×10-4m3/s。其仿真圖如下： 圖 4 仿真結(jié)果 從上圖中，常規(guī)控制和模糊空對(duì)比來(lái)看，采用模 糊控制可以使系統(tǒng)有很好的跟蹤性能，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間比其短，在 2.6s 時(shí)就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且沒(méi)有超 調(diào).在電磁閥通斷瞬間，系統(tǒng)波動(dòng)非常小，可以認(rèn)為處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是相比較常規(guī)控制，剛開(kāi)始上升時(shí)間比采用常規(guī)控制的時(shí)間長(zhǎng)，大約是 1s，對(duì)于工業(yè)要求的快速性很難達(dá)到要求， 為此我們采用神經(jīng)元控制器。 3.單神經(jīng)元控制器的滾筒液壓控制系統(tǒng)模型 圖 5 單神經(jīng)元 PID

5、控制器 Simulink 模型 上圖為單神經(jīng)元 PID 控制器 Simulink 模型，轉(zhuǎn)換 器部分可以通過(guò)使用單位時(shí)間延遲模塊 Unit Delay 實(shí)現(xiàn)。由于單神經(jīng)元學(xué)習(xí)算法不能直接用傳遞函數(shù)加以描述，若簡(jiǎn)單地應(yīng)用 Simulink 將無(wú)法對(duì)其進(jìn)行仿真，此時(shí)要引入 S 函數(shù)。 S 函數(shù)有固定的程序格式，使 用 MATLAB 語(yǔ)言編寫(xiě)，形成 S 函數(shù)的模塊，嵌入到系統(tǒng)的仿真模型中就可以進(jìn)行仿真了。為使得控制器更接近實(shí)用，控制率信號(hào) u（k）接飽和非線性模塊。仿真結(jié)果如下： 圖 7 單神經(jīng)元 PID 控制器 Simulink 模型 從仿真結(jié)果看出，單神經(jīng)元

6、 PID 控制器過(guò)渡時(shí)間 僅需不到 0.4s，可以看出單神經(jīng)元 PID 控制器較好的控制效果。 4.結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)比較常規(guī) PID ，模糊控制，神經(jīng)元算法的仿 真結(jié)果可以得出，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法不僅可以解 決常規(guī) PID 控制的超調(diào)、震蕩，跟蹤效果差的問(wèn)題， 還可以解決模糊控制的過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)的劣勢(shì)，利用單神 經(jīng)元控制方法，系統(tǒng)的輸出波動(dòng)非常小， 系統(tǒng)處于“動(dòng) 態(tài)平衡”狀態(tài)，避免滾筒調(diào)控過(guò)程中出現(xiàn)波動(dòng)超調(diào)， 證明了設(shè)計(jì)的采煤機(jī)滾筒調(diào)高單神經(jīng)元控制器是正確 的，同時(shí)也證明了把神經(jīng)元控制應(yīng)用到井下采煤機(jī)滾 筒位置高度的液壓系統(tǒng)的可行性。 參考文獻(xiàn)： [1] 劉金琨 . 先進(jìn) PID 控制 MAT LAB 仿真 [M ] . 北京： 電子工業(yè)出版社， 2004. [2] 吳曉莉， 林哲輝 . MATLAB 輔助模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M ]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2002：172 - 194. [3] 薛定宇 . 控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) [M ] . 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2005.