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采煤機(jī)滾筒自動調(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
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，有效地對電磁換向閥通斷時間進(jìn)行控制，使系統(tǒng)具有良好的再現(xiàn)跟蹤，輸出平穩(wěn)且無超調(diào)的性能。
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[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： TD82
1.現(xiàn)有的滾筒液壓控制系統(tǒng)模型
在實(shí)際工業(yè)過程控制中大多采用傳統(tǒng) PID 控制
器，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、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)在一個行走位移采樣間隔 3m 內(nèi)。頂板落差為 0.1 米，即輸入信號 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 控制對整個液壓系統(tǒng)跟蹤性能差、超調(diào)大、系統(tǒng)波動大， 系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時間長，超出 3 秒，對于工業(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，在仿真模型中增加了一個延時環(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）用來調(diào)整采煤機(jī)滾筒調(diào)高時，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)電磁閥帶電打開時，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)控制和模糊空對比來看，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)的時間比其短，在 2.6s 時就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且沒有超
調(diào).在電磁閥通斷瞬間，系統(tǒng)波動非常小，可以認(rèn)為處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是相比較常規(guī)控制，剛開始上升時間比采用常規(guī)控制的時間長，大約是 1s，對于工業(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
器部分可以通過使用單位時間延遲模塊 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，若簡單地應(yīng)用 Simulink 將無法對其進(jìn)行仿真，此時要引入 S 函數(shù)。 S 函數(shù)有固定的程序格式，使
用 MATLAB 語言編寫，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 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 控制器過渡時間
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
通過比較常規(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，跟蹤效果差的問題，
還可以解決模糊控制的過渡時間長的劣勢，利用單神
經(jīng)元控制方法，系統(tǒng)的輸出波動非常小， 系統(tǒng)處于“動
態(tài)平衡”狀態(tài)，避免滾筒調(diào)控過程中出現(xiàn)波動超調(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。
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采煤機(jī)滾筒自動調(diào)高系統(tǒng)的控制算法仿真
