带式输送机模糊自适应控制驱动的优化应用

张晓丽

（晋能控股煤业集团有限公司精煤分公司马脊梁选煤厂，山西 大同 037000）

引言

带式输送机是煤矿、港口等进行物料输送的重要设备，在长距离的物料输送中具有易于布置、稳定性高的特点，对煤矿复杂的矿井环境变化具有较好的适应性。带式输送机的输送量大，在工作过程中，消耗的能量较大，特别是传统的带式输送机采用工频驱动的方式，在设备的驱动过程中造成功率的不平衡[1]，形成较大的冲击，不利于带式输送机的运行稳定及设备的维护使用，进而影响煤矿等的输送效率。

针对上述问题，对带式输送机的驱动方式进行模糊自适应的优化设计[2]，从而改善带式输送机的驱动特性，降低能量的消耗使用，提高输送效率。

1 带式输送机模糊自适应控制驱动器的设计

传统的带式输送机采用异步电机结合减速器进行驱动的方式，在工作过程中，异步电机通过无功电场进行能量的转换，负载功率因数只有0.7，且需要结合减速机和滚筒进行配合实现大负载的驱动作业，传动效率只有0.6[3]，使得带式输送机的电能具有较大的消耗，能量的利用率较低。随着外转子永磁同步电机的发展应用，可采用永磁同步电机对带式输送机进行驱动，提高带式输送机的传动效率。

带式输送机在煤矿的输送过程中，由于工作过程的复杂性及负载的动态变化，使得带式输送机的实际运行中存在着容量的滞后，且输送负载的变化较大，使得常规的PID 控制方式无法保证带式输送机的稳定性。针对这一问题，采用永磁同步电机，并结合模糊自适应控制的方式对带式输送机进行驱动[4]。

传统的PID 控制形式在工作过程中，将系统的偏差值作为核心的反馈数据进行控制，但由于带式输送机的滞后性，使得控制的精度较低。模糊控制以语言规则为基础，通过标准化的模糊推理进行控制，采用逻辑关系进行系统的规划执行，使得系统的复杂性降低，对带式输送机的具有较好的适用性，提高了带式输送机控制中的灵活性，具有较好的控制效果。将模糊控制与PID 控制的形式进行结合，形成模糊自适应的控制系统[5]，其整体结构如图1 所示。

图1 模糊自适应控制系统的结构

在控制过程中，将控制误差与误差率作为核心的反馈数据，通过模糊控制的形式进行参数的调整，并通过PID 控制进行整体数据的控制，使得带式输送机具有良好的控制性能，建立模糊自适应控制的模型如图2 所示。

图2 模糊自适应控制驱动模型

2 带式输送机模糊自适应控制驱动硬件设计

带式输送机在工作过程中的负载处于实时的动态变化过程中，且具有一定的滞后，为了提高带式输送机的稳定可靠性，改变带式输送机的驱动控制的同时，对自使用控制驱动的硬件进行同步设计，主要包括对控制功率开关及熔断器进行选型设计。

在带式输送机的选型设计中，依据运行过程中的正反向最大电压值进行功率开关的选型，为保证使用过程中的安全裕量[6]，选择功率开关的使用电压值为带式输送机最大电压值的2～3 倍。经过实验测定带式输送机的正反向最大电压值为537 V，由此选定绝缘栅晶体管型功率开关，其电压使用值为1 342 V，满足系统的使用需求。

同样依据带式输送机的工作电流进行熔断器的选型设计，驱动系统整流器的工作输出为84 A，带式输送机的工作电流为69 A，同样对其进行一定的安全裕量设计，选取熔断器的过流电流值为工作电流的1.1 倍，由此选定80 型的熔断器规格，其过流电流值为80 A，满足系统的使用需求。

3 带式输送机模糊自适应控制驱动的稳定性分析

采用模糊自适应控制驱动的方式对带式输送机进行驱动控制，其采用模糊自适应的控制理论对带式输送机的速度进行控制，采用Matlab 仿真的形式对设计的控制系统的稳定性进行分析。采用Matlab进行带式输送机模糊自适应控制系统的建模，并设定驱动电机的相关参数，包括电机额定转速为130 r/min，转动惯量为0.2 kg·m2，电机对数为20。在分析过程中，设定采样周期为1 600 s，将模糊自适应控制驱动的稳定性与传统的PID 控制的稳定性进行对比分析。

由于带式输送机在工作过程中负载不断的变化，存在着一定的外接干扰，对存在干扰时模糊自适应控制及PID 控制的稳定性进行分析，得到如图3、图4 所示的两种控制模型的误差变化曲线。

从图3 中可以看出，采用传统的PID 控制方式的控制误差变化较大，最大值为3.5 rad/s，而图4 中采用模糊自适应控制模型控制的误差值较小，最大值为0.7 rad/s。对比图3 和图4 中的曲线可知，采用模糊自适应控制的方式进行带式输送机驱动控制，可以提高对带式输送机的控制精度，减小误差，提高带式输送机的稳定性。

图3 PID 控制模型的误差曲线

图4 模糊自适应控制的误差曲线

4 结语

带式输送机是广泛使用的输送设备，在使用过程中，由于输送物料的变化，使得带式输送机的负载处于动态的变化中，而传统的带式输送机的异步电机结合减速机驱动的方式，对带式输送机的控制精度低，无法实现对带式输送机的准确控制，造成大量电能的浪费，不利于节约型社会的建设发展。采用永磁同步电机进行带式输送机的驱动，可以提高运行过程中的传递效率，并采用模糊自适应控制的形式对带式输送机的驱动进行控制。模糊自适应的控制方式，结合了模糊控制与PID 控制的优点，同时以误差及误差率作为反馈数据，并结合一定的模糊推理对带式输送机进行驱动控制。

经过仿真分析可知，模糊自适应的控制模型对带式输送机的控制精度远高于传统的PID 控制模型，可以实现对带式输送机的精确控制，从而实现对带式输送机的自适应控制，促进带式输送机的稳定性及节能减排。