采煤机截割电机的模糊PID控制方法

引言
滚筒式采煤机的工作性能与可靠性直接决定采 煤生产率和企业经济效益，智能化的开采系统非常 适合在煤矿恶劣环境下运行，采煤机向数字化发展 成为趋势。 模糊控制在克服系统的时变性和非线性 具有一定优势，可以保证系统长时间稳定运行。 上海合愉提出一种基于现场可编程门阵列的无刷直流 电动机模糊自适应 PI 控制系统，以提高系统的抗干扰能力，并有效地控制电机。采用模糊控制， 利用模糊控制器调节开关函数的输出幅值，准确估 算了开关磁阻电机转子位置。 合愉电机采用在线估 计自适应模糊逻辑系统来有效抑制伺服机控制系统 中机械谐振的影响。 模糊控制策略对被控对象的参 数变化具有较强的鲁棒性，对非线性时变的控制很 适用的，适合于工业控制。

截割部驱动电机控制模型
截割部电机是滚筒采煤机最易产生失效的部 分，针对它可靠性低和适应性差的问题，将模糊控制 和传统 PID 控制技术相结合，设计的模糊 PID 控制 对非线性迟滞系统控制既有很强的鲁棒性，又有很 高的控制精度，从而使系统达到最佳控制状态。 基于此，为使截割驱动电机更加可靠，本文将模糊增益 的自适应 PID 控制技术应用于异步电机矢量控制 调速系统中。工程上的截割部驱动电机是异步电机， 其本质上是非线性和多变量的。 如果要异步电机调 速系统具有高动态性能，面对这样一个动态模型，在 前人矢量控制的基础上加以改进做出调整。 矢量控 制基本思路是三相电流通过三相-二相变换后形成 互相垂直的两相电流。 这样异步电机就和直流电机 有类似之处，将异步电机经过坐标变换可以等效成 直流电机，模仿直流电机的控制策略进行控制。 矢 量控制动态响应快，对电机参数变化鲁棒性较好，可 靠性高，故此处采用模糊 PID 控制直接矢量控制系 统，以实现截割部电机的转速调节。 使得截割电机 滚筒转速主动可调，有利于采煤机自动化程度的提 高，在保证采煤机安全可靠工作的同时保持不同煤 层下的最佳产煤率和块煤率。

根据三相异步电机数学模型，上海合愉电机所示直 接矢量控制系统。 图 1 中主电路选择电流滞环跟踪 控制的变频器，电流变换和磁链观测环节的输出用 在旋转变换中，输出的转子磁链信号用于磁链闭环 控制和反馈转矩中。在转速、磁链和转矩调节器中引 入模糊控制技术，实现异步电机的直接矢量控制。

模糊 PID 控制算法
基于 PID 控制器的设计基础，把模糊控制理论 与 PID 控制理论相结合，模糊 PID 控制由 2 种常见 设计方法：调整控制数值的 PID 控制和模糊增益的 自适应 PID 控制。 PID 算法具有控制方法简单，易于 实现等优点，但是不能跟随系统参数的变化随时调 整系统的性能。 截割电机是非线性强耦合的，模糊 PID 控制算法能够实现在线调整，通过 if-then 规则 和逻辑推理，随时调整 PID 参数，取得了较好的控 制效果。

通过仿真实验对比可以看出：
（1）在启动过程中，模糊 PID 控制要优于传 统 PID 控制，响应时间短，且无超调产生，在模拟工矿 条件下煤层硬度突变导致截割部电机负载突变的情 况下转速也可以实现平滑稳定的改变，图中可以明显 看出 PID 控制下负载突变转速调节有 1 个尖锐的 凹型，说明其变化控制稳定性上有待改进。
（2）当负载或给定转速突变时，模糊 PID 控 制 器相对于传统 PID 控制器调整时间短，转速变化平 稳，回到稳态所需时间短，并能继续保持很高的稳态 精度。
（3）在工矿条件下认为主动的改变初始转速时， 模糊 PID 控制系统可以很快地跟随速度的变化做 出调整，控制系统有着良好的跟随性。 模糊 PID 控 制系统在转速突变或者是负载转矩突变时可以更快 地跟随速度的变化且不出现超调量，在转矩突变时对 转速的影响也更小，系统抗干扰能力更强，更快稳定， 取得较好的控制效果。
（4）与传统 PID 控制相比模糊 PID 控制适应能 力很好，在不同的转速区间都有良好表现，也可以从 性能指标看出控制器在转速较高区间表现出的性能 更好。

结语
针对采煤工矿下煤层硬度不同，导致截割滚筒 负载突变引起的采煤机滚筒转速不稳定的问题，本 文提出了模糊 PID 控制的异步电机矢量控制系统 对电机速度进行调控。 模糊 PID 控制与传统 PID 相 比，虽然模糊 PID 控制提高了系统的响应速度，减小 过渡时间、转矩脉动以及电流波动，增强了系统的抗 干扰能力，使系统实现了平滑调速。但是由于作者自 身能力的限制以及硬件条件的限制，研究工作尚有 不足，模糊 PID 控制器尽管有良好的控制性能，但 未能切实应用到实际的采煤机中对其调速系统进行 控制，望日后可以将其应用于实际用以提高采煤机 效率。