基于神经网络的PID控制方法在矿井提升机中的应用.pdf

2 0 1 5年第 2期 工业仪表与自动化装置 7 7 基 于神 经 网络 的 P I D 控 制 方 法 在矿井提 升机 中的应 用 胥良 贾宪生 黑龙 江科技大学 电气与控制工程学院 哈尔滨 1 5 0 0 2 2 摘要 通过对矿井提升机 的控制策略进行研究 达到提 高提 升机控制 系统的性能 使其运行安 全 可靠 满足煤矿安全生产的要 求 在分析非线性 P I D控制 系统理论基础 上 采用基 于神经网络 算法改进 非线性 P I D控制方法 实现减小 系统 的超调 提 高稳定性等运行 指标 并使 用仿 真工具 MA T L A B进行 了数字仿真 证实了基 于神经 网络非线性 P I D控制方法在矿 井提 升机控制 系统 中的 效 果 关键词 矿 井提升机 P I D技术 非线性 系统 神经网络 中图分类号 T P 1 8 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 5 0 2 0 0 7 7 0 4 PI D co nt r o l me t ho ds b a s e d o n n e ur a l n e t wo r k a p plica t io n in t h e min e ho is t XU L i a n g J I A Xi a n s h e n g S ch o o l o fE l e ct r i ca l a n d C o n t r o l E n g i n e e r in g H e i l o n g fia n g U n i v e r s i t y of S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y H a e r b i n 1 5 0 0 2 2 C h i n a Abs t r act Th is a r t icl e s t u d ie d t h e min e h o is t co n t r o l s t r a t e g y imp r o v e d t h e p e r f o r ma n ce o f e le v a t o r co n t r o l s y s t e m t o ma k e a s a f e a n d r e lia b le o p e r a t io n a n d me e t t he r e q u ir e me n t s o f co a l min e s afe t y p r o d u ct io n Fo r no n lin e a r PI D co n t r o l s y s t e m o n t h e b a s is o f t h e o r e t i ca l a na ly s is t h e imp r o v e d n o n li ne a r PI D co n t r o l me t h o d b a s e d o n n e u r n e t w o r k a lg o r i t h m a ch ie v e d r e d u ce t h e o v e r s h o o t a n d imp r o v e t h e s t a b ili t y o f t h e s y s t e m r u n n in g in de x e s An d d ig i t a l s imul a t i o n is ca ie d o u t by u s in g t h e s imula t io n t o o l MAT L AB p r o v e d t h e e f f e ct o f n o n lin e a r P I D co n t r o l me t h o d b a s e d o n n e u r a l n e t w o r k i n t h e min e h o is t co n t r o l s y s t e m Ke y wo r ds min e ho is t P I D t e ch no lo gy n o n lin e a r s y s t e ml n e u r a l n e t wo r k 0 引言 1 矿井提升机控制系统 煤炭是我 国国民经济和社会发展的基本能源之 一 一 直在我 国一次性 能 源消费 结构 中占 7 0 左 右 2 0 1 0年 占6 0 左右 据国家能源部 门预测 即 使到 2 0 5 0年仍将 占5 0 以上 J 我国煤矿普遍井下作业 相对于其他行业 生产 情况特殊 安全生产更加重要 然而我 国煤矿事故 频繁发生 据统计 国内煤矿事故百万吨死亡率为 1 1 3 而一些先进采矿 国家如美国的百万吨煤炭的 死亡率为0 0 3 远远低于我国 j 解决我国煤矿安 全生产问题已是摆在人们面前的首要任务 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 1 1 作者简介 胥 良 1 9 6 6 黑龙江牡 丹江 人 副教 授 1 9 8 9年 毕业 于黑龙 江矿业学院 自动化系 现从事 电气传动及 自动化 方面 的教学 与科研 工作 矿井提升机控制可分交流与直流驱动 我国对 交流异步 电机调速系统的研究 已经十分成熟 国内 提升机电控 8 0 都是转子 回路 串电阻分段控 制方 式 直流 电机控制方法分为直流发 电机 电动机系 统和利用晶闸管的直流电动机系统两种 发 电机 电动机机组控制系统 由于 比较过时 加上较高 的能 耗 已经不能满足矿山发展 的需要 国内的晶闸管 一 直流电动机系统因体积小 安装方便等优点 得到广 泛应用 图 1 为双 闭环调速 系统原理图 图 2为双闭环 直流调速模 型 为激励 电压 为负载 电流 O 为电机转速反馈系数 为电流反馈系数 矿井提升 机为 K M 3 0 x 4多绳磨擦轮提升机 参数如下 额定 功率 1 5 0 0 k W 额定 电枢电压 8 0 0 V 额定电流 2 2 7 5 A 额定转速 4 4 r m in 7 8 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 5年第 2期 图 1 双闭环直流调速系统原理图 3 num s L H H 卜 0 069s l A S R T I a n s f e r F cn 2 I A C R T r a n s f e r F cn T r a n s f e r l Tr a n 广 一o 01s l 囤 L e a d 转速仿真波形如 图3所示 图2 双闭环直流调速系统模型 图 3 转速仿真波形 通过观察波形可知 双闭环调速系统启 动反应 时间比较长 出现一定程度的振荡 这些因素使得提 升机工作受影响 系统不稳定且超调量较大 易造成 生产运行不安全等问题 提升机性能将受到影响 随着控制理论不断发展 非线性系统的出现 给 提升机的控制带来新 的转机 2 非线性 P I D控 制器 2 1 非线性 P I D控制 非线性 P I D的原理是 以常规 P I D控制为依据 利用 P I D控制系统独特优势 为提升机调速提供方 便 4 J 它的主要优点是运行平稳 超调小 缺点在 于非线性 P I D会降低控制系统的稳态精度 在一定 程度上出现振荡 非线性 P I D离散化控制如式 1 所述 e k K e m K d A e Ij 1 其中 为比例增益 积分增益 微分增益 图 4 非线性增益调节参数变化 曲线 可以增加系统快速性 通过图 4所构造 的函 数 可得 关于误差 e t 函数 W e 2 式 2 中 为系统动态系数 是由神经网络计算得 到的函数 也是关于 e 动态方程 积分参数 K是关于误差的动态函数 K 2 1一e 3 的作用是提高系统的稳定性 动态函数为 W 1 一e t 0 5 e t 4 结合式 1 一式 4 得 U t l E 线性系统 的动态关 系为 t u K e e e f I e r d r 0 e 弓 5 替换 3个动态系数 W 的函数可得 u W 1 e 2 1 一 e f f e 丁 d r 0 W 1一e t 0 5 e t 6 将函数离散化可得 k W 1 e j r E 1 一 e 2 l c e m U 1一 0 5 e 2 E e 尼 一 e 一1 7 1 将式 中采 样周期 参数放 在动态 系统 与 中得 2 0 1 5年第 2期 工业仪表与 自动化装置 7 9 k W 1 e W 2 1一e k s k W 1一e k 0 5 e A e k 8 通过分析系统积分项 i W 2 1一e k s k 微分项 W 1一e 0 5 e k A e Jj 由数学函数可知 当误差 e k 变化时 也就是 当 一 l e t 1 e k E 一1 E k 1 1 0 一 1 E 一1 系统性能指标表达式 1 J 1 E k 1 1 1 由式 9 可得 E 1 J 1 一 1 为使式 1 1 中的函数值经由神经网络得到最 小值 要求 f E k 1 f E k f 具有神经网络 控制的非线性系统如下 Y k 1 Y k Y k一1 Y k一2 Ij k一1 1 2 式 8 中的系数通过加权可使得式 1 1 函数值 最小 利用神经网络算法加权有 1 w j k 一 卢 1 2 3 1 3 对 W i k 求偏导得 一 鱼 鱼 O w j k O E k 1 O y k 1 1 4 O u O w i 将上式的各个子分式求导 代入式 1 4 有 詈 一 E k 1 e3 1 5 一E k 1 1一e y 1 6 一 E k 1 1 一 e o 5 e 2 A e k Y 1 7 将式 1 4 式 1 6 带人式 1 3 有 W k 1 W 1 E k 1 e k Y k 1 8 J2 1 乱 72 1 1 e 2 k s k y j 1 9 W 3 1 W 3 k 卢 E 1 1一e k 0 5 e k A e k Y 2 0 式中 卢为系统学习速率 0 卢0 收敛的条件必须有 一 k 0 由于 0 1 多 1 那么 1 2 5 p k s k 所以当 0 卢 神经网络非线性系统收敛 系统 L 的稳定性与快速性均得到了提升 证明了神经 网络 P I D控制的稳定性好 超调小 计算量少等优点 将上述改进方法应用到提升机调速系统 取学 习速率 1 5 1 0 权值初始值为0 系统经神经 网络在线调试 最终得到转速波形如图 6所示 f s 图6 改进 P I D应用到提升机中的转速仿真波形 通过观察波形 验证了基于神经网络非线性 P I D 系统应用在直流调速系统中拥有响应速度快 系统更 稳定 无超调等优点 对提升机调速系统的控制起到 优化作用 提高了提升机调速系统的整体性能 3 结语 随着我国对煤矿安全生产越来越重视 交直流提 升机调速系统控制也正成为越来越多学者研究的对 象 新的研究方法与改进措施要结合实际环境运用到 生产工作中 为提高煤矿安全生产做出应有贡献 参考文献 1 张胜强 王瑞飞 我国煤矿事故致 因理论及预防对策 研究 D 杭州 浙江大学 2 0 0 4 2 许军 孙静 全数字直流调速技术在矿井提升机中的 应用 D 西安 西安科技大学 2 0 0 9 3 王保德 李文江 杨春稳 大型矿井提升机计算机控制 系统 的研究及应用 D 辽宁工 程技术大学 2 0 0 7 4 曹建福 韩崇昭 方洋旺 非线 性系统理论及应用 M 西安 西安交通大学出版社 2 0 0 6 3 5 5 3 6 7 5 曾酷昭 肖雅芬 蒋杰