基金项目:中国煤炭科工集团科技创新基金项目(2011ZD007)
通讯作者:郑茂全(1964-),男,甘肃兰州人,教授级高工,E-mail:zhengmaoquan@sina.com
1.西安科技大学 电气与控制工程学院,陕西 西安 710054; 2.宁夏西北煤机有限公司,宁夏 石嘴山 750000
(1.College of Electrical and Control Engineering,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China; 2.Ningxia Northwest Coal Machine Co.,Ltd., Shizuishan 750000,China)
coal scattered; decision tree; stochastic approximation; start slope of subsystem; intelligent group start
DOI: 10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0118
在研究比较长距离带式输送机系统启动方式的基础上,针对长距离多级煤矿输送机重载启动撒落煤料问题,提出一种基于决策树改进随机逼近(IGSA-ISADT)煤矿输送机系统群智能启动算法; 该算法将长距离带式输送机系统各子系统的输送距离、胶带宽度及驱动电机功率作为条件属性,采用决策树确定不同子系统启动斜率; 加速段和匀速段分别按本子系统的启动斜率和控制误差随机逼近给定线速度。通过陕煤集团某煤矿运输距离为3 400 m的四级煤矿运输机系统进行群智能启动仿真验证,结果表明,该群智能启动比常规的比例积分控制启动各子系统逼近给定线速度效果好,最大线速度误差减小到4.22%,不仅动态误差显小而且运行平稳,可对多级输送机重载协调启动预防煤料撒落提供一种参考。
On the basis of studying the starting mode of long distance belt conveyor system,aimed at the coal scattered problem of the long distance coal mine conveyor when multistage system heavy starting,the intelligent group-starting is presented for coal mine belt conveyor-system based on improved stochastic approximation of decision tree(IGSA-ISADT).In this algorithm,condition attributes are selected,which are the transmission distance,the belt width and the driving motor power of the belt conveyor subsystem with long distance,the decision tree is used to determine the starting slope of different subsystems.Acceleration section is started according to the starting slope,and the uniform section is controlled by the error of randomly approximate to given linear velocity.Group intelligent start is simulated using four level coal transport system with coal transport distance of 3 400 meters in a Shaanxi coal mine.The results show that the group intelligence is better than the conventional proportional integral control system,the maximum line speed error is reduced to 4.22%,not only the dynamic error is small but also the running is stable,the algorithm can provide a reference that coal scattered is prevented when heavy starting of coal belt conveyor with multilevel subsystem.
上世纪90年代中期之前,煤矿带式输送机的控制一般采用交流异步电动机转子串电阻启动与调速控制,也有采用液力偶合器或线性湿式离合器调速,这些方式控制调速能耗很大。随着对驱动电机控制方法改进,目前煤矿带式输送机的控制主流采用变频器调速控制; 若不需调速则采用软启动器。这2种设备的显著特点是节能效果显著,且启动、停机平滑。针对驱动电动机的启动问题,国内外专家展开了深入的研究,罗马尼亚的Vlad Ion等针对长距离带式输送机提出对异步电动机启动阻抗分析并实现能量监测来改善系统的启动特性[1]; 德国的Werner Ulrich等从三相异步电动机的机械结构分析,给出了动态偏心对于启动异步电动机转子横向振动分析模型[2]; 巴西的Silva F B B等提出一种新型采用超导理论感应电机的起动方法,新的启动电流限制方法是基于使用高温超导原理[3]; 比利时的Debruyne Colin等研究了电源电压畸变对异步启动永磁电机的能源效率的影响[4]; Meng Dawei等研究高压异步电动机动态阻抗和启动特性的工程计算,提出了一套实用的电机暂态转矩、电流、阻抗计算方法[5]。
国内很多专家对于煤矿带式输送机的优化控制作了大量研究。高洁对大型带式输送机的启动过程进行了深入的分析,确定了合理的启动曲线,并对液体粘性软启动装置的液压系统以及机械系统和电控系统做了详细的分析,从而提出如何利用液体粘性软启动装置来控制带式输送机的启动过程[6],周建中针对带式输送机运输线路长、生产环节多、工艺过程复杂、运输量不均衡,频繁不断启动启停车等特点,设计了基于ARM的集控制、保护于一体控制系统[7]。还有专家介绍采用变频器对矿井的运输机或港煤运输控制比传统的三相绕线电动机串电阻控制节能效果显著,重载启动和自动调速平滑等特点[8-11]。长距离煤矿带式输送机系统一般由多级运输距离不同带式输送机子系统组成,在重载启动时,即使采用变频器调速控制,若对运输距离不同的多级输送机子系统的启动时间控制不好或协调控制不够,也会发生煤料撒落或胶带抖动的现象。针对这一问题,作者对长距离大倾角的煤矿带式输送机系统重载启动过程的静态、动态阻力进行了分析建模[12-13]。在此基础上,针对长距离的煤矿输送机系统,文中提出基于决策树的改进随机逼近群智能启动算法(Intelligent group-starting algorithm based on Improved stochastic approximation of decision tree,IGSA-ISADT)。随机逼近法是未知函数零点的一种递推法,在基本Robbins Monro(MR)随机逼近方法和加权的Kiefer Wolfowitz(KW)随机逼近方法基础[14-16],近年来有多种改进的随机逼近算法,具有代表的是对随机序列进行截尾改进得到新的改进算法[17-18]。IGSA-ISADT将启动过程分成加速段和匀速段,首先根据长距离带式输送机系统各子系统的输送距离、胶带宽度及驱动电机功率采用决策树确定子系统的启动斜率,各子系统的加速段和匀速段分别按本子系统的启动斜率和控制误差随机逼近给定线速度,并进行仿真验证。
一般情况下,带式输送机的驱动电动机定子三相绕组接成星形,则定子三相电流如式(1)所示。
{iA=Imsinωt
iB=Imsin(ωt-120°)
iC=Imsin(ωt+120°),(1)
三相电流产生合成的磁场是一旋转磁场; 一个电流周期,磁场在空中旋转360°; 旋转磁场的转数为
n0=(60f1)/p.(2)
式中 p为极对数,p=2,交流异步电动机的额定转速为ne=1 480 r/min; f1为定子电流频率,f1随着变频器的输出在{0,50 Hz}变化。当f1=50 Hz时,n0为电机的同步速度。电机的转差率S为
S=(n0-n)/(n0)×100%,(3)
转子转速亦由转差率求得
n=(1-S)n0.(4)
一般情况下,异步电动机运行在额定负载时,转差率S为0.015~0.07,电磁转矩是三相异步电动机最重要的物理量之一,其中机械特性是它的主要特性。电磁转矩T为
T=KmφI2cosφ2,(5)
式中 φ为磁通量; I2为转子电流。
I2=(S4.44f1N2φ)/((R22+(SX20)2)1/2),(6)
将I2代入T得出电磁转矩
T=K(SR2U21)/(R22+(SX20)2)=K(SR2U2)/(R22+(SX20)2).(7)
式中 R2为转子等效电阻; U1为定子绕组电压; U电源电压; X20为电动机静态(S=1)时转子每项绕组的感抗; K为与电动机结构参数和电源频率有关,φ2为相角。
根据带式输送机的动态阻力分析,及上述驱动电动机所建的模型[13],若不考虑负载变化引起的干扰,一级(单部)带式输送机运动微分方程如式(8)所示。
m(¨overs)+c(·overs)+ks=T.(8)
式中 m为拉紧滚筒的等效质量; c为系统的阻尼系数; k为系统的刚性系数; T为电磁转矩。
(¨overs),(·overs),s分别为加速度、速度和位移。若设磁路为线性的,若将带式输送机的调速执行机构变频器看作一个惯性环节,则单部带式输送机的线速度离散方程可用式(9)表示。
v(k+1)=a1v(k)+a2v(k-1)+bu(k)-dw(k),(9)
式中 v(k+1)为带式输送机线速度的下一步差分; v(k)为带式输送机线速度的k时刻的值; w(k)为到阻力(包括负载)变化引起的干扰; a1,a2是系统结构参数; b为控制系数; u(k)为k时刻变频器的控制量,带式输送机能否重载平稳启动,是预防撒料故障的关键。
长距离带式输送机系统一般分为多级(带式输送机子系统),而且各级带式输送机子系统的输送距离不一定相同,为了使各级带式输送机子系统能在规定的时间段动态跟踪给定的线速度,实现协调重载平稳启动,提出基于决策树改进随机逼近(IGSA-ISADT)群智能启动算法。该IGSA-ISADT群智能启动算法思路如下
1)根据Kiefer-Wolfoitz(KW)随机逼近的思想,定义动态随机量为
u(k+1)=u(k)+b(df(u))/(dt)≈u(k)+b[up(k)-u(k-1)],(10)
式中 u(k),k=1,2,3,…,n为统计的随机序列; f(u)为衡量是否逼近真值的函数。
2)各级带式输送机子系统规定的启动时间为tir,其中角码i表示第i级子系统,tr表示启动过程上升时间(加速段),若平稳启动过程无超调,则tir=tis,上升时间和调节时间相同。则将各级带式输送机子系统的变频器的输入控制量ui(k)定义为:按输送机的启动加速斜率逼近和按匀速阶段误差逼近2部分,则IGSA-ISADT群智能启动算法由式(11)表示。
{ui(k)=ui(k-1)+bi1·tgθi,k≤tis
ui(k)=ui(k-1)+bi2·ei,k>tis,(11)
式中 tgθi为启动加速斜率,上式为输送机按启动加速斜率逼近; 下式为匀速阶段按误差逼近; ei为第i级带式输送机子系统的给定电压ui和反馈电压ufi之差,ei=ui-ufi,当ui>ufi时,ei为正的误差,当ui<ufi时,ei为负的误差,通过动态的调节系数bi2,使ei不断的向0逼近。
3)各级输送机子系统的给定启动的加速斜率tgθi由决策树确定。
tgθi=(v0)/(tri).(12)
式中 v0为给定的匀速运行的线速度; tri为长距离带式输送机系统的第i级带式输送机子系统的加速时间。假设各级子系统胶带宽度为Bi=1 200 mm,运输距离为Li,启动电机的功率Pi,以Bi,Li,Pi为条件属性,tgθi为决策结果,设子系统输送距离有3种,则对应的决策树由图1给出。图中xi为第i个子系统的启动加速段的斜率,即xi=tgθi.
针对某煤矿3 400 m长的带式输送机系统进行仿真,其中第1级胶带长1 800 m(位于运输大巷)、第2级胶带长1 200 m(位于主斜井)、第3级胶带长200 m(位于井口)、第4级胶带长200 m(位于落煤点前)。其中第1级和第2级均为2部电动机功率为400 kW双机驱动,第3级和第4级均为100 kW电动机驱动。该四部带式输送机带宽均为1200 mm,驱动电机分别命名为M1,M2,M3和M4,带式输送机额定带速度为4 m/s,电机供电电压均采用1 140 V,且主传动滚筒直径均为1 250 mm,该长距离大倾角带式输送机的结构示意图如图2所示。
图2 长距离大倾角多级带式输送机的结构示意图
Fig.2 Structural sketch of multistage belt conveyer with the long distance and large
根据实际工程,该四级式带式输送机系统逆煤流方向启动,首先启动驱动电动机M4,再启动M3,然后启动M2(即:M2j,j=1,2,指第2级胶带输送机子系统采用双机驱动),最后启动运输大巷M1(即:M1j,j=1,2,指第1级胶带输送机子系统采用双机驱动。
图3给出IGSA-ISADT群智能启动算法电动机Mi(i=4,3,2,1)启动控制框图。双机驱动的2个驱动电动机必须同时启动,同步运行。
图中给定带式输送机的线速度为ugi(表示按给定速度曲线对应的第i级给定电压),被控对象为带式输送机的驱动电动机Mi,控制器为IGSA-ISADT群智能启动算法,控制器的输入为3维,分别为胶带长度L,宽度B和线速度的控制误差e=ugi-ufi.
在井下长距离多级带式输送机在重载启动时,若果启动太快,容易引起胶带摆动(震荡),会引起撒料,不仅对胶带和托辊有磨损,严重时可能使系统不稳定。据工程经验,若交流异步电动机的启动加速时间ts按驱动电机的额定功率Pe(kW)考虑为式(13); 也有按带式输送机的给定线速度v0(m/s)和加速度a(m/s2)来考虑为式(14)。
ts=2×(Pe)1/2(kW)+4(s),(13)
ts=[v0(m/s)/a(m/s2)]+5(s).(14)
从图2可知,四级运输机子系统的运输距离L1=1 800 m,L2=1 200 m,L3=L4=200 m,参考式(13)和(14),再考虑到其他因素,采用图1子系统启动加速斜率决策树对子系统的启动加速段的斜率进行推理; 将四级输送机运输距离Li,对应的驱动电机功率Pi,及胶带宽度参数代入图1,文献[12-13],考虑到第2级带式输送机子系统斜井的倾角,现场的稳态想速度为v0=4 m/s,可以推出该带式输送机系统的四级子系统的启动加速斜率
x1=tgθ1=0.05 m/s,x2=tgθ2=0.073 m/s,x3=tgθ3=x4=tgθ4=0.16 m/s.因此,可推导出该带式输送机系统的四级输送带的IGSA-ISADT智能群启动算法在启动加速段的控制率ui(k)为
{u1(k)=u1(k-1)+b110.050,k≤t1s
u2(k)=u2(k-1)+b210.073,k≤t2s
u3(k)=u3(k-1)+b310.16,k≤t3s
u4(k)=u4(k-1)+b410.16,k≤t4s.(15)
根据带式输送机参数的选择及其电动机功率,参考式(9),推得智能群启动的该带式输送机的离散化方程如式(16)所示。
vi(k+1)=ai1vi(k)+ai2v(k-1)+biu(k)-diw(k).(16)
式中 ui(k),i=1,2,3,4四级带式输送机子系统在加速度按式(15)计算,在匀速阶段按(11)的下式计算。在针对第一级和第二级输送机子系统的400 kW的驱动交流笼式三相异步机,可查得驱动电机的转动惯量为2 698 N·m,系统的阻尼系数c=0.53,系统的刚性系数k=0.02,将参数带入到运动微分方程中,则有a11=a21=0.498,a12=a22=0.3; 针对第三级和第四级输送机子系统的100 kW的驱动交流笼式三相异步机,可查得驱动电机的转动惯量为675 N·m,系统的阻尼系数c=0.28,系统的刚性系数k=0.011,100 kW子系统的拉紧滚筒的等效质量不到400 kW系统的拉紧滚筒的等效质量的一半,同理求得,a31=a41=0.472,a12=a22=0.33.
在该煤矿运输机实际运行中,子系统四级带式输送机每隔15 s逆煤流启动,即启动顺序为M4,M3,M2和M1,首先启动落煤点前的第四级带式输送机M4,按15 s的延迟逐级启动,45 s后启动位于大巷的第一部双机驱动的带式输送机M1.对式(16)的噪声项,现采用MATLAB的w(k)=randn(1,80)来产生随机噪声表示启动过动态阻力变化,由于randn产生的随机数幅值最大约为{-2.7,2.7},所以取其增益di=0.02,相当于给四段胶带的驱动电动机模型中均加0.05噪声,取加速段的斜率x1=x2=x3=x4=0.16 m/s,采用常规PI控制等斜率启动仿真如图4所示。
图4中,直线为四级输送机子系统的给定线速度u(m/s),带“*”线为各子系统的仿真线速度v(m/s),可见,整个启动过程速度误差一直存在,
且在k=70 s时最大误差达13%多,偶尔会发生启动胶带抖动煤料撒落问题。在同样噪声下,考虑到四级带式输送机的运输距离Li和驱动功率Pi不同由决策树得到ui(k)式(15),采用常规的PI控制该系统四部带式输送机按不同斜率给定下启动控制仿真结果如图5(a)所示。IGSA-ISADT群智能启动仿真如图5(b)所示。
图5采用PI和IGSA-ISADT(表中简写成IT)群智能启动仿真动态误差数值列于表1.
从图和表可见,对同一系统,IGSA-ISADT控制群启动和PI控制群启动动态误差相比较,对于第三级胶带输送机和第四部胶带输机,在启动过程中,k=50 s时,PI控制误差达到13.98%,而前者控制误差在1.26%以下; 对于长距离的第二部胶带输机子系统,k=70 s时,PI控制的误差达到-14.11%,而前者最大控制误差为4.22%以下; 对于长距离的第一部胶带输机子系统,k=80 s时,控制误差达到-13.65%,而前者控制最大动态误差3.6%以下。分析结果表明,依据多级带式输送机重载启动IGSA-ISADT斜率智能群启动的误差均小于常规PI控制的误差,可防止在启动过程中胶带抖动引起的煤料撒落。
文中针对长距离大倾角不同输送距离分级运输的煤矿带式输送机系统,采用常规的PI控制分级启动引起胶带抖动煤料撒落的问题展开研究,论文的创新性贡献点有
1)在综述国内外相关带式输送机控制与启动方法基础上,针对长距离多级输送机重载启动撒落煤料问题,研究、分析比较长距离大倾角的带式输送机系统的动态阻力,并建立了系统的数学模型;
2)提出了一种基于决策树改进随机逼近(IGSA-ISADT)煤矿输送机系统群智能启动算法,该算法将长距离不同运输距离的带式输送机子系统的启动控制律分为加速段和匀速段,加速段和匀速段分别按本子系统的启动斜率和控制误差随机逼近给定线速度;
3)提出煤矿输送机系统的多级子系统系统将运输距离Li,对应的驱动电机功率Pi、胶带宽度B作为条件属性,建立了启动加速斜率决策树,对驱动电机的启动加速段的斜率进行推理,决策树确定不同子系统启动斜率;
4)采用IGSA-ISADT的智能群算法对陕煤集团某煤矿运输距离为3 400 m的四级煤矿运输机系统进行群智能启动仿真验证,并与常规PI控制分级启动过程进行了比较,结果表明,整个启动过程速度误差均明显减小,特别是大倾角的第二级输送机子系统速度最大误差从-14.11%下降到4.22%,该算法可对多级不同输送机距离的煤矿带式输送机系统重载协调启动预防撒落煤料提供一种参考。