基于AFSA-ACA自适应模糊滑模的采煤机滚筒液压调高控制.pdf

2 0 1 5年 4月 第 4 3 卷 第 8期 机床 与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 4 6 基于 A F S A A C A自适应模糊滑模的采煤机滚筒液压调高控制 刘芳璇 ，崔晶 ， 李益民 ， 王桂 荣 1 ．西安铁路职业技术学院牵引动力 系，陕西西安 7 1 0 0 1 4 ； 2 ．中国计量学院机 电工程学院，浙江杭 州 3 1 0 0 1 8 摘要为研究采煤机滚筒在不同复杂工况下的位置跟踪控制 ，以液压机构的工作原理为基础，建立了滚筒液压调高机 构的数学模型。基于自适应模糊微分积分滑模鲁棒性强的优点 ，提出了在鱼群一 蚁群融合算法优化滑模控制器参数条件下 的滚筒位置跟踪控制方案，并分析了滚筒在采用一般滑模控制器及 自适应模糊微分积分滑模控制器下位置跟踪的特点。仿 真结果表 明 采用结 合融合算法优化 的 自适 应模糊微分积分滑模控 制器的滚筒调高 机构对 内部参数摄 动及外部 时变干扰 具 有较好 的鲁棒性 ．能够实现位置跟踪控 制。 关键词 采煤机；液压调高；自适应模糊微分积分滑模控制 ；鱼群一 蚁群算法 中图分 类号 T D 4 2 1 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 8 1 4 1 4 Re s e a r c h o n Hy d r a u l i c He i g h t Ad j u s t me n t f o r S h e a r e r D r u m w i t h A d a p t i v e Fuz z y Di ffe r e nt i a l a nd I n t e g r a l S M C ba s e d o n AFSA- ACA L I U F a n g x u a n ，CUI J i n g ，L I Yi mi n ，WANG G u i r o n g f 1 ． De p a r t me n t o f Ra i l wa y P o we r T r a c t i o n．Xi ’ a n Ra i l w a y Vo c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l Co l l e g e ， Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 01 4， Ch i n a； 2． Co l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g， C h i n a Me t r o l o g y U n i v e r s i t y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 1 8 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c m e c h a n i s m， a m a t h e m a t i c a l mo d e l o f h y d r a u l i c d r u m h e i g h t a d j u s t m e n t w a s e s t a b l i s he d f o r t h e s t u dy o f p o s i t i o n t r a c ki ng e s t i ma t e s o f s he a r e r’ s d r um wo r k i n g un d e r v a r i o u s a nd c o mpl i c a t e d c i r c u ms t a nc e s ．Th e d ru m p o s i t i o n t r a c k i n g s c h e m e ． i n w h i c h t h e f u s i o n a l g o r i t h m o f a r t i fi c i a l fi s h s w a r m a l g o r i t h m a n d a n t c o l o n y a l g o r i t h m A F S A A C A w a s a d o p t e d t o o p t i mi z e t h e p a r a me t e r s o f t h e s l i d i n g mo d e c o n t r o l l e r ，w a s p r o p o s e d o n t h e b a s i s o f r o b u s t a d v a n t a g e s o f a d a p t i v e f u z z y d i f f e r e n t i a l a n d i n t e g r a l s l i d i n g m o d e c o n t r o l A F D I S MC ， a n d t h e s p e c i f i c w o r k i n g c h a r a c t e r s w i t h b o t h g e n e r a l a n d a d a p t i v e s l i d i n g mo d e c o n t r o l we r e a l s o a n a l y z e d ． S i mu l a t i o n r e s u l t s i l l u s t r a t e t h a t t h e a d a p t i v e c o n t r o l s y s t e m i s r e l i a b l e i n b o t h o c c a s i o n s a n d c a p a b l e o f a c h i e v i n g b e t t e r p o s i t i o n t r a c k i n g c o n t r o l wi t h g o o d r o b u s t n e s s ． Ke y w o r d s S h e a r e r ；H y d r a u l i c h e i g h t a d j u s t me n t ；A d a p t i v e f u z z y d i f f e r e n t i al a n d i n t e gr a l s l i d i n g mo d e c o n t r o l A F D I - S MC ； A rt i fi c i a l fi s h s w a r m a l g o r i t h m a n d a n t c o l o n y a l g o r i t h m A F S A A C A 在采 煤机滚筒实际作业 中 ，其调 高控制大多依靠 人工红外 遥控或者人 眼识 别 ，而 囿于工 况 的复杂性 ， 如在井 下作业或者特殊地段作业 ，单 纯依 赖人工经验 已经无 法辨别截割滚筒是否切 割到岩石 。截割煤岩层 时机器 如不能正确识别煤岩分 界 ，则 容易导致截割不 足 而不 能充分采煤或截割过剩 而损坏 机器 。因此 ，采 煤机滚筒 的高度需 自适应地根据 工况 的不同而进行调 整 。 目前 已经 提 出 了很 多调 整 采煤 机滚 筒 高度 的方 法 ，如文献『 1 ]提 出的模 糊控制 ，即设计 模糊 控制 器对 滚筒高度进行模糊控制 ；文献[ 2 3 ]分别 采用 P L C及先 导式 比例控制 阀作 为控制元 件 。对整个液压 调 高系统 进 行 实验 研 究 ；文 献『 4 ]提 出 了专 家 控 制 ，利用专 家经验分段调整控制器输 出波形 ，平滑调 整被控对象的具体动作。 在工程上滚筒 自调高液压控制 系统 的位置控制 闭 环通 常采用 常 规 P I D控 制 器 。常规 P I D控 制虽 然 算法简单 ，鲁棒性好，可靠性高，但其对于非线性扰 动 、时变 负载存 在不能在线调整 的缺陷 | 6 ] ，被控 系统 的抗 干扰性 和抗参数摄动能力不够理想 ，难 以获得满 意的动态性能 ；模糊控制 因调整经验复 杂 ，隶属度 函 数相互关联性较高而增加 了设计 的难度 专 家控制以 先验经验为主 ，应对复杂工况 的适应性欠佳 ；而滑模 控制具有抗扰动能力强以及鲁棒性好等特点E 7 - 8 3 。因 此 ，文 中设计 了一种 自适 应模 糊 微 分积 分 滑模 控 制 收稿 日期 2 0 1 4 0 2 1 3 基 金项 目国家 自然科学基金资助项 目 6 1 2 0 3 1 1 3 作者简 介 刘芳 璇 1 9 8 8 一 ，男 ，硕 士 ，助教 ，主 要研 究 方 向为 电、液 、气 伺 服 系统 及 其 驱 动 技术 、群 智 能算 法 等 。 E-ma i l k e v i n c e hi c s 1 6 3． c o n。 1 4 2 机床与液压 第 4 3 卷 器 ，将其作为位置闭环控制器并采用鱼群一 蚁群融合 算法对滑模控制器的参数进行优化。仿真结果表明 优化后滚筒调高系统响应快速，无超调，抗负载扰动 性 能佳 ，鲁棒性强 。 1 自适应模糊微分积分滑模控制器设计 不考虑 阀控液压缸 的外部泄漏 ，采煤机滚筒 自调 高液压控制 系统 的动力学模型 _ 9 为 rp L A ，r K x F L I 一 c K Ki “ 1 式 中 为电压放 大器 增益 ，将 电压 偏差 值进 行放 大后转化为 比例 电磁铁 的输 入 电流值 ； ； 为 比例 电 磁铁增益 。将 比例电磁铁的电流输 入转化 为对应衔铁 铁芯位移．继而带动三位四通滑阀的阀芯产生微小的 位移量；其余参数均为液压控制系统基本参数 ，具有 自明性 。 选取状态变量 。 、 、 x ，得系统 的状 态方程为 [耋 塞 曼 ][ ] [量 ]“ [争]d r x ,1 y [ 1 0 0 ] I l 2 式中 △ ，l a I ； 。。 - 4 fl e C _ , 一K；． 0 1 2 o 一 A 2 C t B m V m 一 等 等 m ． ． m ．， KoK。；d一 一 4 fl e C 一, F ； K √ 丽； 卢 JB 。 △ p ， △ p ≤卢 ；I d J D 。 为系统的标称参数， △ 、△ 芦为系统参数 的不确定部分 。 选取积分滑模面为 z C 1 i c 2 2 3 k J 1 一 Y d d r 3 ， 0 根据到达滑模面 的广义条件设 计 自适 应微分积分 控制器及控制律 ，如式 4 、式 5 所示 一 壶 _ Yd j 叼 L l ／ 4 式 中e 。 一 Y ， p 、y 、A均为正常数。 则系统状态到达 z0后 的传递 函数为 y d c 2 s c l sk 由式 2 一 5 可得 5 6 1[ 3 -h z ] 7 定义 L y a p u n o v 函数为 1 3 p 1 卢 - 2 1 A 8 将 自适应律式 5 代人得 V 3 ∑ 托 “ 一 h z ‘ 1 1 T i e ～ 3 z d一∑P i1 A 9 式 4 代入得 一 h z 2 ≤ 。 。系统 是渐进 稳定的 。即滑模的存 在性 和稳定性成立 。 针对控制变量 设计模糊控制器 。得 u 卢 l 3 6 十 一 3 一 3 』 9 一 一 3 ／ 33 一 一 3 一 6 1 ≤ 一 1 1 ≤ 一0．5 0 ． 5 8 ≤ 0 0 0 1 3 式 中 W ，W ，W ， ，W 为各项加权值 。 选取微分 控制器 参 数 0 ． 1 3 7 ，滑模 面待 优 化 参数范 围 c 。 ∈ [ 0 ，5 0 0 ] ，c ∈ [ 0 ，3 5 0 ] ，k E [ 0 ， 1 0 0 ] 。融合算法 经 迭 代 1 0 0次 后 ，得 到 优 化后 的参 数 C ， 3 7 7 ． 6 4 3 ，C ， 2 8 7 ． 8 5 6 ，k 7 4 ． 1 7 8 。选取 设 计 参数 h 6 0 0 。 ． 3仿 真结 果及 分析 对采煤机滚筒液压调高控制系统采用结合算法优 化 的 自适应模糊微 分积分 滑模控 制器进 行仿 真研究 。 采煤机滚筒 自适应控制 系统结 构如图 1 所示 ，对应 的 基本参数见表 1 。 图 1 采煤机 A F D I S M C系统结构图 表 1 采煤机参数表 液压 缸两腔总容积 V ,／ m 液压油密度 p ／ k g m 液压 缸内泄漏系数 C ／ m S ～ P a 负载质量 m ／ k g 液 压油弹性模量 e ／ P a 放大器增益 K ． ／ A V 弹簧刚度 K ／ N m 液压缸作用面积 A ／ m 黏性阻尼系数 B ／ N m～ S 伺服阀增益 K ； ／ m A 图 2 为采用 自适应模糊微 分积分 滑模以及一般滑 模 的采煤 机滚筒 液压调高动态响应特性 。为考察滚筒 对位 置跟 踪的无 偏性 ．以不等幅 的方波作为输入信号 模 拟工况 中的截割分界 。系统参数 的不确定部分为 △ 0 ． 5 a m s i n 2 w t △ 0 ． 0 s i n 2 w t d2 0 6 4 c o s 2 w t 9 ． 7 1 4 0 0 0 1 2 0 0 s i n 2 n t 由图 2知 虽然采 用 自适 应模糊滑模和一般滑模 的采煤机滚筒对有 限时间 内的不 同位置 给定均 可实现 较好跟踪 ，但 相 比之下 见 图 3 ， 自适应 模糊 滑模 控制 系统 跟踪误 差相对较小 ，可较快恢复至稳态 。 瑚 ． 2 m B 0 m m 拟 舣 1 1 8 1 4 4 机床与液压 第 4 3卷 l ～给 定位 置 2 - -自适应滑模位置跟踪 卜 一般滑模位置跟踪 l＼ r l1 一 if 。 f 0 0． 5 1 1． 5 2 2． 5 时 间， s 10 耋 ．8 1 m 自适应滑模跟踪误差 卜 一般 滑模 跟踪 误 差 图 2 位置跟踪 曲线 图 3 位置跟踪误差曲线 图4 、图 5 分别为采用一般滑模及 自适应模糊微 分积分 滑模 的采煤机滚筒液压调高 系统控制信号 以及 所设计 的积分 滑模 面的动态 响应特性 。对 比可知 采 用一般滑模的调高系统控制信号和积分滑模面在切换 时间处摄 动较 大 ，稳定 时间较长 而采用 自适应模糊 滑模 时 ，调高 系统 的控制信号和积分滑模面在切换时 间处摄 动较小 ，系统可 以较快恢复至稳定状态 ，且参 数变化 和外界 负载扰动对滚 筒调 高性能影 响不 明显 ， 系统具 有较强 的鲁棒性 。 时 间／ s 时 间／ s a 一般 滑模 控 制信 号 b 自适应 滑模 控制 信 号 图 4 控制信号 - I 1 ． ～ f 时间， s 时间， s a 一般积分滑模面 b 自适应模糊积分滑模面 图 5 积分滑模面 结 合上述仿 真结果 知 采用 自适应模糊微分积分 滑模 的采煤机 滚筒 自调 高液压控制系统能实现对给定 方波信号 的位置 跟踪 ，且 跟踪误 差 小 ，恢 复稳 态 时 间短 ；参数 变化 和负载扰 动对 滚筒 的 自适应 调 高性 能影响不 明显 ，系统具 有较 强 的鲁棒 性 。故基 于 自 适应模糊微分积分原理设计的滑模控制器可使滚筒 调 高液压控 制 系统 在较宽 的范 围内获得 较 高 的位置 跟踪精度 4结束 语 结合鱼群 一 蚁群融合 算法设计 了 自适应 模糊微分 积分位置 闭环滑模控制器 ，并与采用一般滑模控制的 滚筒调高性能进行 了比较 。由仿真结果知 采用 自适 应模糊微分积分滑模 的滚筒调高液压控制系统具有 良 好 的动态特性 ，且对 内部参数摄动及外部干扰等具有 良好 的 自适应 性 ，不 仅能 够保 证滚 筒 调高 的动 态 响 应 ，还可有效改善其鲁棒性和抗干扰性能 。 参考文献 [ 1 ]蔡桂英． 采煤机滚筒调高模糊控制器的设计与仿真[ D] ． 哈尔 滨 哈尔滨工程大学 ． 2 0 0 5 ． [ 2 ]季瑞， 王忠宾， 关明． 采煤机滚筒自动调高的液压控制方 法 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 3 ， 4 1 4 1 0 0 1 0 2 ． [ 3 ]周晓谋 ， 张岩军， 王忠宾． 采煤机截割滚筒 自适应液压调 高系统设计 [ J ] ． 液压 与气动 ， 2 0 1 2 3 2 5 2 7 ． [ 4 ]白新宇． 连续采煤机滚筒设计专家系统研究[ D] ． 葫芦 岛 辽宁工程技术大学， 2 0 0 7 ． 『 5 ]张修荣． 采煤机滚筒 自适应液压调高系统研究 [ D] ． 西 安 西安科技大学 ， 2 0 0 9 ． [ 6 ]肖理庆， 邵晓根， 张亮， 等． 利用改进遗传算法优化 P I D 参数 [ J ] ． 计算 机工 程与应用 ， 2 0 1 0 ， 4 6 1 2 0 0 - 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