基于自抗扰转矩补偿的采煤机截割传动系统动载荷主动控制.pdf

第5 4 卷第1 5 期 2 0 18 年8 月 机械工程学报 J O U R N A LO FM E C H A N I C A LE N G I N E E R I N G V b l ．5 4N O ．1 5 A u g ． 2018 D o I 1 0 ．3 9 0 1 ／J M E ．2 0 1 8 ．1 5 ．0 3 1 基于自抗扰转矩补偿的采煤机截割传动系统 动载荷主动控制木 葛帅帅秦大同胡明辉刘永刚 重庆大学机械传动国家重点实验室重庆4 0 0 0 4 4 摘要为有效抑制由冲击载荷引起的采煤机截割传动系统动载荷，提出基于自抗扰转矩补偿的采煤机截割传动系统动载荷主 动控制方法。综合考虑电动机动态特性、齿轮时变刚度以及滚筒负载特性等，建立采煤机截割传动系统机电耦合动力学模型 以弹性扭矩轴两端的转速差为反馈状态变量，设计了传动系统动载荷自抗扰转矩补偿控制器，该控制器以弹性轴两端的转速 差等于零为跟踪目标，将动载荷抑制问题转换成目标轨迹跟踪问题，通过控制电动机转矩来抑制截割传动系统动载荷；最后 分析突变工况下所提控制方法对传动系统动载荷的抑制效果。研究结果表明基于自抗扰转矩补偿的采煤机截割传动系统动 载荷主动控制可有效地衰减由外部突变载荷引起的截割传动系统动载荷；载荷突增和突减工况下，与截割电动机直接转矩控 制相比，基于自抗扰转矩补偿的传动系统动载荷分别减少4 6 ．5 1 ％和3 8 ．8 7 ％。 关键词采煤机；机电传动系统；动载荷自抗扰控制 中图分类号T D 4 2 1 A c t i v eC o n t r o lo nD y n a m i cL o a d so ft h eD r u mS h e a r e rC u t t i n g T r a n s m i s s i o nS y s t e mB a s e do nA c t i v eD i s t u r b a n c eR e je c t i o nT o r q u e C o m p e n s a t i o n G ES h u a i s h u a i Q r ND a t o n g H U M i n g h u i L I UY o n g g a n g S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM e c h a n i c a lT r a n s m i s s i o n ，C h o n g q m gU n i v e r s i t y , C h o n g q i n g4 0 0 0 4 4 A b s t r a c t I no r d e rt os u p p r e s st h ed y n a m i cl o a do ft h ee l e c t r o m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h ed r u ms h e a r e rc u t t i n gu n i t ，a n a c t i v ec o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e db a s e do na c t i v ed i s t u r b a n c er e j e c t i o nt o r q u ec o m p e n s a t i o n ．A ne l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gm o d e l o ft h ed r u ms h e a r e rc u t t i n gu n i ti se s t a b l i s h e dc o n s i d e r i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r , t i m e - v a r y i n gm e s h i n gs t i f f n e s sa s w e l la sd r u ml o a dc h a r a c t e r i s t i c ．T a k i n gt h es p e e dd i f f e r e n c eb e t w e e nt h em o t o rr o t o ra n dt h ef i r s ts t a g eg e a ra sf e e d b a c ks t a t e v a r i a b l e ，a na c t i v ed i s t u r b a n c er e j e c t i o nt o r q u ec o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e rf o rs u p p r e s s i n gt h ed y n a m i cl o a do ft h ee l e c t r o - m e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o ns y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c ht a k e st h es p e e dd i f f e r e n c ea st h et r a c k i n gc o n t r o lt a r g e ta n dt r a n s f o r m st h ed y n a m i cl o a d s u p p r e s s i n gp r o b l e mi n t ot h et r a j e c t o r yt r a c k i n gp r o b l e m ．T h es u p p r e s se f f e c to nt h ed y n a m i cl o a do ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e mi s a n a l y z e db a s e do nt h ep r o p o s e dm e t h o d ．R e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o p o s e dm e t l l o dh a sg o o dc o n t r o le f f e c tt os u p p r e s st h e d y n a m i cl o a dc a u s e db ym u t a t i o n a le x t e r n a ll o a d ，c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ld i r e c tt o r q u ec o n t r o lo f t h ec u t t i n gm o t o r , t h ed y n a m i c l o a d sa r er e d u c e d4 6 ．51 ％a n d3 8 ．8 7 ％u n d e rb o t hs u d d e n - i n c r e a s i n ga n ds u d d e n - d e c r e a s i n gd r u ml o a d s ，r e s p e c t i v e l y ． K e yw o r d s d r u ms h e a r e r e l e c t r o - m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m ；d y n a m i cl o a d ；a c t i v ed i s t u r b a n c er e j f e c t i o nc o n t r o l 0 前言 采煤机是综采成套装备的主要设备之一，对提 高工作面的产能和效率起着决定性的作用；采煤机 截割部作为由截割电动机、齿轮传动系统及截割滚 国家重点基础研究发展计划资助项目 9 7 3 计划，2 0 1 4 C B 0 4 6 3 0 4 1 。 2 0 1 7 1 2 1 2 收到初稿，2 0 1 8 0 1 1 0 收到修改稿 筒等组成的机电耦合系统，其消耗功率占整个采煤 机功率的8 0 ％～9 0 ％【l 。2 J 。由于截割环境恶劣，煤层 中含有强度较高的岩石夹矸、硬质包裹体以及岩石 断层等，使得作用在滚筒的外载荷具有随机性、强 冲击的特点，导致采煤机截割部成为整机最薄弱的 部分之一【3 】。 目前，采煤机截割部性能受到越来越多的学者 关注，但主要的研究集中在传动系统可靠性优化、 万方数据 3 2 机械工程学报 第5 4 卷第1 5 期 滚筒截齿排列优化、传动系统创新设计等方面[ 1 。2 “ J ， 有关通过主动控制对采煤机截割传动系统动载荷进 行抑制的研究鲜有报道。已有学者【8 。15 】在风电、轧 机等领域通过主动控制来减小由外部载荷突变引起 的机电传动系统疲劳载荷，即通过设计阻尼控制器 在原发电机／电动机转矩的基础上叠D N l t “ 偿转矩，以 增大传动链的电气阻尼。部分学者【8 ‘12 J 建立了基于 带通滤波器 B a n d p a s sf i l t e r , B P F 的扭振阻尼控制器 以抑制外部载荷突变引起的风电齿轮传动系统冲击 载荷和避开因扭转振动引起的传动链共振。然而， 当被控对象存在模型参数扰动和不确定性因素时， 基于B P F 的阻尼控制器的稳定性以及其对传动系统 疲劳载荷的抑制性能将受到影响[ 1 2 - 1 3 】。针对上述控 制器存在的不足，L I C A R I 等[ 1 } 1 3 ] 以发电机转速为 反馈信号，建立了基于被控对象模型的阻尼控制器， 采用卡尔曼滤波器估计系统的气动转矩载荷；然而， 该方法依赖较为精确的传统系统参数，实际上机电 传动系统结构复杂且参数时变，难以获得精确的系 统参数。为了解决以上方法的不足，目前已有学者 将不依赖被控对象的精确数学模型且可对系统参数 扰动进行自动补偿的白抗扰控带l J A c t i v ed i s t u r b a n c e r e j e c t i o nc o n t r o l ，A D R C 应用到轧机、风电传动系统 扭振抑制领域，如Z H A N G 掣1 4 J 建立了驱动电动机 自抗扰控制器以抑制轧机机电传动系统的扭转振动 和动态速降；姚兴佳等1 15 】在分析风电机组传动链非线 性不确定因素的基础上，设计了一种风力机组扭振抑 制自抗扰控制器。但这些研究在建模时均将复杂的传 动系统简化为惯性质量模型，仅考虑轴系扭转振动， 并没有建立包括齿轮在内的动力学模型，无法考虑齿 轮时变啮合刚度和齿轮传动系统的动载荷，且无法分 析时变参数对A D R C 控制器性能的影响。 由于采煤机截割工况复杂多变，且截割传动系 统具有非线性、参数时变等特点，截割电动机采用 传统直接转矩控S O D i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，D T C 难以 快速有效抑制由外部载荷冲击引起的采煤机截割传 动系统动载荷，因此，本文将A D R C 控制引入采煤 机截割传动系统动载荷抑制领域，并综合考虑电动 机动态特性、齿轮时变啮合刚度以及滚筒负载特性 等，建立采煤机截割传动系统机电耦合动力学模型； 在截割传动系统动力学分析的基础上【1 6 J ，提出了基 于A D R C 转矩补偿的采煤机截割传动系统动载荷主 动控制方法，并设计了基于A D R C 的转矩补偿控制 器，在D T C 控制器原给定电磁转矩的基础上叠加补 偿转矩，以抑制由突变工况引起的齿轮传动系统动 载荷；最后对比分析该控制器对齿轮传动系统动载 荷的抑制效果。 1 采煤机截割传动系统机电耦合模型 图1 是采煤机截割部结构图，包括截割电动机、 齿轮传动系统和截割滚筒；电动机与传动系统之间 由弹性轴连接；齿轮传动系统包括多级平行轴齿轮 和一级行星齿轮。 a 实物图 b 结构简图 图1采煤机截割部结构图 1 ．1 截割电动机模型 采煤机截割部采用的异步电动机是一个高阶非 线性、强耦合的多变量系统，在d - q 轴坐标下建立 的异步电动机数学模型为‘1 7 - 1 8 1 磁链方程 V 诎 申s o 峄r d Vr d t 0 0 L s L m 0 0 乙 巍L mP - - O d 主qsL，m，lyiL P iR P d qr L iLR Pi兰 ∞岫L 。 。 l 钾 ， 三， 一缈 ，l 耐 ∞如r r Lr l ＼W k 0 0 L t 0 0 L r 电动机运动方程 乙。 厶訾 瓦 既包 l 妇 ● l s q ● ％ 1 w 2 t p 乙 S 7 ““～“曲 d 斗 d ，J嘞即也￡ s L 口L t 。 巾o ∥誓一 万方数据 2 0 1 8 年8 月 葛帅帅等基于自抗扰转矩补偿的采煤机截割传动系统动载荷主动控制 3 3 式中，‰d 、／d s 。、“小“。分别为定子电压和转子电压 的d 、q 分量；L 8 屯s L ，- L 扛。；萨d ／d t ；R s 、L 。为定 子电阻和自感；B 、L 为分别转子电阻和自感；上。 为定子互感；妇、如、i r d 、i r q 分别为定子电流和转 子电流的d 、g 分量；P 为极对数；％小‰、岫、‰ 分别为定子磁链和转子磁链的d 、q 分量；J m 、B 。 分别为转子惯量和机械摩擦因数；％。、死分别为电 磁转矩和负载转矩，如为电动机转子角位移。 1 ．2 直接转矩控制模型 采煤机截割电动机采用具有对参数变化鲁棒性 强、转矩动态响应快等优点的D T C 控制【1 9 】。D T C 控 制系统的结构与原理如图2 所示。P I 控制器根据目标 转速∞’与电动机实际转速∞。的差值计算目标电磁转 矩丁 ，并通过磁链滞环比较器和转矩滞环比较器分 别控制定子磁链和转矩，使误差稳定在滞环宽度。增 益参数P 和』可根据临界比例度法进行整定【2 0 ] 。定子 磁链可根据定子电流和电压估计，表达式如式 4 所示 痧， 厢 4 式中，f ，d ；R 甜耐一o 。≠凡 d f ，v ‘g I U s g ≠婶尺。 d f 。 图2D T C 控制系统结构与原理 电动机电磁转矩可以根据定子磁链和定子电流 进行估计，其估计值表达式为 ． 1n 乇。 百．9 百1 JL 5 c ，耐‰一‰匕 5 定子磁链与转子磁链之间的夹角的估计值 、l|， o a k a r c t a n _ r s q 6 吵s d 1 ．3 齿轮传动系统模型 采用集中质量法，建立齿轮传动系统平行轴齿 轮和行星齿轮纯扭转动力学模型，并实现电动机与 齿轮连接。平行轴齿轮和行星齿轮建模方法类似， 本文以行星齿轮传动建模为例进行介绍[ 3 ，2 。图3 为行星齿轮纯扭转动力学模型。 良和研分别是太阳轮和内齿圈在动坐标系o x y 的角位移，‰为第g ／个行星轮在动坐标系D 磊r ／。中 太』j 轮} j 星架齿圈 图3 行星齿轮传动纯扭转动力学模型 的角位移 刀 1 ，2 ，⋯，N ，N 为行星轮个数 。以为行 星架在定坐标系O 灯中的角位移，‰是第1 1 个行星 轮到系杆理论中心连线与坐标轴x 方向的夹角， ‰ 2 兀 n - 1 ／N 。瓦和瓦分别是作用在太阳轮和行星 架上的外加力矩，乃是作用在内齿圈上的力矩由 于太阳轮角位移在动坐标系中获得，所以，太阳轮 在定坐标系中的角位移为侠 眈。k 、C m s p 分别为太 阳轮与行星轮间的啮合刚度、啮合阻尼；k 、C m p r 分别为行星轮与齿圈间的啮合刚度、啮合阻尼；‰ 为内齿圈支撑刚度。在动坐标系中，行星齿轮传动 可转换为平行轴外啮合和内啮合副，其转换如图4 所示，然后获得内外啮合副的啮合力。 式中，‰太阳轮基圆半径，r b p 。行星轮基圆半径。 ／，。⋯，，。五 ＼／ 太阳轮 a 外啮合副 ／ 图4 行星齿轮外啮合副和内啮合副的转换 j h 、8 晶 在获得内外啮合副的啮合力之后，采用非惯性 系牛顿力学来获得行星齿轮动力学的数学模型 以 谚 晓 I ∑‰‘ ‘ 谚 珏∑n - l ‰‘一k o r O r 印 f 8 1 以 №，‘2 绣 乏一∑ ‰c o s ％ ‰c o s q ‘ J p 童p n F 。m r p n F ，。r p n J ．．巳h ‰叫 哆蚺 彬 彬 卜卜 ％属锄1荔 ～ ‰‰ 么一 面啪 万方数据 3 4机械工程学报第5 4 卷第1 5 期 考虑齿轮啮合副的时变啮合刚度和啮合阻尼。 首先采用G B 3 4 8 0 ．1 9 9 7 计算啮合刚度的峰值和平均 值，然后按啮合频率将轮齿综合刚度简化为矩形波 变化的周期函数，再将其展开成傅里叶级数并略去 高阶项，整理得到啮合副f ，的时变啮合刚度【2 2 J 一三 k m F f k m ∑k c o s m o t 缈 9 n l 式中，k 。为平均啮合刚度，屯。为变刚度幅值系数， ∞为轮齿啮合频率，够为相位角。 齿轮副f ，的啮合阻尼计算公式为【2 3 J C m i j f 2 六 1 0 式中，缶为啮合阻尼比，取值范围为O ．0 3 ～0 ．1 7 ； r i 、r i 分别为主从齿轮半径，Z 、Z 分别为主从齿轮 的转动惯量。 1 ．4 滚筒负载模型 滚筒负载M e 主要考虑滚筒切向截割阻力矩 J L ’ 鸩 o ．5 ∑ Z 『砬 1 1 i 1 式中，行为参与截割的截齿数量；D 。为滚筒直径； Z f 为单齿平均截割切向力[ 2 4 1 。 互坐丝竺型华笠盟 1 2 ‘ [ ％ 巧√吃 c o s 用 、’ 式中，爿。为煤层平均截割阻抗，f 为截齿切削宽度， 恐为煤岩体裸露系数，凰为截角影响系数，‰为截 齿前刀面形状影响系数，疋截齿排列方式系数，屹， 为地压对工作面煤壁影响系数，‰为煤岩脆性系 数，％为截齿宽度，卢为截齿对于采煤机推进方向 偏转角，h 。为截齿平均切削厚度，则 ‰ 1 一c o s 纯 屹／纯7 ％ 1 3 式中，V q 为牵引速度蚀为滚筒转速；纯为煤对滚 筒围包角；m 为同一截线截齿数。 1 ．5 采煤机截割部机电耦合动力学模型 图5 为包括截割电动机、齿轮传动系统以及截 割滚筒等的采煤机截割部机电耦合动力学模型。厶 为滚筒转动惯量，％。和M e 分别为截割电动机电磁 转矩和滚筒负载转矩，只是滚筒的旋转角位移。k 1 和C 1 分别是弹性轴等效扭转刚度和阻尼；屯、乜、 幻和c 2 、C 3 、c 4 分别为不同位置的齿轮连接轴对应 的等效扭转刚度和阻尼；如和c 5 分别是行星齿轮与 滚筒之间的等效扭转刚度和阻尼。传动轴的等效扭 转刚度为【2 2 】 t G ，／z 1 4 式中，G 为材料切变模量，，为两齿轮所在节点间的 轴段长度，厶为轴截面极惯性矩。传动轴的等效扭 转阻尼为【2 3 ] 铲2 专鼯 1 5 式中，眚为扭转阻尼比，取值范围为0 ．0 0 5 ～0 ．0 7 5 ； 以、圻分别为传动轴两端转子的转动惯量。 图5 采煤机截割部动力学模型 截割部机电耦合系统动力学的数学模型为 J d e d T c Md 瓦 k , O o 一岛 c , O c 一岛 I k 4 0 9 一继一位 c 4 0 9 一够一位 山0 9 层9 r 9 一e 以0 8 弓8 r 8 一层9 r 8 ‘0 7 F 6 7 r 7 一弓8 r 7 以0 6 也 岛一0 6 c 3 绣一0 6 一圪，r 6 以绣 ‘，r 5 一『屯 只一包 c 3 睡一晓 ] 1 6 以a 4 乞 岛一0 4 c 岛一幺 一F 4 ，r 4 以岛 E ，吩一Ik 0 9 0 4 c 2 岛一幺 l 以0 2 E 2 r z E 3 r 2 J , O l k l 眈一0 1 c 1 吃一只 一巧‘ 厶色 艺。一l 墨 眈一舅 c 。 眈一岛 l 弓 屯F ，谚一r y e C m F I 谚一r y e 式中，而为两齿轮的动态啮合力， f _ 1 ，2 ，⋯，8 ；j 2 ， 3 ，⋯，9 ；五、以分别为太阳轮和行星架转动惯量； 厶、h 和巩分别为各级平行轴齿轮转动惯量、半径 、、』0 乃 万方数据 2 0 1 8 年8 月 葛帅帅等基于自抗扰转矩补偿的采煤机截割传动系统动载荷主动控制 3 5 和旋转角位移，n l ，2 ，⋯，9 。 2 采煤机截割传动系统动载荷白抗扰 主动控制 2 ．1 基于A D R C 转矩补偿的动载荷主动控制思路 现有研究表明，当机电传动系统机械参数一定 时，在原电动机转矩的基础上叠加补偿转矩可抑制 传动系统疲劳载荷【8 ‘15 1 。因此，为减小由突变载荷 引起的传动系统动载荷，提出了基于A D R C 转矩补 偿的截割传动系统动载荷主动控制方法。该方法以 缈 电动机目标转速 ∞m 电动机实际转速 ∞1 第一级齿轮转速 △缈l 弹性轴两端转速差 ∞。给定控制目标 ∞o 0 为给定控制目标，以弹性轴两端转速差A o J ， 作为控制器输入状态变量，设计基于A D R C 转矩补 偿的动载荷控制器，A D R C 控制器根据截割工况的 变化输出补偿电磁转矩，使A 0 9 ．跟踪给定控制目 标，即通过控制截割电磁转矩增加截割传动系统电 气阻尼，从而抑制传动系统动载荷。图6 为基于自 抗扰转矩补偿的动载荷主动控制框图，其中∞。为 A D R C 的控制目标，A c o 。为弹性轴两端的转速差； 瓦2 为A D R C 控制器输出控制量，截割电动机目标 电磁转矩疋’由疋1 和疋2 两部分组成，即在D T C 控 制系统P I 控制器给定转矩疋1 的基础上，增加与弹 性轴扭转载荷方向相反的补偿转矩疋2 。 ∞’【 t ∽”} - 一◇ ’V V 竺L 砖竺 l 至r ≮ 一t 亟9 掣 m 。 OI 图6 基于目抗扰转矩补偿的动载荷主动控制框图 2 ．2 非线性A D R C 控制器设计 A D R C 由跟踪微分器 T r a c k i n gd i f f e r e n t i a t o r , T D 、三阶扩张状态观测器 E x t e n d e ds t a t eo b s e r v e r , E S O 以及非线性状态误差反馈率 N o n l i n e a rs t a t e e r r o rf e e d b a c k ，N L S E F 组成t 2 5 之6 | 。图7 所示为截割 传动系统动载荷A D R C 控制器结构图。截割传动系 统动载荷A D R C 主动控制器的工作原理如下以 A r 0 1 作为E S 0 输入量，通过E S O 跟踪截割传动系 统的状态变量，同时实时估计系统的总扰动 包括非 线性、参数时变等 ，将总扰动的实时作用量补偿到 实际控制量中，进而前馈补偿扰动项；Z ，、Z 2 为E S O 对输入状态变量A c o l 的估计值 z l 为A c o l 的估计跟踪 图7 截割传动系统动载荷A D R C 控制器结构图 信号，z 2 为z 1 的微分 ，z 3 为对系统总扰动的补偿量。 通过T D 对系统的状态及状态的各阶微分进行跟踪 控制，其中C O 。为目标值，∞l 为T D 安排的过渡过 程，∞2 为∞1 的微分，W 为未知扰动。N L S E F 根据 e l 、e z 计算初始电磁转矩％，前馈补偿后产生疋2 ， 并与疋l 的叠加；b o 为控制增益。下面分别介绍控 制器各部分数学模型。 T D 的数学模型 { 赫黧篇 k - A o 删 h0 ∽【国2 1 ∞2 p z ，№1 l ，∞2 p ，，．，o ”⋯ f r 亿／们l a l ≤d f a ’l , 0 2 , r , h o 卜1 一r s g n a if t 1 8 a a l a l 式中，丁为采样步长；r 为速度因子，，．越大，跟踪 速度越快；出砌o ；h o 为滤波因子。 E S O 的数学模型 e k z 。 J | } 一y k y k △q 互z 2 黜1 三乙Z 2 黑研T [ z z 磊二镒f a l e k x 捌a 2 ㈣， 尼 尼 3 七 一屈 ，，万 、7 6 0 乙 七 ] z 3 后 1 z 3 七 一丁屈f a l e k ，a 3 ，万 万方数据 3 6 机械工程学报第5 4 卷第1 5 期 f a l 以≯卜膝e 8 a g l l , P _ 1 I e I ≤万 I l1 1 2 0 I e l 5 式中，y 动为系统输出；e D 为E S O 观测输出与系统 输出的差值；∥I 、 8 2 、 8 3 为常数；a 1 、a 2 、6 c 3 为非线 性参数，均为正值；6 取值决定f a l e ，a ，J 函数线性 区间的大小，当6 取得太大时，E S O 仅工作在线性 区；当6 取得太小时，E S O 易出现颤振现象。 基于N L S E F 的初始电磁转矩％计算如式 2 1 所示 e l 七 ∞。 七 一z ， 七 { e 2 k C O2 七 一z2 七 2 1 【乙 P 4 f I a l 巳 f ，a 4 ，万 屈f a l e 2 t ，a 5 ，万 式中，风和岛分别为非线性状态误差反馈P D 控制 律的比例因子和微分因子。 采用扰动补偿方式，将总扰动的实时作用量补 偿到实际控制量中，扰动补偿后A D R C 的输出转矩 实际控制量 煤岩断层等，导致煤层的平均截割阻抗出现类似脉冲 的变化，因此，结合实际煤层工况的变化，图8 给出 了煤层平均截割阻抗的仿真曲线。其中0 ～1S 为采煤 机截割部空载启动阶段；1 ～2 ．2S 为正常煤层，此时， 煤层截割阻抗彳矿- 2 1 0k N ／m ，截割电动机额定载荷运 行；2 ．2 ～2 ．5S 为截割煤层中含硬质包裹体、夹矸和煤 岩断层的突变工况，截割阻抗么产3 5 7k N ／m ，为1 ．7 倍额定载荷。下面主要分析E S O 状态跟踪估计性能、 时变参数对E S O 状态估计性能的影响，以及突变工况 下有无转矩补偿对动载荷的抑制效果。 百 芝 毒 ≈ 交 盛 时间／s 1 2 f 1 4 f a l e I t ，吼，万 图8 煤层截割阻抗4 ／3 5 f a l e 2 t ，a 5 ，万 一 1 ／bo z 3 2 2 3 ．1E S O 性能分析 式中，z 3 ／6 0 为系统“总扰动”实时补偿部分。 由于A D R C 控制器的参数较多，参数整定时可 首先确定丁、h 0 、反l 、a 2 、a 3 、a 4 、口5 、J 等参数。 因此，根据数据采集精度和控制精度的要求确定丁 和6 ，滤波因子h o 取为采样步长的6 倍左右，指数 幂参数a i i l ，2 ，3 ，4 ，5 1 日i 常取定值【2 6 。2 7 1 。然后采用 文献[ 2 7 1 的方法，基于自适应遗传算法对传动系统 动载荷A D R C 控制器中E S O 的参数崩、 8 2 、 8 3 和 N L S E F 的参数屈、房进行分步优化，从而确定局、 尼、屁、鼠和岛的参数值。 3 仿真与结果分析 以M G 3 0 0 ／7 0 0 型电牵引采煤机为研究对象，其 截割部机电传动系统的主要仿真参数如下。电动机 参数额定功率3 0 0k W 、额定电压11 4 0V 、J m l O k g ’m ／、p 2 、R s 0 ．0 6 87Q ；R r _ 0 ．0 7 43Q 、三萨0 ．0 2 66 H 、三， 1 ．4 1 83H 、Z r 1 ．4 1 83H 滚筒参数J a 20 0 0k g ‘m z 、D 。 20 0 0m m 、K c 1 ．2 5 、K o 0 ．9 ；传 动系统参数k l 5 1 0 4N - m1 、k 2 2 x 1 0 7 N m - 1 、 如 4 ．6 1 0 7 N m - 1 、缸 5 ．7 1 0 0N m - 1 、k 5 1 0 ’N m - 1 控制器参数P 1 0 0 、I 2 0 0 、T 0 ．0 1 、d i 0 ．0 1 、b o l 、 仅l l 、a 2 0 ．5 、a 3 0 ．2 5 、a 4 0 ．7 5 ；a 5 1 ．2 5 、f l l 1 0 0 、 皮 33 8 3 、 8 3 3 17 5 0 、局 1 0 0 、, 8 5 1 0 。 由于实际煤层中随机分布硬质包裹体、夹矸和 图9 分别给出了定啮合刚度下实际转速差A m 。 曲线与E S O 对A m l 的状态估计曲线。分析了采煤机 截割部空载启动、额定负载以及载荷突增和突减工 况下E S O 对弹性轴两端转速差5 0 9 ．的估计跟踪性 能。由图9 可知在不同运行工况下，E S O 可实时 准确地估计和跟踪实际转速差。图1 0 分别给出了时 变啮合刚度下实际转速差A m l 曲线与E S O 对A m 】 的状态估计曲线。与图9 中定啮合刚度下的实际转 速差相比，时变啮合刚度下弹性轴两端实际转速差 A m l 波动较大，这主要因为时变参数对A 0 9 1 的波动 幅值产生影响，导致A m ，波动幅值变大。由图1 0 可知，时变啮合刚度下，与实际转速差A m ，相比， E S O 对A c o l 的状态估计曲线z 】受时变参数影响较 小，波动幅值较小。综上所述，E S O 不但具有良好 的跟踪估计性能，且对系统时变参数不敏感，可降 低时变参数对A D R C 控制器的影响。 ／／／ 、／载荷突变 l L 上．．| 1 1 ．‘ b “ r 。rl r ‘尺 空载启动’ l 额定工况、、 7 忤 图9 定刚度下转速差A c o ．的实际值与估计值 万方数据 2 0 1 8 年8 月 葛帅帅等基于自抗扰转矩补偿的采煤机截割传动系统动载荷主动控制 3 7 图1 0 时变刚度下转速差A w 。的实际值与估计值 3 ．2 动载荷抑制性能分析 为研究载荷突变工况下所提控制方法对动载荷 的抑制效果，取2 ～3S 时间段进行重点分析。 为抑制转速差A c o ．，设定给定跟踪目标0 9 0 0 。 图1 1 给出了转速差A c o l 跟踪曲线。由图1 1 可知， 与无转矩补偿的传统D T C 控制相比，载荷突增和突 减工况下基于A D R C 转矩补偿控制的转速差A t o l 波动均明显较小，收敛至目标轨迹的时间较短，跟 踪误差相对较好。主要原因如下以A t o ．作为反馈 状态变量的A D R C 转矩补偿控制器，基于E S O 估 计状态变量Z 。与给定目标值之差e 】及其微分值P 2 ， N L S E F 实时计算目标电磁转矩补偿控制量瓦2 ，以 减小A c 0 1 的跟踪误差，转矩补偿控制量如如图1 2 所示。该补偿转矩与P I 控制器输出转矩疋l 叠加产 生最终目标电磁转矩，图1 3 给出了有无转矩补偿的 目标电磁转矩对比曲线，由图可知，与无转矩补偿 的传统D T C 控制相比，基于A D R C 转矩补偿的电 舍 E t j j | 1 j 媸 偻 醴 糊 瑙 馨 时间／s 图l l 弹性轴两端转速差△∞l 跟踪误差 5 0 ‘女广■点1 々了} j r _ j 时间／s 图1 2 目标电磁转矩补偿量如 磁转矩波动幅值较小，且达到稳定的时间较短。因 此，以A c o l 作为反馈状态变量的A D R C 转矩补偿控 制器，可通过补偿电磁转矩来减小转速差A c o l 跟踪 误差。 50 0 0 ；40 0 0 Z 交30 0 0 挺20 0 0 脚 0 0 0 二426 时N ／s 图1 3 目标电磁转矩 图1 4 、1 5 分别为突变载荷工况下高速端第一级 齿轮．惰轮的动态啮合力曲线和太阳轮．行星轮的动 态啮合力曲线。由图可知，载荷突增瞬间截割传动 系统齿轮动载荷增大，随后逐渐衰减至稳态；由图 1 4 知，载荷冲击瞬问两种控制方法下的动载荷幅值 均明显增加，如图中彳处，而随后基于A D R C 转矩 补偿控制的动载荷幅值下降明显，如图中B 、C 处 与无转矩补偿的传统D T C 控制相比，采用基于 A D R C 转矩补偿的动载荷主动控制对由冲击载荷引 起的截割传动系统动载荷的抑制效果较为明显，且 达到稳态的时间明显缩短。主要原因如下突变载 荷导致弹性轴两端出现转速差 图1 1 ，而随后基于 考8 垂6 曩 彗a 怕 臀2 它 14h二8 H I 问≈ a 时变啮合刚度 时间／s b 定啮合刚度 图1 4 高速端齿轮动态啮合力 ∞ ∞ ∞ 0 ∞ ∞ 5 0 5 5 0 一≠NJ＼删望{}域辛毒凝粤 万方数据 机械工程学报 第5 4 卷第1 5 期 A D R C 转矩补偿的动载荷主动控制器以转速差A m ． 为反馈信号，输出与弹性轴扭转载荷方向相反的补 偿转矩砀 图1 2 ，通过控制电动机电磁转矩来抑制 弹性扭矩轴的扭转载荷以及传动系统动载荷，即通 过控制电磁转矩达到增加系统阻尼的效果。图1 6 为弹性轴载荷曲线，由图1 6 可知采用电动机转矩 补偿的动载荷主动控制器使得弹性轴载荷波动幅值 和持续时间均明显减小。滚筒负载突减时截割传动 系统动载荷特性与滚筒负载突增时相似，不再赘述。 二二二418 时间／S a 时变啮合刚度 一D T C ⋯⋯D T C A D R C ⋯i 稳态| 1 } ，J 、仇 30 0 0 20 0 0 二42 二8 30 时间，s b 定啮合刚度 图1 5太阳轮- j 亍星轮齿轮动态啮合力 果越好。图1 7 、1 8 分别给出了突变工况下高速端 齿轮动载荷与稳态目标值之差曲线以及其绝对值 曲线。 Z 亳 乓 ￡ 疑 怕 需 时间／s 图1 7 动载荷曲线与稳态目标值之差 载荷突增 载荷突减 一 ＼ ＼I 6 1 l ‰k ～ 时间’ 图1 8高速端齿轮动载荷曲线与横坐标轴所围面积 基于图1 8 计算得到不同控制方法下动载荷抑 制效果的对比结果，如表1 所示。载荷突增和突减 工况下，与截割电动机D T C 相比，基于A D R C 转 矩补偿控制后的齿轮传动系统动载荷分别减少 4 6 ．5 1 ％和3 8 ．8 7 ％。 表I动载荷抑制效果统计结果对比 注面积A 为载荷突增工况下动载荷曲线与横坐标所围面积；面