CN105099323A - 一种基于模糊控制的嵌入式电磁调速采煤机牵引系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模糊控制的嵌入式电磁调速采煤机牵引系统的设计，即在牵引系统中控制器采用模糊的PID控制，且为电流速度双闭环，包括嵌入式硬件电路、模糊控制器的设计；所述嵌入式硬件电路以AT91SAM99260为核心，包括SDRAM接口电路、底层电路、电源电路以及晶闸管模块电路。所述模糊控制器的设计，包括模糊子集与隶属度函数的确立、模糊控制器结构的建立以及软件部分的设计，是调速系统的控制核心。本设计选取三角形隶属度函数对电磁调速牵引系统的输入量进行模糊化，先通过建立牵引系统的知识库，确立对输入量的控制策略，然后利用Mamdani模糊模型对输入情况进行推理，再将得出的输出量通过加权平均法进行解模糊化，最后结合软件设计完成嵌入式电磁调速采煤机牵引系统模糊控制器的构造。在牵引系统中控制器采用模糊的PID控制，系统响应快、抗干扰能力强、调速稳定。

Description

一种基于模糊控制的嵌入式电磁调速采煤机牵引系统

技术领域

本发明涉及电磁调速采煤机牵引系统的技术领域，尤其是基于模糊控制的嵌入式电磁调速采煤机牵引系统。

背景技术

随着采煤技术的不断完善，采煤机越发多样化，因此其电控系统也相对不同，而目前采煤机控制系统体积大，控制效率不高，控制精度不高，且其智能化水平低、算法简单，硬件和软件存在资源浪费，随着矿井智能化程度的提高，采煤机牵引力的增强、复杂情况牵引的稳定性、智能化电控系统都需要有所提高。如何研制一款低成本、小体积、高性能、智能化的采煤机的电控系统具有重要的意义，电磁调速传统的控制方式为PID控制，但是PID在调试时是相当困难的，而且采煤机运行一段时间会参数漂移，PID在多变环境下整定的精度低，而且还相对繁琐。由于采煤机电控系统中的数学模型中几乎每一环节都是非线性的，只不过在小速度范围内用线性代替而已，应用模糊PID控制，不但解决PID的部分问题，而且更适用非线性牵引系统，使系统的抗干扰能力强，而且由于有很强的鲁棒性能，其特别适用于采煤机控制系统，PID控制器与模糊控制结合，使两者取长补短，完美地适应采煤机电控系统。

发明内容

本发明的目的在于设计一种基于模糊控制的嵌入式电磁调速采煤机牵引系统。通过使用模糊控制器使得PID控制器对调速的性能得到改善。

本发明包括嵌入式硬件电路、模糊控制器的设计，其中模糊控制器是实现模糊控制最重要的部分。

所述嵌入式硬件电路以AT91SAM99260为核心，包括SDRAM接口电路、RS232接口电路、底层电路、电源电路以及晶闸管模块电路。

所述AT91SAM99260为嵌入式核心芯片，处理整个嵌入式系统的运算。

所述SDRAM接口电路由于嵌入式运行程序庞大，系统需要大量的存储空间，因此选用了两片H57V2562GTR共64MSDRAM作为系统的RAM存储器。

所述RS232接口电路是用来与系统的各部分模块进行通信。共设计有3个串口，串口一与串口二通过Modbus协议分别与底层控制模块、本地显示屏进行通信，串口三作为Linux系统的调试口。

所述底层电路以ARMV7版本芯片为主控制器，搭载数字量输入、数字量输出、模拟量输入与输出和通讯扩展模块。开关量输入模块用于接收来自于机身控制面板的信号，将此信号经过光电隔离后经处理输送给主模块，数据经处理后由开关量输出模块通过继电器去控制截割电机、泵电机启停和电磁阀的动作。此系统为了便于布线和节省安装空间，将开关量输入模块和输出模块分开来设计。这两个模块均选用了的STM32F103RCT6作为控制芯片，芯片的GPIO直接使用作为开关量的输入输出接口。为了防止干扰，在开关量输入模块中，开关量信号必须经过光电隔离处理后之后才能传给主控芯片。模拟量模块用于采集模拟信号并输出电流以驱动励磁线圈。这个模块主要用来采集电机温度数据和电机的电流数据。并将采集的信息经过处理后经过I2C总线送给主控模块，进而对整个采煤机进行控制。此模块还输出4路4～20MA的电流以驱动励磁线圈。此模块的主控芯片是STM32F103RCT6。

所述ARMV7版本芯片为主扩展模块的核心芯片，可运行数学指令，集成度高、运算速度快、可靠性好。

所述电源电路为交流220V，经开关电源模块转换成直流24V，直流24V电源经过防浪涌电路输出直流24V，然后经处理过的直流24V给整个电控系统供电，供电总功率为6W。开关电源模块为隔离模块，隔离电压4kV。每个底层的功能模块均配有一个直流24V转直流5V的电源模块，功率为3W，此模块也为隔离型供电，隔离电压2500V。每种模块的功率不得超过3W，全部总功率不得超过6W。在每种模块上，还配有3.3V的线性稳压模块，用来给CPU供电，CPU部分引入了电源监视，当电压波动范围过大时，CPU会执行复位操作，保证系统程序不跑飞。

所述晶闸管模块电路以4-20mA作为控制信号，通过晶闸管智能控制模块控制导通角来实现对励磁线圈的电压的控制，从而达到控制转速的目的。

所述模糊控制器的设计，包括模糊子集与隶属度函数的确立、模糊控制器结构的建立。

所述模糊子集，对于电磁调速采煤机来说，设其实际速度和设定速度的差值为E,差值的变化率为EC，输出量为u,规定E、EC、u的模糊集为{PB、PM、PS、ZE、NS、NM、NB}，其中E与EC和u的论域设定为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，

所述隶属度函数为三角形隶属度函数，数学表达式为：

$u\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{x-a}{b-a},& a<x\&le;b\\ \frac{x-c}{b-c},& b<x<c\end{array}\right.$

所述模糊控制器结构的建立，首先通过选取三角形隶属度函数对电磁调速牵引系统的输入量进行模糊化，其次通过建立牵引系统的知识库，确立对输入量的控制策略，然后利用Mamdani模糊模型对输入情况进行推理，最后再将得出的输出量通过加权平均法进行解模糊化，完成嵌入式电磁调速采煤机牵引系统模糊控制器的构造。

所述牵引系统知识库，其模糊控制规则是通过井下采煤机操作人员和专家总结的经验，并考虑到电磁调速采煤机控制原则而设计出来的，模糊控制应在负载力矩即偏差过大时，增加励磁电流；当负载力矩减小时使控制量降低，系统在模糊控制时还应兼顾考虑系统的响应速度和稳定情况。

所述Mamdani模糊模型在模糊控制中是最早利用的，它通过在线查询模糊关系表对控制量进行计算。

所述加权平均法静态性能较好，在模糊控制电磁调速牵引系统中，加权平均法的公式为：

(其中k_j为加权系数)

所述模糊控制器结构的建立，软件上计算机要通过DesignFuzzy(x1，x2，x3)函数实现模糊控制器设计。

所述DesignFuzzy(x1，x2，x3)函数主要包含四个子函数，初始化的InitialMatrix()函数；模糊化的Fuzzyifeation(xl,x2,x3)函数；产生R矩阵的GenerateRMatrix()函数；产生控制表的GenerateControlFomr()函数。在子函数Fuzzyifeation(x₁,x₂,x₃)函数中x₁,x₂,x₃为选择的三角形隶属度函数对应的三边长度。

通过上述步骤，嵌入式电磁调速采煤机牵引系统的模糊控制器构造完毕。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1为电磁调速采煤机牵引系统控制图；

图2为Linux系统移植流程图；

图3为嵌入式电磁调速模糊PID控制系统图；

图4为模糊控制器构建流程图；

图5为模糊控制器结构图；

图6为系统硬件总体框图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意图方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图6所示为系统硬件总体框图，系统总体分为管理主机和底层控制模块两大部分。管理主机作为系统的控制核心，向底层控制模块发送指令完成对采煤机的控制。控制的核心思想是速度电流双闭环模糊PID调速。管理主机搭载的是基于ARM的Linux操作系统，嵌入式核心芯片是使用AT公司AT91SAM9260，根据电磁调速采煤机的目标需求，设计了支持Modbus协议的RS232串口，SD卡。选用两片H57V2562GTR共64MSDRAM作为系统的RAM存储器，为系统提供大量的数组存储空间，如记忆截割的数据等；管理主机设计有3个RS232串口，串口一与串口二通过Modbus协议分别与底层控制模块、本地显示屏通信，串口三作为Linux系统的调试口。管理主机带来的优点就是控制稳定，扩展功能丰富，具有强大的本地和远程通信能力，可与多种工业设备通信，智能化程度高，方便用户的二次开发。依据采煤机使用条件的恶劣环境，采煤机牵引系统应在满足系统需求的前提下，还需要考虑到采煤机运行的稳定性，因此在本发明中底层控制模块选取以ARMV7版本芯片为主控制器，搭载数字量输入、数字量输出、模拟量输入与输出和通讯扩展模块。所述数字量为24路开关输入经光电隔离栅输入到主控制器，然后经光电隔离到继电器输出阵列输出12路继电器输出。所述模拟量其输入值有多档，通过调节拨码开关，调节输入的单双极性以及不同的量程，一般使用来说模拟量为0-20mA、4-20mA、±10V。所述通讯扩展模块，模块与主扩展模块之间的通信采用I²C总线，主扩展模块上有两条I²C总线，通讯速度都为400KBPS。第一条总线，是用来取得输入数据，并发送控制量，包括开关量和模拟量，每个模块都设有一个独立的从机地址，各种模块数量最大均为16个，所有都并联在I²C总线上，由主板进行寻址。外部设备的输入接至输入板上，输出接至输出板上，由主控制器统一控制。第二条I²C总线是通讯专用，由于通讯模块多，通讯数据量大，因此单独使用一条I²C总线，此总线上只有一个设备，但接口有多个，主控制板采用定时轮询方式读出或写入数据。所述电源电路，系统供电为交流220V，经开关电源模块转换成直流24V，直流24V电源经过防浪涌电路输出直流24V，然后经处理过的直流24V给整个电控系统供电，供电总功率为6W。开关电源模块为隔离模块，隔离电压4kV。每个底层的功能模块均配有一个直流24V转直流5V的电源模块，功率为3W，此模块也为隔离型供电，隔离电压2500V。每种模块的功率不得超过3W，全部总功率不得超过6W。在每种模块上，还配有3.3V的线性稳压模块，用来给CPU供电，CPU部分引入了电源监视，当电压波动范围过大时，CPU会执行复位操作，保证系统程序不跑飞。

为使采煤机调节性能稳定，在工作中采煤机的牵引速度保持在一定范围内，本发明的控制系统采用速度和电流双闭环系统，如图1所示为电磁调速采煤机牵引系统控制图，电机的输出转速作为速度环的反馈量与给定速度作比较形成速度信号，速度信号经控制调节器形成励磁电流，电网扰动作为电流内环的反馈，经整流器和电机电枢传递函数形成电机速度，如此形成牵引系统速度和电流双闭环。

如图2所示为Linux系统移植流程图，本发明的操作系统采用嵌入式Linux操作系统，相较于以往的操作系统，嵌入式Linux操作系统系统集成度更高，扩展性更强，执行效率高，可实现远程查询、以太网通讯、U盘存储。对Linux系统进行移植，一般需要多个步骤，如图2所示，首先进行目标分析、硬件选型，然后构建交叉编译环境，然后移植引导加载程序，进行内核裁剪和移植，下一步移植根文件系统，最后进行驱动、应用程序的开发。

如图3所示为嵌入式电磁调速模糊PID控制系统图，本发明为解决PID存在的整定精度低、设计繁琐等部分问题，提出把PID控制器与模糊控制相结合，使之更适用于非线性牵引系统，尤其是采煤机电控系统。模糊控制把工作人员和专家的经验作为模糊控制的控制规则，输入信号由通过处理的模糊化传感器的现场信号。如图所示，控制器通过采样将精确值与给定值比较得到输入值，输入值通过A/D转化，经过模糊控制器把输入值通过模糊化处理形成模糊量，模糊量通过模糊控制规则推理，形成输入量模糊语言的一个子集，模糊化的输入量经过人工库控制策略和解模糊化得出准确的控制量，因此模糊控制器的设计是本发明的关键。

如图4所示为模糊控制器构建流程图，模糊控制器通过利用模糊变量和子集描述输入和输出关系，首先要确定过程操作模型，然后确定模糊集合隶属度函数，从而确定控制规则，规则确定后，确定模糊化解模糊化方法以及各项参数，随后进行仿真，根据仿真结果判断是否满足设计要求，如果满足设计要求，则输入到模糊控制器进行实际的控制；如果不满足设计要求，则要重新调整规则、隶属度函数以及各项参数。对于电磁调速采煤机来说，设实际速度和设定速度的差值为E,差值的变化率为EC，输出量为u,规定E、EC、u的模糊集为{PB、PM、PS、ZE、NS、NM、NB},其中E与EC和u的论域设定为为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，根据选择隶属度函数的标准，设定E与EC和u的隶属度函数为三角形^[50]，则E与EC的赋值表如下所示：

表1赋值表

通过表格分析出隶属度函数与模糊化的输入输出量的关系。

如图5所示为模糊控制器结构图，包括模糊化输入接口，有知识库的推理机，解模糊化接口。如图可知为在输入接口得到输入量后将其模糊化，通过建立的数据库和规则库的推理集中进行模糊推理，推理出模糊化的输出来。在数据库中存储了模糊控制的方法规则有关参在数，它包括对模糊空间的数据分割，尺度变换和对隶属度函数选择的参数等。对于模糊控制的嵌入式电磁调速采煤机牵引系统，其模糊规则是通过井下采煤机操作人员和专家总结的经验，并考虑到电磁调速采煤机控制原则而设计出来的，模糊控制应在负载力矩即偏差过大时，增加励磁电流；当负载力矩减小时使控制量降低，系统在模糊控制时在考虑到系统的稳定情况时还应兼顾系统的响应速度。根据以上原则，总结出模糊控制器的对应原则如下表所示：

表2模糊控制器规则表

计算出每个模糊规则对应的模糊关系R_i由此可计算出模糊控制电磁调速牵引系统中控制规则的总的模糊关系

通过R和已知的输入模糊量E和EC,由前面介绍的模糊推理的状态评估原则推算出输出量上在论域的集合U＝(E×EC).R

由于模糊推理得出的输出来的论域是一个模糊集合，但是控制对象为一个控制量，所以要用模糊判断使模糊量解模糊化，本发明的模糊控制器的解模糊化采用加权平均法。

(其中k_j为加权系数)

通过加权平均法得到的量可以查询表控制，在模糊控制的电磁调速采煤机牵引系统中由于计算量大，可经过电脑计算取得输入量和输出量对应的查询表，把表存储到内存ROM中，这样当每次输入量变化时，计算机可通过建立的对应表查询到对应的输出来，采煤机模糊控制的对应表如下所示：

表3模糊控制查询表

Claims (5)

1.一种基于模糊控制的嵌入式电磁调速采煤机牵引系统，其特征在于，该系统包括嵌入式硬件电路、模糊控制器的设计。

2.根据权利要求1所述的基于模糊控制的嵌入式电磁调速采煤机牵引系统，其特征在于，所述嵌入式硬件电路包括管理主机、底层电路、电源电路、晶闸管模块电路：

(1)所述的管理主机作为系统的控制核心，向底层控制模块发送指令完成对采煤机的控制。控制的核心思想是速度电流双闭环模糊PID调速。管理主机搭载的是基于ARM的Linux操作系统，嵌入式核心芯片是使用AT公司AT91SAM9260，根据电磁调速采煤机的目标需求，设计了支持Modbus协议的RS232串口，SD卡；选用两片H57V2562GTR共64MSDRAM作为系统的RAM存储器，为系统提供大量的数组存储空间，如记忆截割的数据等；管理主机设计有3个RS232串口，串口一与串口二通过Modbus协议分别与底层控制模块、本地显示屏进行通信，串口三作为Linux系统的调试口。

(2)所述底层电路选取以ARMV7版本芯片为主控制器，搭载数字量输入、数字量输出、模拟量输入与输出和通讯扩展模块；模块与主扩展模块之间的通信采用I²C总线，主扩展模块上有两条I²C总线，第一条I²C总线用来取得输入数据，并发送控制量，第二条I²C总线是通讯专用；开关量输入模块用于接收来自于机身控制面板的信号，将此信号经过光电隔离后经处理输送给主模块，数据经处理后由开关量输出模块通过继电器去控制截割电机、泵电机启停和电磁阀的动作。此系统为了便于布线和节省安装空间，将开关量输入模块和输出模块分开来设计。这两个模块均选用了的STM32F103RCT6作为控制芯片，芯片的GPIO直接使用作为开关量的输入输出接口。为了防止干扰，在开关量输入模块中，开关量信号必须经过光电隔离处理后之后才能传给主控芯片。模拟量模块用于采集模拟信号并输出电流以驱动励磁线圈。这个模块主要用来采集电机温度数据和电机的电流数据。并将采集的信息经过处理后经过I2C总线送给主控模块，进而对整个采煤机进行控制。此模块还输出4路4～20MA的电流以驱动励磁线圈。此模块的主控芯片是STM32F103RCT6。

(3)所述电源电路为交流220V，经开关电源模块转换成直流24V，直流24V电源经过防浪涌电路输出直流24V，然后经处理过的直流24V给整个电控系统供电，供电总功率为6W。开关电源模块为隔离模块，隔离电压4kV。每个底层的功能模块均配有一个直流24V转直流5V的电源模块，功率为3W，此模块也为隔离型供电，隔离电压2500V。每种模块的功率不得超过3W，全部总功率不得超过6W。在每种模块上，还配有3.3V的线性稳压模块，用来给CPU供电，CPU部分引入了电源监视，当电压波动范围过大时，CPU会执行复位操作，保证系统程序不跑飞。

(4)所述晶闸管模块电路以4-20mA作为控制信号，通过晶闸管智能控制模块控制导通角来实现对励磁线圈的电压的控制，从而达到控制转速的目的。

3.根据权利要求1所述的基于模糊控制的嵌入式电磁调速采煤机管理主机系统的Linux操作系统，其特征在于，所述嵌入式Linux系统的移植分为目标分析与硬件选型、交叉编译环境的构建、移植加载BootLoader程序、内核移植、创建根文件系统几个步骤。

4.根据权利要求1所述的基于模糊控制的嵌入式电磁调速采煤机牵引系统，其特征在于，该牵引系统中控制器采用模糊的PID控制，所述控制器包括模糊化输入接口，有知识库的推理机，解模糊化接口几部分构成，控制器构建步骤如下：

(1)在输入接口得到输入量；

(2)确定过程操作模型；

(3)确定模糊集合隶属度函数；

(4)确定控制规则；

(5)确定模糊化解模糊化方法以及各项参数；

(6)进行仿真，看是否满足设计要求；

(7)得到模糊化的输出量，并进行解模糊化；

(8)输出量乘以所对应的因子后对控制对象进行控制。

5.根据权利要求1所述的基于模糊控制的嵌入式电磁调速采煤机牵引系统，其特征在于，该牵引系统采用速度和电流双闭环系统，电机的输出转速作为速度环的反馈量，电网扰动作为电流内环的反馈。