CN109736870A - 基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法，包括局部通风机和改进型自抗扰控制器ADRC，所述局部通风机包括变频器、异步电机和风速转换模块，所述改进型自抗扰控制器包括跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性状态误差反馈控制器，对控制器控制策略中的非线性函数做改进,其技术效果为：改进后的控制器在原点附近平滑性更好，运用到井下局部通风机风速控制系统中，改进控制器有效抑制系统震荡，控制信号波动明显减小，减轻了对变频器和异步电机的冲击，观察系统输出，自抗扰控制方法的控制效果明显好于PID控制，与传统ADRC控制方法相比，改进型自抗扰控制既实现了风速的快速调节，又解决了震荡信号可能引起的冲击损坏。

Description

基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法

技术领域

本发明涉及井下局部通风机风速调节，具体是一种基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法。

背景技术

自抗扰控制(ADRC)的概念是中科院韩京清先生等人提出的一种新型的控制方法，由于它具有算法简单，收敛速度快，超调小，抗干扰性能强等优，提出后迅速得到了广泛的应用，但是在运用的过程中也发现，ADRC方法在某些方面还存在不足，因此有一定的提升的空间，在对自抗扰控制器的改进中，非线性函数的改进最直接有效。

煤矿井下局部通风机是保证井下工作安全的重要设备之一，对于降低瓦斯浓度发挥了关键性的作用。考虑安全性和经济性要求，传统的以恒定风速运转的局部通风机已经不能满足要求，实现局部通风机风速自动调节已经是必然趋势，局部通风机风速调节方法多是基于PID控制，随着理论与技术的发展，模糊控制PID、神经网络PID、计算机控制等智能控制方法也逐渐加入使用，但是在过程中仍然存在一些问题，例如在矿井局部通风机风速调节过程中，控制速度不够快，由于风速的滞后特性，如果风速受到外界干扰，会使控制信号产生波动，造成变频器输出信号的波动，从而对电机产生冲击震荡。不仅容易损伤设备，也会引发安全隐患，因此需要一种控制方法来实现局部通风机风速的快速稳定调节。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法，该基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法，能够有效抑制信号振荡，避免局部通风机设备的损坏，并且能够明显改善的风速调节系统的动态性能和稳态性能，实现快速安全的风速调节目标。

本发明实现发明目的采用如下技术方案：

一种基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法，包括局部通风机和改进型自抗扰控制器ADRC，所述局部通风机模型包括变频环节、调速环节和风速转换环节，所述改进型自抗扰控制器包括跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性状态误差反馈控制器NLSEF，对控制器控制策略中的非线性函数做改进；

作为优选，本发明提供一种局部通风机建模方法，使用变频器和异步电机近似局部通风机，建模步骤分为变频环节、调速环节和风速转换；

作为优选，本发明提供一种井下局部通风机风速调节方法，控制方法的具体实现包括以下步骤：

(1)给定风速信号进入跟踪微分器，输出跟踪信号和微分信号，与反馈量的跟踪信号和微分信号比较，得到差值；

(2)扩张状态观测器用来估计被控对象的状态，对风速调节系统的内外扰动进行补偿，将扩张出来的状态变量用来估计未知扰动和系统为建模部分，将控制对象变为积分串联型；

(3)非线性误差反馈控制器将由跟踪微分器和扩张状态观测器得到的差值信号通过非线性组合，作为风速调节系统的控制信号。

作为优选，本发明提供的一种改进型二阶自抗扰控制策略，对控制器算法中的非线性函数进行改进，使得函数线性特性增强，改进后的函数为：

作为优选，本发明提供一种改进型二阶自抗扰控制器，具体算法为：

(a)跟踪微分器的状态方程为：

式中：x₀是系统设定值，x₁是输出的跟踪信号，x₂是输出的微分信号，d与系统的采样步长有关，r是系统参数，它的大小决定了跟踪速度的快慢，r越大，过渡时间越短，跟踪速度越快，但是取值过大会造成系统高频振荡。

(b)扩张状态观测器的状态方程为：

其中，

式中：β₀₁、β₀₂和β₀₃状态观测器的三个增益，是需要调节的参数，b₀是控制量u的补偿因子，d为函数线性区间的宽度，b₀和d都是系统参数。

(c)非线性误差反馈控制器的状态方程为：

其中，

式中：β₁、β₂的作用相当于比例增益和微分增益，b是反馈参数，产生系统控制信号u，实现了误差到控制信号的转变。

有益效果：

本发明与现有技术相比，其有益效果体现在：本发明提供一种基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法，对控制算法中的非线性函数做出改进，改进后的非线性函数在原点附近平滑性更好，将该控制器运用到井下局部通风机风速调节系统中，仿真实验结果表明，改进后的自抗扰控制抑制震荡的效果显著，控制信号波动明显减小，减轻了信号震荡对变频器和异步电机的冲击，观察系统风速输出波形，自抗扰控制器的控制效果明显好于PID控制器，解决了系统大超调和过渡时间过长的问题，与传统ADRC控制方法相比，使用改进后的自抗扰控制器比传统ADRC控制器能更快的使通风机的风速达到期望状态，在动态性能、稳态性能和抗干扰性能方面，改进后的ADRC算法都得到了明显的改善，既实现了局部通风机风速的快速调节，又解决了震荡信号对于局部通风机设备的冲击损坏。

附图说明

图1是本发明实例提出的一种基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法的结构图，

图2是本发明实例提出的局部通风机结构图，

图4是本发明实例改进前后非线性函数曲线对比图，

图3是本发明实例提出的改进型二阶自抗扰控制器结构图，

图5是本发明实例改进前后控制信号曲线对比图，

图6是本发明实例改进前后局部通风机风速调节效果对比图，

图7是本发明实例改进前后抗阶跃干扰的性能对比图。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明做进一步解释说明。

本发明提供一种基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法,主电路包括局部通风机模型和控制器模型，如图1所示为该系统的simulink模型图，为了结构的简单明了，图中的自抗扰控制器和局部通风机风速模型都经过封装。

如图2所示为局部通风机风速系统的simulink模型，在对局部通风机进行建模时，考虑到通风机的工作原理是通过交流电压频率的变化进而引起内部电机转速的变化，最终实现风速的调节，因此，可以使用变频器和异步电机来近似等效为局部通风机的模型[21]。选用型号为FBDNO6.0的井下局部通风机，参数如下表1所示：

表1：FBDNO6.0的井下局部通风机参数

变频器部分，输入信号为输入交流电压u，输出信号为交流电的频率f，若此时先不考虑变频过程中的系统滞后问题，此时变频器的交流电压u与频率f之间的数学模型可以近似等效为一个一阶惯性环节：

上述公式中，K_f为变频器的频率与外部设定电压的比值；T_f为变频器的延迟时间，取值一般为变频器加速时间的3/5。

调速部分，该局部通风机中的异步电机采用的是电压空间矢量控制的方法，因此，在电动机的输入信号为交流电的频率f，输出信号为转速信号n的情况下，可以近似得到电动机的数学模型也为一个一阶惯性环节：

上述公式中，K是电动机额定转速n_e与交流电压工频f的比值，为一固定常数；T是电动机系统常数，一般取电动机启动时间t_p的1/4。

要实现局部通风机风速的调节，还要完成转速与风速的转换。根据通风机的特性可知，转速与风速之间满足关系式Q1/Q2＝n1/n2。

改进型自抗扰控制器的设计，如图3所示，为改进型二阶自抗扰控制器的结构图，其中各部分设计为：

1.跟踪微分器TD，他的输入端接系统输入信号，输出跟踪信号和微分信号，跟踪微分器TD的作用是迅速精确的跟踪系统信号，产生相应微分信号，改善过渡过程，均衡响应速度与系统超调。

2.扩张状态观测器ESO，扩张状态观测器是一个两输入和三输出的观测器，它的输入是系统输出y和控制量u，输出为z₁、z₂、z₃，其中z₁、z₂是被控对象状态变量的估计值，z₃是模型内部扰动和外部扰动的总估计值，

3.非线性状态误差反馈控制器NLSEF，非线性状态误差反馈控制律的输入是两个误差量e₁、e₂，分别由TD产生的跟踪信号x₁和微分信号x₂与ESO产生的状态估计量z₁、z₂形成。

为了改善控制信号高频振荡的问题，在对自抗扰控制器进行改进时，对非线性函数的改进最直接有效，如图4所示为改进前后非线性函数仿真曲线对比图，使用了反正切函数与幂函数相结合的改进方法，反正切函数增强了控制器的线型程度，幂函数又保证了控制器的跟踪速度。

改进后的非线性函数定义为：

则改进后控制器的具体算法如下：

(a)跟踪微分器的状态方程为：

式中：x₀是系统设定值，x₁是输出的跟踪信号，x₂是输出的微分信号，d与系统的采样步长有关，r是系统参数，它的大小决定了跟踪速度的快慢，r越大，过渡时间越短，跟踪速度越快，但是取值过大会造成系统高频振荡。

(b)扩张状态观测器的状态方程为：

其中，

式中：β₀₁、β₀₂和β₀₃状态观测器的三个增益，是需要调节的参数，b₀是控制量u的补偿因子，d为函数线性区间的宽度，b₀和d都是系统参数。

(c)非线性误差反馈控制器的状态方程为：

其中，

式中：β₁、β₂的作用相当于比例增益和微分增益，b是反馈参数，产生系统控制信号u，实现了误差到控制信号的转变。

为了说明本发明的实际效果，使用MATLAB/SIMULINK对本发明内容进行仿真，仿真参数如下表2所示：

表2：改进后ADRC控制器仿真参数

图5为使用传统ADRC控制器和改进ADRC控制器的局部通风机风速调节系统的控制信号对比图，可以看出，传统ADRC控制器在3.5s—6s之间控制信号出现严重的尖峰，该尖峰信号进入变频器后，会对变频器产生强烈的冲击，造成严重的损伤，而改进后的ADRC控制器输出信号只出现了一段较为圆滑的波动，控制信号也比改进前更快进入稳定状态。图6为改进前后自抗扰控制方法与传统PID控制方法的控制效果对比图，与PID控制方法相比，ADRC控制方法在局部通风机风速控制方面效果显著，系统进入稳定状态比PID控制明显快很多，PID控制方法超调严重，在25s左右系统趋于稳定，而两种ADRC控制方法都能在20s以内使系统达到稳定状态，跟踪速度快，解决了系统大超调和过渡时间过长的问题。图7为改进前后系统抗阶跃干扰的性能对比图。由图可知，改进后的算法能更快的恢复到原本的稳定状态，抗干扰性能增强。

仿真结果表明：改进后的自抗扰控制抑制震荡的效果显著，控制信号波动明显减小，减轻了信号震荡对变频器和异步电机的冲击，观察系统风速输出波形，自抗扰控制器的控制效果明显好于PID控制器，解决了系统大超调和过渡时间过长的问题，与传统ADRC控制方法相比，使用改进后的自抗扰控制器比传统ADRC控制器能更快的使通风机的风速达到期望状态，在动态性能、稳态性能和抗干扰性能方面，改进后的ADRC算法都得到了明显的改善，既实现了局部通风机风速的快速调节，又解决了震荡信号对于局部通风机设备的冲击损坏。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法，其特征在于：包括局部通风机和改进型自抗扰控制器ADRC，所述局部通风机包括变频器、异步电机和风速转换模块，所述改进型自抗扰控制器包括跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性状态误差反馈控制器NLSEF，对控制器控制策略中的非线性函数做改进。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法，其特征在于：提供一种局部通风机建模方法，使用变频器和异步电机近似局部通风机，建模步骤分为变频环节、调速环节和风速转换。

3.根据权利要求1所述的一种基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法，其特征在于：控制方法的具体实现包括以下步骤：

(1)给定风速信号进入跟踪微分器，输出跟踪信号和微分信号，与反馈量的跟踪信号和微分信号比较，得到差值；

(2)扩张状态观测器用来估计被控对象的状态，对风速调节系统的内外扰动进行补偿，将扩张出来的状态变量用来估计未知扰动和系统为建模部分，将控制对象变为积分串联型；

(3)非线性误差反馈控制器将由跟踪微分器和扩张状态观测器得到的差值信号通过非线性组合，作为风速调节系统的控制信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法，其特征在于：提供的一种改进后的二阶自抗扰控制策略，对控制器算法中的非线性函数进行改进，改进后的非线性函数为：

5.根据权利要求4所述的一种基于改进型自抗扰技术的井下局部通风机风速调节方法，其特征在于：

(a)跟踪微分器的状态方程为：

式中：x₀是系统设定值，x₁是输出的跟踪信号，x₂是输出的微分信号，d与系统的采样步长有关，r是系统参数，它的大小决定了跟踪速度的快慢，r越大，过渡时间越短，跟踪速度越快，但是取值过大会造成系统高频振荡。

(b)扩张状态观测器的状态方程为：

其中，

式中：β₀₁、β₀₂和β₀₃状态观测器的三个增益，是需要调节的参数，b₀是控制量u的补偿因子，d为函数线性区间的宽度，b₀和d都是系统参数。

(c)非线性误差反馈控制器的状态方程为：

其中，

式中：β₁、β₂的作用相当于比例增益和微分增益，b是反馈参数，产生系统控制信号u，实现了误差到控制信号的转变。