CN114671213B - 煤矿井下胶带机系统控制方法、系统、设备及介质 - Google Patents

煤矿井下胶带机系统控制方法、系统、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明属于自动化控制领域，公开了一种煤矿井下胶带机系统控制方法、系统、设备及介质，通过根据预设的胶带机系统动态模型，以及当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量，获取各胶带机的开环预测值；然后求解胶带机系统稳态运行时各胶带机的稳态运行速度；以各胶带机的稳态运行速度为跟踪目标建立动态控制优化问题，并求解动态控制优化问题得到未来N个时段内各胶带机的运行速度，根据未来第一个时段内各胶带机的运行速度，控制胶带机系统运行。通过对各个胶带机的不同分段精细化控制，从而实现胶带机的多层级及多尺度协同调速，最优的自动调整各个胶带机的速度，提高经济效益。

Description

煤矿井下胶带机系统控制方法、系统、设备及介质
技术领域
本发明属于自动化控制领域，涉及一种煤矿井下胶带机系统控制方法、系统、设备及介质。
背景技术
煤矿井下胶带运输机(称为胶带机)作为运输由煤矿采掘工作面中刮板机输送的煤矿到主井的运输设备，是煤矿生产最关键的设备之一，其工作效率直接影响着煤矿的经济效益。由于其通常贯穿各个采煤工作面、巷道和主井，随着煤矿规模的增大，胶带机也逐渐呈现复杂的树形结构，并且胶带机的运输也分为CST(可控启动传输装置)和变频控制传送胶带。其中，CST通常具有很大惯性，因此往往采用软启动和软截止的方式启停以降低惯性力，避免电流尖峰和煤矿跌落，因此调节CST的成本较高。而变频控制的胶带机可以较容易的进行调速，因此在胶带机的综合调速中需要联合考虑这两种不同的调速模式。
目前，树形胶带机的井下煤矿运输面临着运输距离长、煤矿分布不均匀以及交汇处煤矿负载过大等问题，可能导致煤矿跌落、不均匀运输以及电机超负荷等问题，严重的甚至会导致电力过载停机，带来严重的安全隐患。需要一种优化控制系统，以根据不同矿井中的时变产煤量和不同胶带机上的不均匀煤矿分布，进行各个胶带机的智能调速。
但是，现有的胶带机调速系统仅限于单胶带机调速，并且其仅在单胶带机负载过大时进行提速，缺乏对全局胶带机系统负载的考虑，并且无法对多胶带机进行协调优化控制，使得胶带机运输系统面临胶带机交汇带来的煤矿负载过大导致的电力过载等安全问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种煤矿井下胶带机系统控制方法、系统、设备及介质。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明第一方面，一种煤矿井下胶带机系统控制方法，包括：
S1：获取当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量；
S2：根据预设的胶带机系统动态模型，以及当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量，获取各胶带机当输入煤矿量保持当前状态时未来N个时段内各段的煤矿质量，得到各胶带机的开环预测值；
S3：根据胶带机系统动态模型以及胶带机系统运行约束建立胶带机系统稳态模型，通过放松胶带机系统运行约束内的软约束使胶带机系统稳态模型的可行域非空，并在可行域内寻优得到胶带机系统稳态运行时各胶带机的稳态运行速度；
S4：以各胶带机的稳态运行速度为跟踪目标建立动态控制优化问题，并根据各胶带机的开环预测值以及胶带机系统运行约束求解动态控制优化问题；
S5：当动态控制优化问题有解时，得到未来N个时段内各胶带机的运行速度，并根据未来第一个时段内各胶带机的运行速度，控制胶带机系统运行；否则，放松胶带机系统运行约束内的软约束并重新求解动态控制优化问题。
可选的，所述获取当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量包括：
通过设置在各胶带机侧面和正面的摄像头，获取各胶带机各段的煤矿体积，根据各胶带机各段的煤矿体积和煤矿密度，得到各胶带机各段的煤矿质量；
通过设置在各胶带机侧面和正面的视频传感器，获取并根据各个胶带机各段中心点在每帧图像所处位置及不同帧图像的时间间隔，得到各胶带机各段的速度。
可选的，所述胶带机系统动态模型通过下述方式构建得到：
基于分段集总参数法的机理建模方法，将胶带机系统内各胶带机的皮带分段，对于每段皮带建立弹簧-质点-阻尼模型；将各胶带机的每段皮带的弹簧-质点-阻尼模型进行组合，得到各胶带机的动态模型；根据胶带机系统内各胶带机的布局关系，组合各胶带机的动态模型，得到胶带机系统动态模型。
可选的，所述根据胶带机系统动态模型以及胶带机系统运行约束建立胶带机系统稳态模型，通过放松胶带机系统运行约束内的软约束使胶带机系统稳态模型的可行域非空，并在可行域内寻优得到胶带机系统稳态运行时各胶带机的稳态运行速度时，以经济效益最高或控制动作最小为优化目标。
可选的，所述放松胶带机系统运行约束内的软约束时，根据各软约束预设的优先级，按照优先级由高到低的顺序逐优先级放松各软约束。
可选的，所述以各胶带机的稳态运行速度为跟踪目标建立动态控制优化问题包括：
以各胶带机的稳态运行速度为跟踪目标，基于动态矩阵控制方法，采用有限时域二次型性能指标构建动态控制优化问题。
可选的，所述优化问题为：
Figure BDA0003573986400000031
Figure BDA0003573986400000032
其中，J(t)为跟踪误差，Q和R均为权重系数矩阵，
Figure BDA0003573986400000033
为各胶带机的开环预测状态值，/>
Figure BDA0003573986400000034
为各胶带机的稳态值，u(t+i|t)为各胶带机的运行速度，uss为各胶带机的稳态运行速度。
本发明第二方面，一种煤矿井下胶带机系统控制系统，包括：
信息获取模块，用于获取当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量；
预测模块，用于根据预设的胶带机系统动态模型，以及当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量，获取各胶带机当输入煤矿量保持当前状态时未来N个时段内各段的煤矿质量，得到各胶带机的开环预测值；
稳态求解模块，用于根据胶带机系统动态模型以及胶带机系统运行约束建立胶带机系统稳态模型，通过放松胶带机系统运行约束内的软约束使胶带机系统稳态模型的可行域非空，并在可行域内寻优得到胶带机系统稳态运行时各胶带机的稳态运行速度；
动态求解模块，用于以各胶带机的稳态运行速度为跟踪目标建立动态控制优化问题，并根据各胶带机的开环预测值以及胶带机系统运行约束求解动态控制优化问题；
控制模块，用于当动态控制优化问题有解时，得到未来N个时段内各胶带机的运行速度，并根据未来第一个时段内各胶带机的运行速度，控制胶带机系统运行；否则，放松胶带机系统运行约束内的软约束并重新求解动态控制优化问题。
本发明第三方面，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述煤矿井下胶带机系统控制方法的步骤。
本发明第四方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述煤矿井下胶带机系统控制方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明煤矿井下胶带机系统控制方法，通过根据预设的胶带机系统动态模型，以及当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量，获取各胶带机当输入煤矿量保持当前状态时未来N个时段内各段的煤矿质量，得到各胶带机的开环预测值；然后，根据胶带机系统动态模型以及胶带机系统运行约束建立胶带机系统稳态模型，通过放松胶带机系统运行约束内的软约束使胶带机系统稳态模型的可行域非空，并在可行域内寻优得到胶带机系统稳态运行时各胶带机的稳态运行速度；并以各胶带机的稳态运行速度为跟踪目标建立动态控制优化问题，并根据各胶带机的开环预测值以及胶带机系统运行约束求解动态控制优化问题；并当动态控制优化问题有解时，得到未来N个时段内各胶带机的运行速度，并根据未来第一个时段内各胶带机的运行速度，控制胶带机系统运行；通过上层稳态优化和下层动态优化的双层结构模型预测控制策略，使得系统可在受到干扰情况下自动调整最优工作点，得到稳态最优的可达各胶带机速度，以供下层动态控制进行跟踪调速，从而使得胶带机的调速策略可以应对各种类型的干扰。同时，当动态控制优化问题无解时，放松胶带机系统运行约束内的软约束并重新求解动态控制优化问题，通过软约束放松策略，结合对各个胶带机的不同分段精细化控制，实现胶带机的多层级及多尺度协调调速，在保证电力负荷满足约束的情况下最优地调整各胶带机速度。
附图说明
图1为本发明实施例的煤矿井下胶带机系统控制方法流程图；
图2为本发明实施例的煤矿井下胶带机系统控制方法细节流程图；
图3为本发明实施例的煤矿井下胶带机系统控制方法原理示意图；
图4为本发明实施例的基于分段集总参数法的机理建模方法示意图；
图5为本发明实施例的煤矿井下胶带机系统信息获取模块布置示意图；
图6为本发明实施例的单胶带机信息获取模块布置示意图。
其中：1-胶带机；2-传感器；3-服务器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
基于现有技术中的缺陷，针对煤矿井下胶带机系统，需要在预知各胶带机上煤矿质量的情况下，通过多胶带机协调优化以避免在交汇时造成煤矿过载，同时需要考虑各胶带机的调速上下界约束，以在煤矿质量不大的时候进行降速以降低电力成本，这需要一套系统化的监测、优化及控制系统，以及一套可充分利用预测信息的体系化控制方法，以实现煤矿井下胶带机的协调智能调速。
参见图1，本发明一实施例中，提供一种煤矿井下胶带机系统控制方法，包括以下步骤：
S1：获取当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量。
S2：根据预设的胶带机系统动态模型，以及当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量，获取各胶带机当输入煤矿量保持当前状态时未来N个时段内各段的煤矿质量，得到各胶带机的开环预测值。
S3根据胶带机系统动态模型以及胶带机系统运行约束建立胶带机系统稳态模型，通过放松胶带机系统运行约束内的软约束使胶带机系统稳态模型的可行域非空，并在可行域内寻优得到胶带机系统稳态运行时各胶带机的稳态运行速度。
S4：以各胶带机的稳态运行速度为跟踪目标建立动态控制优化问题，并根据各胶带机的开环预测值以及胶带机系统运行约束求解动态控制优化问题。
S5：当动态控制优化问题有解时，得到未来N个时段内各胶带机的运行速度，并根据未来第一个时段内各胶带机的运行速度，控制胶带机系统运行；否则，放松胶带机系统运行约束内的软约束并重新求解动态控制优化问题。
所述步骤S1中，获取当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量包括通过设置在各胶带机侧面和正面的摄像头，获取各胶带机各段的煤矿体积，根据各胶带机各段的煤矿体积和煤矿密度，得到各胶带机各段的煤矿质量；通过设置在各胶带机侧面和正面的视频传感器，获取并根据各个胶带机各段中心点在每帧图像所处位置及不同帧图像的时间间隔，得到各胶带机各段的速度。
所述步骤S2中，胶带机系统动态模型通过下述方式构建得到：基于分段集总参数法的机理建模方法，将胶带机系统内各胶带机的皮带分段，对于每段皮带建立弹簧-质点-阻尼模型；将各胶带机的每段皮带的弹簧-质点-阻尼模型进行组合，得到各胶带机的动态模型；根据胶带机系统内各胶带机的布局关系，组合各胶带机的动态模型，得到胶带机系统动态模型。
所述步骤S3中，根据胶带机系统动态模型以及胶带机系统运行约束建立胶带机系统稳态模型，求解胶带机系统稳态运行时各胶带机的稳态运行速度时，以经济效益最高或控制动作最小为优化目标。
所述步骤S4中，以各胶带机的稳态运行速度为跟踪目标建立动态控制优化问题包括：以各胶带机的稳态运行速度为跟踪目标，基于动态矩阵控制方法，采用有限时域二次型性能指标构建动态控制优化问题。
本实施例中，所述优化问题为
Figure BDA0003573986400000081
Figure BDA0003573986400000082
其中，J(t)为跟踪误差，Q和R均为权重系数矩阵，/>
Figure BDA0003573986400000083
为各胶带机的开环预测状态值，/>
Figure BDA0003573986400000084
为各胶带机的稳态值，u(t+i|t)为各胶带机的运行速度，uss为各胶带机的稳态运行速度。
所述步骤S3和S5中，所述放松胶带机系统运行约束内的软约束时，根据各软约束预设的优先级，按照优先级从高到低的顺序逐优先级放松各软约束。其中，软约束指可以适当违反的约束，如胶带机输出煤矿量软约束和胶带机速度软约束。
参见图2，下述详细说明本发明煤矿井下胶带机系统控制方法一种可行的具体流程，具体包括下述步骤：
S11：收集各个胶带机各个段内的煤矿质量和不不同分段的运行速度v。
具体的，S11包括以下步骤：
S101：通过布置在各个胶带机侧面和正面的摄像头监测各个胶带机上不同段内的煤矿量，根据煤矿密度和体积计算各个段内的煤矿质量。
S102：通过视频传感器观测各个胶带机不同分段中心点在每帧图像所处位置x，计算不同帧图像中的位移增量dx,并根据不同帧图像获取之间的时间间隔dt，通过
Figure BDA0003573986400000091
计算得到各个胶带机不同分段的运行速度v。
S12：基于分段集总参数法的机理建模，将单胶带机的皮带分段，对于每段建立弹簧-质点-阻尼模型，用于描述不同分段的动态特性；将不同分段的动态模型进行组合，建立单胶带机的全局动态模型，用于描述煤矿所包含每个胶带机的动态特性；根据煤矿中各个胶带机的布局关系，建立全局树形胶带机的动态模型，用于描述胶带机系统的动态运输特性。
具体的，S12包括以下步骤：
S201：将单胶带机的皮带按照长度均匀分段，在每一段内按照阻尼振动方程
Figure BDA0003573986400000092
建立单胶带机段内动态微分方程，其中，m为段内胶带机上的总质量，包括段内煤矿质量、皮带质量和托辊质量，r为阻尼系数，k为弹性系数，u为通过驱动电机给皮带施加的力。例如，对具有N个分段的单胶带机，第一个分段的动态模型可被描述为：
Figure BDA0003573986400000093
Figure BDA0003573986400000094
其中，m1为第一段皮带的总质量，u1为第一段皮带的外阻，J为转向轮的转动惯量，R′为转向轮半径，/>
Figure BDA0003573986400000095
为第一段皮带加速度，/>
Figure BDA0003573986400000096
为第一段皮带速度，r1为第一段皮带的阻尼系数，k1为第一段皮带的弹性系数。其他的分段也可采用同样的方式建立动态模型，将各个分段组合起来得到单胶带机系统动态模型。
S202：将由S201获得的段内模型组合起来得到单胶带机的全局系统微分方程组
Figure BDA0003573986400000097
其中，M为单胶带机总质量矩阵，其元素为不同分段的总质量，R为单胶带机阻尼系数矩阵，其元素为不同分段的阻尼系数，K为单胶带机弹性系数矩阵，其元素为不同分段的弹性系数，B为系数矩阵，u表示驱动电机给单胶带机施加力的总和。
S203：基于煤矿胶带机系统的树形结构，将由获得的单胶带机全局动态模型组合形成煤矿胶带机系统全局动态模型，建立增广状态空间方程
Figure BDA0003573986400000101
S204：离散化增广状态空间方程得到离散时间状态空间方程：
Figure BDA0003573986400000102
Figure BDA0003573986400000103
其中，
Figure BDA0003573986400000104
代表状态，以区别于位移x，由于矩阵A中包含不同时刻胶带机上的煤矿量，其并非均匀分布，因此矩阵A时变，可表示为A(t)＝A+Δ(t)，其中，A为时不变部分，Δ(t)为时变部分。y为观测到的相关信息，如各个胶带机的输出煤矿量和总煤矿量，其并不需要包含系统状态的全部可测信息，其是关于增广状态的线性函数。
S13：基于由S12获得的煤矿胶带机系统全局动态模型，建立各个胶带机当输入煤矿量保持现状(即胶带机上的当前可预测煤矿量保持现状，而未来不可预测煤矿量为当前可预测煤矿量的延续)时的未来N个时段其分段煤矿量的开环动态预测值，用于进行优化控制问题构建。同时，基于动态模型建立系统稳态方程，计算当前时刻的稳态预测值。
具体的，S13包含以下步骤：
S301：对于非刮板机输入煤矿的胶带机，矩阵A中的部分不确定性Δ(t)可预测，即当前胶带机的未来输入为其他胶带机的输出和；对于由刮板机输入煤矿的胶带机，矩阵A中的部分不确定性Δ(t)未知，即其基于未来采煤状况。所以，令部分未来时刻未知的不确定性取当前时刻的值，得到对不确定性未来的预测Δ(t),Δ(t+1),…,Δ(t+N)。
S302：根据S2获得的线性参数时变模型(1)和对不确定性的未来预测值，得到开环动态预测：
Figure BDA0003573986400000111
S302：根据线性参数时变模型(1)建立煤矿胶带机系统的稳态模型：
Figure BDA0003573986400000112
Figure BDA0003573986400000113
其中，
Figure BDA0003573986400000114
uss(t)表示系统的稳态目标，求解式(2)得到系统稳态预测值。
S14：考虑各个胶带机调速的上下界约束、各个段内胶带机承载量的上下界约束以及各个胶带机调速速率的上下界约束，以经济效益为优化目标，构建煤矿胶带机系统稳态模型。首先通过放松胶带机系统运行约束内的软约束使调整后的可行域非空，然后在可行域内寻优，用于得到在保证煤矿平稳运输情况下的最优各胶带机可达稳态速度，以供下层动态控制模块跟踪。
具体的，S14包括以下步骤：
S401：根据各个胶带机速度的上下界物理约束
Figure BDA0003573986400000115
各个胶带机调速速率上下界物理约束/>
Figure BDA0003573986400000116
各个胶带机段内煤矿重量上下界物理约束0≤mi≤mi,max及部分胶带机调速的动作代价软约束等，构建关于被控变量/>
Figure BDA0003573986400000121
和操作变量u的各种约束。
S402：通过稳态目标计算的可行性阶段，在各种软硬约束之间寻找最优可行解，即通过逐优先级放松软约束，使得经过优化放松后的约束集是相容的。一个软约束所在的优先级表示了这个软约束的重要程度，优先级越高，优先级数字越小，代表约束越重要。采用升序策略进行优先级放松，即对于级别i，将所有级别高于i的软约束作为硬约束，进行级别i的软约束放松，依次进行一直进行到所有有优先级的软约束都进行了放松为止。
S403：通过稳态目标计算的经济优化阶段，构建以电价成本为目标、包含可行性阶段得到的各类软硬约束的优化问题，通过求解满足所有经过放松的软约束和硬约束及动态方程的优化问题得到每一个时刻的可达稳态目标
Figure BDA0003573986400000122
其中，可达稳态目标指通过求解满足稳态方程约束的优化问题得到的可行解。
S15、通过S13获得的胶带机开环动态预测，以S14获得的稳态目标计算得到的各个胶带机稳态目标为跟踪指标，基于DMC(动态矩阵控制)方法采用有限时域二次型性能指标构建动态控制优化问题，表示为
Figure BDA0003573986400000123
Figure BDA0003573986400000124
其中，Q和R分别代表权重系数矩阵，用于对各个胶带机的稳态值/>
Figure BDA0003573986400000125
进行动态跟踪，在每一个时刻优化得到未来N个时段内各个胶带机的动态速度，判断是否能跟踪上稳态目标：若能，则输出并实施第一步胶带机调速策略；否则，放松胶带机系统运行约束内的软约束并重新求解动态控制优化问题。按照时间顺序滚动的求解动态控制优化问题并输出调速策略以实施。
具体的，S15包含以下步骤：
S501：确定优化目标：(1)未来信号尽量跟踪可达稳态目标
Figure BDA0003573986400000126
(2)抑制动态控制信号u(t+i)的波动为目标，基于DMC方法建立动态控制优化问题，当优化问题不可行时，通过放松软约束得到动态控制优化问题可行解。
S502：通过调整参数获得二次型性能指标中的权重矩阵，求解二次规划问题，将得到的第一步控制作用u(t)作为当前时刻应该实施的控制作用。
S503：下一时刻，读取摄像头以及传感器收集的数据，返回S14，重新计算稳态目标，然后步进到S15，构建新的动态控制优化问题，获得新的控制作用。
综上，本发明煤矿井下胶带机系统控制方法，通过对各个胶带机的不同分段精细化控制，从而实现胶带机的多层级及多尺度协同调速，在保证电力负荷满足约束的情况下最优的自动调整各个胶带机的速度，提高经济效益。
具体的，包括以下几方面的优势，1.通过分布式传感器以及其在胶带机交汇点的布置，确保了各胶带机上的煤矿分布实时可知，可为胶带机的煤矿量预测提供指导，并提高现有设备的自动化程度。2.通过基于分段集总参数法的机理建模，得到了全局树形胶带机的运输稳态及动态模型，可通过此模型实现以各个段为基准单位的精细化控制。3.通过上层稳态优化和下层动态优化的双层结构模型预测控制策略，使得系统可在受到干扰情况下自动调整最优工作点，得到稳态最优的可达各胶带机速度，以供下层动态控制进行跟踪调速，从而使得胶带机的调速策略可以应对各种类型的干扰。4.通过软约束放松策略，首先放松容易调整的变频调速胶带机上下界约束，在通过变频调速无法满足需求时，再调整CST的胶带机速度，从而实现胶带机的多层级及多尺度协调调速，在保证电力负荷满足约束的情况下最优地调整各胶带机速度。
下述为本发明的装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于装置实施例中未披露的细节，请参照本发明方法实施例。
本发明再一实施例中，提供一种煤矿井下胶带机系统控制系统，能够用于实现上述的煤矿井下胶带机系统控制方法，具体的，该煤矿井下胶带机系统控制系统包括信息获取模块、预测模块、稳态求解模块、动态求解模块以及控制模块。
其中，信息获取模块用于获取当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量；预测模块用于根据预设的胶带机系统动态模型，以及当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量，获取各胶带机当输入煤矿量保持当前状态时未来N个时段内各段的煤矿质量，得到各胶带机的开环预测值；稳态求解模块用于根据胶带机系统动态模型以及胶带机系统运行约束建立胶带机系统稳态模型，通过放松胶带机系统运行约束内的软约束使胶带机系统稳态模型的可行域非空，并在可行域内寻优得到胶带机系统稳态运行时各胶带机的稳态运行速度；动态求解模块用于以各胶带机的稳态运行速度为跟踪目标建立动态控制优化问题，并根据各胶带机的开环预测值以及胶带机系统运行约束求解动态控制优化问题；控制模块用于当动态控制优化问题有解时，得到未来N个时段内各胶带机的运行速度，并根据未来第一个时段内各胶带机的运行速度，控制胶带机系统运行；否则，放松胶带机系统运行约束内的软约束并重新求解动态控制优化问题。
参见图5和6，在一种可能的实施方式中，信息获取模块用于获取胶带机1实时运行状态，由传感器2、数据传输单元和服务器3组成，传感器2实时采集胶带机1各段内煤矿堆叠高度以及计算胶带机实时运行速度，经数据传输单元汇总至后台数据库存储，为服务器3进行后续计算、优化和控制提供数据支撑。其中，传感器1包括但不限于图像视频传感器、3D深度视频传感器以及红外视频传感器等一系列不影响胶带机正常运行且可以准确获取煤矿堆叠高度、胶带机运行速度等信息的传感器，安装在胶带机1通道侧面及胶带机交汇点处，通过图像识别与分析实时获取不同段内煤矿高度数值和胶带机运行速度数值；数据传输单元主要为有线传输方式，经由数据收发装置和交换机等中转装置完成数据传输。
在一种可能的实施方式中，煤矿井下胶带机系统控制系统还包括机理建模模块，机理建模模块用于构建胶带机的物理模型，以描述胶带机系统的煤矿动态运输特性，包括在胶带机上煤炭质量分布的动态时变性和胶带机弹性皮带的伸缩特性。首先，根据皮带上煤炭质量分布情况使用分段集总参数法对单胶带机皮带进行分段；然后，在每一段内，根据胶带机皮带的物理材料特性，包括弹性系数、阻尼系数及质量，建立段内的弹簧-质点-阻尼模型，最后，综合上述各段弹簧-质点-阻尼模型构成单胶带机的全局动态模型，并根据矿道内各个胶带机的布局关系建立全局树形胶带机的动态模型。
在一种可能的实施方式中，预测模块具体用于动态预测未来N个时段内胶带机上的分段煤矿量和对当前时刻的稳态预测。动态预测具体为基于当前时段各矿井输入煤矿量、各胶带机的煤矿量分布情况和运行速度，令部分未来时刻未知的不确定性取当前时刻不确定性的值Δ(t)，依据系统动态方程动态预测未来N个时段内保持现状时的分段煤矿量，用于构建优化控制问题。稳态预测具体为基于系统稳态方程，计算稳态预测值，用于稳态目标计算。
其中，未来时刻未知的不确定性指基于未来采煤情况的不确定信息，如由刮板机输入煤矿的胶带机上煤矿质量分布。
在一种可能的实施方式中，稳态求解模块具体用于构建以特定目标为指标的稳态优化问题并求解得到阶段内的稳态目标，以指导动态求解模块进行优化控制。其中，优化问题可以以经济效益最优或控制动作最小为目标函数，优化问题的约束包括各胶带机调速的上下界约束、各胶带机承载量的上下界约束以及各胶带机调速速率的上下界约束。在保证煤矿平稳运输情况下计算各胶带机可达的最优稳态速度，以供下层动态求解模块跟踪。
在一种可能的实施方式中，动态求解模块具体用于调整胶带机运行速度以稳态求解模块给出的最优稳态速度，结合对未来N个时段内煤矿量的开环动态预测值，基于DMC方法采用有限时域二次型性能指标构建动态控制优化问题。设定滚动优化窗口长度，在每一时刻求解上述动态控制优化问题在未来N个时段内的各胶带机最优运行速度，并将第一个时段的胶带机调速动作应用在当前时刻，在每一个采样时刻滚动地通过上述过程完成滚动优化。
本发明煤矿井下胶带机系统控制系统工作时，首先根据矿井结构与胶带机运行机理，由机理建模模块建立全局树形胶带机的动态模型，以支撑对煤矿量的开环预测。在信息获取模块中，传感器实时采集系统运行过程中煤矿量数据与胶带机运行状态信息(包括开关机状态与速度)。预测模块基于各矿井煤矿输入、胶带机运行情况的实时数据和系统动态方程，对未来N个时段内的煤矿量进行动态预测，并构建系统稳态方程给出当前时段的稳态预测；稳态求解模块基于稳态预测值和稳态方程，建立稳态优化问题并通过软约束放松的方式逐级放松软约束，以保证在尽量少放松软约束的情况下得到可达的稳态目标，供动态求解模块进行追踪；动态求解模块以上述稳态目标为跟踪目标，结合开环动态预测信息，建立并求解未来固定窗口时段内的动态控制优化问题，并将第一个时段的最优策略应用于当前时刻，继而重复向后滑动窗口以滚动完成优化问题的求解和实施。
前述的煤矿井下胶带机系统控制方法的实施例涉及的各步骤的所有相关内容均可以援引到本发明施例中的煤矿井下胶带机系统控制系统所对应的功能模块的功能描述，在此不再赘述。
本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理器中，也可以是单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
本发明再一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于煤矿井下胶带机系统控制方法的操作。
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关煤矿井下胶带机系统控制方法的相应步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种煤矿井下胶带机系统控制方法，其特征在于，包括：
S1：获取当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量；
所述获取当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量包括：
通过设置在各胶带机侧面和正面的摄像头，获取各胶带机各段的煤矿体积，根据各胶带机各段的煤矿体积和煤矿密度，得到各胶带机各段的煤矿质量；
通过设置在各胶带机侧面和正面的视频传感器，获取并根据各个胶带机各段中心点在每帧图像所处位置及不同帧图像的时间间隔，得到各胶带机各段的速度；
S2：根据预设的胶带机系统动态模型，以及当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量，获取各胶带机当输入煤矿量保持当前状态时未来N个时段内各段的煤矿质量，得到各胶带机的开环预测值；
所述胶带机系统动态模型通过下述方式构建得到：
基于分段集总参数法的机理建模方法，将胶带机系统内各胶带机的皮带分段，对于每段皮带建立弹簧-质点-阻尼模型；将各胶带机的每段皮带的弹簧-质点-阻尼模型进行组合，得到各胶带机的动态模型；根据胶带机系统内各胶带机的布局关系，组合各胶带机的动态模型，得到胶带机系统动态模型；
其中，将胶带机系统内各胶带机的皮带分段时，将单胶带机的皮带按照长度均匀分段；
S3：根据胶带机系统动态模型以及胶带机系统运行约束建立胶带机系统稳态模型，通过放松胶带机系统运行约束内的软约束使胶带机系统稳态模型的可行域非空，并在可行域内寻优得到胶带机系统稳态运行时各胶带机的稳态运行速度；
所述放松胶带机系统运行约束内的软约束时，根据各软约束预设的优先级，按照优先级由高到低的顺序逐优先级放松各软约束；
S4：以各胶带机的稳态运行速度为跟踪目标建立动态控制优化问题，并根据各胶带机的开环预测值以及胶带机系统运行约束求解动态控制优化问题；
S5：当动态控制优化问题有解时，得到未来N个时段内各胶带机的运行速度，并根据未来第一个时段内各胶带机的运行速度，控制胶带机系统运行；否则，放松胶带机系统运行约束内的软约束并重新求解动态控制优化问题。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下胶带机系统控制方法，其特征在于，所述根据胶带机系统动态模型以及胶带机系统运行约束建立胶带机系统稳态模型，通过放松胶带机系统运行约束内的软约束使胶带机系统稳态模型的可行域非空，并在可行域内寻优得到胶带机系统稳态运行时各胶带机的稳态运行速度时，以经济效益最高或控制动作最小为优化目标。
3.根据权利要求1所述的煤矿井下胶带机系统控制方法，其特征在于，所述以各胶带机的稳态运行速度为跟踪目标建立动态控制优化问题包括：
以各胶带机的稳态运行速度为跟踪目标，基于动态矩阵控制方法，采用有限时域二次型性能指标构建动态控制优化问题。
4.根据权利要求1所述的煤矿井下胶带机系统控制方法，其特征在于，所述优化问题为：
Figure FDA0004083375120000021
其中，J(t)为跟踪误差，Q和R均为权重系数矩阵，
Figure FDA0004083375120000022
为各胶带机的开环预测状态值，/>
Figure FDA0004083375120000023
为各胶带机的稳态值，u(t+i|t)为各胶带机的运行速度，uss为各胶带机的稳态运行速度。
5.一种煤矿井下胶带机系统控制系统，其特征在于，包括：
信息获取模块，用于获取当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量；具体用于：通过设置在各胶带机侧面和正面的摄像头，获取各胶带机各段的煤矿体积，根据各胶带机各段的煤矿体积和煤矿密度，得到各胶带机各段的煤矿质量；通过设置在各胶带机侧面和正面的视频传感器，获取并根据各个胶带机各段中心点在每帧图像所处位置及不同帧图像的时间间隔，得到各胶带机各段的速度；
预测模块，用于根据预设的胶带机系统动态模型，以及当前状态下胶带机系统内各胶带机各段的运行速度和煤矿质量，获取各胶带机当输入煤矿量保持当前状态时未来N个时段内各段的煤矿质量，得到各胶带机的开环预测值；
所述胶带机系统动态模型通过下述方式构建得到：
基于分段集总参数法的机理建模方法，将胶带机系统内各胶带机的皮带分段，对于每段皮带建立弹簧-质点-阻尼模型；将各胶带机的每段皮带的弹簧-质点-阻尼模型进行组合，得到各胶带机的动态模型；根据胶带机系统内各胶带机的布局关系，组合各胶带机的动态模型，得到胶带机系统动态模型；
其中，将胶带机系统内各胶带机的皮带分段时，将单胶带机的皮带按照长度均匀分段；
稳态求解模块，用于根据胶带机系统动态模型以及胶带机系统运行约束建立胶带机系统稳态模型，通过放松胶带机系统运行约束内的软约束使胶带机系统稳态模型的可行域非空，并在可行域内寻优得到胶带机系统稳态运行时各胶带机的稳态运行速度；
所述放松胶带机系统运行约束内的软约束时，根据各软约束预设的优先级，按照优先级由高到低的顺序逐优先级放松各软约束；
动态求解模块，用于以各胶带机的稳态运行速度为跟踪目标建立动态控制优化问题，并根据各胶带机的开环预测值以及胶带机系统运行约束求解动态控制优化问题；
控制模块，用于当动态控制优化问题有解时，得到未来N个时段内各胶带机的运行速度，并根据未来第一个时段内各胶带机的运行速度，控制胶带机系统运行；否则，放松胶带机系统运行约束内的软约束并重新求解动态控制优化问题。
6.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一项所述煤矿井下胶带机系统控制方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述煤矿井下胶带机系统控制方法的步骤。
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