CN202018581U - 一种用于大型露天矿用挖掘机的专家控制和pid闭环控制相结合的自适应数字控制器 - Google Patents
一种用于大型露天矿用挖掘机的专家控制和pid闭环控制相结合的自适应数字控制器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种用于大型露天矿用挖掘机的专家控制和PID闭环控制相结合的自适应数字控制器，包括控制模块以及与控制模块相连的变流控制装置。本实用新型具有如下优点：1.设计合理，结构简单且完全实用；2.完全适应挖掘机负载变化频繁、堵转、变惯量、振动和冲击大、环境温差大等特点；控制精确；抗干扰性强；动态响应快；对传动机械冲击振动小；对负载适应性强、鲁棒性好；维护费用低；可靠性高。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种自适应数字控制器，尤其是涉及一种一种用于大型露天矿用挖掘机的专家控制和PID闭环控制相结合的自适应数字控制器。
背景技术
大型电传动矿用挖掘机是大型露天矿山采矿场的主要采矿设备，其自重达500～1000吨，其铲斗容积达十几到几十立方（一次挖掘矿石数十吨），动力来源为电力，通过铲上电气传动系统完成挖掘机的行走、提升、回转和推压作业，整个挖掘机供电容量达到几个兆伏安，单台传动系统最大直流工作电流达几千安，电力传动系统是挖掘机的核心设备。
大型矿用挖掘机电力传动系统仅由ABB、Siemens等较少的国外公司设计制造，已装备在美国P&H公司的2300XP等大型挖掘机，国内相关技术的研制依然是空白，由于挖掘机挖掘阻力不确定、负载变化频繁、堵转、振动和冲击大，控制对象模型负载惯性时间常数随挖掘量变化具有较大的摄动。传统的固定控制参数的PID调节控制器难以使系统保持较大的稳定裕量、抑制干扰能力和较快的响应，且传统控制系统为模拟器件构成的分立插接控制板，在挖掘机露天的强震动、大粉尘、大温差的恶劣环境下工作，故障率较高，抗干扰能力差，且接线复杂，备件更换及维护保养要求较高，已不能充分满足高效采矿生产的需要。
发明内容
本实用新型主要是解决现有技术所存在的难以使系统保持较大的稳定裕量、抑制干扰能力和较快的响应，且传统控制系统为模拟器件构成的分立插接控制板，在挖掘机露天的强震动、大粉尘、大温差的恶劣环境下工作，故障率较高，抗干扰能力差，且接线复杂，备件更换及维护保养要求较高，已不能充分满足高效采矿生产的需要等的技术问题；提供了一种完全适应挖掘机负载变化频繁、堵转、变惯量、振动和冲击大、环境温差大等特点;控制精确;抗干扰性强;动态响应快;对传动机械冲击振动小；对负载适应性强、鲁棒性好；维护费用低；可靠性高的一种用于大型露天矿用挖掘机的专家控制和PID闭环控制相结合的自适应数字控制器。
本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种用于大型露天矿用挖掘机的专家控制和PID闭环控制相结合的自适应数字控制器，其特征在于，包括控制模块以及与控制模块相连的变流控制装置：
在上述的一种用于大型露天矿用挖掘机的专家控制和PID闭环控制相结合的自适应数字控制器，所述的变流控制装置包括S形斜坡给定的斜坡给定装置；以及自适应转速双闭环调节器和自适应转矩双闭环调节器
在上述的一种用于大型露天矿用挖掘机的专家控制和PID闭环控制相结合的自适应数字控制器，所述的控制模块包括依次连接的信号调理电路、DSP模块、CPLD模块、I/O接口、模拟数字转换电路以及脉冲驱动电路；其中，
DSP模块采用TMS320系列，主要完成无功检测控制算法的计算、各种数据的采集和处理、系统保护及通讯；
CPLD模块采用EPM7128AETI100，实现电容投切算法和触发脉冲生成，同时，实时监测从IO板输入DSP板的开关量输入信号状态，并以中断的形式通知DSP进行处理；
模拟数字转换电路采用14位同步采样ADC芯片MAX1320ECM。
因此，本实用新型具有如下优点：1.设计合理，结构简单且完全实用；2. 完全适应挖掘机负载变化频繁、堵转、变惯量、振动和冲击大、环境温差大等特点;控制精确;抗干扰性强;动态响应快;对传动机械冲击振动小；对负载适应性强、鲁棒性好；维护费用低；可靠性高。
附图说明
图1 为变流控制框图；
图2 为变流控制软件流程图；
图3 为专家PID自适应调节软件流程图；
图4 为S形曲线给定框图；
为加速时间，
为加速圆角时间，
为减速时间，
为减速圆角时间。
图5 为变流器外部接口图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
一种用于大型露天矿用挖掘机的专家控制和PID闭环控制相结合的自适应数字控制器，包括控制模块以及与控制模块相连的变流控制装置，变流控制装置包括S形斜坡给定的SRG，给定前加入较大斜坡和圆弧，用于使传动机械转速转矩给定不仅是斜坡，而且在斜坡的起始和终结部分是圆角，即要求加速度的变化率受到限制，使启动过程舒缓稳定，适应不同传动机械并减小冲击和振动；以及自适应转速双闭环调节器ASR和自适应转矩双闭环调节器ATR，ASR和ATR为专家控制和PID闭环控制相结合的自适应转速和转矩双闭环调节器，根据被控（提升、推压、回转）对象的转矩、转速响应情况，估计受控对象的控制模型，利用专家经验的控制规律，检测误差的绝对值和变化率，以智能的方式实时调整控制模型的结构和参数，提高挖掘控制的鲁棒性、精确性和快速响应。根据被控（提升、推压、回转）对象的转矩、转速响应情况，估计受控对象的控制模型，利用专家经验的控制规律，检测误差的绝对值和变化率，以智能的方式实时调整控制模型的结构和参数，提高挖掘控制的鲁棒性、精确性和快速响应。控制器采用基于DSP+CPLD的硬件平台实现，如图5所示。主程序控制流程如图2所示。
本实用新型针对挖掘机这种挖掘阻力不确定、负载惯性时间常数随挖掘量变化的具有较大对象模型摄动控制系统，为使系统保持较大的稳定裕量、抑制干扰能力和较快的响应，研制一种基于专家控制和PID闭环控制相结合的针对挖掘特性的自适应数字控制器，根据被控（提升、推压、回转）对象的转矩、转速响应情况，估计受控对象的控制模型，利用专家经验的控制规律，检测误差的绝对值和变化率，以智能的方式实时调整控制模型的结构和参数。
令
表示离散化的当前采样时刻的误差值，
分别表示前一个和前两个采样时刻的误差值，为控制输入，传统增量PID调节器的一般形式为：
自适应PID调节器，在上述传统增量PID调节器分为几种情况进行设计：
当
，说明误差的绝对值已经很大，无论误差变化趋势如何，都使控制器的输出应按最大或最小限幅值输出，以达到迅速调整误差，使误差的绝对值以最大速度减小，控制输出为
当
时，说明误差在朝误差绝对值增大的方向变化，或误差为某一常值，未发生变化，此时，如果
，说明误差也较大，控制器实施较强的控制作用，以达到扭转误差的绝对值朝减小方向变化，并迅速减小误差绝对值，控制器输出为：
此时，如果
，则说明尽管误差在朝误差绝对值增大的方向变化，但误差绝对值本身并不很大，实施一般的控制作用，只要扭转误差的变化趋势，使其朝误差绝对值减小的方向变化，控制器输出为：
当
，
，或者，说明误差在朝误差绝对值减小的方向变化，或者已经达到平衡状态，此时，采取保持控制器输出不变，
当
，，说明误差处于极值状态，如果此时误差绝对值较大，即
，实施较强的控制作用
如果此时误差绝对值较小，即
，实施较弱的控制作用
当
，说明误差的绝对值很小，加入或增大积分权值，减少稳态误差，提高精度。
上述式中，
：第k-1次控制器输出
：增益放大系数，
>1
:增益抑制系数，0<<1
K：控制周期的序号
：较小的数
F：调节器限幅值
上述用于大型露天矿用挖掘机的专家控制和PID闭环控制相结合的自适应数字调节模块，子程序软件流程如图3。在主程序软件流程图中对应转速和转矩调节。
本实用新型适应不同的传动机械，减轻传动机械冲击振动的控制策略。传动机械希望转速转矩给定不仅是斜坡，而且要求在斜坡的起始和终结部分是圆角，即要求加速度的变化率受到限制，因为在加速时，机械受到的冲击，不只和加减速动态转矩值有关，而且和动态转矩的变化率有关，变化率越大，机械受损害越严重，特别是当机械传动机构存在弹性（提升的卷筒钢缆传动）及间隙（回转、推压、行走的齿轮传动）时，使启动过程舒缓稳定，避免振荡和冲击。控制加速段速度逐渐增加，避免冲击，减速阶段则速度在最后阶段越来越小，有利于迅速准确停车，满足动态稳定和可靠性要求，防止加减速度过大导致的冲击振动、应力突变、机架变形等一系列问题。
设计S形斜坡给定，解决上述问题，控制实现框图如图4所示，图中：X:输入，Y:输出，
:Y一阶微分输出，
,:Y二阶微分输出，
,:加速时间，
:加速圆角时间，
:减速时间，
:减速圆角时间，
：逻辑控制放大器，
：反馈系数，
：限幅放大器（放大系数
，限幅±1.0），
、
:积分器（积分时间常数
）
S形曲线斜坡离散算法是：
若Y>0，且Y<X,正向加速；Y<0，且Y>X,反向加速，则
,
。
若Y>0，且Y>X,正向减速；Y<0，且Y<X,反向加速，则,
。
如图5所示，本实用新型是采用基于DSP+CPLD的数字控制器实现调节控制算法。具有控制精确、抗干扰性强等数字控制的诸多优点。
控制模块采用高度集成化的DSP＋CPLD的架构，省去了大量的模拟器件，降低了电路的复杂程度，提高装置的可靠性。易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断、加强保护和监视功能，使系统智能化。
控制模块化主要由DSP、CPLD、信号调理电路、I/O、脉冲驱动电路等组成。控制模块可与PLC的通讯采用PROFIBUS DP总线通信方式；电信号采集通过电压电流传感器，传感器的输出电信号送至信号调理电路，隔离后至DSP；控制模块对晶闸管驱动脉冲的控制及状态采集通过光纤完成。I/O口主要用来检测开关量输入的状态信号，以及对输出动作信号进行隔离和电平转换。
DSP主要完成无功检测控制算法的计算、各种数据的采集和处理、系统保护及通讯等功能，DSP芯片采用TMS320系列，外扩SRAM用于在线调试，同时外扩非易失性NVRAM芯片DS1744，在系统故障的情况下，控制模块将其现场重要参数以及时间信息保存下来，用于以后故障追踪查询，方便维修；同时系统也需要存储一些重要的配置参数。CPLD采用EPM7128AETI100，实现逻辑无环流控制和触发脉冲生成，同时，实时监测从IO板输入DSP板的开关量输入信号状态，并以中断的形式通知DSP进行处理，从而减轻了DSP的负担，提高了响应速度掉电保护中断。模拟数字转换电路采用14位同步采样ADC芯片MAX1320ECM，满足了高精度控制时采样相位信息的要求。总线接口负责与PLC通讯。电源监控芯片TPS3705提供上电复位和手动复位功能。信号调理板负责对模拟信号进行隔离、滤波和电平转换，送到DSP进行处理。为了保证控制单元不受主回路强电的干扰和操作人员的绝对安全，实现主回路强电和控制回路弱电的完全隔离，控制模块与功率驱动单元之间采用脉冲变压器隔离放大后驱动晶闸管。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (3)
1.一种用于大型露天矿用挖掘机的专家控制和PID闭环控制相结合的自适应数字控制器，其特征在于，包括控制模块以及与控制模块相连的变流控制装置。
2.根据权利要求1所述的一种用于大型露天矿用挖掘机的专家控制和PID闭环控制相结合的自适应数字控制器，其特征在于，所述的变流控制装置包括S形斜坡给定的斜坡给定装置，以及自适应转速双闭环调节器和自适应转矩双闭环调节器。
3.根据权利要求1所述的一种用于大型露天矿用挖掘机的专家控制和PID闭环控制相结合的自适应数字控制器, 其特征在于，所述的控制模块包括依次连接的信号调理电路、DSP模块、CPLD模块、I/O接口、模拟数字转换电路以及脉冲驱动电路；其中，
DSP模块采用TMS320系列，主要完成无功检测控制算法的计算、各种数据的采集和处理、系统保护及通讯；
CPLD模块采用EPM7128AETI100，实现电容投切算法和触发脉冲生成，同时，实时监测从IO板输入DSP板的开关量输入信号状态，并以中断的形式通知DSP进行处理；
模拟数字转换电路采用14位同步采样ADC芯片MAX1320ECM。
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| CN2011200562636U CN202018581U (zh) | 2011-03-05 | 2011-03-05 | 一种用于大型露天矿用挖掘机的专家控制和pid闭环控制相结合的自适应数字控制器 |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN202018581U true CN202018581U (zh) | 2011-10-26 |
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| CN (1) | CN202018581U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102366967A (zh) * | 2011-11-23 | 2012-03-07 | 江南大学 | 蒸汽养护自动化温控系统 |
| CN110825130A (zh) * | 2019-10-31 | 2020-02-21 | 中冶陕压重工设备有限公司 | 酸洗线工艺段酸液温度控制方法 |
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2011
- 2011-03-05 CN CN2011200562636U patent/CN202018581U/zh not_active Expired - Lifetime
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Inventor after: Ji Kai Inventor after: Chen Jiafu Inventor after: Qian Li Inventor after: Gao Yue Inventor after: Wen Lanping Inventor before: Ji Kai Inventor before: Chen Jiafu Inventor before: Qian Li |
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Granted publication date: 20111026 |
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