一种基于模糊控制的嵌入式电磁调速采煤机牵引系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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】
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 所述AT91SAM99260为嵌入式核心芯片，处理整个嵌入式系统的运算。
[0007] 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64M SDRAM作为系统的RAM存储器。
[0008] 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。
[0009] 所述底层电路以ARM V7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、栗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。 [0010] 所述ARM V7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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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}，
[0015] 所述隶属度函数为三角形隶属度函数，数学表达式为：
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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：
[0022] 所述模糊控制器结构的建立，软件上计算机要通过DesignFuzzy (xl，x2, x3)函数 实现模糊控制器设计。
[0023] 所述DesignFuzzy (xl，x2, x3)函数主要包含四个子函数，初始化的 InitialMatrixO 函数；模糊化的 Fuzzyifeation(xl, x2, x3)函数；产生 R 矩阵的 GenerateRMatrixO函数；产生控制表的GenerateControlFomrO函数。在子函数 FuzzyifeationU1, 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。
[0024] 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】
[0025] 下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0026] 图1为电磁调速采煤机牵引系统控制图；
[0027] 图2为Linux系统移植流程图；
[0028] 图3为嵌入式电磁调速模糊PID控制系统图；
[0029] 图4为模糊控制器构建流程图；
[0030] 图5为模糊控制器结构图；
[0031] 图6为系统硬件总体框图。
【具体实施方式】
[0032] 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。
[0033] 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64M SDRAM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ARM V7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I 2C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I 2C 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