專利名稱：一種用于大型露天礦用挖掘機(jī)的專家控制和pid閉環(huán)控制相結(jié)合的自適應(yīng)數(shù)字控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種自適應(yīng)數(shù)字控制器，尤其是涉及一種一種用于大型露天礦用挖掘機(jī)的專家控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的自適應(yīng)數(shù)字控制器。
背景技術(shù)：
大型電傳動(dòng)礦用挖掘機(jī)是大型露天礦山采礦場的主要采礦設(shè)備，其自重達(dá)500 1000噸，其鏟斗容積達(dá)十幾到幾十立方(一次挖掘礦石數(shù)十噸)，動(dòng)力來源為電力，通過鏟上電氣傳動(dòng)系統(tǒng)完成挖掘機(jī)的行走、提升、回轉(zhuǎn)和推壓作業(yè)，整個(gè)挖掘機(jī)供電容量達(dá)到幾個(gè)兆伏安，單臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)最大直流工作電流達(dá)幾千安，電力傳動(dòng)系統(tǒng)是挖掘機(jī)的核心設(shè)備。大型礦用挖掘機(jī)電力傳動(dòng)系統(tǒng)僅由ABB、Siemens等較少的國外公司設(shè)計(jì)制造，已裝備在美國Pffl公司的2300XP等大型挖掘機(jī)，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的研制依然是空白，由于挖掘機(jī)挖掘阻力不確定、負(fù)載變化頻繁、堵轉(zhuǎn)、振動(dòng)和沖擊大，控制對(duì)象模型負(fù)載慣性時(shí)間常數(shù)隨挖掘量變化具有較大的攝動(dòng)。傳統(tǒng)的固定控制參數(shù)的PID調(diào)節(jié)控制器難以使系統(tǒng)保持較大的穩(wěn)定裕量、抑制干擾能力和較快的響應(yīng)，且傳統(tǒng)控制系統(tǒng)為模擬器件構(gòu)成的分立插接控制板，在挖掘機(jī)露天的強(qiáng)震動(dòng)、大粉塵、大溫差的惡劣環(huán)境下工作，故障率較高，抗干擾能力差，且接線復(fù)雜，備件更換及維護(hù)保養(yǎng)要求較高，已不能充分滿足高效采礦生產(chǎn)的需要。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的難以使系統(tǒng)保持較大的穩(wěn)定裕量、抑制干擾能力和較快的響應(yīng)，且傳統(tǒng)控制系統(tǒng)為模擬器件構(gòu)成的分立插接控制板，在挖掘機(jī)露天的強(qiáng)震動(dòng)、大粉塵、大溫差的惡劣環(huán)境下工作，故障率較高，抗干擾能力差，且接線復(fù)雜， 備件更換及維護(hù)保養(yǎng)要求較高，已不能充分滿足高效采礦生產(chǎn)的需要等的技術(shù)問題；提供了一種完全適應(yīng)挖掘機(jī)負(fù)載變化頻繁、堵轉(zhuǎn)、變慣量、振動(dòng)和沖擊大、環(huán)境溫差大等特點(diǎn)； 控制精確；抗干擾性強(qiáng)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；對(duì)傳動(dòng)機(jī)械沖擊振動(dòng)小；對(duì)負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好；維護(hù)費(fèi)用低；可靠性高的一種用于大型露天礦用挖掘機(jī)的專家控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的自適應(yīng)數(shù)字控制器。本實(shí)用新型的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的—種用于大型露天礦用挖掘機(jī)的專家控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的自適應(yīng)數(shù)字控制器，其特征在于，包括控制模塊以及與控制模塊相連的變流控制裝置在上述的一種用于大型露天礦用挖掘機(jī)的專家控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的自適應(yīng)數(shù)字控制器，所述的變流控制裝置包括S形斜坡給定的斜坡給定裝置；以及自適應(yīng)轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器和自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器在上述的一種用于大型露天礦用挖掘機(jī)的專家控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的自適應(yīng)數(shù)字控制器，所述的控制模塊包括依次連接的信號(hào)調(diào)理電路、DSP模塊、CPLD模塊、I/O 接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路以及脈沖驅(qū)動(dòng)電路；其中，[0010]DSP模塊采用TMS320系列，主要完成無功檢測控制算法的計(jì)算、各種數(shù)據(jù)的采集和處理、系統(tǒng)保護(hù)及通訊；CPLD模塊采用EPM7128AETI100，實(shí)現(xiàn)電容投切算法和觸發(fā)脈沖生成，同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測從IO板輸入DSP板的開關(guān)量輸入信號(hào)狀態(tài)，并以中斷的形式通知DSP進(jìn)行處理；模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路采用14位同步采樣ADC芯片MAX1320ECM。因此，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)1.設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡單且完全實(shí)用；2.完全適應(yīng)挖掘機(jī)負(fù)載變化頻繁、堵轉(zhuǎn)、變慣量、振動(dòng)和沖擊大、環(huán)境溫差大等特點(diǎn)；控制精確；抗干擾性強(qiáng)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；對(duì)傳動(dòng)機(jī)械沖擊振動(dòng)?。粚?duì)負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好；維護(hù)費(fèi)用低； 可靠性高。

圖1為變流控制框圖；圖2為變流控制軟件流程圖；圖3為專家PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)軟件流程圖；圖4為S形曲線給定框圖；Tir為加速時(shí)間，Γ皿為加速圓角時(shí)間，Γβ為減速時(shí)間，Tjb為減速圓角時(shí)間。圖5為變流器外部接口圖。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。實(shí)施例一種用于大型露天礦用挖掘機(jī)的專家控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的自適應(yīng)數(shù)字控制器，包括控制模塊以及與控制模塊相連的變流控制裝置，變流控制裝置包括S形斜坡給定的SRG，給定前加入較大斜坡和圓弧，用于使傳動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩給定不僅是斜坡，而且在斜坡的起始和終結(jié)部分是圓角，即要求加速度的變化率受到限制，使啟動(dòng)過程舒緩穩(wěn)定， 適應(yīng)不同傳動(dòng)機(jī)械并減小沖擊和振動(dòng)；以及自適應(yīng)轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器ASR和自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器ATR，ASR和ATR為專家控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器，根據(jù)被控(提升、推壓、回轉(zhuǎn))對(duì)象的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速響應(yīng)情況，估計(jì)受控對(duì)象的控制模型，利用專家經(jīng)驗(yàn)的控制規(guī)律，檢測誤差的絕對(duì)值和變化率，以智能的方式實(shí)時(shí)調(diào)整控制模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，提高挖掘控制的魯棒性、精確性和快速響應(yīng)。根據(jù)被控(提升、推壓、回轉(zhuǎn)) 對(duì)象的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速響應(yīng)情況，估計(jì)受控對(duì)象的控制模型，利用專家經(jīng)驗(yàn)的控制規(guī)律，檢測誤差的絕對(duì)值和變化率，以智能的方式實(shí)時(shí)調(diào)整控制模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，提高挖掘控制的魯棒性、精確性和快速響應(yīng)?？刂破鞑捎没贒SP+CPLD的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。主程序控制流程如圖2所示。本實(shí)用新型針對(duì)挖掘機(jī)這種挖掘阻力不確定、負(fù)載慣性時(shí)間常數(shù)隨挖掘量變化的具有較大對(duì)象模型攝動(dòng)控制系統(tǒng)，為使系統(tǒng)保持較大的穩(wěn)定裕量、抑制干擾能力和較快的響應(yīng)，研制一種基于專家控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的針對(duì)挖掘特性的自適應(yīng)數(shù)字控制器，根據(jù)被控(提升、推壓、回轉(zhuǎn))對(duì)象的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速響應(yīng)情況，估計(jì)受控對(duì)象的控制模型，利用專家經(jīng)驗(yàn)的控制規(guī)律，檢測誤差的絕對(duì)值和變化率，以智能的方式實(shí)時(shí)調(diào)整控制模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。令《(fc)表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值，φ-l) (t-2)分別表示前一個(gè)
和前兩個(gè)采樣時(shí)刻的誤差值，4k)為控制輸入，傳統(tǒng)增量PID調(diào)節(jié)器的一般形式為
權(quán)利要求1.一種用于大型露天礦用挖掘機(jī)的專家控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的自適應(yīng)數(shù)字控制器，其特征在于，包括控制模塊以及與控制模塊相連的變流控制裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于大型露天礦用挖掘機(jī)的專家控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的自適應(yīng)數(shù)字控制器，其特征在于，所述的變流控制裝置包括S形斜坡給定的斜坡給定裝置，以及自適應(yīng)轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器和自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于大型露天礦用挖掘機(jī)的專家控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的自適應(yīng)數(shù)字控制器，其特征在于，所述的控制模塊包括依次連接的信號(hào)調(diào)理電路、 DSP模塊、CPLD模塊、I/O接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路以及脈沖驅(qū)動(dòng)電路；其中，DSP模塊采用TMS320系列，主要完成無功檢測控制算法的計(jì)算、各種數(shù)據(jù)的采集和處理、系統(tǒng)保護(hù)及通訊；CPLD模塊采用EPM7128AETI100，實(shí)現(xiàn)電容投切算法和觸發(fā)脈沖生成，同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測從IO板輸入DSP板的開關(guān)量輸入信號(hào)狀態(tài)，并以中斷的形式通知DSP進(jìn)行處理；模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路采用14位同步采樣ADC芯片MAX1320ECM。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于大型露天礦用挖掘機(jī)的專家控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的自適應(yīng)數(shù)字控制器，包括控制模塊以及與控制模塊相連的變流控制裝置。本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)1.設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡單且完全實(shí)用；2.完全適應(yīng)挖掘機(jī)負(fù)載變化頻繁、堵轉(zhuǎn)、變慣量、振動(dòng)和沖擊大、環(huán)境溫差大等特點(diǎn)；控制精確；抗干擾性強(qiáng)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；對(duì)傳動(dòng)機(jī)械沖擊振動(dòng)?。粚?duì)負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好；維護(hù)費(fèi)用低；可靠性高。
文檔編號(hào)G05B19/18GK202018581SQ20112005626
公開日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月5日
發(fā)明者姬凱, 錢麗, 陳嘉福 申請(qǐng)人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所