一种刮板输送机链张紧系统参数化逆模型控制器设计方法

摘要

本发明公开了一种刮板输送机链张紧系统参数化逆模型控制器设计方法，该方法在实时采集闭环控制的刮板输送机链张紧系统输入参考力信号和输出响应力信号的基础上，通过对用于模型辨识的输入参考力信号进行逐次延迟处理，可以使最终辨识得到的张紧系统闭环参数化模型不包含非最小相位零点，进而直接颠倒辨识模型的分子和分母即可获得用于实时控制的参数化逆模型控制器，消除了传统参数化模型中的非最小相位零点对逆模型稳定性的不利影响。该方法操作步骤简单、算法难度低、易于软件编程实现、实用性强，可广泛应用于刮板输送机链张紧系统的高精度实时控制。

说明书

技术领域

本发明属于刮板输送机技术领域，具体涉及一种刮板输送机链张紧系统参数化逆模型控制器设计方法。

背景技术

刮板输送机是煤矿综采工作面的关键设备之一。随着采煤机位置的改变，刮板输送机工作过程中的运行阻力及链条张力处于动态变化状态，导致输送机链条发生弹性伸长，若不能及时对弹性伸长量进行补偿，往往会出现吊链、卡链甚至断链等故障。目前，刮板输送机主要采用液压张紧装置来动态调节刮板链的松紧程度，其原理为通过比例或伺服阀来控制张紧液压缸的运动，进而实现链松紧状态的静态或动态调节。

刮板输送机液压张紧装置是一个包含比例阀、液压缸、测控装置的复杂系统，控制器作为其核心环节，直接决定着刮板输送机张紧系统的控制性能，进而影响着刮板输送机的运行安全性。逆模型控制器作为一种有效控制方法，在电液控制领域已得到广泛应用，亦可用于刮板输送机液压张紧系统。然而，对现有的参数化逆模型控制器而言，其设计过程均是先采用辨识算法辨识出实际系统的参数化模型，然后基于该模型进行设计。由于实际系统的因果性及控制系统中采样保持器的存在，辨识出的参数化模型往往具有非最小相位零点，直接颠倒其分子和分母获得的逆模型是不稳定的，无法直接应用于电液系统的实时控制。因此，如何快速简便地设计出可于实时控制的参数化逆模型控制器对提高刮板输送机链张紧系统的控制性能具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足，提供一种快速简便、可用于实时控制的刮板输送机链张紧系统参数化逆模型控制器设计方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案包含如下步骤：

a)对闭环控制的刮板输送机链张紧系统输入随机辨识激励信号，实时采集系统的输入参考力信号与输出响应力信号；

b)根据步骤a中实时采集的输入参考力信号与输出响应力信号数据，利用参数模型辨识算法获得闭环控制的链张紧系统参数化模型；

c)判断辨识得到的参数化模型是否包含非最小相位零点，若含有非最小相位零点，舍弃该辨识得到的参数化模型，将上一步骤中使用的模型辨识输入参考力信号延迟一个时间步长，进入下一步骤d；若辨识得到的参数化模型不包含非最小相位零点，保留该辨识得到的参数化模型，直接进入步骤e；

d)将步骤c中延迟处理后得到的信号作为模型辨识的新输入参考力信号，保持模型辨识的输出响应力信号不变，利用参数模型辨识算法获得闭环控制的链张紧系统参数化模型，然后进入步骤c；

e)将保留得到的系统参数化模型分子和分母颠倒，获得闭环控制的链张紧系统参数化逆模型控制器，完成整个设计过程。

有益效果：传统的参数逆模型设计过程均是先辨识出包含非最小相位零点系统模型，然后采用零相位跟踪技术、泰勒技术展开逼近等复杂算法消除非最小相位零点，需要设计人员具备专业的设计技能。本发明提出的方法不同于现有的手段，仅需通过人为对辨识输入信号增加延迟的方式，即可使辨识得到的系统参数模型不包含非最小相位零点，克服了利用传统参数模型进行逆模型设计过程中存在的非最小相位零点问题，直接颠倒辨识模型的分子和分母即可获得用于实时控制的刮板输送机链张紧系统参数化逆模型控制器，可以有效提高刮板输送机的张紧力控制精度。本发明提出的设计方法操作步骤简单，算法难度低，易于软件编程实现，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为发明的逆模型控制器设计方法原理图。

图2为采集的链张紧系统输入参考力和输出响应力数据。

图3为以原始输入和原始输出辨识得到模型的零极点图。

图4为延迟后的输入参考力信号局部放大图。

图5为输入参考力信号多次延迟后辨识模型的零极点图。

图6为链张紧系统和设计逆模型控制器的幅频特性图。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

如图1所示，本发明提供的一种刮板输送机链张紧系统参数化逆模型控制器设计方法包含如下步骤：

为实现上述目的，本发明的技术方案包含如下步骤：

a)对闭环控制的刮板输送机链张紧系统输入随机辨识激励信号，实时采集系统的输入参考力信号与输出响应力信号；

b)根据步骤a中实时采集的输入参考力信号与输出响应力信号数据，利用参数模型辨识算法获得闭环控制的链张紧系统参数化模型；

c)判断辨识得到的参数化模型是否包含非最小相位零点，若含有非最小相位零点，舍弃该辨识得到的参数化模型，将上一步骤中使用的模型辨识输入参考力信号延迟一个时间步长，进入下一步骤d；若辨识得到的参数化模型不包含非最小相位零点，保留该辨识得到的参数化模型，直接进入步骤e；

d)将步骤c中延迟处理后得到的信号作为模型辨识的新输入参考力信号，保持模型辨识的输出响应力信号不变，利用参数模型辨识算法获得闭环控制的链张紧系统参数化模型，然后进入步骤c；

e)将保留得到的系统参数化模型分子和分母颠倒，获得闭环控制的链张紧系统参数化逆模型控制器，完成整个设计过程。

根据上述步骤，以图2所示实时采集得到的闭环控制的链张紧系统输入参考力信号和输出响应力信号数据为例进行参数化逆模型控制器的设计(信号频率范围30Hz)，其具体过程如下：

根据实时采集的张紧系统输入与输出随机辨识信号，选取辨识模型的阶次为4阶，采用递推增广最小二乘参数辨识算法获得的闭环系统离散模型为：

该模型的零极点图如图3所示，分子中包含z＝1.721的非最小相位零点，无法直接颠倒分子和分母设计逆模型控制器。

将图2中的输入参考力信号延迟一个时间步长作为新的输入参考信号(如图4所示)，输出响应力信号保持不变，根据新的输入和输出辨识得到的闭环系统离散模型为：

该模型分子中包含z＝2.128的非最小相位零点，无法直接颠倒分子分母设计逆模型控制器。

将图2中的输入参考力信号延迟两个时间步长作为新的辨识输入信号(如图4所示)，输出响应力信号保持不变，根据新的输入和输出辨识得到的闭环系统离散模型为：

该模型分子中包含z＝5.304的非最小相位零点，无法直接颠倒分子分母设计逆模型控制器。

将图2中的输入参考力信号延迟三个时间步长作为新的辨识输入信号(如图4所示)，输出响应力信号保持不变，根据新的输入和输出辨识得到的闭环系统离散模型为：

该模型的零极点图如图5所示，分子中不包含非最小相位零点，直接颠倒分子和分母得到刮板输送机链张紧系统参数化逆模型控制器为：

图6进一步给出了链张紧系统和设计逆模型控制器的幅频特性图，从图中6中可知，设计的逆模型控制器与链张紧系统实测模型关于0dB线完全对称，因此将该控制器直接串接于张紧系统闭环控制系统的前端，即可显著提升张紧系统的力控制精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。