煤矿复杂机电系统机电耦合分析与解耦控制技术

摘 要： 对于煤矿复杂机电系统而言，相关产品的设计、分析及研发的主要方法就是利用解耦确定工程冲突并及时加以解决。首先介绍机电耦合及解耦的定义，之后介绍分配耦合、跟踪耦合、顺序耦合以及协调耦合等几种典型的耦合形式，并对解耦系统进行阐述。

关键词： 煤矿机电系统；机电耦合；解耦系统

中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0210172－01

0 前言

作为机械技术与微电子技术有机结合的产物，机电一体化和通常的机械产品之间存在一定的差异，是一种复杂程度更高、高阶的系统，并且阶数随着功能复杂程度以及控制参数的增加而提高。工程冲突是其典型的物理表现。工程冲突主要指的是在对其中一个参数进行修改时会造成其他参数出现相应改变的现象。借助解耦明确工程冲突并及时加以解决是机电一体化产品分析及研发的主要方法。

1 耦合及解耦定义

机电一体化产品所特有的分析方法即解耦及耦合，二者之间具有对立统一关系。解耦系统主要是指为准确发现工程冲突及冗余单元，做好耦合系统准备，以系统功能所主要依据，对系统进行降阶，所得到数个受单因素控制、功能单一的机械电子单元组合。解耦系统具有虚拟性特征，是解耦过程的结果。耦合是解耦的逆过程，具体指的是数个具有单一功能、简单结构并且可以灵活进行组合的机械电子单元，利用耦合作用以及信息收集等方式组建成一个功能更加全面的机电一体化产品，创造出单个机械电子无法拥有的新功能，同时对工程冲突问题予以有效解决的过程。以工程冲突的解决为依据，在参数之间构建正确的耦合关系就是耦合过程。

2 耦合分析

耦合的完成主要是需要借助控制及信息单元，有些时候也可以借助驱动完成。例如，两个机械电子单元的耦合，以二者间耦合密切程度、控制灵活程度、控制代码量、滞后及非线性适应性以及执行机构间的关系为主要依据，可以对耦合进行划分，大致包括分配耦合、跟踪耦合、顺序耦合以及协调耦合四种。

假设有A、B两个单元， 及 分别是二者的控制信号序列，

代表信号持续时间， 及 则分别代表二者的输出物理量。鉴于篇幅限制，笔者在此主要分析分配耦合形式以及跟踪耦合形式中，控制信号输出量之间的关系以及为确保输出量关系，控制量之间的关系为：

在分配耦合形式中，两个单元输出量之间的比例关系是根据具体要求而变化的，也就是说，比例系数是关于时间的函数，记作 ，并且在时间区间中需要满足：

由于此种耦合形式中的输出量间的比例关系并非固定不变的，因此，控制信号之间也是相应改变的，分配耦合系数公式为：

在控制技术领域中，比较具有代表性的分配耦合是二维插补，相比较于跟踪耦合形式，分配耦合的复杂程度较高，但灵活性更为突出。

在跟踪耦合形式中，在此种耦合形式中，两个机械电子单元输出量之间的比例关系是固定不变的。公式表示为：

输入量的简单比例变换就是输出量，这就是单元响应特性。也就是在区间 中，对于单元 ，存在： ；对于单元 ，则有

。

在上述公式中， 表示单元 输出量和输入量之间的比例系数；

表示单元 中输出量与输入量之间的比例系数。二者都是常数。

根据上述相关公式，可以得出：

在上述公式中， 代表跟踪耦合系数，为常数， 以及两个单元所对应的比例系数对该跟踪耦合系数具有直接性影响。不难看出，在单元控制信号之间的比例关系恒定的情况下，所对应的输出物理量之间的比例关系也是恒定的。在跟踪耦合形式中，一个单元的控制量对另一个单元的控制量具有决定性作用，二者之间具有极为严格的主从跟踪关系。

用该方法对平整机三相桥式整流供电电路的谐波分量进行了理论分析和计算，计算结果与实测结果能得到相互验证，实测结果是可靠的。提出了复杂机电系统机电耦合模型的建立方法。分析了复杂机电系统中存在的机电耦合行为和作用规律，归纳总结出四种形式的机电耦合，即电磁转矩直接耦合，谐波转矩直接耦合，微变量控制回路耦合，多传动加工件耦合，将两种算法巧妙地结合起来加以修正、取长补短构成新的退火遗传算法，提高了算法的整体寻优性能；并以典型的复杂机电系统一平整机为研究对象，以其主传动速度控制系统为切入点，应用退火遗传算法，解决了复杂机电系统中多参数、相互耦合、难于整定和组态的难题，使控制系统的性能指标在参数可调范围内达到最优.开发了复杂机电系统智能解耦控制技术。

3 解耦控制技术

解耦的过程具有明显的创造性，该过程主要包括以下几个步骤：1）分析产品功能，对较为复杂的功能体系加以分解，从而得到功能单一的组合体，也就是从多阶系统转化为一阶系统，这一步也是解耦降阶的重要基础；2）以上一步骤为基础，加以细化，实现功能与机械电子单元的一一对应，这样可以得到机械电子单元组合体，这也是是解耦过程的核心步骤；3）进行冗余性分析，也就是针对机械电子单元组合体进行时序及空间分析，通过合并执行机构可以将冗余单元予以消除。在完成冗余性分析之后的机械电子单元组合体可以称之为解耦系统。所谓解耦系统，即受单因素控制的机械电子单元所组建而成的虚拟系统，其作用在于对系统规模及构成加以说明，功能离散型是其典型特征，功能相互之间互不影响，相应的参数之间不具备线性关系，不会导致工程冲突问题。

机电一体化系统功能设计原理为：对总功能进行分解，得到数个分功能，明确各个分功能实现方案，以便达到简化总功能实现方案的目的。分解及组合功能的关系就是功能结构。

功能结构的组合方式大致可以分为串联结构、并联结构以及循环结构等几种形式。其中，串联结构也叫顺序结构，也就是说各个分功能相互之间是按照一定的顺序进行的；并联结构也叫选择结构，顾名思义，数个分功能之间具备并联关系，要想实现预期功能，需要各个子功能同时发挥作用；循环结构，也叫环状结构，其最突出的特征就是具备输出反馈。

4 结语

综上所述，在煤矿复杂电子单元组建成一体化系统之后，相互之间产生耦合关系。电子单元相应特性具体指的是滞后及非线性程度。通常情况下，跟踪耦合主要适用于所控制的单元之间在输出量方面的比例关系较为

恒定的场合，分配耦合则主要是借助改变分配系数的方式对单元之间的输出量实现控制，所以，借助跟踪耦合及分配耦合两种耦合形式很难解决之后及分线性问题。对于这一问题，可以通过协同耦合加以解决，同时控制的实现较顺序耦合形式难度系数更低，然而却面临一大难题，即很难借助反馈方法有效解决对应于各个单元的随机误差问题。相比较而言，顺序耦合形式在控制方面的灵活性更为优越，但其只能通过串行方式发送控制命令，这便和每个单元的实时协调运作的要求之间产生一定的矛盾，从而对其实际应用产生一定的限制性影响。

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