模糊控制技術在膠帶運輸機糾偏裝置中的應用研究

王 偉

（1.太原理工大學 機械工程學院，太原 030024；2.晉城煤業集團 五臺鋪煤礦，山西 晉城 048006）

帶式輸送機具有長距離連續輸送、輸送量大、運行可靠、效率高、易于自動化等優點[1]獲得廣泛應用。然而，必須妥善解決其膠帶“跑偏”。由于“跑偏”不僅影響膠帶機順利運輸，而且影響生產線的正常運行，已經引起相關專業人員的普遍關注。當前解決膠帶跑偏的主要措施為兩種：一種是停機后人工對托輥組或滾筒的位置進行糾正；另一種是在膠帶機上每隔6-10組托輥增設一組調心托輥組，（發揮一定程度的糾偏功能，又分無源糾偏托輥組和有源糾偏托輥組)。第一種方法糾正中需停機，既影響生產，又耗費人力。第二種方法的無源糾偏裝置只在一定程度上對跑偏膠帶有糾偏作用，屬于被動糾偏，不能完全將膠帶回歸到原來的正常位置，且其安裝的檢測輪會損壞膠帶邊緣，有源糾偏裝置雖能在膠帶發生跑偏時進行檢測，并對膠帶進行主動糾偏，但其動力源多用液壓系統和液壓站，糾偏裝置復雜、成本高、不宜維護，由于其是開關量檢測方法，糾偏過程中波動量大、穩定性差、調節頻繁。本文在分析有源和無源糾偏裝置的基礎上，融入智能控制技術，選用價格低廉而性能穩定的電子元件作為硬件進行創新，設計出一種電力驅動的、能對膠帶位置進行連續檢測反饋控制的自動糾偏裝置；將從很大程度上，改善糾偏裝置的工作性能，為膠帶機的持續穩定運輸提供新而有力的保障。

1 膠帶跑偏原因分析與糾偏裝置方案設計

1）膠帶跑偏原因分析：運輸機膠帶的“跑偏”是指其運行過程中輸送帶超出技術規范允許范圍的異常現象[2]。膠帶跑偏嚴重約束著運輸能力，影響著生產，威脅著設備和人員的安全。對其跑偏原因的研究表明，輸送帶接頭不平直、機架歪斜導料槽兩側的橡膠板壓力不均勻，屬于由安裝誤差引起的；滾筒、托輥粘料、物料分布不均勻，是引起跑偏的主要因素。運用力學原理分析后，無論那種原因引起跑偏，跑偏過程均起于膠帶在橫向額外受力的作用，跑偏后又產生一個與初始橫向力相反的反作用力，該力漸與橫向力大小相等，最后膠帶維持在跑偏位置運行。為了使跑偏不發生，必須及時檢測膠帶位置及變化趨勢，根據檢測結果控制執行機構動作，提供給膠帶一個將橫向力抵消的力。

2）糾偏方案設計:據上分析，擬定了圖1的自動糾偏裝置的方案。糾偏裝置被控對象為膠帶，間接被控對象為托輥架，采用電力拖動形式，設置有控制器和檢測裝置。

圖1 自動糾偏裝置方案簡圖

2 機械系統設計

本文以改進TD75型（帶寬1 200 mm）膠帶運輸機為例，根據其承載能力和糾偏原理設計了糾偏裝置的機械系統。設計中將整機分為基座、托輥架、傳動機構三大部分，基座與托輥架之間的旋轉運動副在工作中要承擔膠帶及物料重量，要在大載荷下靈活旋轉，因此是關鍵部件，采取了止推軸承和徑向軸承組合的聯接形式。基座是承擔整機重量、膠帶及物料重量，糾偏時產生的附加力及扭矩的部件，還需考慮執行機構的安裝，因此，設計時注重了強度和結構的合理性與緊湊性。執行機構采用滾珠絲杠傳動，因其傳動比大、可降低工作阻力，不僅能降低對原動機的要求，并使原動機體積更小、成本更低、且有一定的自鎖功能。吸收傳統結構的優點并運用創新設計理論，設計的機械系統，見圖2。

圖2 自動糾偏裝置機械系統圖

3 控制系統設計

1）模糊控制技術特點：為解決糾偏過程中的超調，震蕩等問題，必須選擇適合控制對象的控制系統。模糊控制（Fuzzy Control）技術是近代控制理論中的高級策略和新穎技術，采用語言型控制規則，利用現場操作人員的經驗或相關專家的知識進行控制，特點在于：設計中不需建立被控對象的精確數學模型，而使控制機理和策略易于接受理解，設計簡單、便于應用。模糊控制是基于啟發性的知識及語言決策規則設計的，有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統的適應能力，有一定的智能水平。模糊控制系統的魯棒性強，干擾和參數變化對控制效果的影響大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統的控制。基于這些特點，本文采用模糊控制技術設計糾偏裝置。

2）模糊控制系統設計：選擇膠帶的位置偏差E和位置變化速率Ec作為模糊控制系統輸入，絲杠每個控制周期T內輸出的轉數做為輸出u。①定義輸入輸出模糊集：根據模糊控制原理需將偏差E、偏差變化率Ec控制量u的模糊集及其論域定義如下：E、Ec和u模糊集均為｛NB（負大）、NS（負小）、O（零）、PS（正小）、PB（正大）｝，E、Ec的論域為{-3、-2、-1、0 1、2、3}，u的論域為 {-4、-3、-2 、-1、0、1、2、3 、4}。②確定隸屬度:根據模糊集求得，輸入輸出變量的模糊劃分表，如表1和表2所示。

表1 E/Ec的模糊劃分表

表2 u的模糊劃分表

③建立模糊規則：目的是根據人的經驗、直覺思維推理，實現系統輸出的誤差及誤差變化趨勢來消除系統誤差。這里設計出了規則共25條：（1）若E正大且Ec正大，則n正大；（2）若E正大且Ec正小，則正大；……（24）若E負大且Ec負小，則n負大；（25）若E負大且Ec負大，則n負大；④計算模糊關系矩陣:根據模糊規則及模糊關系計算規則，最終得到模糊關系矩陣：

4 Adams與Matlab聯合仿真

使用Adams和Matlab的聯合仿真，無需制作物理樣機就能隨時對虛擬樣機的整體特性進行仿真測試，直到獲得滿意的設計結果[3]。糾偏裝置是個非線性系統，數學模型復雜，建立難度大，上述兩軟件的聯合仿真技術適用于該系統的設計與分析，通過仿真可預知系統的工作性能。具體方案為：首先在Solidworks中建立三維模型，然后導入Adams中，建立合理的運動副，運用Adams/Controls模塊交互運行文件，利用通用控制系統軟件Matlab建立控制系統框圖；最終建立包括控制系統和機械運動系統的仿真模型。

1）仿真的設置與實施：定義絲杠螺母與絲杠支撐座的間距L為輸入狀態變量，托輥架與基座的角度為輸出狀態量，最后將兩個量轉變為用于機電聯合仿真用的輸入輸出宏，激勵信號模擬使托輥架繞基座旋轉到15°，仿真時間設為10 s，聯合仿真模型見圖3和圖4。模型中的模糊控制器輸出為轉數，因此設置一比例環節（表示絲杠導程的大小）才能轉化為絲杠螺母的線性位移，最終作用在托輥架并使之旋轉，完成控制系統與機械系統的聯合仿真。

圖3 Adams中的機械系統模型

圖4 Matlab中的控制系統模型

2）仿真的結果：聯合仿真，后得到的仿真結果見圖5。從仿真曲線看出，托輥架在控制器的控制下到達預控制位置，該過程上升時間Tr約1 s，調整時間Ts約3 s，雖有一定的超調量，但因膠帶糾偏過程存在滯后，這種短時間的超調不會對糾偏效果產生明顯不利影響。再者，系統存在一定的穩態誤差（ess≈6%），但可滿足工程要求。綜上表明，這種基于模糊技術的控制器能完成非線性復雜數學模型的控制任務，該機械系統和控制系統的聯合情況較好。但因糾偏過程中，膠帶的位置變化受多方因素影響，將膠帶并于系統進行仿真，仍需工程中進一步實踐檢驗。

圖5 聯合仿真結果

5 結束語

分析了運輸機膠帶“跑偏”的原因，創新性設計了自動糾偏裝置機械系統的結構，并基于Solidworks平臺建立了三維模型，在分析模糊控制技術特點的基礎上，設計了模糊控制系統，運用Adams和Matlab對該機電裝置進行了聯合仿真，結果表明：將模糊控制技術與設計的機械系統有機結合而成的機電裝置在膠帶工作中能夠調節準確及時、工作穩定，具有新的啟發意義。

[1] 吳明龍.煤礦井下用帶式輸送機技術發展方向[J].煤礦機電，2000（5）：66.

[2] 王鳳林，宋連英，李素敏.帶式輸送機常見跑偏問題的分析與處理[J].煤礦機械，2008（10）：177-178.

[3] 熊光楞，郭斌，陳曉波，等.協同仿真與虛擬樣機技術[M].北京:清華大學出版社，2004.