礦井提升機電氣控制系統行程控制的研究

王 鵬

（晉能控股煤業集團晉圣公司， 山西 晉城 048000）

引言

在一些礦山生產過程中礦井提升機是主要的生產設備。煤炭行業使用礦井提升機占有數額為4 000多套，其余生產行業礦井提升機使用也較為頻繁。盡管各類礦產過程對礦井提升機的需求比較大，但由于一些經濟和歷史的原因，其電控系統存在技術落后等各類問題，直接導致了提升機生產效率以及安全性低，也使得提升機自動化發展相對滯后[1-2]。為滿足礦井現代機械化的發展需求，需要改造提升機控制系統。

1 行程控制的基本原理

礦井提升機控制的目的主要是針對其位置的控制，給定地點可保證其停車位置相對更為精準，因此，對整個系統的準確性要求極高。在提升機運行的整個過程中，采集傳感的信號主要是依據微機實現的，例如通過井筒位置等信號判斷出將要停止的具體位置，對其達到控制和保護的目的要求。

行程控制的本質為位置控制，在給定的行程中，速度給定的信號強弱主要是基于提升機的行程。提升機存在不同的運行速度，當提升機進行減速時，需給定的S 形速度可根據運行速度的不同，在不同的時間段下輸入開始運行速度即將要減弱的信號。若整個運行過程中的控制因素為時間，當給出一個速度時，建立一個有關減速點的開關；當速度改變時，仍需再設置另一個減速開關，這就造成不同的速度需對應不同的減速開關，形成了復雜化的控制系統；若控制方式為手動時，盡管可以控制給定信號的強弱，但難以控制減速的速度以及時刻，并不能使系統得到最佳的時間和速度以到達停車點位，這直接導致提升周期以及停車位置的不準確。

給定行程、給定速度的信號強弱主要基于兩者之間的距離△S 的大小確定的，這兩者指的是所提升的容器與停車點之間的距離。當△S 的值較大時，給定速度的信號較強；當△S 的值較小時，速度給定的信號弱。通過給定速度信號，即可判斷出提升機的位置，與其運行時間以及運行速度均無關。

在圖1 中，Vmax設定為最大的提升速度，a1和a2分別代表加速度和減速度，減速區間為t2—t3。根據一系列的公式推導得出據該公式得出，當恒減速時，提升機運行速度V 與停車位之間呈現二次函數的關系，如圖2 所示。當確定減速度a2并得出停車位與減速位之間的行程距離ΔS 時，便可得出相應大小的速度信號。基于速度信號，給定信號可通過在給定的電路中轉化為相應的電位信號。

圖1 三段速度圖

圖2 速度與行程的二次函數圖

2 行程控制的數學模型

通過計算機軟件S 化提升機的平滑變化折線形運行速度曲線，得出S 形給定速度曲線。同時，在加速以及減速運動階段，根據修改調整相關提升機的控制參數，可得出相應的要求給定速度曲線。通過分析行程控制的數學模型，可得出在實際應用過程中的控制策略[3]。

在提升機的運行中，不僅對安全、高效、平穩提出高要求，而且工作人員的舒適度也應為重要的考慮因素。如圖3 所示為折線形梯形速度圖，該運行速度模式較為常用。此圖雖能夠達到控制的基本要求，但也存在一些弊端：它會沖擊提升系統的機械部分，打破提升機中鋼絲繩的穩定狀態，這也直接影響了提升機運行的穩定性。產生這些不足的原因在于如圖3 所示的結果，轉折處的速度轉變較為直接、不平緩，轉換速度也較快，如此加大了加速度的變化率。因此，根據以上不足之處，通過計算機軟件使給定曲線S 化，得出S 形速度給定曲線。

圖3 梯形速度曲線圖

理想的S 形給定出的曲線以及加減速度的變化率和形狀如圖4 所示，提升機以恒定最大的運行速度 Vmax常運行，該圖中 Vmax、Vp和 rm分別為最大提升速度、爬行速度以及加速度變化率，且整個提升周期中包括的部分列于表1。該速度的計算依據是rm對時間的積分。

3 行程的控制策略

調速系統主要采用轉速電流雙閉環直流控制，在行程給定的條件下，通過一定的關系得出給定速度。速度調節器使用的是有關比例積分的PI 調節器，當采用拋物線函數給定速度時存在一些偏差；若采用斜坡函數給定速度時，穩態的誤差基本為0。因此，系統可采用復合的控制方式處理誤差，此種控制方式可使在相對恒定穩定狀態的條件下，能夠較大程度地減小速度的一些誤差。針對復合的控制方式，可在反饋系統中加上類似前饋的校正環節，這種模式主要是基于在速度給定的條件下，對相關的動力矩輸入信號進行求導得出導數前饋方面的控制，即控制形式為結合前饋控制和反饋控制[4]。

這種復合控制形式優勢眾多：首先，整體提高了系統的抗擾性和跟隨性；其次，優化了拖動系統速度誤差和跟隨誤差，跟隨誤差主要是由于靜阻轉矩所引起的。此外，可以避免提升容器的下沉。

圖4 理想的S 形給定曲線圖

4 結論

行程控制的本質為位置控制，即在給定的行程中，以提升機的行程為根據確定給定速度的信號大小。基于速度信號，將給定信號轉化為相應的電位信號；建立了S 形曲線數學模型，取代了常用的梯形速度圖，可對折線處速度進行平滑過渡；最終采用復合形式的行程控制策略，不僅可消除誤差，還可提升提升機整體的安全性。