帶式輸送機(jī)功率平衡控制流程的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

郭開(kāi)發(fā)

（山西陽(yáng)煤寺家莊有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045300）

引言

帶式輸送機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，隨著采煤工藝的改進(jìn)及采煤設(shè)備自動(dòng)化水平的不斷提升，工作面煤炭生產(chǎn)效率得到顯著提升，進(jìn)而對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸能力和可靠性提出了更高的要求。目前，在綜采工作面及運(yùn)輸能力的要求下，帶式輸送機(jī)朝著長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、高運(yùn)速、多電機(jī)等方向發(fā)展[1]。對(duì)于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)而言，在實(shí)際運(yùn)輸中各電機(jī)的運(yùn)輸功率分配出現(xiàn)嚴(yán)重不平衡，導(dǎo)致輸送帶各點(diǎn)張力需重新分配，負(fù)載不均衡設(shè)置會(huì)導(dǎo)致電機(jī)損壞，嚴(yán)重制約著工作面的運(yùn)輸效率。因此，本文針對(duì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)完成功率平衡設(shè)計(jì)，并對(duì)功率平衡控制流程進(jìn)行驗(yàn)證。

1 多電機(jī)帶式輸送機(jī)功率平衡分析

1.1 加速度曲線

帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)考核的關(guān)鍵項(xiàng)為其在空載或者負(fù)載情況下是否能夠平穩(wěn)啟動(dòng)，且對(duì)系統(tǒng)的沖擊力較小。在一定程度上，帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)性與所選取的啟動(dòng)加速度曲線相關(guān)[2]。目前，可應(yīng)用的啟動(dòng)加速度曲線包括有等加速度曲線、三角加速度曲線、正弦加速度曲線以及拋物線加速度曲線等。設(shè)定帶式輸送機(jī)的額定運(yùn)速為4.5 m/s，啟動(dòng)時(shí)間為80 s，其在不同加速度曲線下的啟動(dòng)性能如圖1 所示。

在對(duì)不同加速度曲線及其變化率分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)啟動(dòng)平穩(wěn)性及對(duì)系統(tǒng)的沖擊力的研究，本文選用正弦加速度曲線對(duì)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行控制。

1.2 帶式輸送機(jī)功率平衡控制策略分析

圖1 不同啟動(dòng)加速度曲線

帶式輸送機(jī)功率平衡實(shí)際上就是每個(gè)電機(jī)對(duì)輸送帶牽引力的貢獻(xiàn)率，牽引力主要通過(guò)驅(qū)動(dòng)滾筒與輸送帶之間的摩擦力而產(chǎn)生，其牽引力大小為驅(qū)動(dòng)滾筒與輸送帶相遇點(diǎn)的張力與驅(qū)動(dòng)滾筒與輸送帶分離點(diǎn)張力的差值。從理論上講，牽引力的大小與滾筒和輸送帶之間的摩擦角、不同滾筒和輸送帶圍包角相關(guān)，對(duì)應(yīng)的牽引力比值一般取1 或2。

但是，在實(shí)際滾筒牽引力分配時(shí)，以雙電機(jī)為例，兩個(gè)滾筒的牽引力的分配與下列因素相關(guān)：帶式輸送機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)比與效率；輸送帶實(shí)際拉繩剛度值；各個(gè)驅(qū)動(dòng)滾筒的實(shí)際半徑，長(zhǎng)期運(yùn)行使?jié)L筒會(huì)粘附物料等導(dǎo)致實(shí)際滾筒半徑大于滾筒設(shè)計(jì)半徑；實(shí)際電機(jī)的供電頻率。經(jīng)分析，在上述四項(xiàng)參數(shù)中，前三項(xiàng)參數(shù)為固定值，在實(shí)際中可通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)其牽引力的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的控制。因此，可通過(guò)對(duì)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)頻率的控制實(shí)現(xiàn)功率平衡的控制[3]。

目前，針對(duì)設(shè)備電機(jī)功率平衡的控制可采用的控制策略包括有PID 控制策略、模糊控制策略以及模糊PID 控制策略。充分分析上述三種控制策略的特點(diǎn)并結(jié)合帶式輸送機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引力的實(shí)際分配理論，本文擬采用模糊PID 控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒牽引機(jī)（各電機(jī)功率）的控制，其對(duì)應(yīng)原理如圖2所示。

圖2 基于模糊PID 控制策略實(shí)現(xiàn)功率平衡控制原理圖

2 功率平衡控制流程的設(shè)計(jì)

2.1 自適應(yīng)模糊PID 控制器的設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提升帶式輸送機(jī)功率平衡控制的效果，結(jié)合模糊控制規(guī)格和PID 控制策略，預(yù)想加入操作者的控制經(jīng)驗(yàn)[4]。因此，需結(jié)合操作者經(jīng)驗(yàn)、模糊控制規(guī)格以及PID 控制算法得出自適應(yīng)模糊PID 控制器，其對(duì)應(yīng)的控制原理如圖3 所示。

圖3 自適應(yīng)模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)原理圖

如圖3 所示，自適應(yīng)模糊PID 控制器的核心為結(jié)合操作人員經(jīng)驗(yàn)與模糊控制規(guī)則建立PID 控制器中△Kp、△KI以及△KD與偏差 e、偏差率 ec之間的關(guān)系，從而保證系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)PID 控制器中的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以確保系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)時(shí)的性能，并對(duì)應(yīng)到多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)對(duì)應(yīng)的偏差e、偏差率ec分別為轉(zhuǎn)矩偏差e、轉(zhuǎn)矩偏差率ec。

結(jié)合模糊控制規(guī)則，功率平衡控制的關(guān)鍵在于根據(jù)帶式輸送機(jī)各電機(jī)轉(zhuǎn)矩的偏差及偏差率對(duì)PID控制器的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證各電機(jī)的牽引力一致。具體控制規(guī)則如下：

1）當(dāng)轉(zhuǎn)矩偏差較大時(shí)，應(yīng)盡快消除轉(zhuǎn)矩偏差，即要求系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)特性；當(dāng)轉(zhuǎn)矩偏差較小時(shí)，應(yīng)消除靜差，克服超調(diào)，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。

2）當(dāng)轉(zhuǎn)矩偏差與偏差率同號(hào)時(shí)，說(shuō)明1 號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)矩朝著2 號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向變化。此時(shí)，若轉(zhuǎn)矩偏差較大，應(yīng)采取較強(qiáng)的控制，即Kp應(yīng)取較大值，KI應(yīng)取較小值；若轉(zhuǎn)矩偏差較小時(shí)，應(yīng)采取一般強(qiáng)度的控制即可，即Kp應(yīng)取中等值，KI應(yīng)取較小值。

3）當(dāng)轉(zhuǎn)矩偏差與轉(zhuǎn)矩偏差率異號(hào)時(shí)，說(shuō)明2 號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)矩朝著1 號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向變化，此時(shí)，若轉(zhuǎn)矩偏差較大，應(yīng)采取較強(qiáng)的控制，即Kp應(yīng)取中等值，KI應(yīng)取較小值；若轉(zhuǎn)矩偏差較小時(shí)，應(yīng)采取一般強(qiáng)度的控制即可，即Kp應(yīng)取較小值，KI應(yīng)取較大值。

結(jié)合上述模糊控制原則，得出對(duì)應(yīng)不同工況下的△Kp、△KI的決策表。鑒于篇幅有限，此處不具體列出控制決策表。

2.2 功率平衡智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于自適應(yīng)模糊控制器所控制的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)功率平衡控制，在原帶式輸送機(jī)集中控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入功率平衡控制的環(huán)節(jié)。本文將基于PLC 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)雙電機(jī)帶式輸送機(jī)的功率平衡控制，所選型功率PLC 控制器的型號(hào)為S7-300，并根據(jù)原帶式輸送機(jī)集中控制結(jié)構(gòu)對(duì)監(jiān)控層、控制層以及執(zhí)行層對(duì)功率平衡控制環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)置。功率平衡控制流程如圖4所示。

如圖4 所示，功率平衡控制系統(tǒng)根據(jù)各電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，判斷其是否與設(shè)定轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩存在偏差，并根據(jù)判定結(jié)果得出待調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩的編號(hào)；通過(guò)判定結(jié)果計(jì)算得出偏差和偏差率后，通過(guò)模糊控制表得出對(duì)應(yīng)電機(jī)需調(diào)整到的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩；將具體控制參數(shù)通過(guò)PLC 控制器對(duì)變頻器控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩的調(diào)整[5]。

圖4 功率平衡控制流程圖

3 功率平衡控制效果的驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)的控制效果，本文對(duì)兩臺(tái)正常運(yùn)行的雙驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)施加15 N·m 的負(fù)載，分別對(duì)采用傳統(tǒng)PID 控制器和自適應(yīng)模糊PID 控制器的控制效果進(jìn)行對(duì)比，具體對(duì)系統(tǒng)從擾動(dòng)到實(shí)現(xiàn)功率平衡所需的時(shí)間和超量進(jìn)行比對(duì)，對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

如表2 所示，采用自適應(yīng)模糊PID 控制器從系統(tǒng)擾動(dòng)到功率實(shí)現(xiàn)平衡所需時(shí)間僅需0.04 s，而采用傳統(tǒng)模糊PID 控制器調(diào)整時(shí)間需0.12 s，二者相差一個(gè)數(shù)量級(jí)；同理，對(duì)于控制精度和穩(wěn)定性而言，自適應(yīng)模糊PID 控制器優(yōu)于傳統(tǒng)模糊PID 控制器兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

為滿足綜采工作面大運(yùn)量、長(zhǎng)距離以及高運(yùn)速的運(yùn)輸要求，對(duì)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力及運(yùn)輸穩(wěn)定性提出了更高的要求。多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)可大幅提高綜采工作面的運(yùn)輸效率，但多電機(jī)驅(qū)動(dòng)往往會(huì)帶來(lái)功率不平衡的問(wèn)題，容易導(dǎo)致電機(jī)燒毀等故障。為此，本文基于PLC 控制器和自適應(yīng)模糊PID 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)多電機(jī)帶式輸送機(jī)的功率平衡控制，與傳統(tǒng)PID 控制相比具有調(diào)整時(shí)間極短、超調(diào)量極小的優(yōu)勢(shì)，可在多電機(jī)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

表2 自適應(yīng)模糊PID 控制器與傳統(tǒng)PID 控制器控制效果對(duì)比