帶式輸送機(jī)功率平衡控制流程的設(shè)計及現(xiàn)場實(shí)驗

鄭相達(dá)

（晉中市榆次區(qū)應(yīng)急管理煤礦安全巡查隊，山西 晉中 030600）

引言

帶式輸送機(jī)是連續(xù)運(yùn)輸物料的輸送設(shè)備，輸送帶作為其關(guān)鍵構(gòu)件主要起牽引和承載的作用，可應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域，包括煤炭、糧食、化工、建材、港口以及礦山等，在提高國民經(jīng)濟(jì)總值中扮演著至關(guān)重要的角色[1]。先前帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸距離較短，采用單滾筒驅(qū)動產(chǎn)生所需的牽引力，較小的裝機(jī)功率即可配套滿足單條輸送機(jī)。在不斷地摸索改進(jìn)中，煤礦機(jī)械自動化水平日漸提升，這對帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸距離及裝機(jī)功率提出了更高的要求，單滾筒驅(qū)動已逐漸被雙/三滾筒驅(qū)動取而代之。為實(shí)現(xiàn)對功率的需求，常需要集成數(shù)量為兩個或兩個以上的驅(qū)動單元，此種驅(qū)動方式稱之為多滾筒驅(qū)動[2]。小而多的驅(qū)動單元加和不僅有利于降低成本、實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化，以便于后續(xù)維護(hù)、搬運(yùn)及安裝，而且具有大的圍包角，可大大減小輸送帶所需要的最大張力。除了驅(qū)動加和的優(yōu)點(diǎn)，不同的驅(qū)動單元之間仍存在個性與制造設(shè)備間的差異、不同的負(fù)載、安裝存在誤差以及所受作用力之間的差量這些缺點(diǎn)，均會降低工作效率，使電動機(jī)的功率不平衡；倘若偏載過大，則會引起其他事故如燒壞電動機(jī)。綜上所述，為確保帶式輸送機(jī)功率的平衡，研究其控制流程的設(shè)計也是一項重要的課題。如此，可使多滾筒驅(qū)動系統(tǒng)確保各個驅(qū)動單元間輸出功率值與所設(shè)計值一致，達(dá)到功率平衡的要求。

1 功率平衡的控制

控制電動機(jī)功率的平衡，實(shí)則以電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩或定子電流為直接控制量。通常，電動機(jī)功率的平衡主要是通過記錄各個電動機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速，從而得出該電動機(jī)的工作狀態(tài)以及計算得出其電流的平均值。當(dāng)該電動機(jī)開始發(fā)電時，需要增大其變頻器的頻率，之后處于電動工作狀態(tài)時，再控制電動機(jī)的功率平衡。控制電動機(jī)的電流主要是通過改變變頻器的頻率來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)兩個電動機(jī)的工作狀態(tài)都為電動時，若其電流值小于平均電流，則需要增大其變頻器的頻率；反之，若其電流值大于平均電流，則需要減小其變頻器的頻率，以此達(dá)到電動機(jī)功率平衡的控制。電動機(jī)在正常運(yùn)行過程中，其速度和出力之間存在有時間慣性，且?guī)捷斔蜋C(jī)依靠變頻器驅(qū)動存在滯后性，若仍按調(diào)節(jié)變頻器頻率，則會導(dǎo)致運(yùn)行系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象產(chǎn)生，如調(diào)節(jié)速度的超調(diào)或慢調(diào)。在工業(yè)生產(chǎn)中，常采用的調(diào)節(jié)方法為PID 調(diào)節(jié)，該方法適用范圍窄、建模困難且其PID 相關(guān)參數(shù)難確定，該方法的這些短板造成其局限性，無法達(dá)到較佳的控制效果。

針對PID 調(diào)節(jié)方法存在建模困難等缺點(diǎn)，模糊控制[3]基于模糊數(shù)學(xué)理論主要是將人所附有的經(jīng)驗與知識應(yīng)用轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的推理方法及相關(guān)模糊控制規(guī)則，主要導(dǎo)向于一些被控對象本身無數(shù)學(xué)建模以及較難建模的不確定性，它是一種存在反饋性質(zhì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。但模糊控制也存在精度低、有限的自適應(yīng)能力以及振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生。

因此需結(jié)合PID 和模糊控制兩種策略，優(yōu)勢互補(bǔ)。基于涉及實(shí)際牽引力的分配比理論，功率平衡的控制方法主要是選用模糊PID 控制其帶有速度補(bǔ)償。本文介紹的功率平衡控制方法是基于雙滾筒驅(qū)動，其相關(guān)控制原理圖如下頁圖1 所示。首先，在PLC 中設(shè)置比較器，主要用來比較由變頻器VF1 和VF2 輸出轉(zhuǎn)矩T1、T2，該值是基于由ProfiBus-DP 讀取的；經(jīng)通過模糊PID 方法現(xiàn)場實(shí)測，計算得出兩個相關(guān)的速度補(bǔ)償值Δn1和Δn2，進(jìn)而修訂由變頻器給出的輸入速度ne，并分別將其作為系統(tǒng)內(nèi)兩臺變頻器相關(guān)給定的速度值；PID 控制器的輸入包括由電動機(jī)M1、M2所提供的實(shí)際速度n1和n2，最后由PID 計算得到控制變頻器頻率f1、f2，如此可保證這兩個電動機(jī)間轉(zhuǎn)矩和速度間的同步，以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)中功率平衡理想的控制效果。通過對電動機(jī)設(shè)置允許轉(zhuǎn)速差Δne，即最大的保護(hù)速度差，若兩個電動機(jī)間的速度差|Δn|小于允許轉(zhuǎn)速差Δne，則不需要控制電動機(jī)間的功率平衡。因此，可預(yù)防滾筒與輸送帶之間發(fā)生打滑現(xiàn)象。

圖1 雙滾筒驅(qū)動的功率平衡控制原理圖

2 功率平衡的流程設(shè)計

電動機(jī)間功率的失衡，將導(dǎo)致電動機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定。本文基于傳統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)方法和模糊控制理論，提出了參數(shù)自適應(yīng)模糊PID 控制器，可依據(jù)控制功率平衡使電動機(jī)功率趨于設(shè)計相近的頻率，避免分配不均的功率現(xiàn)象發(fā)生。基于兩種優(yōu)勢的控制方法相較于單獨(dú)的PID 調(diào)節(jié)方法響應(yīng)快，相較于模糊控制則具有高精度且更加穩(wěn)定，所設(shè)計的功率平衡流程圖如圖2 所示。

圖2 控制功率平衡流程圖

3 功率平衡的現(xiàn)場實(shí)驗

在進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗時，需先對其進(jìn)行仿真模擬研究。Matlab 軟件是一種高效簡潔的編程工具，廣泛應(yīng)用于各個學(xué)科領(lǐng)域的工程設(shè)計以及科學(xué)研究等方向。它主要將矩陣計算、數(shù)值分析、非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真以及可視化的科學(xué)數(shù)據(jù)綜合集成于一個設(shè)計界面與環(huán)境中，是當(dāng)前較為流行的涉及軟件工具以及計算機(jī)輔助的涉及語言的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)中囊括豐富完整的應(yīng)用資源，包括設(shè)計到識別的控制系統(tǒng)，再從模糊的控制原理至處理信號等[3-4]。

依據(jù)控制功率平衡的方法，設(shè)計出相關(guān)流程圖，并應(yīng)用Matlab 軟件設(shè)計出相關(guān)的仿真模型，其雙滾筒驅(qū)動的功率平衡仿真模型參數(shù)于表1 中所示。整個驗證功率平衡控制的實(shí)驗設(shè)計如下：電動機(jī)起動呈現(xiàn)空載狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)行0.3 s 后，對兩個電動機(jī)分別負(fù)載值為20 和15；當(dāng)運(yùn)行時間為0.6 s 時，需開始控制功率平衡的調(diào)節(jié)變化。實(shí)驗結(jié)果表明，為確保達(dá)到功率平衡，若采用模糊PID 控制方法時，調(diào)整時間約為0.04 s，超調(diào)量則計算為0.052%和0.031%；若采用傳統(tǒng)PID 控制方法時，調(diào)整時間約為0.12 s，為前者的三倍，且超調(diào)量則計算為3.53%和2.07%。

表1 雙滾筒驅(qū)動的功率平衡仿真模型參數(shù)

通過將該功率平衡設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用于某煤礦，現(xiàn)場實(shí)驗情況與仿真模擬結(jié)果保持一致，應(yīng)用較為良好。

4 結(jié)語

相較于傳統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)方法，模糊PID 控制系統(tǒng)具有快速、高精確度以及小的超調(diào)量等優(yōu)勢。將該控制系統(tǒng)應(yīng)用于某煤礦，應(yīng)用效果良好，可被廣泛適用于一些所需高精度、穩(wěn)定性較好的工作場景，如井下煤礦中帶式輸送機(jī)的功率平衡控制等。