帶式輸送機液壓自動張緊系統的控制分析*

邢春雨

(晉能控股煤業集團北辛窯煤業有限公司，山西 忻州 036700)

0 引 言

帶式輸送機是煤礦進行物料輸送的重要設備，隨著礦井生產的大型化，長距離的帶式輸送機應用越來越多，這對于帶式輸送機的動態性能具有較高的要求，特別在啟停階段中，會產生較大沖擊及波動，使得帶式輸送機無法穩定的運行。張緊裝置作為帶式輸送機必不可少的構件，其性能優異對于輸送帶的速度、加速度及張力變化有決定性的影響。在長距離及大載重的煤炭帶式輸送機中，對于輸送帶的穩定性及動態響應都有較高的要求[1]。液壓張緊系統采用液壓油推動液壓缸調節鋼絲繩向帶式輸送機施加牽引力，可以依據不同的操作工況進行張力調節[2]，同時利用電氣及液壓系統的優勢，具有較高的響應速度及信號處理的靈活性，能夠滿足煤礦設備的使用要求。

筆者通過對帶式輸送機液壓自動張緊系統的設計，提出了DMC-PID串聯控制的方式，通過仿真形式得出串聯控制對響應速度及跟蹤精度具有提高的作用，以實際應用對控制方式的有效性進行驗證，解決了對帶式輸送機張緊系統控制響應速度及控制精度不足的問題。

1 帶式輸送機液壓自動張緊系統的原理

由于帶式輸送機的輸送帶在有物料承載時存在粘彈性特性，使輸送帶容易發生變形，對張緊系統的工作穩定性造成影響。特別是當帶式輸送機進行啟動、制動時，產生較大的沖擊力，造成輸送帶長度的變化，應及時調整張緊系統[3]，保證輸送帶張力恒定。采用液壓系統設計的張緊系統，在液壓缸的作用下調節伸出的長度，對輸送帶的長度進行調節，實現對輸送帶的張緊控制。帶式輸送機在啟動、停止時，由于輸送物料的重量較大，具有較大的慣性作用，造成啟動、停止受到的張力較大，輸送帶的動態變化顯著。

采用液壓缸的形式實現張緊系統的動作，液壓缸采用電液伺服比例閥進行控制，在輸送帶中增加相應的傳感器進行張力及變形量的檢測[4]，從而對液壓缸的行程進行控制。圖1所示為液壓張緊系統的原理圖，電液伺服比例閥通過傳感器采集的數據進行動作，控制進入液壓缸中的液壓油的速度及總量，實現對輸送帶的實時調節。

圖1 帶式輸送機液壓自動張緊系統原理圖1.油箱 2.電機 3.定量泵 4.溢流閥 5.電液伺服比較閥6.開關閥 7.蓄能器 8.單向閥 9.溢流閥 10.位移傳感器11.張力傳感器 12.液壓缸

2 帶式輸送機液壓自動張緊系統的控制分析

2.1 自動張緊控制系統設計

在液壓張緊系統的控制中，常規的PID控制的方式依據對輸送帶采集信號的反饋數據進行控制。帶式輸送機的動態變化較快，對其動態性能的要求較高。常規的PID控制缺乏對被控對象行為的預測，由于輸送帶的動態特性復雜，使得PID控制的微分預測作用有限[5]，對于輸送帶動態變化的過程中缺乏對復雜對象的動態跟蹤。

動態矩陣控制的方式(DMC)采用進行做優解求解的方式進行動態的優化，并對結果進行運算持續更新。動態矩陣控制能夠提高系統的動態響應，降低系統的建模誤差及延時造成的影響，同時動態矩陣控制具有抗干擾能力差的缺點。因此，采用動態矩陣控制結合PID控制的方式對液壓自動張緊系統進行控制，可以兼顧兩者之間的優點，提高了輸送帶張緊系統的抗干擾能力，同時對張緊系統的線性度及穩定性也具有一定的提高，使得整體的控制質量提升[6]。動態矩陣控制結合PID控制結構如圖2所示，兩者之間采用串聯的形式進行。

圖2 液壓自動張緊控制系統框圖

從圖2可以看出，動態矩陣控制結合PID控制的方式實現了對于帶式輸送機張緊系統的雙重控制，依據采集的位移信號進行PID控制，張力信號進行動態矩陣控制，實現張緊系統的自動調節。

2.2 自動張緊控制系統性能分析

針對液壓自動張緊系統采用的動態矩陣控制及PID控制串聯控制的方式，采用模擬仿真的方式對其性能進行仿真分析。AMESim是常用的液壓/機械系統建模仿真的軟件，不需要精確的數學模型，僅對關鍵參數進行設置即可完成系統的仿真，AMESim中控制器設計的功能較弱，可以采用Matlab的控制器編輯功能，進行聯合分析。

采用AMESim與Matlab進行接口設置聯合仿真分析，對仿真的參數進行設置，設定張緊力在100 s時達到恒定值，輸送帶在200 s時采用正弦方式加速，保持一定勻速運動后進行二次加速，設定動態矩陣控制器采樣時間為1 s，對系統延時及干擾通過響應函數模塊模擬，由此對控制系統進行模擬仿真。

對帶式輸送機張緊系統控制方式進行理想狀態下的對比分析，分別進行PID控制、DMC控制及DMC-PID串聯控制的仿真，得到圖3所示的張緊力變化曲線。由圖3看出，在帶式輸送機的啟動階段，DMC-PID聯合串聯控制的張緊力變化要明顯由于單獨的兩種控制方式，較快的達到恒定階段。當存在延時干擾作用時，對三種控制方式的張緊力變化進行仿真，得到圖4所示的張緊力變化曲線。由圖4看出，當存在延時干擾作用時，PID控制產生較大波動，跟蹤性能差，而DMC控制系統的動態響應慢，采用DMC-PID串聯控制結合兩者的優勢，可提高系統的響應速度及跟蹤精度，保證了帶式輸送機運行的穩定。

圖3 理想狀態控制性能曲線

圖4 干擾狀態控制性能曲線

3 應用試驗

以某煤礦使用的帶式輸送機搭建試驗平臺，進行液壓張緊系統的控制試驗研究。對張緊系統進行硬件搭建及通訊，采集張緊力數據，帶式輸送機運行如圖5所示，在試驗平臺上測試DMC-PID控制器的響應性能。依據試驗結果，采用DMC-PID控制器對張緊系統進行控制后，張緊力控制系統的調整時間縮短2.6 s，超調量降低了2.5%，控制誤差降低了13%。采用DMC-PID串聯控制的方式，可以有效地提高帶式輸送機張緊系統的響應速度及跟蹤精度。

圖5 帶式輸送機運行圖

4 結 語

帶式輸送機在進行煤炭等物料的輸送過程中，張緊系統是保證其穩定運行必不可少的部分。針對帶式輸送機張緊系統，設計采用電液伺服比例閥控制液壓缸動作的方式對輸送帶進行實時的調節張緊。針對張緊系統的控制形式，設計采用DMC-PID串聯控制的方式，并對其控制性能進行仿真分析，并搭建試驗平臺進行測試試驗。結果表明，DMC-PID串聯控制的方式，可以降低輸送帶的極值，提高張緊系統的響應速度及跟蹤精度，提供了系統的穩定性和控制精度，保證了輸送帶的穩定運行。