基于自適應反步控制的提升系統鋼絲繩張力控制

張麗婷

（晉能控股集團責任公司煤峪口礦大型隊，山西 大同 037001）

引言

隨著淺層和深部煤炭資源開發的不斷增加，超深礦井勘探已成為發展趨勢，基于超深礦井大容量、大速度特點，礦井提升系統的需求越來越大。然而，傳統的礦井提升系統，如單繩纏繞式提升系統和多繩摩擦式提升系統，對于超深煤礦具有很大的局限性[1-3]。

隨著鋼絲繩和卷筒數量的增加，兩根鋼絲繩的提升不能同步進行，同時考慮到鋼絲繩的特性差異、動態變形、纏繞誤差等因素，導致張力差急劇增大[4-5]。如何提高DRWHS的張力協調性能一直是工業界關注的焦點。應用最廣泛的是液壓自動張力平衡裝置，它包含固定在兩根鋼絲繩和一個輸送工具之間的兩個液壓缸。當兩根鋼絲繩的張力存在差異時，根據通信容器的原理，將相應液壓缸中的高壓油通過連接管擠壓到另一個液壓缸中，使鋼絲繩的張力保持了新的平衡[6-9]。本文針對液壓自動張力平衡裝置存在的問題，設計了一種改進型液壓張力平衡裝置。

1 DRWHS 動態模型

圖1-1 為活動頭輪DRWHS的組成，活動頭輪下固定兩個液壓缸，通過控制兩個液壓缸的位移來調節鋼絲繩的張力。由于液壓缸不再附著在鋼絲繩和運輸工具之間，因此液壓缸的大小對DRWHS的起升能力影響不大。DRWHS的原理圖如圖1-2 所示，該系統可分為起升系統和電液伺服系統兩部分。

1.1 提升系統動力學模型

主要參數如圖1-2 所示，ri（i=1，2）為雙滾筒的旋轉長度，lci（i=1，2）為吊運或降壓過程中兩條懸鏈線的長度，lhi（i=1，2）為兩根垂直提升鋼絲繩在提升或降低運輸工具過程中的長度，ui（i=1，2）為兩個活動頭輪的位移，φ 為兩懸索與水平面的夾角，ai（i=1，2）為兩根鋼絲繩接點到運輸工具的水平距離，運輸工具重心bi（i=1，2）為運輸工具上、下表面與運輸重心之間的縱向距離，ksi（i=1，2，3，4）為四對彈簧-阻尼模型的側向等效剛度，csi（i=1，2，3，4）為四對彈簧-阻尼模型的橫向等效阻尼系數。

圖1 雙繩纏繞式提升系統

1.2 電液伺服系統的動力學模型

電液缸配置如圖2 所示。

圖2 電容液壓缸配置

2 控制器設計

本工作的控制系統分為兩部分：起升控制系統和液壓缸控制系統。對于提升控制系統，利用NDO來估計一組提升和降低階段的振動引起的外部干擾。然后設計了由RNABC 和NDO 組成的組合控制器，在存在參數不確定性和外部干擾的情況下，獲得鋼絲繩張力控制所需的兩個液壓缸的位移。同樣，NDO 也用于液壓缸控制系統估計外部干擾影響位移電液伺服系統的跟蹤控制，如兩個鋼絲繩的振動和首飾捆，然后結合控制器設計獲得所需的控制輸入，確保液壓缸的跟蹤性能。

2.1 提升系統的NDO 設計

本節中使用的NDO 是基于狀態觀測器定義的，這個量是可以測量的。

式中：ρ（x1，x2）是要設計的非線性函數，σ（x1，x2）是NDO的收益。

2.2 電液伺服系統的NDO 設計

與提升系統的NDO 設計過程相似，給出了電液伺服系統的NDO 設計過程。

同樣，定義NDO的增益為σ（x3，x4，x5）=μ2，μ2>0。

3 實驗研究

3.1 DRWHS的實驗設置

本文實驗所采用的雙繩纏繞提升實驗系統，以所提出的DRWHS 控制策略加以實現。實驗系統包括兩根鋼絲繩、一組代替運輸工具的重量堆、兩個活動頭輪、兩個液壓馬達、兩個液壓缸以及一個液壓供電系統。兩個帶有70 mm 口徑、50 mm 桿的液壓缸和兩個液壓馬達由四個Cosure 公司生產的比例伺服閥驅動，在16 MPa的供應壓力下，流量為38 L/min。采用兩臺線性變量差動變壓器（LVDTs）測量兩個液壓缸的位移。兩個力傳感器被固定在兩個可移動的頭輪和重量堆之間，以獲取兩根鋼絲繩的實時張力。雙繩纏繞提升實驗系統的主要參數如表1 所示。

表1 雙繩纏繞提升試驗系統的主要參數

圖3 給出了基于MATLAB/Simulink 快速技術的xPC 目標實時計算機控制器，實現了數字控制和數據采集。雙繩纏繞提升實驗系統的控制硬件包括研華IPC-610 控制器、信號調制器、PCI-1716、A-CL-6126、PCI-1784、上位機及其他輔助配件。模擬控制輸入信號由D/A 采集板ACL-6126 完成，經信號調制器優化后送入伺服閥控制兩個液壓缸和兩個液壓馬達。A/D 板pci-1716 和脈沖板pci-1784 轉換模擬信號（兩個液壓缸的位移，緊張的兩個繩索，體重棧的傾斜角度，四個液壓缸的壓力室）和脈沖信號（兩個液壓馬達的旋轉速度）轉化為數字信號。

圖3 雙繩纏繞提升實驗控制系統框圖

3.2 DRWHS 動態模型驗證

為了驗證簡化動力學模型與雙繩纏繞提升實驗系統的準確性，基于簡化動力學模型的數值模擬和雙繩纏繞提升實驗，對兩根鋼絲繩的張力進行了研究，結果如圖4 所示。從圖4 可以看出，考慮參數不確定性和外界干擾的仿真結果與實驗結果吻合較好，說明簡化的動力學模型能夠預測雙繩纏繞提升實驗系統的性能。

圖4 基于動力學模型的兩根鋼絲繩張力

3.3 實驗結果分析

對雙繩纏繞式提升試驗系統進行了一系列試驗測試。將所需的輸送工具逆時針旋轉角度（0°）和滾筒尺寸差擾動（0.5 mm）發送到實驗系統。兩個滾筒的參考繞組長度及其實時響應信號如下頁圖5 所示。從下頁圖5 中可以看出，兩個滾筒能夠精確跟蹤參考繞組長度，達到預期的吊重效果。為了測試所提控制器的有效性，將傳統的PI 控制器、RNABC 控制器和所提的組合控制器用于DRWHS。

圖5 兩滾筒繞線長度測試

4 結論

實驗結果表明，與常用的PI 控制器和自適應反步控制器相比，所提出的組合控制器在雙繩纏繞式提升系統中具有較好的鋼絲繩張力協調性能。