基于電液伺服系統(tǒng)的多繩纏繞式提升機浮動天輪主動調(diào)繩性能研究

馬　偉　景月帥　李濟順,　鄒聲勇　薛玉君　楊　芳

1.河南科技大學(xué)河南省機械設(shè)計與傳動系統(tǒng)重點實驗室，洛陽，4710032.洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院礦山重型裝備國家重點實驗室，洛陽，471039

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基于電液伺服系統(tǒng)的多繩纏繞式提升機浮動天輪主動調(diào)繩性能研究

馬偉1景月帥1李濟順1,2鄒聲勇2薛玉君1楊芳1

1.河南科技大學(xué)河南省機械設(shè)計與傳動系統(tǒng)重點實驗室，洛陽，4710032.洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院礦山重型裝備國家重點實驗室，洛陽，471039

摘要：在多繩纏繞式超深礦井提升機運行過程中，采用基于電液伺服系統(tǒng)的浮動天輪主動調(diào)繩裝置，調(diào)節(jié)鋼絲繩的張力。根據(jù)浮動天輪主動調(diào)繩裝置的結(jié)構(gòu)和原理建立閥控缸液壓伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了電液伺服系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)PID控制器，提出了一種基于模糊自適應(yīng)PID控制的電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)浮動天輪主動調(diào)繩的控制方法，并建立了相應(yīng)的數(shù)字仿真模型，以不同擾動頻率的正弦函數(shù)輸入模擬鋼絲繩的振動，分析了液壓缸的動態(tài)特性。仿真結(jié)果證明了采用模糊自適應(yīng)PID控制方法的電液伺服系統(tǒng)浮動天輪主動調(diào)繩裝置的有效性。

關(guān)鍵詞：浮動天輪；動態(tài)特性；提升機；模糊自適應(yīng)PID控制

0引言

礦井提升機是一種大型提升設(shè)備，在多繩提升機運行過程中，存在一定鋼絲繩張力差，主要原因有：繩槽直徑存在一定的偏差，繩槽深的鋼絲繩，鋼絲繩張力較??；鋼絲繩的彈性模量和直徑存在一定的誤差，彈性模量的不同和直徑的差異會導(dǎo)致鋼絲繩張力不一致；鋼絲繩安裝時初始長度不等引起鋼絲繩伸長量不同，導(dǎo)致鋼絲繩張力不一致。鋼絲繩張力不平衡將加劇摩擦襯墊磨損和引起鋼絲繩的振動，造成提升機系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，導(dǎo)致罐籠傾斜，甚至斷繩等重大安全事故[1-2]。中國礦業(yè)大學(xué)研制了YXZ型鋼絲繩張力平衡裝置，但由于鋼絲繩的蠕動和相對滑動，引起調(diào)繩裝置出現(xiàn)偏竄，造成懸掛平衡裝置油缸活塞桿外伸到極限，另一端活塞桿內(nèi)縮到極限，將無法正常調(diào)繩。后來采用無源密閉連通原理解決了以上問題，但要對調(diào)繩裝置定期打壓調(diào)繩。瑞典ABB公司設(shè)計發(fā)明了鋼絲繩張力自平衡裝置。德國 GHH 公司開發(fā)了墊塊式的液壓調(diào)繩裝置，這種調(diào)繩裝置需要提升系統(tǒng)停止工作來調(diào)節(jié)鋼絲繩張力[3-5]。

多繩纏繞式超深礦井提升機的提升高度可達1500 m以上，一次載重量可達240 t以上[6]，而張力自平衡裝置位于罐籠與鋼絲繩連接處，不僅增加了提升負擔，而且其調(diào)繩范圍有限，不適用于超深礦井。本文提出采用PID控制和模糊控制相結(jié)合，構(gòu)造一個適應(yīng)于大滯后、非線性和時變系統(tǒng)，并能克服外界對系統(tǒng)的擾動的模糊自適應(yīng)PID控制的在線調(diào)整主動調(diào)繩裝置。針對超深礦井提升機存在張力不平衡的問題，通過對兩根鋼絲繩的纏繞式提升機勻速下降時的主動調(diào)繩過程進行分析，研究不同擾動頻率下采用不同控制方法進行主動調(diào)繩時液壓缸的動態(tài)特性和響應(yīng)規(guī)律。

1基于電液伺服系統(tǒng)的浮動天輪主動調(diào)繩原理

浮動天輪主動調(diào)繩裝置的液壓系統(tǒng)原理如圖1所示，由電動機帶動液壓泵，油液通過過濾器，壓力油經(jīng)過電液伺服閥并聯(lián)驅(qū)動液壓缸；電液伺服閥輸入電信號，罐籠和鋼絲繩間的壓力傳感器檢測鋼絲繩的受力情況，實時傳遞輸出力信號；根據(jù)傳感器檢測信號，反饋系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)兩個電液伺服閥的輸入電信號以調(diào)節(jié)閥芯位移，從而控制液壓缸活塞桿位移的方向和大小，使鋼絲繩的張力保持平衡。

圖1　浮動天輪液壓系統(tǒng)原理圖

浮動天輪主動調(diào)繩裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由電液伺服系統(tǒng)、浮動天輪、浮動天輪U形架、直線軌道和相應(yīng)的承力結(jié)構(gòu)等組成，油缸動態(tài)運動行程為100 mm。液壓缸上端與U形支架采用螺紋連接，下端與底座采用鉸接，設(shè)置鎖定結(jié)構(gòu)裝置，電液伺服系統(tǒng)通過控制兩缸容腔的流量使浮動天輪在直線滑軌上運動，來調(diào)節(jié)鋼絲繩張力。

1.浮動天輪　2.U形架　3.液壓缸　4.圓柱銷　5.壓板1　6.壓板2　7.直線滑軌圖2　浮動天輪主動調(diào)繩結(jié)構(gòu)

2電液伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

假定流體是不可壓縮的，連接管道短且粗，容腔彈性模量和油液溫度是常數(shù)；液壓缸的泄漏視為層流流動；伺服閥是零開口的四邊滑閥，節(jié)流口視為對稱匹配的，供油壓力恒定不變，回油壓力為零；閥壓降和閥芯位移變化導(dǎo)致的流量變化瞬間發(fā)生；忽略管道的流體質(zhì)量；每個液壓缸工作的容腔壓力都相等，則閥芯位移xv>0時壓力-流量方程[7]為

(1)

閥芯位移xv<0時壓力-流量方程為

(2)

式中，qV1、qV2分別為進入有桿腔容腔體積流量和流出無桿腔容腔體積流量；w為閥節(jié)流口的面積梯度；cd為流量系數(shù)；ρ為油液密度；ps為油源壓力；p1、p2分別是有桿腔和無桿腔壓力。

閥的線性化方程為

qVL=Kqαxv-KcαpL

(3)

式中，Kcα為流量壓力系數(shù)；pL0為平衡點處的壓力；Kqα為流量增益；xv0為平衡點處的閥芯位移；n=A2/A1；A1、A2分別為液壓缸有桿和無桿腔面積；qVL為負載流量；負載壓力pL=p1-p2。

液壓系統(tǒng)流量連續(xù)方程[8]為

(4)

式中，βe油液等效彈性模量；y為活塞桿的位移；cic和cec分別為液壓缸的內(nèi)外泄漏系數(shù)；V1和V2分別為液壓缸有桿和無桿腔體積，V1=V10+A1y，V2=Ve-(V10+A2y)；V10為平衡位置時的無桿腔容積；Ve為液壓缸有效容積。

力平衡方程[9]為

(5)

式中，m為活塞和負載等效質(zhì)量；Bc為負載與活塞黏性阻尼系數(shù)；k為負載彈簧剛度；fe為活塞上等效外負載力。

(6)

式中，Ve為有效容積；V=A1L，L為液壓缸最大行程；Ap為等效面積；Ktα為總流量的壓力系數(shù)；Am為等效平均面積；ωh為液壓固有頻率；ξh為液壓阻尼比。

由以上等式，采用PID控制建立電液伺服控制系統(tǒng)，其方框圖見圖3，其中kf為傳感器增益。

圖3　控制系統(tǒng)方框圖

3電液伺服系統(tǒng)調(diào)繩控制策略設(shè)計

圖4　浮動天輪主動調(diào)繩系統(tǒng)框圖

4模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計

4.1控制系統(tǒng)原理

本文提出的控制器采用的是二輸入三輸出的曼丹尼推理算法，如圖5所示，e為液壓缸輸出位移與輸入值的差值，ec為液壓缸位移差變化率，ΔkP、ΔkI、ΔkD分別是模糊自適應(yīng)PID修正量，按照控制規(guī)則能夠?qū)崿F(xiàn)任意時刻PID參數(shù)的在線修正，能夠使閥控缸有較好的動靜態(tài)性能[10-12]。

圖5　模糊自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)圖

模糊自適應(yīng)PID控制器工作過程中，實時對模糊邏輯規(guī)則的數(shù)據(jù)進行處理、查表和計算，實時調(diào)整修正PID參數(shù)。其工作流程如圖6所示，其中k為采樣序數(shù)。

圖6　模糊自適應(yīng)PID控制器工作流程圖

4.2確定控制器模糊集

模糊自適應(yīng)PID控制器算法為

(7)

(8)

選取閥控缸位移與輸入值的差值e和閥控缸響應(yīng)速度與輸入值的差值ec作為模糊控制器的輸入變量，輸出電信號作為輸出變量。輸入和輸出變量采用梯形與三角形函數(shù)。根據(jù)液壓缸的調(diào)節(jié)行程確定e、ec、ΔkP、ΔkI、ΔkD的論域均為[-3,3]，模糊集均為{NB，NM，NS，T，PS，PM，PB}。e的基本論域為[-0.02,0.02]，當液壓缸位移偏差超過此范圍時，控制系統(tǒng)發(fā)出警告。ec的基本論域為[-0.05 0.05]，ΔkP基本論域為[-3,3]、ΔkI基本論域為[-0.3,0.3]，ΔkD基本論域為[-0.06,0.06]。e隸屬函數(shù)曲線見圖7，ec隸屬函數(shù)曲線與圖7相同。

圖7　e隸屬函數(shù)曲線

4.3模糊控制規(guī)則及去模糊化

根據(jù)圖5模糊自適應(yīng)PID控制結(jié)構(gòu)可知，自適應(yīng)模糊控制器以e、ec作為輸入，以ΔkP、ΔkI、ΔkD作為輸出來調(diào)節(jié)kP、kI、kD，由kP、kI、kD調(diào)整規(guī)律形成模糊控制規(guī)則。模糊自適應(yīng)PID控制規(guī)律如下：

(1)模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)|e|較大時，為了獲得較快的響應(yīng)速度且防止|e|瞬時過大造成微分飽和，引起控制系統(tǒng)過大的超調(diào)，通常選取kI=0和較大的kP、較小的kD。

(2)模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)|e|和|ec|正常大小時，為了確保控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，避免控制系統(tǒng)的過大超調(diào)量，kP應(yīng)選取較小值，kI、kD應(yīng)選取合適的值。

(3)模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)|e|較小時，為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定，避免控制系統(tǒng)抗干擾性較差并出現(xiàn)振蕩，kI、kD應(yīng)適當選取。|ec|表征了控制系統(tǒng)的偏差，由|ec|值的大小選取適當?shù)膋P、kI、kD。

根據(jù)以上規(guī)律得出模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的e、ec與ΔkP、ΔkI、ΔkD存在模糊推理的關(guān)系，如表1～表3所示。通過實時在線調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使電液伺服系統(tǒng)有較好的調(diào)繩能力。

表1　ΔkP模糊控制規(guī)則表

表2　ΔkI模糊控制規(guī)則表

表3　ΔkD模糊控制規(guī)則表

由以上規(guī)則經(jīng)過模糊化、模糊推理參數(shù)校正，獲得精確的液壓缸輸出位移量，模糊控制系統(tǒng)采用重心法去模糊化。

5電液伺服系統(tǒng)性能仿真分析

5.1仿真條件及參數(shù)

假設(shè)卷筒直徑6 m，并以18 m/s的速度運行。提升系統(tǒng)通過干擾輸入給定幅值為0.5 m，頻率分別為0.01 Hz、0.1 Hz、1 Hz的正弦函數(shù)來模擬鋼絲繩振動對繩長變化的影響及對鋼絲繩張力差的影響，通過液壓缸活塞桿位移變化實現(xiàn)浮動天輪主動調(diào)繩。采用普通PID控制與模糊自適應(yīng)PID控制器的電液伺服系統(tǒng)分析液壓缸的動態(tài)性能[13]，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，驗證采用模糊自適應(yīng)PID控制方法的電液伺服系統(tǒng)浮動天輪調(diào)繩裝置是否有效。仿真參數(shù)見表4[14]，仿真結(jié)果如圖8～圖11所示。

表4　液壓系統(tǒng)主要參數(shù)[14]

5.2鋼絲繩不同擾動頻率對液壓缸動態(tài)特性的影響

圖8所示為采用普通PID控制一個液壓缸調(diào)繩的情況，液壓缸1是擾動輸入位移。由圖8可知，一個液壓缸調(diào)繩時系統(tǒng)有一定的超調(diào)，隨著擾動頻率的增大，電液伺服系統(tǒng)的調(diào)繩性能下降，在擾動頻率為1 Hz時，鋼絲繩有較大的縱向振動，鋼絲繩張力差較大，液壓缸進行調(diào)繩有較大的滯后，調(diào)繩效果不理想。在擾動頻率為0.01 Hz和0.1 Hz時提升系統(tǒng)的鋼絲繩縱向振動較小，電液伺服系統(tǒng)能夠?qū)@種工況下的鋼絲繩調(diào)繩。

(a)頻率為0.01 Hz

(b)頻率為0.1 Hz

(c)頻率為1 Hz1.液壓缸1　2.液壓缸2圖8　一個液壓缸調(diào)節(jié)位移的變化(普通PID控制)

圖9所示為采用普通PID控制兩個液壓缸同時進行調(diào)繩的情況，液壓缸1是擾動輸入和調(diào)繩后的液壓缸位移。由圖9可知，兩個液壓缸調(diào)繩比一個液壓缸調(diào)繩的誤差小，但有較大的超調(diào)。究其原因，主要是兩個液壓缸同時進行調(diào)繩，響應(yīng)速度較快，鋼絲繩存在一定的附加擾動，引起初始調(diào)繩階段較大的超調(diào)量。尤其在擾動頻率為0.1 Hz時液壓系統(tǒng)超調(diào)量很大，在擾動頻率為1 Hz時，液壓缸滯后嚴重，無法滿足調(diào)繩需求。

(a)頻率為0.01 Hz

(b)頻率為0.1 Hz

(c)頻率為1 Hz1.液壓缸1　2.液壓缸2圖9　兩個液壓缸調(diào)節(jié)位移的變化(普通PID控制)

圖10所示為采用模糊自適應(yīng)PID控制一個液壓缸調(diào)繩的情況，液壓缸1是擾動輸入位移。由圖10可知，在不同的擾動頻率下，液壓缸進行調(diào)繩時，控制系統(tǒng)無超調(diào)，響應(yīng)速度較快。調(diào)繩性能優(yōu)于普通PID控制系統(tǒng)(圖8)，無附加鋼絲繩擾動。這主要是由于模糊自適應(yīng)PID控制對參數(shù)進行了實時在線修正。

(a)頻率為0.01 Hz

(b)頻率為0.1 Hz

(c)頻率為1 Hz1.液壓缸1　2.液壓缸2圖10　一個液壓缸調(diào)節(jié)位移的變化(模糊PID控制)

圖11所示為采用模糊自適應(yīng)PID控制兩個液壓缸同時調(diào)繩的情況，液壓缸1是擾動輸入和調(diào)繩后的液壓缸位移。由圖11可知，與普通的PID控制(圖9)相比，模糊自適應(yīng)PID控制的電液伺服系統(tǒng)使液壓缸的響應(yīng)速度快，超調(diào)量較小，穩(wěn)定性好，調(diào)繩誤差小，附加擾動較小，能夠較好地適應(yīng)礦機提升過程中的不同擾動工況。

(a)頻率為0.01 Hz

(b)頻率為0.1 Hz

(c)頻率為1 Hz1.液壓缸1　2.液壓缸2圖11　兩個液壓缸調(diào)節(jié)位移的變化(模糊PID控制)

6結(jié)論

(1)建立了基于電液伺服系統(tǒng)主動調(diào)繩裝置模型，設(shè)計了電液伺服系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)PID控制器，提出了一種基于模糊自適應(yīng)PID控制方法的電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)浮動天輪主動調(diào)繩控制策略。

(2)由仿真結(jié)果可知，基于電液伺服系統(tǒng)主動調(diào)繩裝置采用模糊自適應(yīng)PID控制能夠在一定的鋼絲繩縱振條件下有效地實現(xiàn)調(diào)繩。但擾動頻率增大到一定程度，鋼絲繩縱向振動過大，將不利于調(diào)繩，所以在實際生產(chǎn)中，應(yīng)盡量減少外界對提升系統(tǒng)的擾動，避免鋼絲繩有較大的振動，進而引發(fā)生產(chǎn)事故。

(3)采用模糊自適應(yīng)PID控制的電液伺服系統(tǒng)的主動調(diào)繩裝置響應(yīng)快，穩(wěn)定性好，超調(diào)量小，兩個液壓缸的協(xié)同控制性能好，調(diào)繩誤差較小能夠?qū)崿F(xiàn)浮動天輪主動調(diào)繩，此控制方法還可以應(yīng)用到摩擦式礦井提升機中。

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(編輯王旻玥)

收稿日期：2015-07-10

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2014CB049402);河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃資助項目(132300410001);河南省高?？萍紕?chuàng)新團隊支持計劃資助項目(15IRTSTHN008)

中圖分類號：TH137；TD534

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.14.006

作者簡介：馬偉，男，1955年生。河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向為機械結(jié)構(gòu)動力學(xué)、軸承設(shè)計及制造、動態(tài)性能分析與故障診斷技術(shù)、逆向工程等。出版專著2部，發(fā)表論文30余篇。景月帥，男，1987年生。河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院碩士研究生。李濟順，男，1963年生。河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師，洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院教授。鄒聲勇，男，1964年生。洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院教授級高級工程師。薛玉君，男，1971年生。河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。楊芳，男，1982年生。河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院講師、博士。

Research on Floating Sheave Active Adjusting Rope Performance in Multi Rope Winding Hoist Using Electro-hydraulic Servo System

Ma Wei1Jing Yueshuai1Li Jishun1,2Zou Shengyong2Xue Yujun1Yang Fang1

1.Henan Key Laboratory for Machinery Design and Transmission System,Henan University of Science and Technology, Luoyang, Henan, 471003 2.State Key Laboratory of Mining Heavy Equipment,Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute, Luoyang, Henan, 471039

Abstract：In the working processes of ultra deep mine hoist with multi rope winding, floating sheave active adjusting rope used electro-hydraulic servo system to adjust wire rope tension. According to the floating sheave adjusting the rope’s structures and principles the electro-hydraulic servo system mathematical model was constructed,a fuzzy adaptive PID controller of electro-hydraulic servo system was designed, a control method of floating sheave active rope was proposed based on a fuzzy adaptive PID control of electro-hydraulic servo system.The corresponding digital model was built, the vibration of wire rope was simulated with the sinusoidal function of different frequencies, and the dynamic characteristics of hydraulic cylinder was analyzed. Simulation results prove the effectiveness of floating sheave active adjusting rope device based on electro-hydraulic servo system by a fuzzy adaptive PID control method.

Key words:floating sheave; dynamic characteristic; hoist; fuzzy adaptive PID