啟動時間對雙機驅(qū)動刮板輸送機功率平衡影響

崔紅偉 ，李 隆 ，劉 偉

（1.太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

綜采工作面刮板輸送機多采用雙電機驅(qū)動，驅(qū)動功率容易受到負載分布、時變載荷、沖擊等因素的影響，使得機頭機尾驅(qū)動電機產(chǎn)生單機超載甚至燒壞電機[1-2]。在不同工況下合理分配雙機功率可有效提高整機的可靠性。國內(nèi)外學者主要是針對功率分配因素和變頻調(diào)速控制等方案來改善刮板輸送機功率平衡問題，提出了影響功率平衡因素，但對啟動時間差的影響分析仍有待研究。

文獻[3]采用變頻調(diào)速對雙機進行轉(zhuǎn)矩控制，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)雙機的功率平衡。文獻[4]通過模糊PID變頻調(diào)速方法對電機轉(zhuǎn)速進行智能調(diào)節(jié)控制，實現(xiàn)機尾電機對機頭電機驅(qū)動力的有效補償，保證兩端電機功率以及鏈輪張力差值的平衡。文獻[5]通過研究得出雙機功率差與額定轉(zhuǎn)速的關(guān)系，分析空載和重載啟動下順序啟動對兩機功率不平衡的影響。文獻[6]研究在變頻驅(qū)動的基礎(chǔ)上使用雙電機主從控制方式，實現(xiàn)刮板輸送機前后驅(qū)動電機輸出功率的均衡。

可控啟動裝置中運用電液伺服系統(tǒng)控制雙機驅(qū)動刮板輸送機功率平衡。電液伺服系統(tǒng)在工作過程中的非線性和工作環(huán)境的復(fù)雜性，對控制方式要求比較高，通過研究重型刮板輸送機的軟啟動可以看出PID控制的不足[7-8]。而自適應(yīng)模糊PID算法可根據(jù)實際工況對PID參數(shù)不斷進行模糊化增量調(diào)節(jié)，使控制器滿足不同工況下的控制要求，具有較好的魯棒性能[9]。

利用AMESim建立可控啟動裝置多物理集成仿真模型，結(jié)合電液伺服控制系統(tǒng)框圖，應(yīng)用Simulink對功率平衡模糊PID控制器進行設(shè)計，通過S-Function對雙機驅(qū)動可控啟動裝置進行聯(lián)合仿真，研究在不同啟動時間下的功率平衡變化規(guī)律。

2 可控啟動裝置控制系統(tǒng)

為了使負載按理想速度啟動，液壓控制系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)速傳感器得到輸出轉(zhuǎn)速，將其與給定轉(zhuǎn)速進行比較，得到誤差值和誤差變化率，作用給模糊PID控制器，進而控制電液伺服閥。伺服閥給環(huán)形油缸提供壓力作用于活塞和液粘離合器，通過改變油膜厚度和滑差提供輸出液粘轉(zhuǎn)矩，控制浮動的內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)行星架輸出軸和刮板輸送機鏈輪的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)軟啟動和系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

在刮板輸送機啟動和運行過程中，功率平衡控制是通過比較機頭機尾電機電流，通過差值及差值變化率對電流控制器參數(shù)進行調(diào)節(jié)，輸出作用于機頭控制系統(tǒng)，達到雙機功率平衡的目的?？煽貑友b置系統(tǒng)控制框圖，如圖1所示。

圖1 可控起動裝置系統(tǒng)控制框圖Fig.1 Control Block Diagram of Controlled Start Transmission Device

3 雙機驅(qū)動的功率平衡

當多臺電動機共同驅(qū)動刮板輸送機時，功率平衡是指每臺驅(qū)動裝置按照其額定功率進行等比例驅(qū)動。當有兩臺驅(qū)動時，應(yīng)滿足：P1：P2=P1e：P2e（1）

式中：Pi—實際功率（i=1，2）；Pie—額定功率（i=1，2）。

負載功率Pg為：

由P=T·n/9549可知：當兩臺電機共同驅(qū)動一臺刮板輸送機時，由于其運行速度相同，所以只要保證兩臺驅(qū)動裝置的輸出轉(zhuǎn)矩按比例輸出，就可以實現(xiàn)輸出功率平衡。因此，功率平衡可以表達為：M1：M2=P1：P2=P1e：P2e（5）

式中：Mi—輸出轉(zhuǎn)矩（i=1，2）。

對于負載轉(zhuǎn)矩，則有：

式中：Ii—電流的有效值（i=1，2）。

各電動機電流與電流平均值的偏離程度Ai為：

雙機驅(qū)動刮板輸送機的功率不平衡度為：

4 聯(lián)合仿真模型

根據(jù)可控啟動裝置的物理模塊，在AMESim中搭建系統(tǒng)模型，如圖2所示。主要包括有電機、齒輪傳動、離合器、電液伺服系統(tǒng)、控制模塊和負載刮板輸送機[10]。在MATLAB/Simulink中搭建模糊PID控制器模型，如圖3所示。通過S-Function模塊將AMESim中電液伺服控制系統(tǒng)與Simulink中完成的模糊PID控制器進行聯(lián)合，依據(jù)晉興斜溝煤礦用可控啟動裝置和刮板輸送機數(shù)據(jù)設(shè)置模型參數(shù)，完成AMESim與MATLAB/Simulink多物理場耦合聯(lián)合仿真模型。

圖2 模糊PID控制AMESim模型Fig.2 The Model of AMESim with Fuzzy PID Control

圖3 模糊PID控制器Simulink模型Fig.3 The Model of Fuzzy PID Controller in Simulink

5 仿真分析結(jié)果

為了解決刮板輸送機在雙電機驅(qū)動下的功率不平衡問題，針對機頭機尾啟動時間差進行仿真研究。順序啟動過程中，預(yù)先進行拉緊刮板鏈，使鏈條處于受力狀態(tài)，機尾電機先于機頭電機啟動，啟動時間差依次為 1s、1.5s、2s、2.5s和 3s，如圖 4～圖 8 所示。

（1）機尾先于機頭啟動1s，如圖4所示。

圖4 啟動時間差為1s電動機電流Fig.4 Motor Current on Start Time for 1s

由圖4可知，當機尾先于機頭啟動1s時，采用PID控制方式，軟啟動達到穩(wěn)態(tài)后，機頭電動機的電流為132A，機尾電動機的電流為113A，機頭的輸出功率大于機尾的輸出功率，功率不平衡度為15.5%。采用模糊PID控制，在軟啟動過程達到穩(wěn)態(tài)后，機頭電動機的電流為129A，機尾電動機的電流為116A，功率不平衡度為10.6%。在40s后，經(jīng)過PID控制調(diào)節(jié)，機頭電動機的電流為128A，機尾電動機的電流為123A，功率不平衡度為3.98%。模糊PID控制經(jīng)過調(diào)節(jié)達到穩(wěn)態(tài)以后，機頭電動機的電流為128A，機尾電動機的電流為122A，功率不平衡度為4.8%。

（2）機尾先于機頭啟動1.5s，如圖5所示。

由圖5可知，啟動時間差為1.5s時，采用PID控制方式，軟啟動達到穩(wěn)態(tài)后，機頭的輸出功率大于機尾的輸出功率，功率不平衡度為8.99%。采用模糊PID控制時，功率不平衡度為6.56%。在40s后，經(jīng)過PID控制調(diào)節(jié)，功率不平衡度為3.23%。模糊PID控制經(jīng)過調(diào)節(jié)達到穩(wěn)態(tài)以后，功率不平衡度為1.61%。

（3）機尾先于機頭啟動2s，如圖6所示。

（4）機尾先于機頭啟動2.5s，如圖7所示。

由圖6和圖7可知，啟動時間差為2s和2.5s時，軟啟動達到穩(wěn)態(tài)后，采用PID控制方式，機頭和機尾的輸出功率比較接近，功率不平衡度分別為2.45%和3.28%。采用模糊PID控制，功率不平衡度分別為1.64%和2.46%。由于兩種控制情況下，功率不平衡度均小于5%，故兩者在40s后都不進行功率平衡的調(diào)節(jié)。

（5）機尾先于機頭啟動3s，如圖8所示。

圖5 啟動時間差為1.5s電動機電流Fig.5 Motor Current on Start Time for 1.5s

圖6 啟動時間差為2s電動機電流Fig.6 Motor Current on Start Time for 2s

圖7 啟動時間差為2.5s電動機電流Fig.7 Motor Current on Start Time for 2.5s

圖8 啟動時間差為3s電動機電流Fig.8 Motor Current on Start Time for 3s

由圖8可知，啟動時間差為3s時，采用PID控制方式，軟啟動達到穩(wěn)態(tài)后，機尾的輸出功率大于機頭的輸出功率，功率不平衡度為9.84%。采用模糊PID控制時，功率不平衡度為7.35%。在40s后，經(jīng)過PID控制調(diào)節(jié)，功率不平衡度為4.76%。模糊PID控制經(jīng)過調(diào)節(jié)達到穩(wěn)態(tài)以后，功率不平衡度為1.61%。由表1和表2可知，在負載條件完全相同的情況下，隨著雙機驅(qū)動的機頭和機尾啟動時間差逐漸增加，功率不平衡現(xiàn)象經(jīng)過了從明顯到不明顯，再到明顯的過程。當啟動時間差為（2～2.5）s時，雙機驅(qū)動功率最接近，可有效改善雙機功率不平衡現(xiàn)象。相比PID控制，模糊PID控制在軟啟動過程中可更好地對功率不平衡現(xiàn)象進行調(diào)整；在該過程中通過控制器對功率不平衡現(xiàn)象進行調(diào)節(jié)，使其達到功率平衡狀態(tài)。

表1 不同啟動時間差下的雙機電流表（0～40）sTab.1 The Current Under Different Start Time（0～40）s

表2 不同啟動時間差下的雙機電流表（40-60）sTab.2 The Current Under Different Start Time（40-60）s

6 結(jié)論

采用可控啟動裝置電液伺服系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計雙機驅(qū)動刮板輸送機功率平衡模糊PID控制器模型，運用AMESim和MATLAB/Simulink進行聯(lián)合仿真，分析不同啟動時間對功率平衡的影響。主要結(jié)論有：（1）順序啟動時間直接影響刮板輸送機雙機驅(qū)動的功率平衡，隨著機頭和機尾啟動時間差的增大，驅(qū)動過程的功率不平衡現(xiàn)象會經(jīng)歷由明顯變?nèi)醯皆俅卧鰪姷倪^程，當啟動時間差為2s左右時可以明顯改善功率不平衡現(xiàn)象。（2）相比于常規(guī)PID控制，模糊PID控制可以更好地改善重型刮板輸送機軟啟動過程中雙機驅(qū)動功率不平衡現(xiàn)象，實現(xiàn)功率平衡的快速調(diào)節(jié)。