礦井提升機(jī)電液控制系統(tǒng)的研究

劉景泰

（陽煤集團(tuán)五礦， 山西 平定 045200）

引言

礦井提升機(jī)是由提升平臺(tái)、鋼絲繩、制動(dòng)系統(tǒng)及提升系統(tǒng)共同構(gòu)成的用于實(shí)現(xiàn)人員和物料進(jìn)出井下的裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。隨著礦井綜采作業(yè)深度、提升機(jī)的提升速度和載重量不斷增加，提升鋼絲繩因其柔性結(jié)構(gòu)，在制動(dòng)和啟動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生力的滯后性，導(dǎo)致提升機(jī)產(chǎn)生巨大的振動(dòng)和沖擊，給人員和物料運(yùn)輸安全造成了極大的隱患[1]。本文結(jié)合高速、大載重提升機(jī)的應(yīng)用特性，提出了一種以PID 模糊控制為核心的礦井提升機(jī)電液控制系統(tǒng)。

1 提升機(jī)電液控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由于礦井提升機(jī)在運(yùn)行過程中存在較大的不穩(wěn)定性因素，因此為了確保對(duì)提升機(jī)制動(dòng)過程的精確控制，采用了閉環(huán)控制調(diào)節(jié)模式，該控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

圖1 提升機(jī)電液控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，在該控制系統(tǒng)中，首先由設(shè)置在提升機(jī)各處的傳感器設(shè)備對(duì)提升機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳送到系統(tǒng)的單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)根據(jù)提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和制動(dòng)要求，輸出電液控制系統(tǒng)的電液比例溢流閥開度調(diào)節(jié)信號(hào)，控制制動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)提升機(jī)提升滾筒的制動(dòng)力，然后利用設(shè)置在提升滾筒上的角加速度傳感器對(duì)提升滾筒的速度變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果返回到主控單片機(jī)內(nèi)，對(duì)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和理論運(yùn)行狀態(tài)的偏差量進(jìn)行模糊分析，并輸出調(diào)節(jié)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)制動(dòng)狀態(tài)的閉環(huán)控制。在控制過程中主控單片機(jī)通過控制電磁溢流閥驅(qū)動(dòng)控制模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁溢流閥開度的靈活調(diào)整，該控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息傳遞均通過CAN數(shù)據(jù)總線和485 數(shù)據(jù)通信接口進(jìn)行，以滿足在惡劣工況下的傳輸穩(wěn)定性和便捷性的需求[3]。

2 電磁閥驅(qū)動(dòng)控制模塊結(jié)構(gòu)原理

該提升機(jī)電液控制系統(tǒng)的核心，在于電磁溢流閥的驅(qū)動(dòng)控制模塊能否根據(jù)控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)電磁溢流閥開度的精確調(diào)控，為了滿足各種工況下電磁溢流閥靈活調(diào)整的控制需求，在控制系統(tǒng)中增加了MOSFET 反接卸荷組件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作過程中油壓的連續(xù)可調(diào)，該驅(qū)動(dòng)控制模塊整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

由圖2 可知，在工作過程中主控單片機(jī)首先輸出制動(dòng)控制指令，該控制指令以PWM（脈沖寬度調(diào)制）[3]數(shù)據(jù)信號(hào)的形式進(jìn)行發(fā)送，將數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞到MOSFET（金氧半場(chǎng)效晶體管）反接卸荷組件內(nèi)，數(shù)據(jù)通過電磁比例溢流閥的功率放大模塊放大后傳輸?shù)诫娨罕壤缌鏖y中，系統(tǒng)中的電流采樣控制模塊則對(duì)輸入的控制電流進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)輸入電流超過最大開度電流時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)斷開，確保電控元件的控制精確性。在控制過程中系統(tǒng)通過模糊算法，對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM（脈沖寬度調(diào)制）數(shù)據(jù)信號(hào)輸出占比控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)比例溢流閥開度大小的精確控制，滿足制動(dòng)力按設(shè)定曲線變化的控制需求。

圖2 電磁閥驅(qū)動(dòng)控制模塊結(jié)構(gòu)原理示意圖

3 電液比例模糊調(diào)節(jié)控制

PID 模糊控制是一種以模糊集合、模糊變量及模糊推論為基礎(chǔ)的控制理論。由于提升機(jī)的液壓系統(tǒng)在實(shí)際工作過程中油壓會(huì)隨著溫度、管路狀態(tài)及制動(dòng)速度的不同而產(chǎn)生較大的差異，傳統(tǒng)的精確控制或者是經(jīng)驗(yàn)控制方案均難以滿足對(duì)提升機(jī)比例溢流閥開度的控制需求，因此只能通過采用PID 模糊控制的方案再加上反饋控制回路來實(shí)現(xiàn)對(duì)比例溢流閥控制狀態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，滿足柔性制動(dòng)的需求，該電液比例模糊調(diào)節(jié)控制器的結(jié)構(gòu)如圖3 所示[4]。

圖3 電液比例模糊標(biāo)記控制器結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3 可知，在對(duì)數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行模糊化處理的過程中，系統(tǒng)首先根據(jù)控制器的設(shè)定值和提升機(jī)提升滾筒的運(yùn)行速度信號(hào)之間的偏差為調(diào)節(jié)基礎(chǔ)，在模糊控制器內(nèi)經(jīng)過模糊量化處理、模糊規(guī)則控制、模糊策略決策和模糊化處理等過程獲取最終的控制變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)比例溢流閥開度大小的控制，最終反映到對(duì)制動(dòng)壓力的控制。

4 提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

為了對(duì)該電液控制可靠性進(jìn)行分析，以某型立井提升機(jī)電液控制系統(tǒng)為例，對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造，然后對(duì)載荷為4.5 t，運(yùn)行速度為3.5 m/s 情況下的制動(dòng)情況進(jìn)行研究，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同控制模式下的制動(dòng)速度曲線

由圖4 可知，當(dāng)采用PID 模糊控制時(shí)，在0～0.4 s內(nèi)速度快速下降，在0.4～0.8 s 內(nèi)系統(tǒng)速度開始平穩(wěn)下降，從而有效確保了制動(dòng)的平穩(wěn)性，當(dāng)采用傳統(tǒng)控制模式，在0～0.9 s 內(nèi)速度下降較慢，但在第1 s 時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)突然抱死，雖然實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)，但產(chǎn)生了極大的振動(dòng)和沖擊。而且對(duì)比傳統(tǒng)的控制模式，PID 模糊控制在實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)速度降低了20%，極大提升了提升機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和制動(dòng)靈敏性。

5 結(jié)論

1）PID 模糊控制的方案，能夠確保提升機(jī)在各類工況下對(duì)液壓系統(tǒng)壓力的精確監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)比例溢流閥開度大小的精確控制，是實(shí)現(xiàn)提升機(jī)柔性制動(dòng)的基礎(chǔ)；

2）新的提升機(jī)電液控制系統(tǒng)在制動(dòng)過程中的制動(dòng)時(shí)間比傳統(tǒng)控制方案縮短了20%，但制動(dòng)更加平穩(wěn)，有效提升了系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和制動(dòng)靈敏性。