煤礦井下無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

穆春林

（陽(yáng)煤集團(tuán)南莊公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

運(yùn)輸設(shè)備是煤礦開(kāi)采過(guò)程中必不可少的重要設(shè)備之一，運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響著煤礦開(kāi)采的質(zhì)量和效率[1]。對(duì)于現(xiàn)代化的礦井而言，運(yùn)輸設(shè)備的技術(shù)和水平能夠在很大程度上反映整個(gè)煤礦的現(xiàn)代化水平。當(dāng)前階段，無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)是煤礦運(yùn)輸中比較先進(jìn)的運(yùn)輸設(shè)備，在實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)[2-3]。比如，使整個(gè)運(yùn)輸環(huán)節(jié)變得更加簡(jiǎn)化、運(yùn)輸可靠性顯著提升、需要的工作人員數(shù)量減少并且作業(yè)強(qiáng)度降低等[4-5]。但是由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜，無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)在實(shí)踐應(yīng)用中也表現(xiàn)出了一些問(wèn)題，比如在控制方面有待進(jìn)一步提升[6]?；诖?，本文針對(duì)煤礦井下無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和研究，以期能夠在一定程度上提升無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)的控制水平。

1 無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)總體概述

1.1 無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)總體結(jié)構(gòu)與布置

如圖1 所示為煤礦井下無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)的構(gòu)成及其布置情況，從圖中可以看出，煤礦井下無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)由多個(gè)部分構(gòu)成。各個(gè)部分通過(guò)鋼絲繩進(jìn)行連接，再結(jié)合一些輔助裝置，比如控制按鈕以及操作開(kāi)關(guān)等控制設(shè)備，就可以利用該裝置進(jìn)行兩個(gè)方向的連續(xù)運(yùn)輸。煤礦井下的一些運(yùn)輸輔助裝置如人車(chē)、礦車(chē)、材料車(chē)以及平板車(chē)等，都可以與梭車(chē)進(jìn)行直接相連。連接方式主要可以分為兩種，分別為硬連接和軟連接。通過(guò)無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)方向上的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。

圖1 無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)總體結(jié)構(gòu)與布置

牽引絞車(chē)是無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)中的重要構(gòu)成部分，其作用主要在于對(duì)鋼絲繩進(jìn)行固定和存儲(chǔ)。通過(guò)牽引絞車(chē)對(duì)鋼絲繩進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物品的運(yùn)輸。需要運(yùn)輸?shù)木嚯x直接決定了需要儲(chǔ)備的鋼絲繩長(zhǎng)度。因此，條件允許的情況下，應(yīng)該盡可能多地儲(chǔ)備鋼絲繩。鋼絲繩的張緊力主要通過(guò)張緊裝置進(jìn)行控制，為了保證運(yùn)輸安全，鋼絲繩必須具有一定的張緊力。鋼絲繩在長(zhǎng)時(shí)間的工作過(guò)程中，受到運(yùn)輸距離長(zhǎng)、坡度較大等因素影響，鋼絲繩彈性模量以及伸縮量等都會(huì)出現(xiàn)一定程度變化，這時(shí)候就可以通過(guò)張緊裝置來(lái)控制鋼絲繩的張力，確保系統(tǒng)安全。

1.2 無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)應(yīng)用中存在的缺陷

一般情況下，煤礦井下的軌道相對(duì)比較復(fù)雜，存在很多起伏變化，礦車(chē)在不平穩(wěn)的軌道上運(yùn)輸時(shí)必然會(huì)出現(xiàn)顛簸現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)顛簸現(xiàn)象，礦車(chē)就會(huì)短暫地與軌道分離。在重力作用下，礦車(chē)又會(huì)與軌道接觸，在接觸過(guò)程中會(huì)與軌道產(chǎn)生沖擊。這種沖擊一方面對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性造成影響，同時(shí)還會(huì)影響礦車(chē)的運(yùn)行速度，進(jìn)而對(duì)整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的效率造成負(fù)面影響。當(dāng)?shù)V車(chē)的運(yùn)輸速度較大時(shí)，這種現(xiàn)象表現(xiàn)得尤為明顯?，F(xiàn)階段，無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)都是將制動(dòng)裝置設(shè)置在牽引絞車(chē)附近，通過(guò)對(duì)卷筒進(jìn)行制動(dòng)以達(dá)到對(duì)運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行制動(dòng)的目的。當(dāng)牽引絞車(chē)運(yùn)行速度較慢時(shí)對(duì)制動(dòng)控制方面的要求不是非常高。但是一旦牽引絞車(chē)運(yùn)行速度較快時(shí)，為了保證無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)的運(yùn)行安全，就必須對(duì)自動(dòng)過(guò)程進(jìn)行精確控制。

2 無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)控制策略

本研究中擬使用阻抗控制策略來(lái)完成無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)的控制，阻抗控制又可以進(jìn)一步劃分成為基于力的阻抗控制和基于位置的阻抗控制。礦車(chē)在正常運(yùn)行時(shí)，礦車(chē)與軌道之間的接觸力大小能夠很好地反映礦車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，這種控制模式通常具有更好的控制效果?；谖恢玫淖杩箍刂颇Ｊ絼t能夠更好地對(duì)礦車(chē)的位置進(jìn)行控制，但是這種模式與基于力的阻抗控制模式相比較而言精度稍微較低。綜合考慮兩種模式的控制策略，本文選擇基于力的阻抗控制策略對(duì)煤礦井下無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)進(jìn)行控制。

如圖2 所示為基于力的阻抗控制結(jié)構(gòu)框圖，這種模式的阻抗控制策略是將阻抗控制器放置在力控制器的外面，在整個(gè)內(nèi)環(huán)控制器中將力的控制作為主要控制手段。在礦車(chē)底部設(shè)置力傳感器和位置傳感器，通過(guò)這兩個(gè)傳感器可以實(shí)時(shí)獲取礦車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的位置Xr以及礦車(chē)底部與軌道的接觸力，在內(nèi)環(huán)力控制器中將傳感器獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)阻抗控制器處理后的量作為輸入量，通過(guò)內(nèi)環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)礦車(chē)與軌道之間力的跟蹤控制。

圖2 基于力的阻抗控制策略結(jié)構(gòu)框圖

考慮到礦車(chē)在運(yùn)行時(shí)始終與軌道相互接觸，因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)需要將礦車(chē)與軌道兩者之間的相互影響、相互作用考慮在內(nèi)。選用最經(jīng)典的PID 控制器來(lái)完成相關(guān)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。礦車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中位置傳感器會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)礦車(chē)的實(shí)際位置，并將其與理想的位置進(jìn)行比較分析，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)位置偏差ΔX，經(jīng)過(guò)阻抗控制器進(jìn)行處理后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力的控制量，將該參數(shù)輸入到內(nèi)環(huán)PID 控制系統(tǒng)中從而實(shí)現(xiàn)無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)的控制。另外，礦車(chē)底部也會(huì)安裝力傳感器對(duì)接觸力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，作為控制系統(tǒng)的反饋量。

3 無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)基本工作原理

位于礦車(chē)底部的力傳感器會(huì)收集得到相關(guān)的力數(shù)據(jù)，采集得到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換后將結(jié)果輸入到DSP 控制器中，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理，計(jì)算得到礦車(chē)的自身重量以及震動(dòng)產(chǎn)生的加速力，認(rèn)為這兩個(gè)力的合力就是礦車(chē)與軌道之間的接觸力。另外，利用外部的傳感器對(duì)礦車(chē)的運(yùn)行速度進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，并將礦車(chē)的運(yùn)行平均速度輸入到DSP 控制器中。控制器通過(guò)接觸力計(jì)算得到礦車(chē)?yán)硐氲倪\(yùn)行速度值，并將其與真實(shí)的速度進(jìn)行比較分析，進(jìn)而得到一個(gè)控制量。如果需要加速，直接利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整實(shí)現(xiàn)礦車(chē)運(yùn)行速度的提升控制。如果需要減速，則需要啟動(dòng)制動(dòng)控制。

無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)在正常工作時(shí)，會(huì)對(duì)制動(dòng)缸進(jìn)行加壓處理，經(jīng)過(guò)加壓后缸內(nèi)的壓力會(huì)得到顯著提升，進(jìn)而將內(nèi)部的彈簧慢慢壓縮，正常運(yùn)行過(guò)程中制動(dòng)缸處于一種抬起的狀態(tài)。一旦控制系統(tǒng)判斷需要對(duì)牽引車(chē)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)一方面會(huì)對(duì)外界發(fā)出牽引車(chē)超速的警示信號(hào)。同時(shí)會(huì)輸出一個(gè)制動(dòng)控制信號(hào)，將制動(dòng)缸內(nèi)的壓力卸載。壓力卸載以后制動(dòng)缸內(nèi)的彈簧失去外力作用，逐漸恢復(fù)伸長(zhǎng)，會(huì)使得制動(dòng)片與軌道發(fā)生接觸，達(dá)到對(duì)牽引車(chē)進(jìn)行制動(dòng)的目的。如圖3 所示為牽引車(chē)制動(dòng)控制基本流程圖。

圖3 牽引車(chē)制動(dòng)控制基本流程圖

3.2 DSP 控制器型號(hào)的選擇

對(duì)無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)進(jìn)行控制時(shí)牽涉到大量的算法，這對(duì)控制器性能提出了較高的要求。如果控制器性能高，則計(jì)算速度快，整個(gè)控制系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間短。保證運(yùn)輸系統(tǒng)的安全以及穩(wěn)定是進(jìn)行控制的根本目的，本文在綜合考慮多方面因素的基礎(chǔ)上選用TMS320F2812 型號(hào)的DSP 控制器，將其作為整個(gè)控制系統(tǒng)的控制核心。如下頁(yè)圖4 所示為T(mén)MS320F2812型號(hào)DSP 控制器內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)示意圖。

3.3 測(cè)速裝置

對(duì)牽引車(chē)的實(shí)時(shí)速度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量是實(shí)現(xiàn)精確控制的基礎(chǔ)和前提。本系統(tǒng)中利用霍爾傳感器對(duì)牽引車(chē)的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量。具體測(cè)量方法可以概述如下：將霍爾傳感器安裝在絞車(chē)底部，然后在絞車(chē)車(chē)輪輪輻部位粘貼磁鐵，需要說(shuō)明的是磁鐵不得安裝在金屬部分。絞車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，霍爾傳感器固定不動(dòng)，位于車(chē)輪輪輻的磁鐵會(huì)隨著絞車(chē)車(chē)輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而周期性地切割霍爾傳感器。通過(guò)對(duì)切割頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)能夠計(jì)算得到絞車(chē)車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)速度。再通過(guò)相關(guān)的理論計(jì)算公式，可以得到絞車(chē)車(chē)輪表面的線速度，該速度就是鋼絲繩的運(yùn)行速度。

4 結(jié)論

圖4 TMS320F2812 型號(hào)DSP 控制器內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)前階段，無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)以其顯著的優(yōu)勢(shì)在煤礦中得到了顯著的應(yīng)用。但是煤礦井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，如何對(duì)其運(yùn)行速度進(jìn)行精確控制以保證運(yùn)輸系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全非常關(guān)鍵。基于阻抗控制策略的無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)的速度控制系統(tǒng)，可以結(jié)合實(shí)際情況對(duì)牽引車(chē)的運(yùn)行速度進(jìn)行精確控制，確保了牽引車(chē)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。