膠帶輸送機多點驅(qū)動功率平衡控制方法研究

楊海靳

（同煤大唐塔山煤礦有限公司 山西大同037003）

0 引言

目前我國的現(xiàn)代化礦井建設(shè)已經(jīng)進入了大規(guī)模開展階段，年產(chǎn)量千萬噸以上大型現(xiàn)代化礦井的自動化與機械化程度顯著提高。作為礦井生產(chǎn)的核心生產(chǎn)工藝，大型綜采工作面展現(xiàn)出規(guī)模化生產(chǎn)的優(yōu)勢同時，皮帶機功率顯著增大帶來的電機驅(qū)動問題日益凸顯。由于目前獨立大功率電機拖動技術(shù)成本高，許多企業(yè)采取了相同型號多電機驅(qū)動技術(shù)[1-2]。理想情況下各電機的功率相等，但是由于各電機實際工況并不總是相同，就會出現(xiàn)個別電機過載或欠載的情況，極端情況下會導(dǎo)致電機燒毀，因此本文提出一種多電機驅(qū)動皮帶機功率平衡的控制方法。

1 多點驅(qū)動皮帶機功率平衡原理

在多電機驅(qū)動的帶式輸送機系統(tǒng)中，雖然起動和運行過程是可控的，但由于驅(qū)動滾筒直徑的差別、驅(qū)動裝置的布置形式不同、輸送帶工作時的彈性伸長、電動機轉(zhuǎn)差率的差異以及載荷變化等因素的影響，使各個驅(qū)動滾筒間的牽引力不等而造成電機負載的不平衡[3-5]。同煤大唐塔山煤礦的膠帶輸送機系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由三臺相同功率的三相感應(yīng)電動機拖動。

在多點驅(qū)動皮帶機系統(tǒng)中，電機與皮帶機之間聯(lián)接形式基本可以分為三種：（1）直接聯(lián)接，電動機通過高速聯(lián)軸器直接與制動器聯(lián)接；（2）液力偶合聯(lián)接，電動機通過高速聯(lián)軸器與液力耦合器聯(lián)接，然后接含制動輪的聯(lián)軸器；（3）液粘軟起動裝置聯(lián)接，電動機通過高速聯(lián)軸器與液粘軟起動裝置聯(lián)接，后接低速聯(lián)軸器。對于不同的聯(lián)接形式，有不同的功率平衡策略，塔山礦皮帶機驅(qū)動聯(lián)接形式采取第三種。液粘軟起動裝置通過其內(nèi)部的主從摩擦片之間油膜的剪刀力來傳遞動扭矩。液粘軟起動裝置通過改變油缸壓力調(diào)節(jié)輸出軸轉(zhuǎn)動速度，進而實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)控制，由于電機的功率與其轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此改變液粘離合器的壓力可間接控制其電機的功率，進而實現(xiàn)多點驅(qū)動功率的平衡。

兩臺電機驅(qū)動時，功率平衡原理圖如圖2所示。電機M1作為主動驅(qū)動，電機M2作為從動驅(qū)動。系統(tǒng)給定一主動驅(qū)動電機M1轉(zhuǎn)速，通過壓力傳感器采集液粘軟起動裝置1的壓力，與給定速度進行比較，通過壓力PID的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使主動電機M1的轉(zhuǎn)速恒定。采集兩臺電機的電流進行比較，當M2工作電流大于M1工作電流時，通過功率PID的調(diào)節(jié)減小從動液粘軟起動裝置2的壓力，實現(xiàn)減小M2速度，進而降低M2功率直至主從電機功率相等；當M2工作電流小于M1工作電流時，通過功率PID增加其液粘軟起動裝置2的壓力，實現(xiàn)增大M2轉(zhuǎn)速，進而增大M2功率直至主從電機功率相等。

當系統(tǒng)中驅(qū)動電機在三臺及以上時，也可以類似指定一臺主動電機，其他為從動電機，但是隨著從動電機增多，從動電機的電流調(diào)整會彼此影響，在惡劣情況下可能會引起供電電流的波動，影響供電安全。皮帶機負載大小決定了電機功率的大小，通過兩點驅(qū)動功率平衡的分析，摩擦片間的油壓調(diào)整能夠?qū)崿F(xiàn)功率調(diào)整。三臺以上電機功率平衡策略可采用平均油壓法，其實現(xiàn)方法如下圖3所示。在液粘軟啟動裝置中安裝壓力傳感器1Px采集各驅(qū)動裝置的壓力，當油膜壓力超過油膜壓力閥值△P時啟動功率平衡控制。通過調(diào)節(jié)電磁比例閥線圈電流，可以精確控制其油壓。將各軟啟動裝置油膜壓力取平均值，然后與各臺軟啟動裝置壓力值做差，以其差值來調(diào)整對應(yīng)離合器壓力，從而調(diào)整各驅(qū)動電機的扭矩，最終達到電機功率平衡。

圖3兩點以上驅(qū)動平均油壓功率平衡原理圖

2 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制

通過控制電液比例閥的開度，能夠?qū)崿F(xiàn)多點驅(qū)動功率平衡和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但是帶式輸送機系統(tǒng)是一種純滯后、非線性、時變的系統(tǒng)。例如系統(tǒng)工作過程中會因為環(huán)境或工作時間的變化，導(dǎo)致油溫的升高或者降低引起系統(tǒng)參數(shù)的變化，采用傳統(tǒng)PID控制方式控制效果不好。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是一種具有自學習能力、適用非線性系統(tǒng)的算法，適用于非線性系統(tǒng)或不確定系統(tǒng)，通過將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與傳統(tǒng)PID算法相結(jié)合，使系統(tǒng)在比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)三者組合中確定最佳組合，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制器具有了良好的適應(yīng)性，各個控制參數(shù)可以在系統(tǒng)運行過程中自動調(diào)節(jié)，并適應(yīng)油溫變化導(dǎo)致的系統(tǒng)參數(shù)變化，提高多點驅(qū)動功率平衡系統(tǒng)的魯棒性。

基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制框圖如圖4所示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器由傳統(tǒng)PID控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩部分所組成，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又可分為學習算法模塊和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊。采集被控對象輸出值，與某一預(yù)定初值做差，差值作為常規(guī)PID的輸入值，常規(guī)PID調(diào)節(jié)后的輸出值來控制被控對象，形成了傳統(tǒng)閉環(huán)控制。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模塊，控制器的控制參數(shù)比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)進行調(diào)整；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習算法通過采集PID控制器的輸出值，調(diào)整RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值，進而改變PID的各個控制參數(shù)，從而達到最優(yōu)性能指標。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層神經(jīng)元的輸出對應(yīng)于傳統(tǒng)PID控制器的三個可調(diào)的控制參數(shù)。通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學習、各個加權(quán)系數(shù)改變，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出對應(yīng)于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID控制器參數(shù)，提高皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)運控制精度。

圖4基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制框圖

設(shè)第k時刻被辨識系統(tǒng)的理論輸出為y(k)，辨識網(wǎng)絡(luò)的輸出為ym(k)，此時辨識器的性能指標函數(shù)為：

系統(tǒng)中采用的增量式PID控制器，控制誤差為：

PID三項輸入為：

控制算法為

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定指標為

采用梯度下降法可得PID的參數(shù)kp、ki、kd的調(diào)整量分別為：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對傳統(tǒng)PID控制的改進可通過系統(tǒng)仿真來進行說明，在MATLAB中仿真了一個主井皮帶機1 140 V/200 kW的三相感應(yīng)電動機(三機驅(qū)動，各200 kW)，Rs=0.428，Rr=0.613，Ls=Lr=50 mH，Lm=72.1 mH，JN=0.024 kgm2，Pn=2。圖5是電機的轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)曲線，橫軸是時間，縱軸是電機轉(zhuǎn)速。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)在0.4秒以前進入了無超調(diào)的穩(wěn)態(tài)，較好滿足系統(tǒng)要求。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與傳統(tǒng)PID控制器結(jié)合，傳統(tǒng)PID參數(shù)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法整定，免去了工程師整定過程，輸入輸出跟隨能力和系統(tǒng)的響應(yīng)速度大幅度提高，使得傳統(tǒng)PID控制器在皮帶機非線性系統(tǒng)中發(fā)揮了作用。

圖5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的感應(yīng)電機速度階躍響應(yīng)仿真圖

3 功率平衡控制程序設(shè)計

根據(jù)上述提出的功率平衡控制策略，編制了基于PLC的多點驅(qū)動功率平衡控制程序。給出了功率平衡控制流程如圖4，程序開始時完成各模塊的初始化配置，采集各驅(qū)動電機壓力并計算其平均值。若各電機壓力在允許的范圍內(nèi)則返回，若壓力大于平均值則調(diào)用PID控制程序增大離合器壓力，若壓力小于平均值則調(diào)用PID控制程序減小離合器壓力，最終的控制目標是使驅(qū)動電機的壓力處于平均值附近。功率平衡控制流程及效果如圖6和圖7所示。

圖6功率平衡控制流程圖

圖7功率平衡效果圖

圖6中，橫軸表示時間，三個縱軸分別表示負載、電機轉(zhuǎn)速和采煤機位置。從圖中三條轉(zhuǎn)速曲線重合度可以看出，拖動皮帶機的三個驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速幾乎沒有偏差，能夠?qū)崿F(xiàn)功率平衡。

4 結(jié)論

本文針對大功率皮帶機多點驅(qū)動功率平衡控制技術(shù)進行了研究，基于平均油壓法的功率平衡策略，提出了一種RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制方法。通過控制流程圖編制了功率平衡控制軟件，在去年將其應(yīng)用于同煤大唐塔山煤礦的膠帶輸送機驅(qū)動程序中，實際應(yīng)用中三臺電機的功率幾乎相等，改善了電機的功率分布，延長了電機壽命，確保了企業(yè)生產(chǎn)安全。