下行帶式輸送機(jī)盤式制動(dòng)系統(tǒng)控制策略的研究

張瑞清

（山西寧武大運(yùn)華盛南溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

引言

20 世紀(jì)80 年代末，我國(guó)首次在傾斜煤層上使用了向下帶式輸送機(jī)。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和傾斜煤層產(chǎn)量的增加，煤礦對(duì)長(zhǎng)距離、大容量、大傾角下行帶式輸送機(jī)的需求越來(lái)越大。使用該輸送機(jī)可以大大減少礦山工作量，減少基設(shè)投資，縮短建設(shè)周期，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。帶式輸送機(jī)下行傳動(dòng)方案原理如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)下行傳動(dòng)方案原理圖

目前，國(guó)內(nèi)使用的下行帶式輸送機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓、液壓動(dòng)力和盤式制動(dòng)系統(tǒng)組成。此類盤式制動(dòng)系統(tǒng)因其單級(jí)制動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、成本低等突出優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[4-6]。其中，盤式制動(dòng)系統(tǒng)的控制是保證盤式制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵技術(shù)，但該控制技術(shù)存在的不足也亟待解決。

1 制動(dòng)速度曲線

由于輸送帶是黏彈性體，在制動(dòng)過(guò)程中應(yīng)避免應(yīng)力的波動(dòng)，以減少對(duì)輸送帶、滾筒、托輥和機(jī)架的動(dòng)載荷。下行帶式輸送機(jī)的理想制動(dòng)過(guò)程應(yīng)具有以下特點(diǎn)：避免剎車時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，剎車減速小于規(guī)定減速；最大制動(dòng)減速盡可能小；避免制動(dòng)減速時(shí)突然變化。

目前常用的制動(dòng)速度曲線如圖2 所示。可以看出，在直線曲線的起始點(diǎn)和終點(diǎn)處，減速的導(dǎo)數(shù)趨于無(wú)窮。諾德爾曲線在T/2 點(diǎn)減速突然變化，減速導(dǎo)數(shù)不連續(xù)。哈里森曲線是連續(xù)的，沒(méi)有突然減速的變化。輸送機(jī)內(nèi)的張力受到減速突然變化的影響，縮短了其使用壽命，不利于制動(dòng)控制。因此，我們采用哈里森曲線來(lái)分析下向帶式輸送機(jī)的制動(dòng)過(guò)程。

圖2 制動(dòng)速度和減速曲線

2 盤式制動(dòng)裝置

如下頁(yè)圖3 所示，盤式制動(dòng)裝置由盤式制動(dòng)器、制動(dòng)盤和車架組成。盤式制動(dòng)裝置采用正常的閉式液壓控制，即在沒(méi)有油壓時(shí)，盤式彈簧將制動(dòng)片壓在制動(dòng)盤上，產(chǎn)生最大的制動(dòng)力矩。通過(guò)調(diào)節(jié)電液閥的輸入電壓（或電流）比例，輸出油壓p 可連續(xù)調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩。這樣就可以靈活地控制下行帶式輸送機(jī)的制動(dòng)速度。

圖3 盤式制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

3 盤式制動(dòng)系統(tǒng)控制

3.1 閉環(huán)速度控制

本文所研究的盤式制動(dòng)系統(tǒng)為速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，比例電液閥是核心元件；這種閥門的質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)的性能有重要的影響。通過(guò)改變電液閥的輸入電壓（或電流）比例，可調(diào)節(jié)輸出油壓和制動(dòng)力矩，以控制下行帶式輸送機(jī)的制動(dòng)速度。利用階躍函數(shù)作為輸入信號(hào)，可以通過(guò)MATLAB 仿真系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。閉環(huán)控制的速度曲線如圖4 所示。結(jié)果表明，采用閉環(huán)速度控制時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度過(guò)慢，穩(wěn)態(tài)誤差過(guò)大。因此，必須采取措施來(lái)糾正控制系統(tǒng)。

3.2 傳統(tǒng)PID 控制

為了使盤式制動(dòng)控制系統(tǒng)具有更理想的動(dòng)態(tài)性能，首先需要設(shè)計(jì)并安裝PID（比例積分微分）控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。在PID 控制器的應(yīng)用中，其參數(shù)的調(diào)整是非常重要的。由于Ziegler-Nichols 方法操作簡(jiǎn)單，效果顯著，因此本文采用Ziegler-Nichols 方法來(lái)調(diào)整PID 參數(shù)。調(diào)整結(jié)果顯示，比例系數(shù)kp=208.044，積分系數(shù)ki=889.077，微分系數(shù)為kd=12.191。采用階躍函數(shù)作為輸入信號(hào)，常規(guī)PID 控制的速度曲線如圖4 所示?？梢钥闯?，傳統(tǒng)PID 控制具有響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)誤差小的特點(diǎn)，超調(diào)量增加了24%。而超調(diào)量的增大會(huì)引起制動(dòng)速度的波動(dòng)，從而對(duì)輸送帶產(chǎn)生影響，不能滿足下向帶式輸送機(jī)柔性控制的要求。因此，為了減少超調(diào)，減小對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的影響，必須對(duì)PID 控制器的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

圖4 控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)

3.3 最優(yōu)PID 控制

PID 控制系統(tǒng)主要有兩種參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，一種是多變量?jī)?yōu)化技術(shù)，一種是隨機(jī)優(yōu)化技術(shù)。這兩種優(yōu)化技術(shù)都基于復(fù)雜的計(jì)算，需要復(fù)雜的編程。利用MATLAB 中的信號(hào)約束模塊對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。該方法具有較好的優(yōu)化效果。

通過(guò)信號(hào)約束調(diào)整PID 參數(shù)，使其與kp、ki、kd的初始范圍相關(guān)聯(lián)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，通過(guò)“調(diào)諧參數(shù)窗口”確定其范圍，其中kp/5≤kp≤5kp；ki/20≤ki≤5ki；kd/5≤kd≤5kd，優(yōu)化后的初始值（kp=208.044，ki=889.077，kd=12.191）采用Ziegler-Nichols 方法調(diào)整PID 參數(shù)，并進(jìn)入MATLAB 命令窗口。在本文的模擬中，步長(zhǎng)是可變的，時(shí)間是5 s。模擬的最佳結(jié)果是kp=207.805，ki=44.454，kd=19.423。最優(yōu)PID 控制的速度曲線如圖4 所示?？梢钥闯觯顑?yōu)PID 控制的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間明顯減少，超調(diào)量由24%降低到4%。減小超調(diào)量可以使輸出速度快速同步預(yù)設(shè)速度，同時(shí)減少輸送帶在制動(dòng)過(guò)程中的波動(dòng)和沖擊。通過(guò)MATLAB 仿真得到下行帶式輸送機(jī)的速度曲線如圖5 所示，初始帶速v0=2 m/s，制動(dòng)時(shí)間t=20 s。圖中預(yù)置曲線為哈里森曲線，仿真曲線為最優(yōu)PID 控制的速度曲線?？梢钥闯?，模擬曲線與預(yù)設(shè)曲線之間存在一定的滯后，但滯后相當(dāng)小。一般情況下，輸出速度能正確跟隨預(yù)設(shè)速度；該控制方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)下移帶式輸送機(jī)的柔性控制。

圖5 最優(yōu)PID 控制速度曲線

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證最優(yōu)PID的仿真和控制策略，本文開發(fā)了一個(gè)多功能試驗(yàn)臺(tái)（如下頁(yè)圖6 所示）來(lái)模擬盤式制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)過(guò)程。本文只模擬了過(guò)載條件下的制動(dòng)過(guò)程，這是最容易發(fā)生事故和嚴(yán)重的情況。在實(shí)驗(yàn)中，利用液壓絞車模擬了下行帶式輸送機(jī)的過(guò)載。模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為40 s。該系統(tǒng)采用不加修正的閉環(huán)速度控制。得到的實(shí)驗(yàn)速度曲線如下頁(yè)圖7-1 所示。雖然實(shí)測(cè)速度曲線與哈里森曲線相似，但與預(yù)設(shè)速度曲線存在較大的滯后，波動(dòng)較大。由于系統(tǒng)僅由閉環(huán)速度控制而不進(jìn)行校正，無(wú)法獲得良好的制動(dòng)控制性能。下頁(yè)圖7-2 為常規(guī)PID 控制的速度曲線，其中被測(cè)速度較好地同步預(yù)設(shè)速度；與閉環(huán)控制相比，響應(yīng)速度快，波動(dòng)小。圖7-3 為最優(yōu)PID控制的速度曲線，測(cè)得的速度正確地同步預(yù)設(shè)速度，波動(dòng)較小。這滿足了盤式制動(dòng)系統(tǒng)的柔性控制要求。

圖6 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖7 三種控制方法的速度曲線

5 結(jié)論

1）針對(duì)盤式制動(dòng)系統(tǒng)的速度閉環(huán)控制特點(diǎn)，利用MATLAB 對(duì)傳統(tǒng)PID 控制和最優(yōu)PID 控制進(jìn)行了仿真。通過(guò)分析比較，建立了盤式制動(dòng)系統(tǒng)最優(yōu)PID的控制策略。

2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最優(yōu)PID 控制能夠使被測(cè)速度正確地與預(yù)設(shè)速度同步，滿足下行帶式輸送機(jī)的柔性控制要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了理論分析的正確性和控制策略的有效性。