礦用帶式輸送機(jī)多級模糊均衡控制的模擬研究

郭甘霖

（西山煤電集團(tuán)設(shè)備租賃分公司， 山西 太原 030053）

引言

煤礦綜采設(shè)備中帶式輸送機(jī)承擔(dān)著主要的運輸任務(wù)，近年來經(jīng)歷了不斷的改進(jìn)和革新，其主要集中在帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)和材料以及控制部分的智能化上，在通過對帶式輸送機(jī)長時間的運行觀察發(fā)現(xiàn)雖然控制系統(tǒng)的設(shè)計和響應(yīng)速度達(dá)到了一定的程度，但是在日常的使用過程中，帶式輸送機(jī)還是存在著系統(tǒng)不穩(wěn)定以及皮帶抖動問題。由于帶式輸送機(jī)在實際過程中搭設(shè)的距離長，跨度和高差也較大，這就給帶式輸送機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)革新帶來一定的困難。其特殊的工作條件也造成了實際使用過程中存在著耗能嚴(yán)重、運輸效率相對較低的問題，尤其是目前主要使用的都是雙機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)，其在運行的過程中會產(chǎn)生雙機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩不同步，加劇了皮帶的磨損，同時由于在實際使用過程中帶式輸送機(jī)運輸時皮帶上的煤量不穩(wěn)定，也會使雙機(jī)在輸出功率時無法平穩(wěn)地輸出[1]。

1 帶式輸送機(jī)驅(qū)動分析

帶式輸送機(jī)主要是由驅(qū)動系統(tǒng)、皮帶、傳動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的。驅(qū)動系統(tǒng)目前主要使用的是驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)帶動傳動系統(tǒng)進(jìn)而給主動輥筒提供驅(qū)動力。由于皮帶和滾筒之間通過摩擦力進(jìn)行相對運動，輥筒轉(zhuǎn)動就能夠帶動皮帶在主動滾筒運動的切線方向上進(jìn)行運動[2]。當(dāng)前煤礦普遍開始使用的雙機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)在輸送能力方面有了較大的提升。雙機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)主要是在帶式輸送機(jī)的機(jī)頭和機(jī)尾部分設(shè)置了兩臺相同額定功率和相同額定電壓的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。雙電機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，兩端都有著驅(qū)動滾筒，驅(qū)動滾筒是通過上文提到的兩臺相同的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行帶動的，驅(qū)動滾筒在實際的使用過程中雖然兩臺電機(jī)接收到的電信號是相同的，但是由于帶式輸送機(jī)的位置以及所受到的載荷不同會出現(xiàn)驅(qū)動不均衡現(xiàn)象。

圖1 雙機(jī)雙滾筒驅(qū)動模型

2 雙機(jī)驅(qū)動的多級模糊均衡控制算法描述

大多數(shù)帶式輸送機(jī)均有不同形式的控制方式，在現(xiàn)有的控制基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，需要對現(xiàn)有的帶式輸送機(jī)的控制系統(tǒng)上添加每臺電機(jī)的變頻器以及相匹配的執(zhí)行器，通過對2 臺電機(jī)的電流進(jìn)行檢測并在設(shè)定的采樣時間內(nèi)快速將電流信號傳遞給各自的多級模糊控制器上，當(dāng)動態(tài)組比開始變化時，通過對速度信號及時的反饋，多級模糊控制器就能夠通過對2 組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計算，然后通過電流信號將差值進(jìn)行補(bǔ)償，這樣就解決了電動機(jī)在啟動或者運行過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不均衡的情況。帶式輸送機(jī)雙驅(qū)動電機(jī)的多級模糊控制結(jié)構(gòu)如圖2 所示。雙機(jī)驅(qū)動的帶式輸送采用多級模糊控制算法主要是利用控制過程中的增量信號進(jìn)行補(bǔ)償操作的。采用多級模糊控制的帶式輸送機(jī)在使用時可以達(dá)到三種特性，首先是可以降低在當(dāng)補(bǔ)償值處于0.01～0.1 之間時的帶式輸送機(jī)由于差異帶來的細(xì)微的抖動。當(dāng)補(bǔ)償值達(dá)到0.1～0.3 甚至0.3～0.6 時帶式輸送機(jī)就會由于過于嚴(yán)重的抖動而造成煤塊往皮帶外灑落[3]。這幾種現(xiàn)象產(chǎn)生時，采用多級模糊控制的帶式輸送機(jī)會對雙電機(jī)驅(qū)動的參數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償，使帶式輸送機(jī)兩電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都相等，從而使帶式輸送機(jī)的雙電機(jī)達(dá)到均衡的狀態(tài)。

圖2 雙機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)多級模糊控制結(jié)構(gòu)圖

3 多級模糊控制的帶式輸送機(jī)仿真模擬

為了驗證多級模糊控制的雙機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)能夠達(dá)到雙機(jī)均衡控制的效果以及相比較傳統(tǒng)控制系統(tǒng)有著相對穩(wěn)定的實際應(yīng)用效果。利用多級模糊控制和傳統(tǒng)PI 控制進(jìn)行對比，在仿真模擬時采用的電機(jī)是額定功率4 000 kW，額定電壓是6 000 V，額定電流67 A，兩臺電機(jī)的其他參數(shù)均設(shè)置為相同，然后對兩臺電機(jī)進(jìn)行功率平衡優(yōu)化控制仿真分析[4]。通過仿真能夠得到如圖3 所示的啟動過程中的電機(jī)線速度誤差圖，圖3 中e21表示兩臺電機(jī)第一臺電機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)啟動誤差，e22表示兩臺電機(jī)的第二臺電機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)啟動誤差，es2表示雙機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)的線速度誤差。

圖3 2 臺電機(jī)啟動過程的線速度誤差圖

通過對帶式輸送機(jī)傳統(tǒng)PI 控制系統(tǒng)和多級模糊控制得到的數(shù)據(jù)表1 和表2 進(jìn)行分析，能夠發(fā)現(xiàn)多級模糊控制的帶式輸送機(jī)與傳統(tǒng)PI 控制相比，在啟動后發(fā)現(xiàn)其動態(tài)最大線速度誤差從0.39 降低到了0.04，這就可以得到多級模糊控制的最大線速度誤差相比較傳統(tǒng)PI 控制的線速度誤差要小0.35 m/s。

表1 多級模糊控制的雙機(jī)啟動過程線速度誤差

表2 PI 控制的雙機(jī)啟動過程線速度誤差

4 結(jié)論

通過對雙機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的闡述，結(jié)合實際使用過程中雙機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)存在著皮帶磨損量較大、經(jīng)常出現(xiàn)煤塊因皮帶抖動而灑落的情況，提出了引入多級模糊控制對雙機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)進(jìn)行改造。利用多級模糊控制的控制其增量信號進(jìn)行補(bǔ)償?shù)奶匦?，對雙機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)進(jìn)行雙機(jī)監(jiān)測，根據(jù)設(shè)定信號與雙電機(jī)實際輸出信號之間的插值范圍對其進(jìn)行補(bǔ)償。通過對傳統(tǒng)PI 控制和多級模糊控制下的雙機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)進(jìn)行雙電機(jī)啟動過程功率平衡優(yōu)化控制仿真，得到多級模糊控制相比較與傳統(tǒng)PI 控制誤差更小。保證了多級模糊控制的雙機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)在實際運行過程中能夠更加高效、穩(wěn)定，且該控制方法有著很大的適用性，能夠在實際使用時進(jìn)行推廣。