帶式輸送機運行過程動態(tài)優(yōu)化控制設計及實驗研究

朱曉倩

（晉能控股煤業(yè)集團四老溝礦維修中心， 山西 大同 037000）

0 引言

帶式輸送機為綜采工作面的核心運輸設備，隨著綜采工作面生產(chǎn)能力的提升，帶式輸送機將朝著長距離、大運量、高運速以及多電機的方向發(fā)展。目前，帶式輸送機控制主要表現(xiàn)的問題為，設備處于恒速的模式運行，并不能夠根據(jù)實時運量對運輸速度進行調(diào)整，從而導致在小運量的時候出現(xiàn)嚴重的電能浪費現(xiàn)象。雖然，當前國內(nèi)針對上述問題已經(jīng)開展了系列研究，一定程度上解決了帶速不能根據(jù)運量實時調(diào)整的問題，但是，在控制過程中忽略了自適應控制對輸送帶動態(tài)特性的影響，容易導致輸送帶出現(xiàn)打滑、斷帶等事故的發(fā)生?；诖藢⒅攸c開展帶輸送機運行過程中的動態(tài)優(yōu)化控制，并對所設計的優(yōu)化控制策略進行實驗研究。具體闡述如下。

1 帶式輸送機能耗分析

所研究帶式輸送機為鋼繩芯類型，其主要結(jié)構如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機結(jié)構示意圖

如圖1 所示，所研究帶式輸送機為三電機驅(qū)動的雙滾筒類型。在實際運輸過程中，帶式輸送機所承受的阻力包括有主要阻力的壓陷阻力、托輥運行阻力、皮帶彎曲阻力、物料損耗阻力、傾斜阻力、附加阻力的物料與皮帶之間的摩擦力、輸送帶與滾筒處的彎曲阻力、輸送帶與導料槽之間的摩擦阻力以及特種阻力等[1-2]。

考慮到帶式輸送機的實際能耗與其工作的環(huán)境和設備的運行狀態(tài)相關。為了準確掌握帶式輸送機的能耗情況，本文將采用MATLAB 軟件對兩個不同工況下的能耗進行分析。得出帶式輸送機的能耗P 計算如式（1）所示：

式中：v 為帶式輸送機輸送帶的速度；T 為帶式輸送機的運行時間；θ1、θ2、θ3、θ4分別為與帶式輸送機輸送帶寬度、物料密度、輸送帶的補償長度以及其他機械結(jié)構相關的系數(shù)，其根本上與帶式輸送機的實際工況相關。本文將根據(jù)算法準確模擬帶式輸送機的實際工況參數(shù)，為了確保模擬數(shù)值的準確性[3-4]。本文采用漸消記憶遞推最小二乘法對帶式輸送機的實際工況進行模擬；但是，對于漸消記憶最小二乘法而言，最關鍵的是確定其最佳的遺忘因子，以保證所模擬的工況參數(shù)與實際工況參數(shù)相符。

為了得到漸消記憶遞推最小二乘法的最佳遺忘因子，對遺忘因子分別為0.95、0.97、0.99 和1 時對應模擬的工況與實際工況的差距。仿真設置條件如下：設定帶式輸送機對應的給料速度為800 t/h，其帶速設置如式（2）所示：

不同遺忘因子對應的帶式輸送機的工況模擬結(jié)果和實際工況參數(shù)對比仿真結(jié)果，如表1 所示。

表1 帶式輸送機模擬工況與實際工況參數(shù)對比

如表1 所示，當遺忘因子為0.97 時，帶式輸送機四項參數(shù)的模擬值與其真實值最為相近。因此，為了能夠獲取帶式輸送機的最準確的工況參數(shù)，本文采用漸消記憶遞推最小二乘法對其工況參數(shù)進行獲取，其中設定遺忘因子為0.97[5-6]。

2 帶式輸送機動態(tài)最優(yōu)控制及實驗研究

在能夠準確對帶式輸送機工況運行參數(shù)準確獲取的基礎上，即獲得了對帶式輸送機動態(tài)最優(yōu)控制的依據(jù)。本節(jié)將實現(xiàn)對帶式輸送機的動態(tài)最優(yōu)控制，并對最優(yōu)控制的效果通過實驗進行評估[7]。

2.1 帶式輸送機運行過程中動態(tài)最優(yōu)控制策略

本文針對帶式輸送機運行過程中的最優(yōu)化控制的對象為輸送帶的速度。為了解決傳統(tǒng)帶式輸送機最優(yōu)化控制時，忽略對輸送帶打滑甚至斷裂故障的問題，需對輸送帶實際運行過程中的動態(tài)特性進行分析。采用如圖2 所示的動力學模型對帶式輸送機的動態(tài)特性進行分析。

圖2 帶式輸送機動力學模型

針對帶式輸送機實時速度的動態(tài)最優(yōu)化控制，采用雙層結(jié)構的動態(tài)優(yōu)化控制策略，具體如圖3 所示。

圖3 帶式輸送機雙層結(jié)構的動態(tài)優(yōu)化控制策略

如圖3 所示，雙層結(jié)構的動態(tài)優(yōu)化控制策略包括有兩部分，一部分為基于漸消記憶遞推最小二乘法對帶式輸送機運行速度的預測；另一部分為對帶式輸送機運行速度的實時控制，保證輸送帶實際速度能夠跟蹤預測的速度運行[8-9]。

基于帶式輸送機的動力學模型和運行過程中最優(yōu)化控制策略所建立的帶式輸送機的動態(tài)優(yōu)化控制器模型如圖4 所示。

圖4 帶式輸送機運行過程中動態(tài)優(yōu)化控制器模型

2.2 帶式輸送機動態(tài)優(yōu)化控制實驗研究

為驗證上述所設計的帶式輸送機雙層結(jié)構的動態(tài)優(yōu)化控制策略對應的控制效果。本小節(jié)結(jié)合上述控制策略基于Simulink 軟件建立帶式輸送機的動力學模型并為其配套加入動態(tài)優(yōu)化的控制策略；在模型算法設計的基礎上，基于dsPACE 軟件構建實驗系統(tǒng)，所構建的實驗系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 帶式輸送機動態(tài)優(yōu)化控制效果評估實驗系統(tǒng)

本次實驗研究設定的帶式輸送機輸送帶的目標速度為4 m/s，帶式輸送機加速時間為10 s[10]。基于漸消記憶遞推最小二乘法（遺忘因子為0.97）時對帶式輸送機的能耗參數(shù)預測結(jié)果如表2 所示。

表2 帶式輸送機工況參數(shù)預測結(jié)果

根據(jù)表2 中對帶式輸送機運行工況參數(shù)的預測結(jié)果，并按照所設計的帶式輸送機運行過程動態(tài)優(yōu)化控制策略對不同運量下對應的節(jié)能效果進行對比，對比結(jié)果如表3 所示。

表3 帶式輸送機動態(tài)優(yōu)化控制節(jié)能效果

如表3 所示，采用帶式輸送機動態(tài)優(yōu)化控制策略后節(jié)能效率最高可達15.88%。同時，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，按照所預測的工況對帶速進行控制，其加速度最大不超過0.3 m/s2，加速度值較小，在很大程度上避免了帶式輸送機輸送帶打滑甚至斷帶故障的發(fā)生，極大地提升了帶式輸送機調(diào)速的安全性和可靠性。

3 結(jié)論

帶式輸送機為煤礦綜采工作面生產(chǎn)的關鍵運輸設備，針對傳統(tǒng)帶式輸送機的恒速控制容易導致出現(xiàn)“大馬拉小車”的問題，從而造成了電能極大的浪費。雖然，變頻調(diào)速實現(xiàn)了帶式輸送機帶速與運量相匹配的高效控制，但是在控制過程中忽略了設備運輸安全性的問題，尤其是輸送帶打滑甚至斷裂的故障。本文開展了帶式輸送機運行過程動態(tài)優(yōu)化控制設計及實驗研究，并總結(jié)如下：

1）基于漸消記憶遞推最小二乘法實現(xiàn)了帶式輸送機的工況的精準預測，最佳遺忘因子為0.97。

2）實驗表明，采用動態(tài)優(yōu)化控制策略后節(jié)能效果最高可達15.88%；而且在控制過程中極大地提升了設備的安全性和可靠性。