礦井提升機電液控制系統的研究

劉景泰

（陽煤集團五礦， 山西 平定 045200）

引言

礦井提升機是由提升平臺、鋼絲繩、制動系統及提升系統共同構成的用于實現人員和物料進出井下的裝置，具有結構簡單、經濟性好的優點。隨著礦井綜采作業深度、提升機的提升速度和載重量不斷增加，提升鋼絲繩因其柔性結構，在制動和啟動過程中會產生力的滯后性，導致提升機產生巨大的振動和沖擊，給人員和物料運輸安全造成了極大的隱患[1]。本文結合高速、大載重提升機的應用特性，提出了一種以PID 模糊控制為核心的礦井提升機電液控制系統。

1 提升機電液控制系統總體結構

由于礦井提升機在運行過程中存在較大的不穩定性因素，因此為了確保對提升機制動過程的精確控制，采用了閉環控制調節模式，該控制系統的整體結構如圖1 所示[2]。

圖1 提升機電液控制系統整體結構示意圖

由圖1 可知，在該控制系統中，首先由設置在提升機各處的傳感器設備對提升機運行時的狀態進行監測，然后將監測結果傳送到系統的單片機內，單片機根據提升機的運行狀態和制動要求，輸出電液控制系統的電液比例溢流閥開度調節信號，控制制動機構對提升機提升滾筒的制動力，然后利用設置在提升滾筒上的角加速度傳感器對提升滾筒的速度變化情況進行監測，將監測結果返回到主控單片機內，對實際運行狀態和理論運行狀態的偏差量進行模糊分析，并輸出調節控制信號，實現對提升機制動狀態的閉環控制。在控制過程中主控單片機通過控制電磁溢流閥驅動控制模塊來實現對電磁溢流閥開度的靈活調整，該控制系統的數據信息傳遞均通過CAN數據總線和485 數據通信接口進行，以滿足在惡劣工況下的傳輸穩定性和便捷性的需求[3]。

2 電磁閥驅動控制模塊結構原理

該提升機電液控制系統的核心，在于電磁溢流閥的驅動控制模塊能否根據控制指令，實現對提升機電磁溢流閥開度的精確調控，為了滿足各種工況下電磁溢流閥靈活調整的控制需求，在控制系統中增加了MOSFET 反接卸荷組件，實現了對工作過程中油壓的連續可調，該驅動控制模塊整體結構如圖2 所示。

由圖2 可知，在工作過程中主控單片機首先輸出制動控制指令，該控制指令以PWM（脈沖寬度調制）[3]數據信號的形式進行發送，將數據信號傳遞到MOSFET（金氧半場效晶體管）反接卸荷組件內，數據通過電磁比例溢流閥的功率放大模塊放大后傳輸到電液比例溢流閥中，系統中的電流采樣控制模塊則對輸入的控制電流進行保護，當輸入電流超過最大開度電流時，系統自動斷開，確保電控元件的控制精確性。在控制過程中系統通過模糊算法，對控制信號進行分析，實現對PWM（脈沖寬度調制）數據信號輸出占比控制，從而實現對比例溢流閥開度大小的精確控制，滿足制動力按設定曲線變化的控制需求。

圖2 電磁閥驅動控制模塊結構原理示意圖

3 電液比例模糊調節控制

PID 模糊控制是一種以模糊集合、模糊變量及模糊推論為基礎的控制理論。由于提升機的液壓系統在實際工作過程中油壓會隨著溫度、管路狀態及制動速度的不同而產生較大的差異，傳統的精確控制或者是經驗控制方案均難以滿足對提升機比例溢流閥開度的控制需求，因此只能通過采用PID 模糊控制的方案再加上反饋控制回路來實現對比例溢流閥控制狀態的動態調節，滿足柔性制動的需求，該電液比例模糊調節控制器的結構如圖3 所示[4]。

圖3 電液比例模糊標記控制器結構示意圖

由圖3 可知，在對數字量信號進行模糊化處理的過程中，系統首先根據控制器的設定值和提升機提升滾筒的運行速度信號之間的偏差為調節基礎，在模糊控制器內經過模糊量化處理、模糊規則控制、模糊策略決策和模糊化處理等過程獲取最終的控制變量，實現對比例溢流閥開度大小的控制，最終反映到對制動壓力的控制。

4 提升機制動控制系統的應用

為了對該電液控制可靠性進行分析，以某型立井提升機電液控制系統為例，對其進行升級改造，然后對載荷為4.5 t，運行速度為3.5 m/s 情況下的制動情況進行研究，結果如圖4 所示。

圖4 不同控制模式下的制動速度曲線

由圖4 可知，當采用PID 模糊控制時，在0～0.4 s內速度快速下降，在0.4～0.8 s 內系統速度開始平穩下降，從而有效確保了制動的平穩性，當采用傳統控制模式，在0～0.9 s 內速度下降較慢，但在第1 s 時，制動系統突然抱死，雖然實現了制動，但產生了極大的振動和沖擊。而且對比傳統的控制模式，PID 模糊控制在實現平穩制動時的制動速度降低了20%，極大提升了提升機系統的運行穩定性和制動靈敏性。

5 結論

1）PID 模糊控制的方案，能夠確保提升機在各類工況下對液壓系統壓力的精確監測，實現對比例溢流閥開度大小的精確控制，是實現提升機柔性制動的基礎；

2）新的提升機電液控制系統在制動過程中的制動時間比傳統控制方案縮短了20%，但制動更加平穩，有效提升了系統的運行穩定性和制動靈敏性。