下行帶式輸送機盤式制動系統控制策略的研究

張瑞清

（山西寧武大運華盛南溝煤業有限公司，山西 寧武 036700）

引言

20 世紀80 年代末，我國首次在傾斜煤層上使用了向下帶式輸送機。隨著我國科學技術的發展和傾斜煤層產量的增加，煤礦對長距離、大容量、大傾角下行帶式輸送機的需求越來越大。使用該輸送機可以大大減少礦山工作量，減少基設投資，縮短建設周期，產生了顯著的社會經濟效益[1-3]。帶式輸送機下行傳動方案原理如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機下行傳動方案原理圖

目前，國內使用的下行帶式輸送機制動系統主要由液壓、液壓動力和盤式制動系統組成。此類盤式制動系統因其單級制動、結構簡單、技術成熟、成本低等突出優點而得到廣泛應用[4-6]。其中，盤式制動系統的控制是保證盤式制動系統運行可靠性的關鍵技術，但該控制技術存在的不足也亟待解決。

1 制動速度曲線

由于輸送帶是黏彈性體，在制動過程中應避免應力的波動，以減少對輸送帶、滾筒、托輥和機架的動載荷。下行帶式輸送機的理想制動過程應具有以下特點：避免剎車時間過長，剎車減速小于規定減速；最大制動減速盡可能小；避免制動減速時突然變化。

目前常用的制動速度曲線如圖2 所示。可以看出，在直線曲線的起始點和終點處，減速的導數趨于無窮。諾德爾曲線在T/2 點減速突然變化，減速導數不連續。哈里森曲線是連續的，沒有突然減速的變化。輸送機內的張力受到減速突然變化的影響，縮短了其使用壽命，不利于制動控制。因此，我們采用哈里森曲線來分析下向帶式輸送機的制動過程。

圖2 制動速度和減速曲線

2 盤式制動裝置

如下頁圖3 所示，盤式制動裝置由盤式制動器、制動盤和車架組成。盤式制動裝置采用正常的閉式液壓控制，即在沒有油壓時，盤式彈簧將制動片壓在制動盤上，產生最大的制動力矩。通過調節電液閥的輸入電壓（或電流）比例，輸出油壓p 可連續調節制動力矩。這樣就可以靈活地控制下行帶式輸送機的制動速度。

圖3 盤式制動裝置結構

3 盤式制動系統控制

3.1 閉環速度控制

本文所研究的盤式制動系統為速度閉環控制系統。在該系統中，比例電液閥是核心元件；這種閥門的質量對系統的性能有重要的影響。通過改變電液閥的輸入電壓（或電流）比例，可調節輸出油壓和制動力矩，以控制下行帶式輸送機的制動速度。利用階躍函數作為輸入信號，可以通過MATLAB 仿真系統的動態性能。閉環控制的速度曲線如圖4 所示。結果表明，采用閉環速度控制時，系統響應速度過慢，穩態誤差過大。因此，必須采取措施來糾正控制系統。

3.2 傳統PID 控制

為了使盤式制動控制系統具有更理想的動態性能，首先需要設計并安裝PID（比例積分微分）控制器對系統進行校正。在PID 控制器的應用中，其參數的調整是非常重要的。由于Ziegler-Nichols 方法操作簡單，效果顯著，因此本文采用Ziegler-Nichols 方法來調整PID 參數。調整結果顯示，比例系數kp=208.044，積分系數ki=889.077，微分系數為kd=12.191。采用階躍函數作為輸入信號，常規PID 控制的速度曲線如圖4 所示。可以看出，傳統PID 控制具有響應快、穩態誤差小的特點，超調量增加了24%。而超調量的增大會引起制動速度的波動，從而對輸送帶產生影響，不能滿足下向帶式輸送機柔性控制的要求。因此，為了減少超調，減小對制動系統的影響，必須對PID 控制器的參數進行進一步優化。

圖4 控制系統階躍響應

3.3 最優PID 控制

PID 控制系統主要有兩種參數優化技術，一種是多變量優化技術，一種是隨機優化技術。這兩種優化技術都基于復雜的計算，需要復雜的編程。利用MATLAB 中的信號約束模塊對PID 參數進行優化。該方法具有較好的優化效果。

通過信號約束調整PID 參數，使其與kp、ki、kd的初始范圍相關聯。經過反復試驗，通過“調諧參數窗口”確定其范圍，其中kp/5≤kp≤5kp；ki/20≤ki≤5ki；kd/5≤kd≤5kd，優化后的初始值（kp=208.044，ki=889.077，kd=12.191）采用Ziegler-Nichols 方法調整PID 參數，并進入MATLAB 命令窗口。在本文的模擬中，步長是可變的，時間是5 s。模擬的最佳結果是kp=207.805，ki=44.454，kd=19.423。最優PID 控制的速度曲線如圖4 所示。可以看出，最優PID 控制的超調量和調節時間明顯減少，超調量由24%降低到4%。減小超調量可以使輸出速度快速同步預設速度，同時減少輸送帶在制動過程中的波動和沖擊。通過MATLAB 仿真得到下行帶式輸送機的速度曲線如圖5 所示，初始帶速v0=2 m/s，制動時間t=20 s。圖中預置曲線為哈里森曲線，仿真曲線為最優PID 控制的速度曲線。可以看出，模擬曲線與預設曲線之間存在一定的滯后，但滯后相當小。一般情況下，輸出速度能正確跟隨預設速度；該控制方法可實現對下移帶式輸送機的柔性控制。

圖5 最優PID 控制速度曲線

4 實驗

為了驗證最優PID的仿真和控制策略，本文開發了一個多功能試驗臺（如下頁圖6 所示）來模擬盤式制動系統的制動過程。本文只模擬了過載條件下的制動過程，這是最容易發生事故和嚴重的情況。在實驗中，利用液壓絞車模擬了下行帶式輸送機的過載。模擬實驗時間設置為40 s。該系統采用不加修正的閉環速度控制。得到的實驗速度曲線如下頁圖7-1 所示。雖然實測速度曲線與哈里森曲線相似，但與預設速度曲線存在較大的滯后，波動較大。由于系統僅由閉環速度控制而不進行校正，無法獲得良好的制動控制性能。下頁圖7-2 為常規PID 控制的速度曲線，其中被測速度較好地同步預設速度；與閉環控制相比，響應速度快，波動小。圖7-3 為最優PID控制的速度曲線，測得的速度正確地同步預設速度，波動較小。這滿足了盤式制動系統的柔性控制要求。

圖6 實驗設備

圖7 三種控制方法的速度曲線

5 結論

1）針對盤式制動系統的速度閉環控制特點，利用MATLAB 對傳統PID 控制和最優PID 控制進行了仿真。通過分析比較，建立了盤式制動系統最優PID的控制策略。

2）實驗結果表明，最優PID 控制能夠使被測速度正確地與預設速度同步，滿足下行帶式輸送機的柔性控制要求。實驗結果也證明了理論分析的正確性和控制策略的有效性。