基于自適應(yīng)反步控制的提升系統(tǒng)鋼絲繩張力控制

張麗婷

（晉能控股集團責(zé)任公司煤峪口礦大型隊，山西 大同 037001）

引言

隨著淺層和深部煤炭資源開發(fā)的不斷增加，超深礦井勘探已成為發(fā)展趨勢，基于超深礦井大容量、大速度特點，礦井提升系統(tǒng)的需求越來越大。然而，傳統(tǒng)的礦井提升系統(tǒng)，如單繩纏繞式提升系統(tǒng)和多繩摩擦式提升系統(tǒng)，對于超深煤礦具有很大的局限性[1-3]。

隨著鋼絲繩和卷筒數(shù)量的增加，兩根鋼絲繩的提升不能同步進行，同時考慮到鋼絲繩的特性差異、動態(tài)變形、纏繞誤差等因素，導(dǎo)致張力差急劇增大[4-5]。如何提高DRWHS的張力協(xié)調(diào)性能一直是工業(yè)界關(guān)注的焦點。應(yīng)用最廣泛的是液壓自動張力平衡裝置，它包含固定在兩根鋼絲繩和一個輸送工具之間的兩個液壓缸。當(dāng)兩根鋼絲繩的張力存在差異時，根據(jù)通信容器的原理，將相應(yīng)液壓缸中的高壓油通過連接管擠壓到另一個液壓缸中，使鋼絲繩的張力保持了新的平衡[6-9]。本文針對液壓自動張力平衡裝置存在的問題，設(shè)計了一種改進型液壓張力平衡裝置。

1 DRWHS 動態(tài)模型

圖1-1 為活動頭輪DRWHS的組成，活動頭輪下固定兩個液壓缸，通過控制兩個液壓缸的位移來調(diào)節(jié)鋼絲繩的張力。由于液壓缸不再附著在鋼絲繩和運輸工具之間，因此液壓缸的大小對DRWHS的起升能力影響不大。DRWHS的原理圖如圖1-2 所示，該系統(tǒng)可分為起升系統(tǒng)和電液伺服系統(tǒng)兩部分。

1.1 提升系統(tǒng)動力學(xué)模型

主要參數(shù)如圖1-2 所示，ri（i=1，2）為雙滾筒的旋轉(zhuǎn)長度，lci（i=1，2）為吊運或降壓過程中兩條懸鏈線的長度，lhi（i=1，2）為兩根垂直提升鋼絲繩在提升或降低運輸工具過程中的長度，ui（i=1，2）為兩個活動頭輪的位移，φ 為兩懸索與水平面的夾角，ai（i=1，2）為兩根鋼絲繩接點到運輸工具的水平距離，運輸工具重心bi（i=1，2）為運輸工具上、下表面與運輸重心之間的縱向距離，ksi（i=1，2，3，4）為四對彈簧-阻尼模型的側(cè)向等效剛度，csi（i=1，2，3，4）為四對彈簧-阻尼模型的橫向等效阻尼系數(shù)。

圖1 雙繩纏繞式提升系統(tǒng)

1.2 電液伺服系統(tǒng)的動力學(xué)模型

電液缸配置如圖2 所示。

圖2 電容液壓缸配置

2 控制器設(shè)計

本工作的控制系統(tǒng)分為兩部分：起升控制系統(tǒng)和液壓缸控制系統(tǒng)。對于提升控制系統(tǒng)，利用NDO來估計一組提升和降低階段的振動引起的外部干擾。然后設(shè)計了由RNABC 和NDO 組成的組合控制器，在存在參數(shù)不確定性和外部干擾的情況下，獲得鋼絲繩張力控制所需的兩個液壓缸的位移。同樣，NDO 也用于液壓缸控制系統(tǒng)估計外部干擾影響位移電液伺服系統(tǒng)的跟蹤控制，如兩個鋼絲繩的振動和首飾捆，然后結(jié)合控制器設(shè)計獲得所需的控制輸入，確保液壓缸的跟蹤性能。

2.1 提升系統(tǒng)的NDO 設(shè)計

本節(jié)中使用的NDO 是基于狀態(tài)觀測器定義的，這個量是可以測量的。

式中：ρ（x1，x2）是要設(shè)計的非線性函數(shù)，σ（x1，x2）是NDO的收益。

2.2 電液伺服系統(tǒng)的NDO 設(shè)計

與提升系統(tǒng)的NDO 設(shè)計過程相似，給出了電液伺服系統(tǒng)的NDO 設(shè)計過程。

同樣，定義NDO的增益為σ（x3，x4，x5）=μ2，μ2>0。

3 實驗研究

3.1 DRWHS的實驗設(shè)置

本文實驗所采用的雙繩纏繞提升實驗系統(tǒng)，以所提出的DRWHS 控制策略加以實現(xiàn)。實驗系統(tǒng)包括兩根鋼絲繩、一組代替運輸工具的重量堆、兩個活動頭輪、兩個液壓馬達、兩個液壓缸以及一個液壓供電系統(tǒng)。兩個帶有70 mm 口徑、50 mm 桿的液壓缸和兩個液壓馬達由四個Cosure 公司生產(chǎn)的比例伺服閥驅(qū)動，在16 MPa的供應(yīng)壓力下，流量為38 L/min。采用兩臺線性變量差動變壓器（LVDTs）測量兩個液壓缸的位移。兩個力傳感器被固定在兩個可移動的頭輪和重量堆之間，以獲取兩根鋼絲繩的實時張力。雙繩纏繞提升實驗系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 雙繩纏繞提升試驗系統(tǒng)的主要參數(shù)

圖3 給出了基于MATLAB/Simulink 快速技術(shù)的xPC 目標實時計算機控制器，實現(xiàn)了數(shù)字控制和數(shù)據(jù)采集。雙繩纏繞提升實驗系統(tǒng)的控制硬件包括研華IPC-610 控制器、信號調(diào)制器、PCI-1716、A-CL-6126、PCI-1784、上位機及其他輔助配件。模擬控制輸入信號由D/A 采集板ACL-6126 完成，經(jīng)信號調(diào)制器優(yōu)化后送入伺服閥控制兩個液壓缸和兩個液壓馬達。A/D 板pci-1716 和脈沖板pci-1784 轉(zhuǎn)換模擬信號（兩個液壓缸的位移，緊張的兩個繩索，體重棧的傾斜角度，四個液壓缸的壓力室）和脈沖信號（兩個液壓馬達的旋轉(zhuǎn)速度）轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

圖3 雙繩纏繞提升實驗控制系統(tǒng)框圖

3.2 DRWHS 動態(tài)模型驗證

為了驗證簡化動力學(xué)模型與雙繩纏繞提升實驗系統(tǒng)的準確性，基于簡化動力學(xué)模型的數(shù)值模擬和雙繩纏繞提升實驗，對兩根鋼絲繩的張力進行了研究，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，考慮參數(shù)不確定性和外界干擾的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，說明簡化的動力學(xué)模型能夠預(yù)測雙繩纏繞提升實驗系統(tǒng)的性能。

圖4 基于動力學(xué)模型的兩根鋼絲繩張力

3.3 實驗結(jié)果分析

對雙繩纏繞式提升試驗系統(tǒng)進行了一系列試驗測試。將所需的輸送工具逆時針旋轉(zhuǎn)角度（0°）和滾筒尺寸差擾動（0.5 mm）發(fā)送到實驗系統(tǒng)。兩個滾筒的參考繞組長度及其實時響應(yīng)信號如下頁圖5 所示。從下頁圖5 中可以看出，兩個滾筒能夠精確跟蹤參考繞組長度，達到預(yù)期的吊重效果。為了測試所提控制器的有效性，將傳統(tǒng)的PI 控制器、RNABC 控制器和所提的組合控制器用于DRWHS。

圖5 兩滾筒繞線長度測試

4 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，與常用的PI 控制器和自適應(yīng)反步控制器相比，所提出的組合控制器在雙繩纏繞式提升系統(tǒng)中具有較好的鋼絲繩張力協(xié)調(diào)性能。