煤礦帶式輸送機(jī)的PID 速度控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

張樹祥

（山西華融龍宮煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 原平 034114）

引言

皮帶式輸送系統(tǒng)是一種皮帶驅(qū)動(dòng)的傳送或輸送系統(tǒng)，用于在有限的距離內(nèi)將貨物或材料從一個(gè)點(diǎn)傳送到另一個(gè)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)電裝配、食品制造、采煤等行業(yè)。與機(jī)械臂和氣動(dòng)或液壓挑放系統(tǒng)相比，帶式輸送機(jī)是業(yè)界首選的輸送系統(tǒng)，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、重量輕、成本效益高，需要被維護(hù)的少，并具有實(shí)現(xiàn)高效率等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于皮帶的靈活性、振動(dòng)、摩擦、系統(tǒng)的不確定性和非線性[1]，該系統(tǒng)天生難以控制。此外，當(dāng)對(duì)系統(tǒng)施加不同的載荷時(shí)，系統(tǒng)的特性也可能會(huì)有所變化。

目前，隨著我國(guó)煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)大型帶式輸送機(jī)的控制系統(tǒng)提出了較高的需求。這些要求包括對(duì)啟動(dòng)、關(guān)機(jī)和調(diào)速的精確控制、綜合狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷、良好的可擴(kuò)展性等[2]。本文重點(diǎn)研究帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)，并提出了多電機(jī)調(diào)速和功率平衡的可行控制策略。

1 帶式輸送機(jī)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)系統(tǒng)由皮帶裝置、機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。皮帶裝置由皮帶、托輥、張拉裝置、旋轉(zhuǎn)鼓、驅(qū)動(dòng)鼓組成。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由齒輪減速器、行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)組成。該控制系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)和電動(dòng)控制系統(tǒng)[3]組成。

帶式輸送機(jī)的電氣控制系統(tǒng)包括兩部分：控制部分和檢測(cè)部分。圖1 所示為電氣控制系統(tǒng)的方框圖。電動(dòng)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制液壓耦合器和電動(dòng)機(jī)。可編程邏輯控制器（PLC）FX2N64MT 作為系統(tǒng)的控制核心。檢測(cè)功能通過各種傳感器模塊實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。這些模塊包括速度檢測(cè)器、皮帶偏差檢測(cè)器、溫度測(cè)量模塊、電機(jī)電流檢測(cè)器、感煙探測(cè)器和煤位檢測(cè)模塊。檢測(cè)信號(hào)（I/O 和模擬）被處理并發(fā)送至PLC 的輸入模塊。PLC 的輸出模塊配置為控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電液調(diào)節(jié)閥、噴淋器、狀態(tài)指示燈等。PLC系統(tǒng)通過圖形操作終端F940GOT 現(xiàn)場(chǎng)顯示信息。模塊FX2N-485-BD 用于與上位機(jī)通信，完成監(jiān)控和故障診斷任務(wù)。

圖1 帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)方框圖

2 調(diào)速系統(tǒng)的控制策略

PID 控制由于簡(jiǎn)單、可靠、穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程中。直到今天，超過90%的控制回路都采用了PID 控制。傳統(tǒng)的PID 控制過于依賴于控制對(duì)象的模型，而參數(shù)的魯棒性是較差的[4]。帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)為非線性時(shí)變不確定系統(tǒng)，因此，很難建立準(zhǔn)確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。使用傳統(tǒng)的控制器無(wú)法取得良好的控制效果。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)速，采用模糊自調(diào)參數(shù)PID 控制[5]。下頁(yè)圖2 顯示了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。模糊控制的優(yōu)點(diǎn)在于快速調(diào)整，提高了動(dòng)態(tài)性能，但不能提高穩(wěn)態(tài)特性。如果控制動(dòng)作太頻繁，可能發(fā)生振蕩，電機(jī)軸容易損壞。一種基于無(wú)控制作用區(qū)的控制算法是一個(gè)很好的解決方法。首先設(shè)置一個(gè)固定參數(shù)，然后根據(jù)誤差與參數(shù)的關(guān)系，采取不同的控制動(dòng)作。當(dāng)誤差大于參數(shù)時(shí)，采用模糊參數(shù)PID 控制來(lái)快速穩(wěn)定系統(tǒng)。當(dāng)誤差小于參數(shù)時(shí)，采用固定參數(shù)PID 控制，減少控制程序的運(yùn)行時(shí)間，提高執(zhí)行效率。這里需要考慮誤差的設(shè)定值，當(dāng)誤差過小時(shí)，煤礦帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)頻繁啟動(dòng)，控制對(duì)象難以穩(wěn)定。如果誤差太大，則會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)期延遲。

圖2 模糊自調(diào)諧參數(shù)PID 控制系統(tǒng)

通過控制器中的程序?qū)崿F(xiàn)了模糊控制的實(shí)時(shí)應(yīng)用。本研究最終通過PLC 的程序?qū)崿F(xiàn)了模糊控制。執(zhí)行模糊控制有兩種方法，一種是在線算法，另一種是離線算法。在在線算法中，依次進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣、模糊化、模糊識(shí)別、去模糊化和輸出。在離線算法中，將模糊規(guī)則以表的形式寫入控制器中。模糊處理的任務(wù)是在脫機(jī)模式下完成的。在實(shí)時(shí)控制中，處理步驟包括采樣、表查找和輸出[6]。為了簡(jiǎn)化編程，提高實(shí)時(shí)性能，采用了第二種方法。

3 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率平衡問題研究

大型帶式輸送機(jī)距離長(zhǎng)，容量大，需要較大的驅(qū)動(dòng)力。在皮帶張力范圍內(nèi)，單臺(tái)電機(jī)不能產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力。大型帶式輸送機(jī)采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，降低帶強(qiáng)度和功率電壓的要求。在良好情況下，功率分配比與電機(jī)間的驅(qū)動(dòng)力比相同。但實(shí)際上，由于各種因素的影響，實(shí)際功率的分布有較大的偏差。因此，皮帶的張力被重新分配，電機(jī)的功率不平衡。電機(jī)超載嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)粨p壞，因此帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行需要電機(jī)的動(dòng)力平衡。

功率平衡的本質(zhì)是保證實(shí)際功率比近似等于設(shè)計(jì)比。通過調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡。電機(jī)的轉(zhuǎn)速表示電機(jī)的負(fù)載。如果電機(jī)過載，則對(duì)液壓電機(jī)進(jìn)行潤(rùn)滑，以驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒輪圈旋轉(zhuǎn)。因此，驅(qū)動(dòng)鼓速度降低，電機(jī)負(fù)載相應(yīng)降低。在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)的功率為：

式中：U 為電壓；I 為電流；η 為效率；cosφ 為功率因數(shù)。U、η 和cosφ 對(duì)相同類型的電機(jī)和相同的電源系統(tǒng)保持不變。所以電機(jī)的電流反映了它的功率。根據(jù)負(fù)荷電流進(jìn)行功率調(diào)整。控制器控制拉桿在液壓接頭中的位置，以達(dá)到功率平衡。如果負(fù)載電流較大，拉桿向前移動(dòng)，液力耦合器的流量減小。最后，電機(jī)的輸出功率降低。圖3 為功率平衡控制系統(tǒng)的方框圖，其中選擇輸送皮帶速度和電機(jī)電流作為控制量。分析參考電流、負(fù)載電流和速度后，控制步進(jìn)電機(jī)，調(diào)節(jié)拉桿的位置，從而實(shí)現(xiàn)了平衡功率分配的目的。

圖3 功率平衡控制系統(tǒng)的方框圖

在本研究中，帶式輸送機(jī)有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)鼓，每個(gè)鼓由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。帶式輸送機(jī)中驅(qū)動(dòng)裝置的處置情況如圖4 所示。控制對(duì)象為四個(gè)電機(jī)。顯然，它是一個(gè)多輸入多輸出系統(tǒng)，四個(gè)電機(jī)之間有強(qiáng)耦合。

圖4 帶式輸送機(jī)內(nèi)傳動(dòng)裝置的處理

經(jīng)過分析，對(duì)四臺(tái)電機(jī)的功率平衡選擇了跟蹤方法。選擇一個(gè)電機(jī)為主要電機(jī)，其他三個(gè)電機(jī)為跟蹤電機(jī)。為了簡(jiǎn)化問題，在啟動(dòng)過程中不考慮功率平衡。啟動(dòng)完成后，將調(diào)用功率平衡程序。具體來(lái)說(shuō)，主電機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)速度曲線進(jìn)行控制，并采用模糊PID 控制來(lái)調(diào)節(jié)其他電機(jī)的電流。功率平衡流程圖見圖5。

圖5 功率平衡工作流程圖

4 結(jié)論

1）當(dāng)誤差大于給定參數(shù)時(shí)，采用模糊參數(shù)PID控制來(lái)快速穩(wěn)定系統(tǒng)。當(dāng)誤差小于參數(shù)時(shí)，采用固定參數(shù)PID 控制來(lái)減少運(yùn)行時(shí)間。

2）由于正常運(yùn)行帶式輸送機(jī)系統(tǒng)需要電機(jī)的動(dòng)力平衡，提出了一種實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)功率平衡的跟蹤方法：一個(gè)電機(jī)作為主要電機(jī)，其他電機(jī)為跟蹤電機(jī)。主電機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)轉(zhuǎn)速曲線進(jìn)行控制，并采用PID 模糊控制來(lái)調(diào)節(jié)其他電機(jī)的電流。該控制策略被應(yīng)用于已開發(fā)的系統(tǒng)中，并取得了良好的效果。