帶式輸送機糾偏裝置的設計及模擬應用

王曉梅

（山西潞安郭莊煤業公司，山西 長治 046100）

引言

帶式輸送機作為一種連續運輸設備，不僅可以輸送煤炭、礦石等散裝物料，還可以輸送整體物料[1]，具有結構簡單、輸送量大且運輸距離長、輸送物料種類多、適應性強[2]等優點。目前，隨著帶式輸送機運行速度、輸送距離、負載的持續增加，導致輸送帶跑偏的現象越來越明顯，而輸送帶跑偏指的是輸送帶位于帶長方向的中心線與輸送機機架中心線偏離的現象，且跑偏現象已經成為帶式輸送機運行中最頻繁發生的現象[3]。而引起帶式輸送機跑偏問題的原因主要有：一是設計制造導致的跑偏，如設計中存在的問題、設計質量缺陷、托輥質量問題、滾筒質量問題等；二是安裝不當導致的跑偏，如機架安裝不正、滾筒軸線偏斜、托輥軸線偏斜、導料槽兩側的壓力不等[4]；三是運行問題導致的跑偏，如托輥或者滾筒外表面黏料、輸送帶松弛、落料位置不居中、輸送機振動以及托輥損壞[5]等。針對輸送機的跑偏現象，本文設計出一套輸送帶自動糾偏裝置，可有效對輸送帶進行糾偏，進而實現煤礦安全高效的生產。

1 帶式輸送機糾偏裝置的設計

依據帶式輸送機的運行工況，本文對輸送機自動糾偏裝置進行設計，其中，輸送機糾偏裝置示意圖如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機糾偏裝置示意圖

本文設計的糾偏裝置系統原理為：帶式輸送機橫向位置通過采用紅外距離檢測傳感器跑偏量檢測裝置完成數據的檢測與采集，緊接著傳給控制器，依據一定的控制算法，控制器對收集的信號進行運算，得到控制量，并以某一速度驅動電機向某方向產生一定的角位移，帶動蝸桿傳動，使旋轉運動轉為直線運動，最后驅動旋轉托輥架圍繞旋轉中心產生相對應的角位移，實現對輸送帶的糾偏效果。此外，本文采用模糊比例積分控制系統，該系統具有模糊控制、比例積分控制的雙重優勢，相比于常規比例積分控制器，具有更好的控制效果[6-7]。輸送機自動糾偏裝置系統控制圖如圖2 所示。

圖2 帶式輸送機自動糾偏裝置系統控制圖

1.1 自動糾偏裝置的模糊控制系統設計

本文選用直流伺服電動機執行驅動帶式輸送機，電動機的輸入電壓和輸出轉速間存在二階傳函數關系，但是針對電動機的時間常數因素，本文將直流伺服電機等同是一階慣性環節[8]。式中：Km為控制系統電動機輸入頻率和穩態轉速的關系常數；Tm為控制系統輸入單位階躍信號時得到的系統啟動時間。

不同于常規的二維模糊控制器，其系統存在靜態誤差，而本文創新設計在于加入積分作用，構建了PI二維模糊控制系統，可以消除系統誤差。模糊控制系統結構圖如下頁圖3 所示。

當系統偏差|E|≥95 cm，圖3 中的開關閉合，模糊控制與PI 控制的共同輸出作為被控對象的輸入，可實現小超調量的快速調節，控制作用較強；當|E|＜95 cm 時，開關打開，控制對象僅為PI 控制器，可對系統后半部分存在穩態誤差的情況進行調節，可以很好地消除誤差。

圖3 模糊控制系統的結構圖

1.2 模糊控制器的設計

當控制系統的偏差≥95 cm 時，此時被控對象的輸入是模糊控制與PI 控制器共同輸出，可以消除各種因素對其的影響，具有很強的控制效果。圖4 為簡化的控制系統的控制對象，當輸送機出現橫向跑偏時直接導致滾輪位置的變化，進而帶動杠桿產生擺動，并通過后面的四桿機構，將跑偏量轉為h 的變化量。而控制系統的輸入量是通過測得的h 變化量與變化速率，本文選取E=h-h0（h、h0分別為輸送帶正常和跑偏后檢測元件與底座間的距離），因此，將系統偏差的導數作為輸入量，輸出量為蝸桿轉速。

圖4 帶式輸送機模糊控制的簡化圖

1.3 比例積分模塊設計

當控制系統偏差＜95 cm 時，斷開模糊控制器開關，此時被控對象的輸入是僅用比例積分控制器的輸出，可以將系統的穩態誤差進行消除。比例積分控制器的系統控制是采用比例、積分計算得到的控制量。

對于比例控制，是一種比較簡單的控制方式，其輸入誤差變量與輸出量是簡單的比例關系，控制特點是隨誤差信號的變化，輸出變量也快速變化。當比例系數越大時，控制系統也相應地響應越快；不足時只有比例控制的系統，輸出存在穩態誤差。

對于積分控制，其輸入誤差變量和輸出變量的積分是正比關系，通過加入積分，就可以將系統的穩態誤差消除。比例積分控制有位置式和增量式兩種控制算法，因為位置式的輸出與之前的全部狀態相關，不適用計算機的快速運算；而增量式是輸出變量為增量，并且通過偏差換向，控制變量也快速變化，可將積分飽和的危險消除。本文采用的是增量式算法。

系統控制關系為：

式中：μ（k）為控制器的輸出；e（k）為控制器的輸入；kp為控制器的比例放大系數；T為控制器的積分時間。

1.4 控制系統軟件和硬件設計

本文進一步對控制系統的軟件部分進行設計，其軟件設計流程圖如圖5 所示。

圖5 自動糾偏裝置軟件設計流程圖

再對自動糾偏裝置控制系統的硬件進行設計，并與裝置的軟件系統相匹配。帶式輸送機糾偏裝置控制系統硬件圖如圖6 所示。

圖6 自動糾偏裝置的硬件設計圖

2 帶式輸送機自動糾偏裝置的仿真分析

前述詳細設計帶式輸送機糾偏裝置的控制系統，為進一步驗證系統的糾偏效果，本文建立MATLAB和ADAMS 聯合平臺對其進行仿真研究，其中，仿真激勵輸入信號采用的是階躍信號，進而可以很好地實現糾偏裝置旋轉弧度的控制，仿真結果如圖7 所示。

從圖7 中可看出，帶式輸送機自動機糾偏裝置盡管出現了幾個振蕩循環，但是振蕩幅度不算大，且糾偏裝置能夠很好地到達控制位置。因此，從整體上來看，本文設計的自動糾偏裝置系統在糾偏過程中有一定的可控性，穩定性也比較好，達到了預期目標。

圖7 自動糾偏裝置的仿真結果

3 結語

為有效解決帶式輸送機運行中出現的跑偏現象，進而保證煤礦生產的安全高效。本文設計出一套輸送帶自動糾偏裝置，并具體對模糊控制與PI 控制系統及其系統的軟硬件進行設計，采用直流伺服電機為系統的動力源，并結合紅外距離檢測傳感器測量輸送帶的橫向位置和變化趨勢；最后，建立MATLAB 和Adams 聯合平臺對控制系統進行仿真分析，結果表明，該自動糾偏系統具有一定的可控性，穩定性好。