帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

朱曉倩

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦維修中心， 山西 大同 037000）

0 引言

帶式輸送機(jī)為綜采工作面的核心運(yùn)輸設(shè)備，隨著綜采工作面生產(chǎn)能力的提升，帶式輸送機(jī)將朝著長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、高運(yùn)速以及多電機(jī)的方向發(fā)展。目前，帶式輸送機(jī)控制主要表現(xiàn)的問題為，設(shè)備處于恒速的模式運(yùn)行，并不能夠根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)量對(duì)運(yùn)輸速度進(jìn)行調(diào)整，從而導(dǎo)致在小運(yùn)量的時(shí)候出現(xiàn)嚴(yán)重的電能浪費(fèi)現(xiàn)象。雖然，當(dāng)前國(guó)內(nèi)針對(duì)上述問題已經(jīng)開展了系列研究，一定程度上解決了帶速不能根據(jù)運(yùn)量實(shí)時(shí)調(diào)整的問題，但是，在控制過程中忽略了自適應(yīng)控制對(duì)輸送帶動(dòng)態(tài)特性的影響，容易導(dǎo)致輸送帶出現(xiàn)打滑、斷帶等事故的發(fā)生。基于此將重點(diǎn)開展帶輸送機(jī)運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，并對(duì)所設(shè)計(jì)的優(yōu)化控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。具體闡述如下。

1 帶式輸送機(jī)能耗分析

所研究帶式輸送機(jī)為鋼繩芯類型，其主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示，所研究帶式輸送機(jī)為三電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙滾筒類型。在實(shí)際運(yùn)輸過程中，帶式輸送機(jī)所承受的阻力包括有主要阻力的壓陷阻力、托輥運(yùn)行阻力、皮帶彎曲阻力、物料損耗阻力、傾斜阻力、附加阻力的物料與皮帶之間的摩擦力、輸送帶與滾筒處的彎曲阻力、輸送帶與導(dǎo)料槽之間的摩擦阻力以及特種阻力等[1-2]。

考慮到帶式輸送機(jī)的實(shí)際能耗與其工作的環(huán)境和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)。為了準(zhǔn)確掌握帶式輸送機(jī)的能耗情況，本文將采用MATLAB 軟件對(duì)兩個(gè)不同工況下的能耗進(jìn)行分析。得出帶式輸送機(jī)的能耗P 計(jì)算如式（1）所示：

式中：v 為帶式輸送機(jī)輸送帶的速度；T 為帶式輸送機(jī)的運(yùn)行時(shí)間；θ1、θ2、θ3、θ4分別為與帶式輸送機(jī)輸送帶寬度、物料密度、輸送帶的補(bǔ)償長(zhǎng)度以及其他機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)，其根本上與帶式輸送機(jī)的實(shí)際工況相關(guān)。本文將根據(jù)算法準(zhǔn)確模擬帶式輸送機(jī)的實(shí)際工況參數(shù)，為了確保模擬數(shù)值的準(zhǔn)確性[3-4]。本文采用漸消記憶遞推最小二乘法對(duì)帶式輸送機(jī)的實(shí)際工況進(jìn)行模擬；但是，對(duì)于漸消記憶最小二乘法而言，最關(guān)鍵的是確定其最佳的遺忘因子，以保證所模擬的工況參數(shù)與實(shí)際工況參數(shù)相符。

為了得到漸消記憶遞推最小二乘法的最佳遺忘因子，對(duì)遺忘因子分別為0.95、0.97、0.99 和1 時(shí)對(duì)應(yīng)模擬的工況與實(shí)際工況的差距。仿真設(shè)置條件如下：設(shè)定帶式輸送機(jī)對(duì)應(yīng)的給料速度為800 t/h，其帶速設(shè)置如式（2）所示：

不同遺忘因子對(duì)應(yīng)的帶式輸送機(jī)的工況模擬結(jié)果和實(shí)際工況參數(shù)對(duì)比仿真結(jié)果，如表1 所示。

表1 帶式輸送機(jī)模擬工況與實(shí)際工況參數(shù)對(duì)比

如表1 所示，當(dāng)遺忘因子為0.97 時(shí)，帶式輸送機(jī)四項(xiàng)參數(shù)的模擬值與其真實(shí)值最為相近。因此，為了能夠獲取帶式輸送機(jī)的最準(zhǔn)確的工況參數(shù)，本文采用漸消記憶遞推最小二乘法對(duì)其工況參數(shù)進(jìn)行獲取，其中設(shè)定遺忘因子為0.97[5-6]。

2 帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制及實(shí)驗(yàn)研究

在能夠準(zhǔn)確對(duì)帶式輸送機(jī)工況運(yùn)行參數(shù)準(zhǔn)確獲取的基礎(chǔ)上，即獲得了對(duì)帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制的依據(jù)。本節(jié)將實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制，并對(duì)最優(yōu)控制的效果通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估[7]。

2.1 帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制策略

本文針對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中的最優(yōu)化控制的對(duì)象為輸送帶的速度。為了解決傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)最優(yōu)化控制時(shí)，忽略對(duì)輸送帶打滑甚至斷裂故障的問題，需對(duì)輸送帶實(shí)際運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。采用如圖2 所示的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。

圖2 帶式輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

針對(duì)帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)速度的動(dòng)態(tài)最優(yōu)化控制，采用雙層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略，具體如圖3 所示。

圖3 帶式輸送機(jī)雙層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略

如圖3 所示，雙層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略包括有兩部分，一部分為基于漸消記憶遞推最小二乘法對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的預(yù)測(cè)；另一部分為對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的實(shí)時(shí)控制，保證輸送帶實(shí)際速度能夠跟蹤預(yù)測(cè)的速度運(yùn)行[8-9]。

基于帶式輸送機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)行過程中最優(yōu)化控制策略所建立的帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制器模型如圖4 所示。

圖4 帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制器模型

2.2 帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證上述所設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)雙層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略對(duì)應(yīng)的控制效果。本小節(jié)結(jié)合上述控制策略基于Simulink 軟件建立帶式輸送機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型并為其配套加入動(dòng)態(tài)優(yōu)化的控制策略；在模型算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于dsPACE 軟件構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，所構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制效果評(píng)估實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本次實(shí)驗(yàn)研究設(shè)定的帶式輸送機(jī)輸送帶的目標(biāo)速度為4 m/s，帶式輸送機(jī)加速時(shí)間為10 s[10]。基于漸消記憶遞推最小二乘法（遺忘因子為0.97）時(shí)對(duì)帶式輸送機(jī)的能耗參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果如表2 所示。

表2 帶式輸送機(jī)工況參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)表2 中對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果，并按照所設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略對(duì)不同運(yùn)量下對(duì)應(yīng)的節(jié)能效果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制節(jié)能效果

如表3 所示，采用帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略后節(jié)能效率最高可達(dá)15.88%。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，按照所預(yù)測(cè)的工況對(duì)帶速進(jìn)行控制，其加速度最大不超過0.3 m/s2，加速度值較小，在很大程度上避免了帶式輸送機(jī)輸送帶打滑甚至斷帶故障的發(fā)生，極大地提升了帶式輸送機(jī)調(diào)速的安全性和可靠性。

3 結(jié)論

帶式輸送機(jī)為煤礦綜采工作面生產(chǎn)的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，針對(duì)傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)的恒速控制容易導(dǎo)致出現(xiàn)“大馬拉小車”的問題，從而造成了電能極大的浪費(fèi)。雖然，變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)帶速與運(yùn)量相匹配的高效控制，但是在控制過程中忽略了設(shè)備運(yùn)輸安全性的問題，尤其是輸送帶打滑甚至斷裂的故障。本文開展了帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究，并總結(jié)如下：

1）基于漸消記憶遞推最小二乘法實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)的工況的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，最佳遺忘因子為0.97。

2）實(shí)驗(yàn)表明，采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略后節(jié)能效果最高可達(dá)15.88%；而且在控制過程中極大地提升了設(shè)備的安全性和可靠性。