礦用絞車控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計探析

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摘要：以當前應用效果最佳的無極繩牽引絞車為對象，在分析各種調(diào)速方式及控制系統(tǒng)的基礎上，提出了變頻液壓調(diào)速方式，并對該控制系統(tǒng)的馬達、泵及電機進行選型，并設計與其相匹配的PID控制器，對PID控制器中的關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化。經(jīng)優(yōu)化后礦用絞車控制系統(tǒng)能夠使絞車調(diào)速控制無超調(diào)及波動現(xiàn)象發(fā)生，能夠滿足實際生產(chǎn)的控制要求。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速液壓調(diào)速無極繩牽引絞車

引言

目前，由我國自主研發(fā)的無極繩牽引絞車能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運輸?shù)墓δ躘1]，應用于無極繩牽引絞車的調(diào)速方式以交流調(diào)速為主。與其相對應的控制方式有完全開環(huán)的交流異步電機V/F變頻控制和矢量小閉環(huán)控制[2]。其中，交流異步電機V/F變頻控制為完全開環(huán)控制，無法確保整個調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而矢量小閉環(huán)控制雖然為閉環(huán)控制，但是其無法保證后續(xù)速度輸出的穩(wěn)定性[3]，容易由于環(huán)境的突變而引起速度的突變，進而對整個系統(tǒng)造成沖擊[4]。以礦用絞車中的無極繩牽引絞車為例，分析其在實際應用中所存在的問題，并經(jīng)優(yōu)化設計后對其改造后的效果進行測試。

1控制思路

隨著綜采工作面開采效率的不斷提升，對無極繩牽引絞車的整機效率也需升級，進而適應整個工作面的生產(chǎn)。因此，整機功率升級后，系統(tǒng)對絞車啟動和停止過程中對設備的沖擊和無極調(diào)速的要求越來越高。據(jù)研究可知，液壓調(diào)速方式由于其傳動平穩(wěn)、響應快捷、調(diào)速范圍較廣等優(yōu)勢被廣泛應用于機械、礦山等設備啟動，制動時可減輕對設備的沖擊。因此，本文將液壓調(diào)速方式應用于對無極繩牽引絞車中。

1.1液壓調(diào)速方案的分析

在綜合分析節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者相結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)速方式的基礎上，綜合分析無極繩牽引絞車未來的發(fā)展趨勢和對貨物運輸平穩(wěn)性的要求，本文將采用液壓調(diào)速方案中的容積調(diào)速方式。為了提高該調(diào)速方案的遠程操作能力，采用比例先導控制手柄實現(xiàn)對絞車的遠程調(diào)速控制。

1.2變頻液壓調(diào)速控制方案的分析

為實現(xiàn)對無極繩牽引絞車的變頻調(diào)速，在全液壓調(diào)速方案的基礎上將變頻調(diào)速應用于無極繩牽引絞車中，最終形成變頻液壓調(diào)速方案。變頻調(diào)速的方法包括有恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制以及矢量控制。由于恒壓頻比控制在靜、動態(tài)的控制性能較差，轉(zhuǎn)差頻率控制的相應速度不高[5]，本文中的變頻液壓調(diào)速的控制方案由矢量控制所實現(xiàn)。

2絞車控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件的選型

2.1設計參數(shù)及目標

基于總體變頻液壓調(diào)速控制方案的確定，為其設計相應的液壓系統(tǒng)。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)需控制絞車的參數(shù)及控制目標。

2.2液壓系統(tǒng)的選型設計

變頻液壓調(diào)速液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括馬達、定量泵以及電機。液壓系統(tǒng)工作原理為基于異步電機的變頻調(diào)速實現(xiàn)對定量泵的控制，進而控制恒壓自變量液壓馬達。馬達的轉(zhuǎn)速是衡量變頻調(diào)速器性能的關(guān)鍵指標。因此，通過計算得出馬達的轉(zhuǎn)速，即可選出合適的馬達。馬達轉(zhuǎn)速計算公式如公式（1）：nm=30iVqπr.式中：nm為馬達的轉(zhuǎn)速；i為減速器減速比，取75；Vq為牽引速度，取1.5m/s；r為絞車滾筒的半徑，取0.5m。經(jīng)計算，nm=2150r/min。泵的轉(zhuǎn)速計算公式如公式（2）np=nmVmVp.（2）式中：np為泵的轉(zhuǎn)速；Vm為馬達的排量，取12mL/r；Vp為泵的排量，取130mL/r。經(jīng)計算可得，對應泵的轉(zhuǎn)速為198r/min。基于上述計算，完成對該控制系統(tǒng)中液壓馬達和液壓泵的選型。

3絞車控制系統(tǒng)控制策略的設計

無極繩牽引絞車變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)包括變頻調(diào)速和液壓調(diào)速兩部分。其中，變頻調(diào)速模塊由矢量小閉環(huán)控制實現(xiàn)，其控制算法為PID控制器。為了對絞車速度的理想控制效果，其關(guān)鍵在于PID控制器控制策略的確定。變頻調(diào)速模塊由異步電機矢量控制所實現(xiàn)，為了達到理想的控制效果，需選用恰當?shù)目刂破鳌Ｄ壳埃I(yè)中選用的控制器大部分為PID控制器。基于相關(guān)PID控制理論根據(jù)實際生產(chǎn)基于Simulink軟件建立對應的仿真模型，對比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki以及微分系數(shù)KD三個參數(shù)進行不斷優(yōu)化。經(jīng)過多次調(diào)節(jié)后整定，三個參數(shù)的取值分別為Kp=0.001、Ki=0.65、KD=0.02。經(jīng)對比分析，基于PID控制的變頻液壓調(diào)速控制系統(tǒng)能夠明顯消除絞車響應超調(diào)量，且穩(wěn)態(tài)誤差由原先的5.9%降低為0.9%；絞車對其速度控制時間由之前的4s減少為當前的2s。由此可見，基于PID控制策略下的絞車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)能夠提高絞車的響應能力，增強絞車運行的穩(wěn)定性和可靠性。

4結(jié)語

牽引絞車作為綜采工作面的輔助生產(chǎn)設備，該設備運行的穩(wěn)定性和可靠性間接影響綜采工作面的開采效率。在實際生產(chǎn)中，需確保對絞車速度的無極控制，使其滿足實際生產(chǎn)的需求。本文提出的變頻液壓調(diào)速控制系統(tǒng)在對絞車系統(tǒng)控制中無超調(diào)和波動，可在實際生產(chǎn)中推廣應用。

參考文獻

[1]李晨浩，李偉.系泊絞車變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計與應用[J].船舶，2005（2）：48-52.

[2]宮再濱，趙玉珍，朱洪明.矸石山絞車變頻調(diào)速電控系統(tǒng)的安裝及使用[J].煤炭技術(shù)，2008，27（8）：40-41.

[3]劉學軍.淺談變頻調(diào)速絞車在礦井斜巷提升中的應用[J].科學咨詢（科技•管理），2015（3）：41-43.

[4]李宏，劉陽，劉先玉.變頻調(diào)速絞車在斜巷提升中的應用[J].煤炭工程，2013，45（1）：150-152.

作者：馬俊峰 單位：山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責任公司