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礦用絞車控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)探析

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礦用絞車控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)探析

摘要:以當(dāng)前應(yīng)用效果最佳的無極繩牽引絞車為對(duì)象,在分析各種調(diào)速方式及控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出了變頻液壓調(diào)速方式,并對(duì)該控制系統(tǒng)的馬達(dá)、泵及電機(jī)進(jìn)行選型,并設(shè)計(jì)與其相匹配的PID控制器,對(duì)PID控制器中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)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(dòng)現(xiàn)象發(fā)生,能夠滿足實(shí)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(guó)自主研發(fā)的無極繩牽引絞車能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運(yùn)輸?shù)墓δ躘1],應(yīng)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(duì)應(yīng)的控制方式有完全開環(huán)的交流異步電機(jī)V/F變頻控制和矢量小閉環(huán)控制[2]。其中,交流異步電機(jī)V/F變頻控制為完全開環(huán)控制,無法確保整個(gè)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(jìn)而對(duì)整個(gè)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(shí)際應(yīng)用中所存在的問題,并經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后對(duì)其改造后的效果進(jìn)行測(cè)試。

1控制思路

隨著綜采工作面開采效率的不斷提升,對(duì)無極繩牽引絞車的整機(jī)效率也需升級(jí),進(jìn)而適應(yīng)整個(gè)工作面的生產(chǎn)。因此,整機(jī)功率升級(jí)后,系統(tǒng)對(duì)絞車啟動(dòng)和停止過程中對(duì)設(shè)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(dòng)平穩(wěn)、響應(yīng)快捷、調(diào)速范圍較廣等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、礦山等設(shè)備啟動(dòng),制動(dòng)時(shí)可減輕對(duì)設(shè)備的沖擊。因此,本文將液壓調(diào)速方式應(yīng)用于對(duì)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(chǔ)上,綜合分析無極繩牽引絞車未來的發(fā)展趨勢(shì)和對(duì)貨物運(yùn)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(yuǎn)程操作能力,采用比例先導(dǎo)控制手柄實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車的遠(yuǎn)程調(diào)速控制。

1.2變頻液壓調(diào)速控制方案的分析

為實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǔ)上將變頻調(diào)速應(yīng)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(dòng)態(tài)的控制性能較差,轉(zhuǎn)差頻率控制的相應(yīng)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(shí)現(xiàn)。

2絞車控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件的選型

2.1設(shè)計(jì)參數(shù)及目標(biāo)

基于總體變頻液壓調(diào)速控制方案的確定,為其設(shè)計(jì)相應(yīng)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(biāo)。

2.2液壓系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)

變頻液壓調(diào)速液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括馬達(dá)、定量泵以及電機(jī)。液壓系統(tǒng)工作原理為基于異步電機(jī)的變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)對(duì)定量泵的控制,進(jìn)而控制恒壓自變量液壓馬達(dá)。馬達(dá)的轉(zhuǎn)速是衡量變頻調(diào)速器性能的關(guān)鍵指標(biāo)。因此,通過計(jì)算得出馬達(dá)的轉(zhuǎn)速,即可選出合適的馬達(dá)。馬達(dá)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如公式(1):nm=30iVqπr.式中:nm為馬達(dá)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(jì)算,nm=2150r/min。泵的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如公式(2)np=nmVmVp.(2)式中:np為泵的轉(zhuǎn)速;Vm為馬達(dá)的排量,取12mL/r;Vp為泵的排量,取130mL/r。經(jīng)計(jì)算可得,對(duì)應(yīng)泵的轉(zhuǎn)速為198r/min?;谏鲜鲇?jì)算,完成對(duì)該控制系統(tǒng)中液壓馬達(dá)和液壓泵的選型。

3絞車控制系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn),其控制算法為PID控制器。為了對(duì)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(jī)矢量控制所實(shí)現(xiàn),為了達(dá)到理想的控制效果,需選用恰當(dāng)?shù)目刂破?。目前,工業(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(shí)際生產(chǎn)基于Simulink軟件建立對(duì)應(yīng)的仿真模型,對(duì)比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki以及微分系數(shù)KD三個(gè)參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化。經(jīng)過多次調(diào)節(jié)后整定,三個(gè)參數(shù)的取值分別為Kp=0.001、Ki=0.65、KD=0.02。經(jīng)對(duì)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(yīng)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(duì)其速度控制時(shí)間由之前的4s減少為當(dāng)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(yīng)能力,增強(qiáng)絞車運(yùn)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(shè)備,該設(shè)備運(yùn)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(shí)際生產(chǎn)中,需確保對(duì)絞車速度的無極控制,使其滿足實(shí)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(duì)絞車系統(tǒng)控制中無超調(diào)和波動(dòng),可在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]李晨浩,李偉.系泊絞車變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)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(xué)軍.淺談變頻調(diào)速絞車在礦井斜巷提升中的應(yīng)用[J].科學(xué)咨詢(科技•管理),2015(3):41-43.

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

作者:馬俊峰 單位:山西陽(yáng)煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司