煤矿带式输送机的PID 速度控制系统应用研究

张树祥

（山西华融龙宫煤业有限责任公司，山西 原平 034114）

引言

皮带式输送系统是一种皮带驱动的传送或输送系统，用于在有限的距离内将货物或材料从一个点传送到另一个点，广泛应用于机电装配、食品制造、采煤等行业。与机械臂和气动或液压挑放系统相比，带式输送机是业界首选的输送系统，因为其设计简单、重量轻、成本效益高，需要被维护的少，并具有实现高效率等优点。但是，由于皮带的灵活性、振动、摩擦、系统的不确定性和非线性[1]，该系统天生难以控制。此外，当对系统施加不同的载荷时，系统的特性也可能会有所变化。

目前，随着我国煤炭工业的快速发展，对大型带式输送机的控制系统提出了较高的需求。这些要求包括对启动、关机和调速的精确控制、综合状态检测和故障诊断、良好的可扩展性等[2]。本文重点研究带式输送机控制系统，并提出了多电机调速和功率平衡的可行控制策略。

1 带式输送机电控制系统结构

带式输送机系统由皮带装置、机械驱动系统和控制系统组成。皮带装置由皮带、托辊、张拉装置、旋转鼓、驱动鼓组成。机械传动系统由齿轮减速器、行星传动机构和电机组成。该控制系统由液压系统和电动控制系统[3]组成。

带式输送机的电气控制系统包括两部分：控制部分和检测部分。图1 所示为电气控制系统的方框图。电动控制系统的主要任务是控制液压耦合器和电动机。可编程逻辑控制器（PLC）FX2N64MT 作为系统的控制核心。检测功能通过各种传感器模块实现检测功能。这些模块包括速度检测器、皮带偏差检测器、温度测量模块、电机电流检测器、感烟探测器和煤位检测模块。检测信号（I/O 和模拟）被处理并发送至PLC 的输入模块。PLC 的输出模块配置为控制驱动电机、电液调节阀、喷淋器、状态指示灯等。PLC系统通过图形操作终端F940GOT 现场显示信息。模块FX2N-485-BD 用于与上位机通信，完成监控和故障诊断任务。

图1 带式输送机控制系统方框图

2 调速系统的控制策略

PID 控制由于简单、可靠、稳定、易于实现等优点，被广泛应用于工业过程中。直到今天，超过90%的控制回路都采用了PID 控制。传统的PID 控制过于依赖于控制对象的模型，而参数的鲁棒性是较差的[4]。带式输送机控制系统为非线性时变不确定系统，因此，很难建立准确的系统数学模型。使用传统的控制器无法取得良好的控制效果。为了实现调速，采用模糊自调参数PID 控制[5]。下页图2 显示了控制系统的结构图。模糊控制的优点在于快速调整，提高了动态性能，但不能提高稳态特性。如果控制动作太频繁，可能发生振荡，电机轴容易损坏。一种基于无控制作用区的控制算法是一个很好的解决方法。首先设置一个固定参数，然后根据误差与参数的关系，采取不同的控制动作。当误差大于参数时，采用模糊参数PID 控制来快速稳定系统。当误差小于参数时，采用固定参数PID 控制，减少控制程序的运行时间，提高执行效率。这里需要考虑误差的设定值，当误差过小时，煤矿带式输送机控制系统频繁启动，控制对象难以稳定。如果误差太大，则会出现长期延迟。

图2 模糊自调谐参数PID 控制系统

通过控制器中的程序实现了模糊控制的实时应用。本研究最终通过PLC 的程序实现了模糊控制。执行模糊控制有两种方法，一种是在线算法，另一种是离线算法。在在线算法中，依次进行实时采样、模糊化、模糊识别、去模糊化和输出。在离线算法中，将模糊规则以表的形式写入控制器中。模糊处理的任务是在脱机模式下完成的。在实时控制中，处理步骤包括采样、表查找和输出[6]。为了简化编程，提高实时性能，采用了第二种方法。

3 多电机驱动器的功率平衡问题研究

大型带式输送机距离长，容量大，需要较大的驱动力。在皮带张力范围内，单台电机不能产生足够的驱动力。大型带式输送机采用多电机驱动方式，降低带强度和功率电压的要求。在良好情况下，功率分配比与电机间的驱动力比相同。但实际上，由于各种因素的影响，实际功率的分布有较大的偏差。因此，皮带的张力被重新分配，电机的功率不平衡。电机超载严重时甚至会被损坏，因此带式输送机系统的正常运行需要电机的动力平衡。

功率平衡的本质是保证实际功率比近似等于设计比。通过调速来实现平衡。电机的转速表示电机的负载。如果电机过载，则对液压电机进行润滑，以驱动内齿轮圈旋转。因此，驱动鼓速度降低，电机负载相应降低。在带式输送机运行过程中，电机的功率为：

式中：U 为电压；I 为电流；η 为效率；cosφ 为功率因数。U、η 和cosφ 对相同类型的电机和相同的电源系统保持不变。所以电机的电流反映了它的功率。根据负荷电流进行功率调整。控制器控制拉杆在液压接头中的位置，以达到功率平衡。如果负载电流较大，拉杆向前移动，液力耦合器的流量减小。最后，电机的输出功率降低。图3 为功率平衡控制系统的方框图，其中选择输送皮带速度和电机电流作为控制量。分析参考电流、负载电流和速度后，控制步进电机，调节拉杆的位置，从而实现了平衡功率分配的目的。

图3 功率平衡控制系统的方框图

在本研究中，带式输送机有两个驱动鼓，每个鼓由两个电机驱动。带式输送机中驱动装置的处置情况如图4 所示。控制对象为四个电机。显然，它是一个多输入多输出系统，四个电机之间有强耦合。

图4 带式输送机内传动装置的处理

经过分析，对四台电机的功率平衡选择了跟踪方法。选择一个电机为主要电机，其他三个电机为跟踪电机。为了简化问题，在启动过程中不考虑功率平衡。启动完成后，将调用功率平衡程序。具体来说，主电机的转速根据速度曲线进行控制，并采用模糊PID 控制来调节其他电机的电流。功率平衡流程图见图5。

图5 功率平衡工作流程图

4 结论

1）当误差大于给定参数时，采用模糊参数PID控制来快速稳定系统。当误差小于参数时，采用固定参数PID 控制来减少运行时间。

2）由于正常运行带式输送机系统需要电机的动力平衡，提出了一种实现电动机功率平衡的跟踪方法：一个电机作为主要电机，其他电机为跟踪电机。主电机的转速根据转速曲线进行控制，并采用PID 模糊控制来调节其他电机的电流。该控制策略被应用于已开发的系统中，并取得了良好的效果。