刮板输送机启动装置不同控制方式的性能分析_孟佑俊.pdf

刮板输送机启动装置不同控制方式的性能分析孟佑俊（晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西大同037041）摘要：刮板输送机运载量较大时，启动过程中对自身结构及供电系统造成的冲击作用较大，影响矿井开采的稳定可靠性。对刮板输送机设计 S 型速度启动曲线，并采用 PID 控制及模糊 PID 控制对启动阶段进行控制性能的仿真分析，结果表明，模糊 PID 控制能够较快地达到理想的启动状态，减小启动阶段的冲击作用。关键词：刮板输送机；启动装置；PID；模糊 PID；控制性能中图分类号：TD528+.3文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0052-020引言我国的经济发展对煤炭资源具有大量的需求，随着采煤技术地不断发展，提高煤炭的开采效率是矿井发展中面临的重要问题。随着煤矿综采及大采高技术的应用，刮板输送机作为煤炭输送的重要设备在开采过程中广泛应用1。随着开采量地增加，刮板输送机的重型化应用逐渐增多，由于其井下恶劣的工作环境，在工作过程中的可靠性成为影响煤矿开采效率的重要因素。刮板输送机的运载量较大，在生产过程中启动较为困难2，造成较大冲击，对链轮及链条的寿命造成影响，且对供电系统也产生冲击。针对刮板输送机的启动控制过程，采用 PID 控制及模糊控制的方式对启动装置在不同启动工况下的性能变化进行分析3，从而优化刮板输送机启动装置的控制方式，改善启动过程中的冲击作用4，提高刮板输送机使用的稳定可靠性，提高煤矿的开采效率。1刮板输送机启动装置不同控制方式的设计刮板输送机启动装置主要包括机械系统、液压系统、润滑系统以及传感系统。机械系统提供启动过程的动力作用，液压系统提供控制压力5，润滑系统为传动部件提供润滑及冷却的作用，传感系统对系统的状态进行参数采集，对状态进行反馈。刮板输送机工作过程中的承载量大，启动过程中具有较大的惯性作用造成启动困难。刮板输送机启动过程中，链条结构承受较大的冲击作用6，造成较大的负荷，长期的使用造成链条及其他结构的使用破坏，影响结构的使用寿命。依据刮板输送机的特性对启动方式进行软启动控制，从而改善启动过程中受到的冲击作用。在启动过程中，为减小启动电流对电网造成的冲击7，应尽量减小启动的电流值及加速度。为此对刮板输送机的启动过程设置 S 型的启动速度曲线8，保证启动的加速度曲线变化缓慢，避免启动电流值过大，减小供电设备的负荷；同时 S 型启动的速度曲线加速度的变化呈抛物线形态9，使得链条的张力可以双向延伸，提高链条的使用寿命。在启动过程中，先采用空载启动的方式，当电机完全启动后，再进行带载启动，推动刮板输送机的运行。对刮板输送机 S 型速度曲线的启动过程进行控制，常规的控制方式采用 PID 控制，其控制原理如图1 所示，这种控制方式简单易于实现，在过程控制的行业中具有广泛的应用。PID 控制中的比例系数、积分时间系数及微分时间系数对系统的响应性能产生一定影响，依据系统的调试结果10，对三个参数进行优化取值，确定最优的控制性能。其中，比例系数主要影响启动控制的响应速度及调节精度，积分时间系数主要影响启动控制的静态误差，微分时间系数主要影响启动控制的动态误差。模糊控制是通过模糊控制理论的误差及其变化率及变化率的速率变量进行系统控制的方式，模糊PID 控制将模糊控制与 PID 控制方式相结合对启动过程进行控制11。模糊 PID 控制常用的控制方式如图2 所示，将两种控制方式进行串联结合，依据 PID 的参数及偏差值进行模糊推理，依据启动阶段系统的变收稿日期：2022-04-22作者简介：孟佑俊（1996），男，山西灵丘人，本科，毕业于太原理工大学现代科技学院，助理工程师，研究方向为矿业工程。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.021图 1PID 控制的原理图 2模糊 PID 控制原理比例积分被控系统微分uj（t）e（t）u（t）u0（t）KpKiKdKp=Kp+KpKi=Ki+KiKd=Kd+KdeecEEc模糊化模糊推理PID控制器控制系统n0（t）ni（t）e传感器ddt试验研究2023 年第 6 期化进行 PID 参数的实时调整，从而能够更加精确地控制响应系统。2刮板输送机启动装置两种控制方式的性能分析对刮板输送机启动装置在两种控制方式下的表现性能进行分析，启动装置的液压系统包括机械及控制系统，采用多软件联合仿真的形式对控制性能进行分析。通过 MATLAB 软件进行 PID 控制及模糊 PID控制器的搭建12，在 AMESim 软件中进行启动装置液压系统的搭建，充分发挥不同软件建模分析的优势，实现对控制系统性能的仿真分析。依据启动装置的液压系统组成，完成模型的搭建，对刮板输送机在空载启动及带载启动的控制性能分别进行研究分析。在模型中两者的结构一致，带载启动增加载荷的信号源，依据实际的工作状态模拟运煤的载荷，空载启动阶段则主要受到刮板输送机链条的阻力作用。通过软件的接口模型将 AMESim 中的模型数据导入到 MATLAB 中进行联合仿真分析，设置空载启动阶段的仿真时间为 40 s，带载启动阶段的仿真时间为 50 s，对刮板输送机的控制性能进行分析。在空载阶段，刮板输送机没有煤料，此时刮板输送机主要受到链板的阻力作用，输送链轮的理想转速信号及输出变化如图 3 所示。从图 3 中可以看出，在S 型曲线启动的过程中，在初始的阶段中，S 型曲线的速度值较小，此时两种控制方式均没有动作，在经过5 s 后模糊 PID 控制产生输出信号接近于理想曲线，PID 控制在 5.7 s 时产生输出信号，与理想信号的差值较大；两种控制方式输出信号不断接近理想值，模糊 PID 控制的输出值差值较小，且在 15 s 时接近理想信号值，PID 控制的输出值在 17.5 s 时接近理想信号值，然后两种控制方式的输出值均保持与理想值同步变化。由此说明，在空载启动时，模糊 PID 控制对速度点控制更加精确，且更快达到系统的稳定值，比PID 控制的性能要好。在带载阶段，刮板输送机具有之前落煤的煤料，此时刮板输送机带载侧受到链板及煤料产生的阻力作用，无载侧受到链板的阻力作用，输送链轮的理想转速信号及输出变化如图 4 所示。从图 4 中可以看出，在整体上，带载阶段 S 型曲线启动过程达到稳定的时间要大于空载阶段所需的时间。在初始的阶段中，S 型曲线的速度值较小，此时两种控制方式均没有动作，在经过 5 s 后模糊 PID 控制产生输出信号接近于理想曲线，PID 控制在 5.7 s 时产生输出信号，且与理想转速信号具有较大的差值；两种控制方式输出信号不断接近理想值，模糊 PID 控制的输出值差值较小，且在 17.5 s 时接近理想信号值，PID 控制的输出值直到 30.2 s 时才能够接近理想信号值，然后两种控制方式的输出值均保持与理想值同步变化。由此说明，在带载启动时，系统达到稳定的时间远大于空载启动，且模糊 PID 控制对速度点控制更加精确，且更快达到系统的稳定值，比 PID 控制的性能要好。3结语刮板输送机是进行煤矿开采过程中重要的输送设备，由于其承载量较大，造成在启动阶段的冲击作用较大，对自身结构寿命及供电设备造成影响。针对刮板输送机的启动过程采用 S 型速度曲线软启动的方式，并对 PID 控制及模糊 PID 控制对启动阶段的控制性能进行仿真分析。结果表明，在空载启动及带载启动阶段，模糊 PID 控制在软启动过程中的控制精度及稳定时间要高于 PID 控制，可以较快达到理想状态，减小系统的冲击作用，提高刮板输送机的使用稳定可靠性。参考文献1刘建伟，韩存地，刘安强，等.刮板输送机煤流动态分布模型J.矿山机械，2022，50（4）：1-6.2黄智军.采掘工作面刮板输送机自动张紧装置控制系统研究J.机械管理开发，2022，37（2）：250-251；254.3任文永，刘引军，丰界泽.基于瓦斯浓度预测的采煤机与刮板输送机协调控制研究J.煤炭技术，2021，40（3）：141-145.4崔若凡.智能刮板输送机驱动系统关键技术分析与应用J.矿业装备，2022（1）：268-270.5刘帅.刮板输送机伸缩机尾自动张紧控制系统的安装调试及验证J.煤矿机械，2022，43（1）：151-152.6杜伟.30902 综采工作面刮板输送机与采煤机协同调速技术应用J.煤，2021，30（12）：38-40.图 3空载阶段链轮转速的理想值与输出值变化曲线图 4带载阶段链轮转速的理想值与输出值变化曲线50403020100102030400时间/s转速/（r min-1）输入信号模糊 PID 输出PID 输出40302010010203040500时间/s转速/（r min-1）输入信号模糊 PID 输出PID 输出（下转第 56 页）孟佑俊：刮板输送机启动装置不同控制方式的性能分析53机械管理开发第 38 卷析，通过对以上四种因素的仿真结果分析，可以发现对裂纹影响最强的为支撑弹簧刚度，对裂纹影响最弱的为初始角度，中间的分别为初始裂纹位置和裂纹深度。结合以上分析可以了解到弹簧永久变形故障是造成振动筛大梁裂纹扩展的主要因素，这便要求相关人员积极做好对支撑弹簧的维护保养工作，从而更好地提高振动筛设备的运行稳定性，促进煤矿企业的健康发展。（编辑：王婧）Research on Crack Propagation Characteristics of the Vibration Screen Beam for CoalWashing and SelectionXue Zhen（Datong Fenlei Washing Equipment Co.,Ltd.,Datong Shanxi 037300）Abstract:By using finite element analysis,the influence of crack location,depth,angle,and support spring stiffness on cracks is studied.After understanding the impact of different aspects on a large number of cracks,it is helpful for relevant personnel to do a good job inequipment maintenance and promote the healthy development of coal mining enterprises.Key words:coal washing;vibrating screen beam;crack propagation characteristics7司垒，李嘉豪，谭超，等.矿用刮板输送机垂直冲击下负载电流特性研究J.煤炭科学技术，2023，51（2）：400-411.8陈宇鸣.基于 SINS/UWB 的刮板输送机高可靠性直线度检测技术研究D.徐州：中国矿业大学，2021.9陈迪蕾，郑征，黄涛，等.基于采煤机和刮板输送机能耗模型的速度协同优化控制J.煤炭学报，2023,51（2）：400-401.10刘超.综采工作面采煤机和刮板输送机运行速度协同控制研究J.煤矿现代化，2021，30（3）：122-124.11徐启一帆，李斌，郑锋，等.综采工作面刮板输送机智能调速系统设计J.自动化应用，2021（9）：133-135.12贺虎成，王成，师磊，等.刮板输送机双电机驱动变频控制策略研究J.煤炭工程，2021，53（9）：89-94.（编辑：王婧）Performance Analysis of Different Control Methods for Starting Device of Scraper ConveyorMeng Youjun（Jinneng Holdings Coal In