带式输送机运行过程动态优化控制设计及实验研究.pdf

试验研究andDevelopmentNo.7,2023ManagementMechanical2023年第7 期Total243机械管理开发总第2 4 3期D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.033带式输送机运行过程呈动态优化控制设计及实验研究朱晓倩（晋能控股煤业集团四老沟矿维修中心，山西大同037000)摘要：为解决当前带式输送机在变频调速过程中无法保证设备安全性的问题，在对带式输送机能耗分析的基础上，提出了采用渐消记忆递推最小二乘法对带式输送机的能耗参数进行预测，采用两层结构的动态优化控制器对输送带的带速进行最优化控制，通过构建实验系统的方式验证了动态优化控制的节能效果和安全性。关键词：带式输送机；动态优化控制；渐消记忆递推最小二乘法；带速中图分类号：TD528.1文献标识码：A文章编号：10 0 3-7 7 3X(2023)07-0083-030弓引言带式输送机为综采工作面的核心运输设备，随着综采工作面生产能力的提升，带式输送机将朝着长距离、大运量、高运速以及多电机的方向发展。目前，带式输送机控制主要表现的问题为，设备处于恒速的模式运行，并不能够根据实时运量对运输速度进行调整，从而导致在小运量的时候出现严重的电能浪费现象。虽然，当前国内针对上述问题已经开展了系列研究，一定程度上解决了带速不能根据运量实时调整的问题，但是，在控制过程中忽略了自适应控制对输送带动态特性的影响，容易导致输送带出现打滑、断带等事故的发生。基于此将重点开展带输送机运行过程中的动态优化控制，并对所设计的优化控制策略进行实验研究。具体阐述如下。1带式输送机能耗分析所研究带式输送机为钢绳芯类型,其主要结构如图1所示。如图1所示，所研究带式输送机为三电机驱动的双滚筒类型。在实际运输过程中，带式输送机所承受的阻力包括有主要阻力的压陷阻力、托辊运行阻力、皮带弯曲阻力、物料损耗阻力、倾斜阻力、附加阻力的物料与皮带之间的摩擦力、输送带与滚筒处的弯曲阻力、输送带与导料槽之间的摩擦阻力以及特种阻力等-2 。考虑到带式输送机的实际能耗与其工作的环境和设备的运行状态相关。为了准确掌握带式输送机的能耗情况，本文将采用MATLAB软件对两个不同工况下的能耗进行分析。得出带式输送机的能耗P计算41一机头；2 一机尾；3一张紧装置；4 一上行段托辊；5一下行段托辊图1带式输送机结构示意图如式(1)所示：2P=0,ut?+02u+0(1)V3.6式中：为带式输送机输送带的速度；T为带式输送机的运行时间;0 1、6 2、0 3、0 4 分别为与带式输送机输送带宽度、物料密度、输送带的补偿长度以及其他机械结构相关的系数,其根本上与带式输送机的实际工况相关。本文将根据算法准确模拟带式输送机的实际工况参数,为了确保模拟数值的准确性 3-4 。本文采用渐消记忆递推最小二乘法对带式输送机的实际工况进行模拟；但是，对于渐消记忆最小二乘法而言，最关键的是确定其最佳的遗忘因子，以保证所模拟的工况参数与实际工况参数相符。为了得到渐消记忆递推最小二乘法的最佳遗忘因子，对遗忘因子分别为0.9 5、0.9 7 0.9 9 和1时对应模拟的工况与实际工况的差距。仿真设置条件如下：设定带式输送机对应的给料速度为8 0 0 t/h，其带速设置如式（2）所示：(t)=2+TTcOs 2 T t+Tcos(Tt+T）.(2)2643不同遗忘因子对应的带式输送机的工况模拟结果和实际工况参数对比仿真结果，如表1所示。如表1所示，当遗忘因子为0.9 7 时，带式输送机四项参数的模拟值与其真实值最为相近。因此，为了能够获取带式输送机的最准确的工况参数，本文采用渐消记忆递推最小二乘法对其工况参数进行获取，其中设定遗忘因子为0.9 7 5-6 表1带式输送机模拟工况与实际工况参数对比遗忘因子2真实值2.400 10-48 666.000.003552.0001-3.708 6 10-43.251040.003251.92730.99-1.462 1 10-49.731040.003352.152.70.982.262 8 1048 674.340.003552.002 80.972.399 9 10-48 666.000.003 552.000收稿日期：2 0 2 2-0 4-0 2作者简介：朱晓倩（19 9 3一），女，山西大同人，本科，毕业于辽宁工程技术大学，助理工程师，研究方向为带式输送机。84第3 8 卷机械管理开发2带式输送机动态最优控制及实验研究在能够准确对带式输送机工况运行参数准确获取的基础上，即获得了对带式输送机动态最优控制的依据。本节将实现对带式输送机的动态最优控制，并对最优控制的效果通过实验进行评估 7 2.1带式输送机运行过程中动态最优控制策略本文针对带式输送机运行过程中的最优化控制的对象为输送带的速度。为了解决传统带式输送机最优化控制时，忽略对输送带打滑甚至断裂故障的问题，需对输送带实际运行过程中的动态特性进行分析。采用如图2 所示的动力学模型对带式输送机的动态特性进行分析。S1S2SkBC-lC2+1CiMmr-1mj2Mmij+lkk-l+2+1SSit2mk一弹性阻尼系数；c一阻尼系数；m一质量；s一运行速度图2带式输送机动力学模型针对带式输送机实时速度的动态最优化控制，采用双层结构的动态优化控制策略，具体如图3所示。广义带式输送机模型给料速率带速设定值动态PI带式输送机优花约束图3带式输送机双层结构的动态优化控制策略如图3所示，双层结构的动态优化控制策略包括有两部分，一部分为基于渐消记忆递推最小二乘法对带式输送机运行速度的预测；另一部分为对带式输送机运行速度的实时控制，保证输送带实际速度能够跟踪预测的速度运行 8 9 。基于带式输送机的动力学模型和运行过程中最优化控制策略所建立的带式输送机的动态优化控制器模型如图4 所示2.2带式输送机动态优化控制实验研究为验证上述所设计的带式输送机双层结构的动态优化控制策略对应的控制效果。本小节结合上述控制策略基于Simulink软件建立带式输送机的动力学模型并为其配套加人动态优化的控制策略；在模型算法设计的基础上，基于dsPACE软件构建实验系统，所构建的实验系统如图5所示。本次实验研究设定的带式输送机输送带的目标速度为4 m/s，带式输送机加速时间为10 s10。基于渐消记忆递推最小二乘法（遗忘因子为0.9 7)时对带式Serial SetupSerial SeupDS1202SER_SETUP_CIDS1202SER_SETUP_C2Speeds6所有微元段速度RXBytesP1(z）DisplacementSenial ReceiveNumRXBytes数据处理所有微元段位移StahusSpeedBelt_SpeedSpeedDS1202SER_RX_C1带速Data StareAacelerationWnite3加速度带式输送机模型Data Store给料速率Memory单位长度承载物料质量NumTXBytes3Data_PmcessinTXBytesSerialTransmitDataStore数据处理Stabus3Read能耗DS1202SER_TXC1图4带式输送机运行过程中动态优化控制器模型PCMATLAB/SimulinkRTIControlDesk仿真软件实时接口库上位机软件1EthemetRS2321虚拟带式输送机MicroLabBox控制器图5带式输送机动态优化控制效果评估实验系统输送机的能耗参数预测结果如表2 所示。表2带式输送机工况参数预测结果参数24指标2.373 3 10-48 566.30.003 151.6804根据表2 中对带式输送机运行工况参数的预测结果，并按照所设计的带式输送机运行过程动态优化控制策略对不同运量下对应的节能效果进行对比,对比结果如表3所示表3带式输送机动态优化控制节能效果运量/(t/h）传统控制算法/kWh动态优化控制算法/kWh节能率/%1000280.3235.815.881300339.4307.69.371700419.8404.93.551 200319.5283.711.21如表3所示，采用带式输送机动态优化控制策略后节能效率最高可达15.8 8%。同时，在实验过程中发现，按照所预测的工况对带速进行控制，其加速度最大不超过0.3m/s,加速度值较小，在很大程度上避免了带式输送机输送带打滑甚至断带故障的发生，极大地提升了带式输送机调速的安全性和可靠性。3结论带式输送机为煤矿综采工作面生产的关键运输设备，针对传统带式输送机的恒速控制容易导致出现“大马拉小车”的问题，从而造成了电能极大的浪费。虽然，变频调速实现了带式输送机带速与运量相匹配的高效控制，但是在控制过程中忽略了设备运输安全性的问题,尤其是输送带打滑甚至断裂的故障。本文aSharSt编辑：李俊慧上接第8 2 页（编辑：王婧）上接第8 0 页iina)ionD编辑：王慧芳）85.2023年第7 期朱晓倩：带式输送机运行过程动态优化控制设计及实验研究开展了带式输送机运行过程动态优化控制设计及实验研究，并总结如下：1)基于渐消记忆递推最小二乘法实现了带式输送机的工况的精准预测，最佳遗忘因子为0.9 7。2)实验表明，采用动态优化控制策略后节能效果最高可达15.8 8%；而且在控制过程中极大地提升了设备的安全性和可靠性。参考文献1唐印伟，路延秋.矿用大型带式输送机控制系统优化设计研究J.煤炭技术,2 0 10(2)：38.2闫明，王然风.基于ARM的矿用带式输送机控制器优化设计 J.矿业研究与开发，2 0 17,37(9）：4 5-4 6.3雷汝海，赵强矿井带式输送机节能优化与智能控制系统研究J.煤炭技术,2 0 17,36(12)：18 4-18 6.4孟庆睿，侯友夫.带式输送机液粘软起动装置优化模糊控制研究J.中国矿业，2 0 0 7,16（8：15.5刘建英，方月.带式输送机滚筒受力分析及结构优化研究 J.中国煤炭，2 0 16,4 2(11）：6 9-7 0.6冯彬，李军霞，梁绍伟.带式输送机盘式制动器控制系统性能研究J.煤炭技术,2 0 19(2)：11-19.7邢金岭，XING,Jin-ling，等.变频驱动带式输送机功率平衡控制研究 J.煤炭科学技术，2 0 14(5)：59-6 0.8徐瑞银，黄和平，陈云民.带式输送机冲击特性分析与优化 J.金属矿山，2 0 0 5(9)：51-53.9陈永衡，张雪雁，康忠民.带式输送机动态特性优化设计与计算机仿真 J.辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2 0 0 3（8）：36.10任志玲，李彦鹏，王学虎，等.基于多变量遗传算法带式输送机节能优化策略 J.计算机仿真，2 0 2 0（9）：114-115.ynamic Optimization Control Design and Experimental Study of Belt Conveyor OperatiProcessZhu Xiaoqianinneng Holding Coal Industry Group Silaogou Mine Maintenance Center,Datong Shanxi 037000,ChAbstract:In order to solve the problem of neglecting equipment safety in the current frequency conversion speed control process of beltconveyors,based on the analysis of energy consumption of belt conveyors,a gradual elimination memory recursive least squares method isproposed to predict the energy consumption parameters of belt conveyors,and a two-layer dynamic optimization controller is used tooptimize the control of the belt speed of the conveyor belt,The energy-saving effect and safety of dynamic optimization control were verifiedby constructing an experimental system.Key words:belt conveyor;dynamic optimization control;progressive memory recursive least squares method;belt speed术研究应用 J.能源技术与管理，2 0 2 2,4 7 1)：57-6 0.9任鹏军.充填综采液压支架的支护特性研究及工程应用 J.现代矿业,2 0 2 1,37(12):2 0 1-2 0 2;2 0 6.10邹晓华.供液系统对液压支架自动化跟机动作的影响研究 J内蒙古石油化工，2 0 2 1，4 7（11）：35-37.11吴文晓.综采放顶煤液压支架动态承载特性及适应性研究 J.山西冶金,2 0 2 1,4 4(6)：14 5-14 6;14 9.12种阳，杨建辉，朱兴攀，等.浅埋煤层超长距离工作面放顶煤液压支架结构研究 J.煤矿机械，2 0 2 1,4 2(9)：111-113.Analysis of the Fatigue Life of Hydraulic Supports under Eccentric LoadHu Caixia(Datong Mechanical and Electrical Equipment Central Machine Factory,Jinneng Holding GroupEquipment Manufacturing Co.,Ltd.,Datong Shanxi 037001,China)Abstract:The fatigue life of the hydraulic support under eccentric load was analysed in the form of finite element simulation.The resultsshow that the minimum fatigue life value of the top beam is 1 541 times and the minimum fatigue life value of the base is 4 861 times,and thestructural optimization design is carried out at the minimum life position of the top beam to improve its fatigue life more than 2 000 times.Key words:hydraulic support;eccentric load;fatigue life;simulation analysis5吕秀丽.新型两产品重介质旋流器的数值模拟研究与实践 J.煤炭技术，2 0 15（8）：2 8 1-2 8 3.udyontheControlofInletPMedia CycloneHan Bianbianxi Coking Coal Huozhou Coal and Power Bailong Coal Washing Plant,Linfen Shanxi 031400,ChinAbstract:In order to solve the problems of unstable inlet pressure control and lagging suspension density control of heavy media cyclone,based on the overview of heavy media sorting technology,the problem of unstable inlet pressure of cyclone was demonstrated through theoryand practice,and the idea of using fuzzy PID control strategy was proposed to solve.The control effect of fuzzy PID is verified by means ofsimulation,which lays a solid theoretical foundation for future practical production.Key words:heavy media cyclone;suspension density;inlet pressure;fuzzy PID controller;sorting