多机驱动带式输送机功率平衡模糊控制方法.pdf
第 4 O卷 第 3期 2 0 1 4年 3月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t omat i o n Vo 1 . 4 0 No . 3 M a r . 2 0 1 4 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 4 0 3 0 0 6 9 0 5 D OI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 4 . 0 3 . 0 1 9 杨光辉 , 安琪. 多机驱动带式输送机功率平衡模糊控制方法I - j ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 4 , 4 0 3 6 9 7 3 . 多机驱动带式输送机功率平衡模糊控制方法 杨 光辉 , 安 琪 中国矿业大学 信息与电气工程学院,江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 针对 以调 速 型液 力偶合 器作 为驱 动装 置 的带 式输 送机 多机 驱动 系统 采 用传 统 方 法控 制各 驱 动 电 动机之 间的功率平衡 , 存在 系统运行过程 中动态特性较差、 功率平衡调节精度较低等问题 , 提 出一种 多机驱 动带式输送机功率平衡模糊控制方法 对液力偶合 器涡轮转速实行闭环控制 , 保证在工作机 负载发生变化时 带式输送机具有恒定不变的带速; 转速调 节器采用模糊控制器代替传统的 P I D控制器, 以提 高功率平衡 的 调节精度 。Ma t l a b仿真结果表明, 采用模糊控制方法可有效改善 系统动态性能, 提高功率平衡调节精度 。 关键 词 带式输 送机 ;功率 平衡 ; 液 力偶 合 器 ;多机驱 动 ; 转 速 闭环 ; 模 糊 控制 器 中图分类 号 T D6 3 4 . 1 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 4 0 3 0 6 1 0 1 1 网络 出版地址 h t t p / / www. c n k i . n e t / k c ms / d o i / 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 l x . 2 0 1 4 . 0 3 . 0 1 9 . h t ml Fu z z y c o nt r o l me t ho d o f p o we r ba l a n c e o f mu l t i mo t o r d r i v i ng b e l t c o nv e y o r YANG Gu a n g h u i , AN Qi S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g,Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y , Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ,Ch i n a Abs t r a c t I n v i e w of pr ob l e m o f m u l t i m o t o r dr i v i ng s ys t e m o f b e l t c on ve y or whi c h t a ke s s pe e d v a r i a bl e h y d r a u l i c c o u p l e r s a s d r i v i n g d e v i c e a n d u s e s t r a d i t i o n a 1 me t h o d s t o c o n t r o l p o we r b a l a n c e b e t we e n d r i v e mo t o r s .n a me l y d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s y s t e m i s p o o r d u r i n g i t s r u n n i n g p r o c e s s a n d a d j u s t me n t a c c u r a c y o f po we r ba l a n c e i s l o w , t he pa pe r pr o po s e d a f uz z y c on t r o l me t ho d o f p owe r ba l a nc e o f mul t i mo t o r d r i v i n g b e l t c o n v e y o r i mp l e me n t c l o s e d l o o p c o n t r o l f o r t u r b i n e s p e e d o f h y d r a u l i c c o u p l e r s ,s o a s 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 1 3 ; 修回 日期 2 o 1 3 一 l 1 1 5 ; 责任编辑 胡娴 作者简介 杨光辉 1 9 8 7 ~ , 男 , 河南开封人 , 硕士研究 生 , 研究方 向为大功率传动 系统 , E ma i l y a n g 1 2 1 4 0 7 3 1 6 3 . c o rn。 参考 文献 [1 ] [2] [3 ] [4 ] [ 5] [6 ] 陈志梅 , 张井 岗 , 曾建 湖. 交流伺服系统 的积分 模糊 滑 模控制 [ J ] . 电机 与控 制学 报 , 1 9 9 9 , 3 1 3 8 4 1 . 骆再 飞, 吴文 昌. 动态 积分 滑模控 制及其 在交 流伺 服 系统 中的应用 [ J ] . 机 电工程 , 2 0 0 6 , 2 3 7 1 4 . 高航 , 蒋 东芳 , 蒋 晶. 直流电动机 的优化滑模 变结构控 制 r J ] . 计算机仿 真 , 2 0 0 9 , 2 6 8 3 4 1 3 4 4 . 夏长亮. 无刷直流 电机控制系统 [ M] . 北京 科 学 出版 社 , 2 0 0 9 . 安 树. 反 演 滑模 控制 在 B L D C M 伺 服 系统 中 的应 用 [ J ] . 机 械工 程与 自动化 , 2 0 0 8 6 1 6 1 1 6 3 . 郭亚军 , 马大为 , 王 晓锋 , 等. 反 演控制 在交 流位 置伺 服系统 中的应用I- J ] . 机床与液压 , 2 0 1 1 , 3 9 1 7 4 7 6 . 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Ke y wo r d s b e l t c o n v e y o r ; p o we r b a l a n c e ;h y d r a u l i c c o u p l e r s ;mu l t i mo t o r d r i v i n g;s p e e d c l o s e d l o o p; f uz z y c o nt r ol l e r 0 引言 目前 , 我国煤矿井下大功率带式输送机常采用 多 电动机 驱 动方式 _ 1 ] 。当带 式输送 机 采用 多 电动机 驱动时, 必须要保证各 台驱动电动机之间的功率平 衡 , 即保 证 工作机 负 载 在 各 驱 动 电动 机 之 问 均 匀 分 配 。若 各驱 动 电动 机 之 间 出现 功 率 不 平 衡 , 则 会 造 成 有 的 电动 机欠 载 , 有 的电动 机超 载 , 欠 载 电动机 甚 至会成 为其 他 电动 机 的 负 载 , 超 载 电 动机 则 可 能 会 被 烧毁 , 严 重危 害带 式输 送机 的安 全运 行 , 影 响煤 矿 安全 生产 。 调节 带式 输送 机功 率平衡 的常用 驱动 装置有 变 频调 速驱 动装 置 、 液体 黏性 调 速 离 合 器 和调 速 型 液 力偶 合器 驱动 装置 [ 2 ] 。变频调 速驱 动装 置 能获得 较 好 的驱 动性 能 , 启 动 、 制动过 程 中能获 得 可控 的速度 曲线 , 并具有较好的节能效果, 但其价格和维护费用 都比较高, 对井下工作环境和散热条件都有较高的 要求 , 且 以 目前 的技术 状况 来看 , 用 于煤 矿井 下 的防 爆变频器的功率还不能做到足够大 , 这些都限制了 变频器调速装置在煤矿井下的应用 。液体黏性调速 离 合器 利用 工作 液 体 的 黏性 力 来 传 递 力 矩 , 可 按 照 带式输送机的设计要求实现软启动 , 调节功率平衡 时也能获得较高的调节精度 。但该设备主要依赖进 口, 价 格较 高 是 限制 其 使 用 的主 要 因 素 ] 。相 较 于 以上 2种 驱动 装置 , 液力 偶 合 器 驱 动 装 置具 有 较 高 的性价比, 可实现驱动电动机 的空载启动 , 并能满足 带式 输送 机可 控启 动 和 功 率 平 衡 的要 求 , 保证 带 式 输送机安全运行 , 是我国煤矿井下广泛使用的驱动 装置 。 调速型液力偶合器大多采用开环控制 , 这种控 制方 式 较简单 , 但 会 降 低 带 式输 送 机 多 机 驱 动 系 统 运行过程的动态特性 , 工作机负载发生变化时, 带式 输送机带速也会发生变化 , 系统的功率平衡调节精 度和传动品质也因此受到影响。液力偶合器作为一 种液力传动元件 , 其动态特性十分复杂 , 在实际应用 中难 以建立精确的数学模型[ 4 ] , 控制参数不易确定, 且在 调节 量较 大时 具 有 明 显 的饱 和特 性 , 难 以实 现 精确控制 。为了改善系统的动态特性 , 提高 系统功 率平衡 的调节 精度 , 本 文 提 出对 液 力偶 合 器 涡 轮实 行转速闭环控制 , 以保证在工作机负载发生变化 时 带式 输送 机具 有恒 定 不 变 的带 速 ; 转 速 调 节器 采 用 模糊 P I D控制器 , 用模糊语言实现对液力偶合器的 控 制 - - 。 1功 率平 衡控 制原 理 在理想条件下 , 多机驱动的带式输送机各驱动 电动机 之 间功率 配 比应 与驱动 力配 比相 同 。在 实 际 应 用 中也 常采 用生 产 厂 家 和 型号 完 全 相 同 的设 备 , 但 由于生产 方 面 的原 因 , 相 同规 格 的 驱 动 电动 机 其 实 际机械 特性 也会 存 在 差 异 , 各 驱 动 滚 筒 的 实 际 直 径存在偏差, 再加上安装时的误差率 、 输送带伸长率 以及其他环境 因素的影 响, 使得驱动 电动机和液力 偶合器的实际联合特性 曲线不一致 。 以 2台 电动 机 驱动 为 例 , 假 设 液 力偶 合 器 和 电 动机联合特性 曲线如图 1中的曲线 1和 曲线 2所 示 。由于驱动电动机和液力偶合器的联合特性曲线 存在偏差 , 当 2台液力偶合器的涡轮具有相 同转速 n 时 , 2台驱动 电动 机 的实际 输 出转矩 、 各 电动机 实 际输出功率发生较大偏离。 图 1 液力偶合器 和电动机 联合 特性曲线 由液力偶合器的工作原理[ 6 ] 可知 , 液力偶合器 的泵轮与涡轮之间为柔性 连接 , 工作 时仅靠工作腔 内的工作液体传递力矩, 其所能传递的力矩 大小与 工作腔内的充液量有关 , 改变工作腔 内的充液量就 可调 节涡 轮输 出转 矩 , 而 充 液 量 的改 变 则 可 通过 液 2 0 1 4年 第 3期 杨光辉等 多机驱动带式输送机功率平衡模糊控制方法 7 1 力偶合器导管开度调节。当液力偶合器和电动机联 合使用时, 调节偶合器的导管开度可调节联合 特性 的软硬度 , 从而调节功率平衡 。从图 1 可知 , 联合特 性曲线 1的硬度明显大于联合特性曲线 2 , 2台驱动 电动机运行于同一转速下时 的输出转矩偏差较大 , 此 时 , 减 小与 特性 曲线 1 所 对应 的偶 合器 导管 开度 , 增 大与特 性 曲线 2所 对 应 的偶 合 器 导 管 开度 , 改 变 2条联合特性曲线 的软硬度 , 则原来 的联合特性 曲 线 1变为曲线 1 , 曲线 2变为曲线 2 , 驱动电动机输 出转矩 M1 M2 , 使 2台驱动 电动机 之 间 的输 出转矩 趋 于平衡 。 对于液力偶合器 , 其泵轮转矩表达式为 MB B p g n D 1 式中 为泵轮转矩 , N m; 为泵轮力矩 系数 ; .0 为工作液体密度 , k g / m。 ; g为重力加速度 , m/ s ; iv/ 为泵 轮转 速 , r / rai n ; D 为工 作腔 有效 直径 , m。 在 实 际应 用 中 , 液 力偶 合 器 常被 置 于驱 动 电 动 机和工作机之间, 偶合器的泵轮和电动机直接相连 , 涡轮和工作机相连 。电动机 的输出转矩是偶合器泵 轮的输人转矩 , 偶合器的涡轮转矩是工作负载的输 人转矩。泵轮转矩方程[ 7 ] 为 MB J e而2 n d n . 2 式 中 T 为 电动 机 的 电磁 转 矩 , N m; J 为 泵 轮 转 动惯 量 , k g I I 1 。 涡轮转矩方程为 M T M 2 一 J 丽2 n 警 3 式中 MT为 涡 轮 转 矩 , N m; MZ为 负 载 转 矩 , N m; J 为 折 算 到 涡 轮轴 上 的涡 轮 转 动惯 量 , k g m。 ; T为泵轮转速 , r / mi n 。 忽略轴承、 密封及空气摩擦 的损失 , 偶合器的泵 轮转 矩 MB 等 于涡 轮转矩 MT , 即 MB 一 MT 4 2模糊控 制 器设 计 当带式输送机 多机驱 动系统采 用传统 的 P I D 控制器调节速度时, 由于控制器的参数整定之后 , 在 系统工作过程 中不再改变 , 工作机负载能在各驱动 电动机之间均匀分配 , 但系统的鲁棒 性较差 。液力 偶合器涡轮转速采用开环控制时 , 工作机负载的变 动会引起带速 的变化 , 降低功率平衡 的调节精度 。 本文针对液力偶合器数学模型 的不确定性 , 建立模 糊控制器 , 使用模糊语言 , 根据专家知识或经验进行 模糊推理 , 最后将输 出的模糊量反模糊化 , 得到 P I D 控制器各参数 的改变量 ; 根据不 同的运行工况实 时 改变 P I D控制器 的参数 , 构成模糊 P I D控制器, 用 于改善系统的动态性能和调节精度。 由于既要 保证 带 式输送 机在 运行 过程 中带 速恒 定 , 又要保证各驱动电动机功率平衡 , 本文采用 2个 模糊 P I D控制器 , 分别用于控制带式输送机的带速 和驱动电动机的功率平衡。2 个模糊 P I D控制器 的 输 出均为 液力 偶合 器 的导管 动作 量 。当 2台驱 动 电 动机的功率不平衡 时, 若一 台液力偶合器的充液量 应增大 , 则另一台液力偶合器的充液量要减小 , 故将 用于控制涡轮转速 的控制器输出量加上 t a去 功率 平衡控制器的输出量就得到对应的液力偶合器的导 管动作量 。 由于系统 由同一 电 网电压供 电 , 供 电电压相 同 , 采用 同种 型号 的电动 机 时 , 它 们 的功 率 因数 近 似 相 等 , 故驱动电动机 的电流大小 能够反映其输 出功率 的大小 。 因此 , 可 把 电 动 机 的 电流 作 为 调 节功 率 平 衡的依据 。系统 中 2个模糊 P I D控制器 的输入量 包括带速偏差 E 、 带速偏差变化率 E 、 驱动 电动机 电流偏差 E 、 电流偏差变化率 E 输 出量为 k 和 k 。变量 的模 糊语 言则 根据 液力偶 合 器 的运 行特 性 和 现场 实际 经验确 定 输 入 变量 E , E 和输 出变 量 k , k 的模 糊集 均 选 为 5 个 语 言 值 , 为 { 负大 NB , 负 小 NS , 零 Z , 正 小 P S , 正 大 P B } , 其 论域 为 { 一5 , 一 4 , 一 3 , 一 2 , 一1 , 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ; 输 入 变 量 E 。 , E 的模 糊集选 为 7 个 语 言值 , 为 { 负 大 NB , 负 中 NM , 负小 NS , 零 Z , 正小 P S , 正 中 P M , 正大 P B , 其论域为{ 一6 , 一5 , 一4 , 一3 , 一2 , 一1 , 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 。输 人变量 和输 出变 量 的隶属 函数 均 采用灵 敏 度较 高 的三角形 隶 属 函数 。模 糊控 制规 则 采用“ I f ⋯T h e n ⋯” 形式 的模 糊语 言实 现 。根据 液 力偶合器的调节特性 和现场工作人员的经验知识 , 得 到相 应 的控制 策略 当带 速小 于设 定值 时 , 增 大 液 力偶合器的充液量, 反之 , 则减小液力偶合器的充液 量 ; 当 2台驱动电动机 电流不相等时, 减小 电流较大 的电动 机 所 对 应 的液 力 偶 合 器 的 充 液 量 , 增 大 另一台液力偶合器 的充液量 。 系 统模 糊 控 制 器结 构 如 图 2所 示 。其 中 , , t , 分别为带式输送机给定带速和实际带速; A v , E 均 表示 与 的偏 差, E 为 73 与 的偏 差变化率 ; 7 2 工 矿 自动化 2 0 1 4年 第 4 O卷 和J 。 分别为 2台驱动电动机 的电流 , 本文取驱动 电动 机 的 A 相 电流 ; A I , E 。 均 表示 I 和 的偏 差 , E 为 工 和 的偏 差变 化率 ; k 和 k 分别 为 2台液 力偶合器 的导管开度控制量 ; A K , A K , A K。分别 为 P I D控制器 比例 、 积分 、 微分参数修正量 。 图 2系统模 糊控制器结构 3仿 真分 析 采 用 Ma t l a b自带 的 异 步 电动 机 仿 真 模 型 进 行 系统仿 真 , 液 力偶 合 器 的仿 真模 型根 据 式 2 一 式 4 建立 。在式 2 和式 4 中都涉及 到了液力偶 合器的泵轮转矩 MB , 由式 1 可知, MR除了与液力 偶 合器 自身 的参数有关外 , 还与泵轮转速和泵轮力 矩系数 有关 , 而 泵 轮转 速 则 和 与 之 相 连 的驱 动 电动 机有关 。对于某一特定系统而言, 系统 中液力偶合 器 的工作 液体 密度 和 工 作 腔 有效 直 径 均 不 变 , 重 力 加速 度为 常值 , 若 驱动 电动 机 的转 速 也 不 变 , 则 MB 只与 泵轮 力矩 系数 有 关 。 由液力偶合器的原始特性曲线可知 , 和泵轮 与涡轮的转速 比 i以及工作腔 的充液量有关 , 对 于 不 同 的转 速 比 i 和 充 液 量 , 都 有 特 定 的 与 之 对 应 。原 始特性 曲线通 常是 根 据 实 验 数据 , 通 过逐 点 计算绘制而成 , 这就使得原始特性 曲线不能包含所 有 的工 况点 , 在有 些 工 况下 无 法 获 知 泵 轮 力 矩 系数 ,这给分析带来很多不便 。为了获得所 有工况下 的 , 本 文利 用 Ma t l a b软 件 对 原 始 特 性 曲 线 进 行 处 理 , 在 已知的工 况 点 下 对原 始特 性 曲线 进 行 三 次 样 条插 值 , 然 后对 所得 数据 进行 曲面拟合 , 这 样就 可 得 到三 维空 间 中所有 工 况 点下 的 , 对任 意 的转 速 比 i 和充 液量 , 通 过 查 表 模 块 即可 获 得 与 之 对 应 的 泵 轮力 矩 系数 。 模糊控制器利用 Ma t l a b自带 的模糊工具箱 中 的 F u z z y l o g i c c o n t r o l l e r 模块结合传统的 P I D控制 器建立 , 系统仿 真模 型如 图 3所示 。 模 糊 P I D 控制器 图 3 系统仿真模 型 本 次仿 真采 用 离 散仿 真模 式 , 仿 真 时 间为 6 s 。 由于对液力偶合器 的涡轮实行转 速闭环控制 , 带式 输送机启动时可按照给定速度曲线启动。仿真开始 时, 2台液力偶合器 的导管开度 均为 0 , 2台驱动 电 动机 空载启 动 ; £ 一0 . 5 S 时 , 带式 输 送 机 的带 速 按 照 S形 曲线 给定 , 最 终带 速 设 定 为 2 . 6 m/ s , 根 据 给定 带速和反馈带速, 由模糊控制器控制偶合器的导管 开度 , 实现带式输送 机的软启动 ; t 一4 S时 , 系统突 2 0 1 4年 第 3期 杨 光辉 等 多机 驱动 带式 输送机 功 率平衡 模 糊控 制方 法 7 3 加 3 0 0 N m 的负载 ; £ 一5 s时 , 只对 一 台 电动机 突 加 3 0 N m 的不平衡负载。 仿真所得的带式输送机带速 V 波形如图 4所 示 , 该波形与偶合器涡轮转速波形相同。从 图 4可 以看 出 , 在 0 . 5 S 之前 , 带式 输送 机 的带 速为 0 , 也 即 偶合器 涡轮转速为 0 , 电动机为空 载, 实现空 载启 动 , 可降低电动机启动 电流对 电网及周 围其他设备 的影响。在 0 . 5 3 . 5 S 之 间为带式 输送机 的软启 动 , 启动完成后带速稳定在 2 . 6 m/ s , 由于偶合器泵 轮为转速闭环控制 , 软启动过程 中实际带速能很好 地跟踪给定带速 , 启动性能较好 。在 t 一4 s 系统突 加 负 载时 和 t 一5 s 系 统 出现 负 载不 平衡 时 , 实 际带 速出现很小的波动 , 但很快就能跟踪到给定带速 。 图 4带 速 波 形 图 5为 2台驱动 电动机 的 A相 电流 I 波形。 0 . 5 S之前为 电动机空载启 动的启动 电流 ; t 一4 S 时 , 系 统突 加 负 载 , 此 时 2台 电 动 机 的 电 流 同 步 上 升 , 证 明负 载能 在 2台 电动 机 之 间均 匀分 配 ; t 一5 S 时 , 系统 出现功率不平衡 , 2台电动机的电流出现偏 差 , 但经过控制器运算并调节偶合器 的导管开度之 后 , 2台电动机的电流偏差减小 , 以较大的电流值为 基 准 , 2台 电动机 的 电 流 只有 1 . 6 的偏 差 , 在 允 许 偏差 范 围之 内 , 保 证 了带式 输送 机 的安全 运行 。 图 5驱 动 电动 机 A 相 电 流 波 形 图 6为 2台驱动电动机的电磁转矩 T e 波形 。 电动机稳定运行时, 其形状与 电动机 A 相电流形状 相似 , 图 6只截取 了电磁转矩在 0 2 0 0 N m范 围 内的波形。从 图 6可以看 出, 在 t 一4 S系统突加负 载时, 转矩响应速度较快 ; 在 £ 一5 S 系统调节功率平 衡以后 , 2台电动机的电磁转矩也趋于平衡 , 只存在 很小的偏差 , 证明 2台驱动电动机能等 比例出力 , 且 具有较高的功率平衡调节精度 。 图 6 驱动电动机电磁转矩波形 通过以上分析可知, 通过调节液力偶合器的导 管开 度 , 可 以调 节偶 合器 工作 腔 内的充 液量 , 从而 改 变偶合器和电动机联合使用时的联合特性曲线的软 硬度 , 并以此来调节带式输送机各驱动 电动机之间 的功率平衡 。 4结 语 为了使输送机在运行过程 中的带速保持不变 , 引入了偶合器涡轮闭环控制; 为了保持驱动 电动机 的功率平衡 , 以驱动电动机的电流为输入量 , 建立了 功 率 平衡控 制器 ; 由于偶 合器 数学模 型 不易 确定 , 控 制带速和功率平衡 的控制器均采用模糊 P I D控制 器 。仿真结果表明 , 采用偶合器涡轮转速闭环控制 能在工 作机 负 载发 生 变化 时保 持 带 速 不 变 , 提 高 系 统动态性能 ; 采用功率平衡模糊控制器则能在输送 机运行过程 中保证驱动电动机 的输 出功率平衡 , 并 具有较高的调节精度 。 参 考文献 E 1 ] 徐 鲁辉 , 李福东 , 张超 , 等. 多机驱动带式输送机功 率平 衡 的研究与分析[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 1 , 3 7 5 6 3 6 6 . 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