多机驱动带式输送机功率平衡控制方法.pdf

第 4 2卷 第 3期 2 0 1 6年 3月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i ne Aut o ma t i on V0 L 4 2 NO ． 3 M a r ．2 O l 6 文章编 号 1 6 7 1 ～ 2 5 1 X 2 0 1 6 0 3 0 0 7 4 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 1 7 薛彦波． 多机驱动带式输送机功率平衡控制方法 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 3 7 4 7 7 ． 多机驱动带式输送机功率平衡控制方法 薛彦 波 中煤 科工集 团重 庆研 究 院有 限公 司 ，重庆4 0 0 0 3 9 摘 要 针 对采 用液体黏 性软 启动 装置 的 多机 驱动 带式输 送机在 启 动过程 中各 电动机 功率 不平衡 的 问题 ， 提 出了一种 多机驱 动带 式输送机 功 率平衡控 制 方法 利 用 电流预 测算 法预测 电动机 电流 ， 以提 高控 制响 应速 度 ； 根据 各 电动机之 间的预 测 电流偏 差 ， 通过 比例 微 分控制 算 法调 节 液体黏 性软 启动装 置所 配 用的控制 泵给 定频 率 ， 进 而改 变电动机 电流 ， 使各 电动机 电流差控 制在 一 定 范 围 内。现 场应 用结 果表 明 ， 在 带 式输 送 机 空 载和 重载启 动 时 ， 该方 法均 能对 电动机过 大 电流进行 抑制 调 节 ， 实现 带式输 送机 平稳 启动和 功 率平衡 。 关 键词 带 式输送机 ；多机驱 动 ；液体 黏性软 启 动装置 ；功率平衡 ；电流预 测 ；比例 微 分控制 中图分类 号 T D 6 3 4 ． 1 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 0 3 0 7 1 5 2 2 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 3 0 7 ． 1 5 2 2 ． 0 1 7 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 5 1 1 - 1 9 ； 修回 日期 2 O 1 6 0 1 2 3 ； 责任编辑 盛男。 基金项 目 工信部 2 0 1 4 年 物联 网发展专项资金项 目 2 0 1 4 0 8 3 1 0 5 。 作者简介 薛彦波 1 9 8 2 一 ， 男 ， 河南焦作人 ， 助理研究员 ， 硕士 ， 主要从事煤矿 自动化与信息化 、 工业 自动化 方面的研究 作 ， E ma i l 8 4 5 7 6 6 8 3 q q ． c orn。 [5 ] [6] [ 7] [ 8] [9 ] [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] 姚舜 才 ， 潘宏侠． 粒 子群优化 同步 电机分 数阶鲁 棒励 磁控制 器 [ J ] ．中 国 电 机 工 程 学 报 ， 2 0 1 0 ， 3 0 2 1 91 9 7． KHAN M K ， S PURGEON S K ， LEVANT A． S i mp l e o u t p u t f e e d b a c k 2 - s l i d i n g c o n t r o l l e r f o r s y s t e ms o f r e l a t i v e d e g r e e t wo [ c] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t he Eu r o pe a n Co nt r ol Co nf e r e nc e，Ca mbr i d ge，2 00 3． SABAN0VI C A． Va r i a b l e s t r uc t ur e s y s t e ms wi t h s l i d i n g mo d e s i n mo t i o n c o n t r o l a s u r v e y [ J ] ．I E E E Tr a ns a c t i o ns on I n du s t r i a l I nf o r ma t i c s ，20 1 1，7 2 21 2 2 23 ． 阮毅 ， 陈伯时． 电力拖 动 自动控制 系统一 运动 控制 系统 [ M] ． 4版． 北 京 机 械工 业 出版 社 ， 2 0 1 0 2 1 8 2 20 ． 李殿璞． 非线性控制系统[ M] ． 西 安 西北 工业大学 出 版 社 ， 2 0 0 9 3 9 2 3 9 6 ． 方勇纯 ， 卢桂 章． 非 线性 系统理论 [ M] ． 北 京 清华大 学 出版 社 ， 2 0 0 9 8 6 9 1 ． M USKE K R， ASHRAFI U0N H ，NERSES 0V S， e t a 1． Op t i mal s l i di ng mo d e c a s c a de c o nt r ol f o r s t a b i l i z a t i o n o f u n d e r a c t u a t e d n o n l i n e a r s y s t e ms [ J ] ． J o u r n a l o f Dy n a mi c s S y s t e ms ， Me a s u r e me n t a n d Co n t r o l ，2 0 1 2，1 3 4 2 1 - 1 1 ． M I H UB M ， N0URI A S， ABDENNOUR R B． [ 1 3 ] [ 1 4 ] A s e c o nd or de r di s c r e t e s l i di ng mod e ob s e r ve r f o r t he v a r i a b l e s t r u c t u r e c o n t r o l o f a s e mi b a t c h r e a c t o r E J ] ． Con t r o1 Engi ne e r i ng Pr a c t i c e，2 011，1 91 01 21 6 1 2 22 ． SENCER B， M ORI T， SHAM OTO E． De s i gn an d a ppl i c a t i on o f a s l i di ng mod e c on t r o l l e r f o r a c c u r a t e mo t i o n s y n c h r o n i z a t i o n o f d u a l s e r v o s y s t e ms 口 ] ． Co nt r ol Eng i n e e r i n g Pr a c t i c e， 2 01 3，21815 1 9 1 5 30 ． S LOTI NE J J E，L I W ． Ad a p t i v e ma n i p u l a t o r c o n t r o l a c a s e s t u d y[ J ] ． I E E E Tr a n s a c t i o n s o n Au t o ma t i c Co nt r ol ，l 98 8，33 1 1 99 5 1 0 03 ． [ 1 5 ] V OL P O NI A J ， D E P OL D H，GAN GUL I R，e t a l [ i 6 ] [ 1 7 ] The u s e o f Ka l ma n f i l t e r a n d n e ur a l n e t wo r k me t h od 0l o gi e s i n g a s t u r b i ne p e r f or ma nc e d i a g n o s t i c s a c o mp a r a t i v e s t u d y[ J ] ． J o u r n a l o f En g i n e e r i n g f o r Ga s Tu r b i n e s a n d P o we r ， 2 0 0 3 ， 1 2 5 4 9 1 7 - 9 2 4 ． 傅雪海 ， 秦勇 ， 李贵 中， 等．山西沁水 盆地 中、 南部煤 储层渗透率影响因素[ J ] ． 地质力学学报 ， 2 0 0 1 ， 7 1 45 5 2． 覃建华 ， 肖晓春 ， 潘 一山 ， 等． 滑 脱效应 影 响的低渗储 层 煤 层 气 运 移 解 析 分 析 [ J ] ．煤 炭 学 报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 4 61 9 62 2． 2 0 1 6 年 第 3期 薛彦波 多机 驱动 带 式输送 机功 率 平衡 控 制 方法 7 5 Po we r ba l a nc e c o nt r o 1 me t h o d o f mu l t i mo t o r d r i v i n g be l t c o n v e y or XU E Ya n bo CCTEG Ch o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 9 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w of p r ob l e m of m o t o r p o we r u nb a l a nc e i n pr o c e s s o f s t a r t i ng o f m u l t i m o t or d r i vi ng be l t c on ve yo r whi c h us e s hy dr o v i s c o us s of t s t a r t i ng d e v i c e，a po we r ba l a n c e c o nt r o l me t ho d o f m u l t i mot o r d r i v i ng be l t c on ve yo r wa s p r op os e d．A c ur r e nt p r e di c t i o n a l g o r i t hm i s us e d t o p r e d i c t m o t o r c u r r e nt i n o r d e r t o i mp r o v e c o n t r o l r e s p o n s e s p e e d ．Ac c o r d i n g t o d i f f e r e n c e b e t we e n t h e mo t o r p r e d i c t i v e c u r r e n t s ， g i v e n f r e q u e n c y o f c o n t r o l p u mp wh i c h i s c o n n e c t e d wi t h t h e h y d r o V I S C O U S s o f t s t a r t i n g d e v i c e i s a d j u s t e d t hr o ug h pr o po r t i o na l d e r i v a t i v e c on t r ol a l g o r i t hm ， t h e n t h e mot o r c u r r e nt i s c h a ng e d， S O di f f e r e nc e b e t we e n t h e mo t o r c u r r e n t s c a n b e c o n t r o l l e d i n a c e r t a i n r a n g e ．Th e f i e l d a p p l i c a t i o n r e s u l t s h o ws t h a t t h e m e t ho d c a n r e s t r a i n e xc e s s i v e c u r r e nt o f m o t o r whe t he r no - l o a d or he a vy - l o a d s t a r t i ng o f t he b e l t c o nv e y or ，wh i c h a c hi e ve s s moo t h s t a r t a nd p owe r ba l a nc e o f t he b e l t c o nv e y o r ． Ke y wo r ds b e l t c o nve y or ； m u l t i m o t o r dr i v i n g； hy dr o v i s c ous s o f t s t a r t i ng de v i c e； p o we r b a l a nc e； c ur r e n t p r e di c t i o nPD c on t r o l 0 引言 煤 矿井 下 带 式 输 送 机采 用 多 电动 机驱 动 时 ， 由 于相 同规 格 的 驱 动 电动 机 其 实 际 机 械 特 性 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 、 输送带伸长率及其他环境因素的影响， 会 造成各电动机输 出功率不平衡 ， 即电动机负荷分配 不均 ， 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、 C S T驱动装置 、 调速型液力偶合 器驱动装置 和液体黏性软启动装置等__ 2 ] ， 其 中液体 黏性软启动装置成本低 、 易于维护 、 传递效率高 ， 满 足煤 矿 对带 式输 送 机驱 动装 置高 性价 比的要求 。针 对采用液体黏性软启 动装 置的多机驱 动带式输送 机 ， 本文提 出 了一 种将 电流 预测 算法 和 比例微 分 P r o p o r t i o n a l D e r i v a t i v e ，P D 控 制 算 法 相 结 合 的 功率平衡控制方法 ， 根据各 电动机之 间的预测 电流 偏 差 ， 对液 体黏 性 软启 动装 置 所 配 用 的控 制 泵 给 定 频 率进 行 P D 控制 ， 进 而动 态调 节 各 电动 机 电 流 ， 实 现多电动机驱动的带式输送机在启动过程 中的功率 平 衡 。 1 液 体黏 性 软启 动装 置工 作原 理 液体黏性软启动装置根据牛顿内摩擦定律 ， 利 用液体 的黏性 ， 通过油膜的剪切作用来传递动力 ， 其 主要 由主 、 从 动摩 擦 片 ， 控 制油 缸 ， 弹簧 ， 壳体 及 密封 件等 组 成 。当 主动 轴 带 动 主动 摩 擦 片旋 转 时 ， 摩 擦 片之 间 的 黏 性 流 体 形 成 油 膜 带 动 从 动 摩 擦 片 旋 转嘲 。 由油 膜剪 切 理论 可知 ， 液体 黏 性 软 启 动 装 置 的输出转矩为 M 一 叫 一 O A 2 R 一R j 一 厶 n t r i o ⋯ 1 ／ l n R 4一 R 1一 1 厶 几 式中 为油膜的动力黏度 ， P a S ； n为油膜数 ； h为 油膜 厚度 ， m； 叫 为 主 动 摩擦 片 的 角 速 度 ， r a d ／ s ； ∞ 为从 动摩 擦 片 的 角速 度 ， r a d ／ s ； R 为 主 、 从 动 摩 擦 片 的接 触 面 内径 ， m； R。 为 主 、 从 动摩 擦 片 的接触 面 外径， m； i 为主、 从动摩擦片的角速度 比， i --一- 0 2 。 C O1 由式 1 可 知 ， 对 于 确 定 的液 体 黏 性 软 启 动 装 置 ， ， ， R ， R。 均为定值 ， 液体黏性软启动装置的输 出转矩 与 主 、 从动 摩擦 片 的角速 度差 呈正 比， 与 油膜 厚 度呈 反 比。因此 ， 可 通 过 控 制 油缸 内油 压 大小 来 调 节 主 、 从 动摩擦 片 之间 的油膜 厚度 ， 进 而改 变从动 轴 输 出转矩 和转 速 的大 小 ， 实 现 带式 输 送 机 的平 稳 启 动及 速度 调节 [ 4 ] 。 2 功 率 平衡控 制原 理 功率 平衡控 制 原理 如图 1所示 。控 制器 接收到 上位机 发 送 的启 动 命 令 后 ， 输 出模 拟量 信 号 作 为变 频器 的给 定频 率输 入 信 号 ， 同时 变频 器 将 其 输 出频 率反馈至控制器 。变频器驱动控制泵给定频率逐步 增加 ， 而控 制泵 油压 与其 频率 呈正 比， 因此控 制泵 油 压 同步增 加 ， 同时 将 油 压信 号 反 馈 至 控 制器 。液体 黏性 软启 动装 置 中 主 、 从 动 摩 擦 片 之 间 的油 膜 厚 度 与控 制泵 油压 呈反 比 ， 随着 控制泵 油压 的增 大 ， 油 膜 7 6 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 厚度减小 ， 液体黏性软启动装置输出转矩变大 ， 电动 机输出功率增加 ， 电动机输出转矩通过液体黏性软 启动装置传递到驱动滚筒， 从而拖动带式输送机启 动运行 。 功率 平衡度 设定 启动命令 广 - I电 动 机 l 液体黏性 软启动装置 图 1功 率 平衡 控 制 原 理 由于电动机输出功率与电动机 电流呈正 比， 可 将各电动机 电流作为功率平衡调节的依据。电动机 的功率 平衡 度通 过各 电动机 间的 电流差来 体现 。控 制器 预先设 定功 率平 衡 度 阈值 ， 即各 电动 机 电 流差 的阈值 。带式输送机在启动过程 中， 电动机电流反 馈 至控制 器 ， 当各 电动 机 电流差大 于设定 的阈值 时 ， 控制 器根 据 电流 差大小 调节 对应 电动机 的控 制泵 给 定频 率 ， 以改变 电动机 电流 ， 进而 改变 电动机 输 出功 率 ， 实现各电动机之间的功率平衡 。 3 功率 平衡控 制方 法 多机驱动的带式输送机功率平衡控制 ， 就是根 据 电动机 反馈 的电 流来 调 节控制 泵 给定 频率 。然 而 控制 泵油 压 的调 节 与反馈 ， 主 、 从 动摩擦 片之 间 的油 膜厚度改变等环节具有滞后性与非线性 的特性 ， 影 响功率平衡控制的稳定与可靠 。本文将电流预测算 法和 P D控制算法相结合， 对 电动机输 出功率进行 快速、 准确控制 ， 实现多电动机间的功率平衡 。 3 ． 1 电流预 测算 法 已知 采样 点 z 。 一 及 其 对 应 的 电动 机 电流 采 样值 f x 。 一， z 。 ， 采用 T ／ 2预测算法 T为采样 周 期 【 5 预测采 样点 z 的电动机 电流 ．厂 z ， 如 图 2 所 示 。 ，f x ， 图 2预测示 意 由四阶牛顿插 值公 式可 得 -厂 z 一 f x 。 - 4 - f i x 。 ， X ] 一 z 。 - k f i x o ， Iz 1 ， 2 ] z 一z 0 z 一z 1 f i x o ， z 1 ， 2 ， z 3 ] z o z f ～z 1 z 一 z2 2 式 中 厂[ X 。 ， 3 7． ]为 一 阶 差 商，厂[ 3 C 。 ， ]一 ； J L X o ， z ， 。 ] 为二阶差商 ， 厂 rL X o ， ， _ - ． 二 一； ’ z 1 ， 2 刀一 r 左同 ，， 1 ’ z ] 一 垫 三 ； ， [ 。 ， z ， z ， 。 ] 为三 ．T 2 一Z n 一 阶差 商， 厂 [z 。 ， z 1 ， z 2 ， X 。] 一 f i x 3 ， 2 ， 1 ] 一f i x 2 ， z l ， ．T E 0 ] X 3 。 X o o 由于 z 3 --S C 2 一 2 ～z 1 一z l z 0 一T， 根据式 2 可 得 厂 z 一 3 5 z 。一 3 5 ， 2 1 X1 一 5f XO 3 由此 ， 控 制器 可根 据 已知 采样 点 的 电流计 算 出 下 半个 周期 的 电动 机 电流预测 值 。 3 ． 2 P D控 制算 法 P D控制算法能预测误差变化 的趋势 ， 避免被 控量 的严 重 超 调 ， 改 善 调 节 过 程 中 的 动 态 特 性 ] 。 因此 ， 本文采用 P D控制算法调节控制泵给定频率 。 P D控制算 法微 分方 程 为 一 K T 。 ] 4 式 中 “ 为 P D控 制 输 出量 ； K 为 比例 系 数 ； e 为 P D控 制输入 量 ； T 。为微 分时 间常数 ； t 为 时间 。 通过 离散 化 ， 可 推导 出增 量 式 P D 控 制算 法 差 分 方程 A u k 一KP [ P 愚 一e k一1 ] K。 [ P 正 一 2 e k一1 e k ～2 ] 5 式中 △ k 为 P D 控 制 输 出 量 的增 量 ； e k ， e k 一1 ， e k 一2 分 别 为 P D控 制 在 k ， k 一1 ， 是 一 2 采 样 时刻 的输 入量 ； K。为 微分 系数 。 当 2台 电动 机 电流 差超 出 阈值 时 ， 电流 较 大 的 电动机对应的控制泵给定频率调整公式如下 厂 忌 一 f k 一 1 一I A u k l 6 式 中 -厂 忌 ， f k 一1 分 别 为 控 制 泵 在 忌 ， k 一 1 采 样 时刻 的给定 频率 。 4实际应 用 在川 煤 集 团 广 能 公 司 绿 水 洞 煤 矿 主 平 硐 5 ． 6 k m长带 式输送 机 上对 本 文控 制 方法 进 行 验证 。 带式输 送机 由 4台 2 5 0 k W 电动机 及相 应 的 4台液 体黏性软启动装置驱动， 如图 3所示 。设采样周期 为 1 S ， 电动 机 电流 差 阈值 为 5 A， K 一0 ． 2 ， K。 一 丛 J_ 一 鼎 2 0 1 6年 第 3期 薛彦波 多机驱动带式输送机功率平衡控制方法 7 7 0 ． 0 5 。 当控 制泵 给 定频 率小 于 2 5 Hz 时 ， 控 制泵 给定 频 率 以 2 Hz ／ s自增 ； 当 控 制 泵 给 定 频 率 大 于 等 于 2 5 Hz 且小于 4 0 Hz时 ， 若任意 2台电动机预测电 流偏差小于 阈值 ， 控制泵 给定频率 以 0 ． 2 Hz ／ s自 增 ， 若任意 2台电动机预测电流偏差大于阈值 ， 则电 流较大的电动机对应的控制泵给定频率 以 P D控制 算法计算出的 l △ 尼 I 逐秒减小 ； 当控制泵 给定 频 率大于等于 4 0 Hz 且小于 5 0 Hz时， 控制泵给定频 率 以 1 Hz ／ s自增 。 7 11 l I ． 。 图 3 带式输送机 驱动装置平面布置 空 载和 重载 启 动时 4台电动 机 电流及 控制 泵 给 定频 率 曲线 分别 如 图 4 、 图 5所示 。从 图 4可 看 出 ， 1号 电动机 电流在 启 动 后 快 速增 大 ， 超 出 阈值 ， 1号 控制泵给定 频率减小从而 调节 1号 电动机 电流减 小 ； 当 3号 控 制 泵 给 定 频 率 增 大 至 3 1 Hz左 右 时 ， 3号电动机电流猛增 ， 此 时 1号 电动 机 电 流骤 降， 3号 控制 泵给 定频 率开 始减 小 ， 3号 电动机 电流 迅 速 减小 ； 直到 3号控制泵给定频率重新上升从而调节 3号 电动 机 电流 与其他 3台 电动机 电流 接近 时 ， 4台 控 制泵 给定 频 率 开 始 同 步增 加 ， 直 至 到达 工 频 。从 图 5可看 出 ， 由于 重载 启动 惯性 更大 ， 在 启动 过程 中 3号 电动机 电流有 2次较大的波动 ， 启动时间也 比 空载时延长了 4 2 s ， 但本文控制方法依然起到了有 效 的调节 作用 ， 启 动 完 成 时 4台 电 动机 电流 趋 于 一 致 ， 有 效 控 制 了 4台 电 动 机 在 启 动 过 程 中 的 功 率 平 衡 。 囊 辅 暴零妄 寮 鬟；8 罄 攀 警 ⋯⋯⋯⋯⋯H 时间 时一 分一 秒 图 4空载启 动时 4台电动机电流及 控制泵给定频 率曲线 囊 鞘 景景端罨 罨昌孚筠暴 ggggggg答答兽兽兽兽g888S882 签曼曼当曼曼竖立童童童至曼曼 至至曼至 坚 时间 时一 分一 秒 图 5 重载启动时 4台电动机 电流及控制泵给定频率 曲线 5 结 语 在采 用液体 黏性 软启 动装 置 的多机 驱动带 式输 送机启 动 过程 中 ， 利 用 电 流 预测 算 法 及 P D 控 制算 法将各 电动机电流差控制在一定范 围内， 平衡各电 动机的输出功率， 保证 了多机驱动带式输送机的平 稳启动和功率平衡 ， 满足煤矿对带式输送机启动及 运行经济性、 高效性 的需求。 参考文献 [ 1 ] 杨光辉 ， 安琪． 多机驱动带式输送 机功率平衡模 糊控制 方法 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 3 6 9 7 3 ． [ 2 3 余 发山 ， 韩超超 ， 田西方 ， 等． 带式输送 机多机变频驱动 功率平 衡 控 制 研 究 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 3 6 9 7 3 ． [ 3 3 杨继 周 ， 李文 国 ， 赵 中华． 带式输送 机液粘 软启 动装置 的分析[ J ] ． 中州煤 炭 ， 2 0 0 7 6 2 9 3 0 ． [ 4 3 郭春林． 带式输 送机 多机驱动 功率平衡 调整原 理 的研 究[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 9 ， 3 0 1 0 3 3 3 4 ． [ 5 ] 欧阳名三 ， 莫丽红． 采用参数预测及模糊控制 的胶带 多 机驱动功 率平 衡 的研 究[ J ] ． 煤 炭 学报 ， 2 0 0 5 ， 3 0 2 25 5 25 8． [ 6 ] 张 国范 ， 顾 树 生 ， 王 明顺 ， 等． 计 算机 控 制 系统 [ M3 ． 北 京 冶金 工业 出 版 社 ， 2 0 0 4 ． 率率率率 频频频频 流流流流定定定定 电电电电给给给给 机机机机泵泵泵泵 动 动动动 制制 制制 电电电电控控控控 号 号号号 号号 号号 1 2 3 4l 2 3 4 ～一l；一一．一 ～～一一一一一一 率 率率 率 频频频频 流流 流流定 定定 定 电电电电给给给给 机机机机泵泵泵泵 动动 动动制制 制 制 电电电电控控控控 号号号号号号号号 l 2 3 4 1 2 3 4 一 ～ 一 一 一 一 ． 一 一 一 - 一 一 一 _ 一