带式输送机拉紧装置及其张力控制系统研究.pdf

第 4 4卷 第 2期 2 0 1 8年 2月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Aut o ma t i o n VoI ． 4 4 NO ． 2 Fe b 。2 0 1 8 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 8 0 2 0 0 9 0 0 6 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ ] ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 0 9 0 0 3 4 带式输送机拉紧装置及其张力控制系统研究 揭 施 军 ， 熊晓 燕 ， 武兵 ， 刘点 点 a k 原理 工大学 机械 工程 学院 ，山西 太 原0 3 0 0 2 4 摘要 针对带式输送机拉 紧系统非线性、 大惯性、 滞后和时变的问题 ， 建立了拉紧装置数学模型， 并提 出 在其 中 串联 一 个校 正 环节 ， 以消 除 系统振 荡； 提 出将 动 态矩 阵控 制 和 P I D控 制相 结合 ， 充 分利 用动 态矩 阵对 惯性 、 延迟 适应 能 力强的特 点和 P I D控制 抗 干扰 性 强的优 点 ， 建立 带式 输送机 拉 紧装置 张 力控 制 系统模 型 ； 采用 AME S i m／ S i mu l i n k分别对带式输送机的机械 液压部分和控制算法部分进行建模 。仿真分析 结果表 明 ， 在动 态矩 阵和 P I D 串行控 制 下 ， 带 式输送机 拉 紧装置 张力控 制 系统 对延 时和 变结构 有很 强 的鲁 棒性 ， 张 力峰 值 小 ， 能精 确地跟 踪 张力设 定值 。 关键 词 带式输送 机 ； 拉 紧装置 ；张力控 制 ；动 态矩 阵控 制 ； P I D控制 中图分类号 TD 6 3 4 ． 1 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 8 0 1 0 9 1 l 2 7 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k e ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 8 0 1 0 9 ． I 1 0 1 ． 0 0 1 ． h i ml Re s e a r c h o n t e n s i o n d e v i c e a n d i t s t e ns i o n c o n t r o l s y s t e m o f be l t c o nv e y o r J I E S h i j u n ， XI ONG Xi a o y a n ， WU B i n g， L I U Di a n d i a n C o l l e g e o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i n g，Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Abs t r a c t I n v i e w o f pr ob l e ms o f n o nl i ne a r i t y，l a r g e i ne r t i a，hy s t e r e s i s a n d t i m e va r i a t i on o f t e ns i on i ng s y s t e m o f b e l t c o n v e y o r ，a ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t e n s i o n d e v i c e wa s e s t a b l i s h e d，a n d i t wa s p r o p o s e d t o c o n n e c t a c o r r e c t i o n l i n k s i n s e r i e s t o e l i mi n a t e s y s t e m s h o c k s ；i t wa s p r o p o s e d t o c o mb i n e d y n a mi c ma t r i x c o n t r o l wi t h P I D c o n t r o l t o d e s i g n t e n s i o n c o n t r o l s y s t e m f o r t e n s i o n d e v i c e o f b e l t c o n v e y o r ， ma k i n g g o o d u s e o f a d v a n t a g e s o f s t r o n g a n t i j a mmi n g a b i l i t y o f PI D c o n t r o l a n d g o o d a d a p t a b i l i t y t o i n e r t i a a n d r e t a r d a t i o n o f d y n a mi c ma t r i x．AMES i m／ S i mu l i n k wa s u s e d t o mo d e l me c h a n i c a l h y d r a u l i c a n d c o n t r o l a l g o r i t h m o f b e l t c o n v e y o r ．Th e s i mu l a t i o n a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t u n d e r s e r i a l c o n t r o l o f d y na mi c ma t r i x a n d PI D， t h e t e ns i on c o nt r o l s y s t e m o f t he t e ns i o n de v i c e of b e l t c o n ve yo r i S r ob us t t o t i m e d e l a y a nd va r i a bl e - s t r uc t u r e ，ha s l o w p e a k t e ns i o n，a nd c a n p r e c i s e l y t r a c k t e ns i o n s e t t i ng s． Ke y wo r d s be l t c o nv e y o r；t e ns i o n de vi c e；t e n s i on c o nt r o l ；d y na mi c ma t r i x c o nt r ol ；PI D c o n t r o l 0引言 带式输送机逐渐向大运量、 长距离和高带速方 向发展， 输送带动态特性变得越来越显著， 主要表现 为输送带尾部的速度、 加速度及张力的变化范围增 大。若不对其拉紧装置进行有效控制 ， 当张力下降 到一定值 时 ， 会 造 成 输送 带 打 滑 ， 甚 至淤 带 ； 张力 过 大或有 较大 变化 时 ， 会造 成输送 带断 带 。因此 ， 对 拉 紧装置的张力控制系统进行实时有效的控制 ， 对增 强带式输 送机 的安全性 、 延长使 用寿命 具有 重要 意义 。 在实际运行 中， 由于输送带模型的非线性及负 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 9 1 2 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 1 2 2 0 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 山西省优秀人才科技创新项 目 2 0 1 7 0 5 D 2 1 1 0 0 9 。 作者简介 揭施军 1 9 9 0 一 ， 男 ， 湖北荆州人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为机 电系统动态设计 ， E - ma i l 8 9 7 7 3 2 4 8 9 q q ． c o rn。 引用格式 揭施军 ， 熊晓燕 ， 武兵 ， 等． 带式输送机拉紧装置及其张力控制系统研究[ J ] ． 工矿 自动 化， 2 0 1 8 ， 4 4 2 9 0 - 9 5 ． J I E S h ij u n ， XI ONG Xi a o y a n ， WU B i n g ， e t a 1 ． R e s e a r c h o n t e n s i o n d e v i c e a n d i t s t e n s i o n c o n t r o l s y s t e m o f b e l t c o n v e y o r [ J ] ． I n d u s t r y a n d M i n e Aut o ma t i o n， 2 O 1 8， 4 4 2 9 0 9 5 ． 2 0 1 8年第 2 期 揭施军等 带式输送机拉 紧装置及其张力控制 系统研 究 ．9 1． 载的变化会造成系统参数 的不确定性 ， 使输送带张 力发 生 突变 ， 导 致 系 统 运 行 不稳 定 r 1 ] 。众 多 学 者 对 此展开 了研究 ， 侯友夫[ 2 ] 设计 的两点式拉紧控制系 统减小了带式输送机 的启动张力 ， 但未考虑相互的 耦合作用 。徐强强[ 3 提 出模 糊 P I D 自适应张力 控 制系统 ， 降低了启动阶段的张力波动和张力峰值 ， 但 因为模糊规则 的设计 比较复杂 ， 一旦确定 ， 很难修 改 ， 如 果设 计不 当 ， 系统会 发 生振 荡 。褚衍 坤[ 4 提 出 专家 P I D控制策略 ， 该 方法 中张紧装置能快速完成 从停机到启动及张力 的过渡 ， 但 由于需要专家 和技 术人员参与 ， 提高了设计成本 。 动 态 矩 阵 控 制 D y n a mi c Ma t r i x C o n t r o l ， D MC 适用于非线性模型 ， 对模型的精度要求不 高， 利用在线滚动优化和实时反馈 自校正技术 ， 能处理 带有大时滞和模型失配 的对象[ 5 - 6 ] 。传统 P I D控制 算法简单 、 参数调整方便， 能快速抑制高频干扰 。因 此， 本文将 DMC与传统 P I D控制相结合 ， 设计了基 于 DMC - P I D控制的带式输送机拉紧装置张力控制 系统 。 1 带式输 送机 拉 紧装 置建模 1 ． 1拉 紧装 置 工作 原 理 拉紧装置结构如图 1 所示。拉力传感器和流量 传感器分别安装在钢丝绳和液压 缸的进油 口上 ， 用 于检测拉紧装置的张力和伺服阀的出口流量。将检 测值与设定值进行比较 ， 得到控制信号 ， 控制伺服阀 的开 口大小 ， 使 负载 压差 产 生变 化 ， 减小 张 力误 差 ] 。通 过 减速 器 和滑轮 组驱 动拉 紧小 车在 拉 紧轨 道 运动 ， 实 现输 送带 拉 紧或放 松 。 图 1拉 紧 装 置 结 构 F i g ． 1 S t r u c t u r e o f t e n s i o n d e v i c e 1 ． 2 拉 紧装 置数 学模 型 伺服阀的线性化流量方程为_ 8 ] q L K。 z 一 K PL 1 式 中 K。 为流量增益 ； X 为阀芯位移 ； K。 为流量压 力 系数 ； P 为液 压缸 压力 。 液压缸流量 Q 的连续性方程如式 2 所示 ， 其 中等号 右边 第 1 项 为 总 泄 漏 流量 ， 第 2项 为 推 动 液 压 缸 活塞 运 动 所 需 要 的 流 量 ， 第 3项 为 总 的 压 缩 流量 。 Q 一 C, p P A d x p T Vt 2 式 中 C 为 液 压 缸 总 泄 漏 系 数 ； P 为 进 油 腔 压 力 ； A 为液压缸活塞有效面积； z 为活塞位移 ； 、 ， ， 为总 压缩容积； 为有效体积弹性模量。 液 压缸 的输 出力 与 负载力 的平 衡方 程 为 F 一 A 户 一 m B 鲁 K z F 3 式 中 F 为 液压 缸 的输 出力 ； 为 活 塞 及 负 载 总 质 量 ； B 。 为活塞及负载 的黏性阻尼系数 ； K 为负载 弹 簧刚度 ； F 为拉紧小车的摩擦力。 选定的伺服 阀的频宽 为 液压 固有 频率 的3 ～ 5倍 ， 故伺服阀传递函数为 K。 G s 一 4 式 中 K 为伺 服阀的流量增益 ； G。 为伺 服阀传 递 函数 ； T。 为伺 服 阀 的时 间常数 。 对式 1 一式 3 作拉 氏变换可得 F g 一 惫 A 未 ㈣ F g 一 K ～ ∞ ’ ／ r X v s毒 暮 川 ＼∞ r ， ＼cU0 ￡J0 ， 式中 K 为总流量压力系数 ； ∞ 为负载 固有频 率 ； ∞ 为惯性环 节 的转 折频 率 ； ∞ 。为 综合 固有 频 率 ； 为综合阻尼 比[ 9 ] 。 拉紧装置液压系统传递 函数框 图如 图 2所示 ， 其中 U ， U ， U 分别为指令 电压、 反馈电压 、 偏差 电 压 ； K 为伺服放大器增益 ； K 为压力传感器增益 。 图 2 拉紧装置液压 系统传递 函数框 图 Fi g． 2 Hyd r a ul i c s ys t e m t r a ns f e r f un c t i on b l o c k di a gr a m o f t e ns i o n d e vi c e 1 ． 3 拉 紧装置校 正 拉 紧装置参数设置见 表 1 ， 将参数代入图 2所 示的传递 函数框 图 中并 整 理， 得 到如 下 三阶传 递 函数 G ㈤ ， 一 等而 6 校正前液压系统伯德图如 图 3所示 。 9 2 工矿 自动化 2 0 1 8年 第 4 4卷 表 1 拉紧装置参数设置 Ta b l e 1 P a r a me t e r s e t t i n g s f o r t e n s i o n d e v i c e 项 目 参数名称 参数值 带式输送机全长／ m 带速／ m s - 1 输 送带 弹性模量／ Nmm 输送带质量／ k g m 改向滚筒直径／ mm 滚筒参数 驱动滚筒直径／ r a m 游动小车 质景／ k g 摩擦阻力系统 摩擦因数 启动曲线 启动 启动拉紧力 ／ k N 液压缸行程／ mm 流量压力系数 K ／ m。 s - 1 P a 流量增 益 K。 ／ T n 3 s mA 负载弹簧刚度 K／ k Nm 液压系统 体积 弹性模量 ／ MP a 总泄漏 系数 C 。 ／ m。S 一 1 P a 活塞有效面积 A。 ／ m 压力传感器增益 Kf f 2 0 0 r 加 。 0[ ＼～ }、 ～ 一1 O 0 L 舞一 i o o 【 一3 0 0 L 一 l O 6 l 0 4 1 0 2 1 0 1 02 1 04 频率／ H z 9 0 4 5 0 嚣一- 4 一 1 3 5 1 0 。 1 0 2 1 0 1 0 1 0 频率／ Hz 图 3校正前液压系统伯德 图 Fi g ．3 By r d c h ar t o f hy dr a ul i c s ys t e m be f o r e c a l i br a t i on 该系统较稳定 ， 但 由于存在二阶微分环节 ， 系统 阶跃 响应有 振荡 ， 对 此 ， 本 文 串 联一 个 校 正 环节 ， 以 消除系统振荡。串联的传递函数如式 7 所示 ， 校正 后液压 伯德 图如 图 4所 示 。 G s 一 7 校 正 后拉 紧装 置 液压系 统传递 函数 为 G ㈤ 一 而 而 8 图 4 校正后 液压 系统伯德 图 F i g ． 4 By r d c h a r t o f h y d r a u l i c s y s t e m a f t e r c a l i b r a t i o n 2 张 力控 制 系统建模 2 ． 1 DMC算 法 D MC算法 主要 包 括 预 测 模 型 、 滚 动 优 化 和 反 馈校 正 3个步 骤 。 1 建 立 预测 模 型 。根 据 线 性 系 统理 论 ， 可 以 利用系统阶跃响应系数 n 一1 ， 2 ， ⋯， N 对被控对 象的未来输出值进行预测 。系统预测模型为 Y P M 忌 一 Y 。 。 愚 AAu M 忌 9 式 中 Y M 愚 为在 时间 A u M 愚 的影 响下系 统未来 输 出的个数； Y 。 。 愚 为时刻 k的初始输出预测 ； A为单 位 阶跃 响应系 数矩 阵 。 2 滚动优化。为了使输 出跟踪预测值 ， 同时 避 免控 制增量 剧烈 变 化 ， 一般 在 其 性 能 指标 中加 上 软约束条件 ， 其性能指标可取为 mi n J 是 一 [ r e f k 一Y 愚 ] Q [- r e f k 一y 足 ] △ k RA u M 卮 1 0 式 中 J 五 为性能指标函数 ； r e f k 为参考轨迹 ； Y 。 为预测 输 出值； Q为误 差 加 权 矩 阵； R 为 控 制 权 矩 阵 。 通过极值必要条件 ， 即 愚 ／ d A u 愚 一0 ， 可 求 得最 优 的全 局控 制增量 [ 】 。 3 反 馈 校 正 。实 际 应 用过 程 中 ， 由于 复 杂 的 环境和 输送带 的非 线 性 特性 ， 会 引起 系 统模 型 失 配 和外界干扰 ， 由式 6 计算的预测值一般会偏离实际 值 ， 需进行修正， 才能成为下一时刻的预测初值 。误 差 e k 1 为 实 际 输 出 Y k 1 与 预 测 输 出 y k 1 ／ k 之差 [ 1 1 ] e 忌 1 一 Y 1 一 Y 愚 1 ／ k 1 1 该算法利用滚动优化取代传统的最优控制， 能 在模型失 配和环境 干扰时 进行修 正， 增 强系统 鲁 棒性_ 1 。 2 ． 2 张 力控 制 系统结 构 张 力控制 系 统结 构 如 图 5所 示 。由 于 P I D 控 一 一 一 2 0 1 8年第 2期 揭施 军等 带式输送机拉 紧装置及其张力控制 系统研 究 ．9 3 ． 制具有抗高频干扰的功能 ， 液压 张紧系统有高频响 的特性 ， 故在副回路的设计 中采用 P I D控制来调节 伺服阀的出 口流量 ； 由于输送带模型 的非线性及副 回路 中 P I D控制器 的作用 ， 会 造成系统模 型 的失 配 ， 故 在液 压缸 和拉 紧 小车构 成 的外层 回路 中 ， 采用 DMC来保证系统 良好的动态特性 和鲁棒性 。这种 分层控制结构充分利用了 P I D和 D MC算法的性能 优 点 。 图 5 张力控制系统结构 Fi g． 5 St r uc t u r e o f t e ns i on c o nt r ol s ys t e m 2 ． 3 张力控 制 系统数 学模 型 校正后的系统传递 函数为 G 肌 丽 1 2 将该传递函数转化为状态方程的形式 圣 一 1 3 一 ￡ D 1 4 广5 o 4 1 7 6 0 6 1 2 ] 一 l 。1 0 。0 一 [ 1 0 O ] ； c [ O 0 1 3 7 9 9 ] ； DO 。 根据以上状态方程， 可进行模型预测控制器 的 设计 。 3 A ME S i m／ S i mu l i n k联 合仿 真分 析 AME S i m 软 件提供 了一 整套 模 型 用 于 对液 压 、 气动 、 电气和机械系统的建模仿真分析 ， 并为其他软 件提供 了丰富的接 口。Ma t h Wo r k s S i mu l i n k具有 强大的矩阵运算能力 ， 主要用于控制系统的建模仿 真 ， 能够方便地改变控制系统仿真参数[ 1 。充分利 用 2套软件在系统建模 和数 据处理方 面的能力优 势 ， 分别对带式输送机 的机械液压部分和控制部分 进行建模 ， 然后通过接 口技术进行仿真分析。带式 输送机拉紧装置联合仿真模型如图 6 所示 。 图 6 带式输送机拉 紧装置联合仿真模型 F i g ． 6 Co s i mu l a t i o n mo d e l o f t e n s i o n d e v i c e o f b e l t c o n v e y o r 图 7为带 式输 送机 启动 和稳 定运 行 时在 3种 不 同控 制方 式下 的 张力 响应 。从 图 7可 知 ， 带 式 输 送 机 在理 想 情况 下 运 行 时 ， P I D 控 制 系统 调 整 时 间 最 短 ， 跟踪精度最高 。由于设备工况复杂及输送 带的 非线性特性 ， 带式输送机在工作过程中会受到延时、 干扰和变结构的影响 ， 图 8为带式输送机在工 作过 程 中受到延时 、 干扰和变结构 的影响时， 在 3 种控制 方 式下 的 张力跟 踪 响应 。从 图 8 a 、 b 可知 ， 在 系 统有延时和变结构特性时 ， 普通 P I D控制的拉 紧装 置 张力 波 动 大 ， 跟 踪 性 能 差 ， 易 发 生 振 荡 ， 在 P I D - DMC串行控制下 ， 系统对延 时和变结 构有很强 的 鲁棒性 ， 张力峰值小， 能精确地跟踪 张力设定值 ； 当 系统受到干扰时， 从 图 8 c 可知， 这 3个控制算法 都能有效控制。 4结 论 1 介绍了带式输送机拉紧装置的工作原理 、 数学模 型及其 校正， 设计 了基 于 D MC - P I D控制 的 带 式 输 送 机 拉 紧 装 置 张 力 控 制 系 统 。通 过 AME S i m／ S i mu l i n k 联合仿真建立 了完 整的带式输 9 4 工矿 自动化 2 0 1 8年 第 4 4卷 4 3 毛 0 l 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 0 0 时间／ s 图 7 理想情况下的张力响应 F i g ． 7 Te n s i o n r e s p o n s e u n d e r i d e a l c o n d i t i o n s 4 3 呈 O 4 3 宝 O 4 3 宝 。 1 O 0 20 0 3 00 4 00 5 00 6 00 时 间／ s a 延时影 响 1 0 0 2 00 3 00 4 00 5 00 6 0 0 时间／ s b 变结构影响 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 时间／ s c 干扰影响 图 8 受延时 、 干扰和变结构影响时 的张力跟踪响应 Fi g． 8 Te ns i on t r a c ki n g r e s po ns e wi t h d e l a y， d i s t u r b a n c e a n d v a r i a b l e s t r u c t u r e e f f e c t s 送机系统模型 ， 克服了单一软件建模仿真的不足 ， 结 合智能控制算法 ， 提高了仿真数据 的准确性 。 2 联合仿真分析表 明， 在系统有延迟和变结 构影 响时 ， 基 于 D MC - P I D控 制 的带 式 输送 机 拉 紧 装置张力控制系统能缩短带式输送机启动时间， 降 低张力峰值， 精确跟踪张力设定值 ， 同时也能快速消 除系统 干扰 。 参考文献 R e f e r e n c e s [1 ] 闵永军． 车辆排 气 污染 物测试 技术 研 究与 工程 实现 [ D ] ． 南京 东南大学 ， 2 0 0 6 ． [ 2] 侯友夫 ， 刘 肖健 ， 张永忠． 胶带 自控液压拉紧装置动态 特 性的 研究 [ J ] ． 中 国矿 业 大学 学 报 ， 1 9 9 9 ， 2 8 4 1 8 21 ． H0U Yo u f u，LI U Xi a o j i a n ，Z HANG Yo n g z h o n g ． Re s e ar c h o n d yn a mi c p r o pe r t i e s o f s e l f - 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u s e d s wi t c h i n g p o we r s u p p l y s u c h a s l a r g e h a r mo n i c c u r r e n t ， 收稿 日期 2 0 1 7 0 7 - 0 7 } 修 回 日期 2 0 1 7 1 2 - 1 5 ； 责任编 辑 李 明。 基金项 目 国家重点研发计划资助项 目 2 0 1 6 YF C 0 8 0 1 4 0 5 。 作者简介 林引 1 9 7 9 一 ， 男 ， 四川资 中人 ， 副研究员 ， 硕士 ， 现主要从事电气防爆技术 、 安全监控系统 、 电子产品可靠性设计等方面的研究工作 E - ma i l i d l i n y n 1 6 3 ． c o m。 引用格式 林引． 一种矿用开关电源设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 8 ， 4 4 2 9 5 9 9 ． L I N Yi n ． D e s i g n o f a mi n e - u s e d s wi t c h i n g p o we r s u p p l y [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 8 ， 4 4 2 9 5 9 9 ． [8] [9] E l O 3 张婉茹 ， 熊晓 燕 ， 黄家海 ， 等． 非对 称轴 向柱塞 泵变 排 量 控 制 特