液压绞车自动控制系统设计.pdf

第 4 4卷 第 2 期 2 0 1 8年 2月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i n e Aut o ma t i on Vo I ． 4 4 No ． 2 Fe b ． 2 O 1 8 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 8 0 2 0 0 8 0 0 4 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 7 0 8 0 0 3 8 液压绞车自动控制系统设计 温毅 ， 张耀成 1 ． 太原理 工 大学 机械工 程学 院 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 煤矿综采装备 山西省重点实验室，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 目前 液压 绞车 大 多采 用开 环 手动 控 制和 单 纯 P I D 闭环控 制 方 式 ， 运 行 的 平稳 性 完 全取 决 于操 作 人 员的 经验 ， 造成 液压绞 车 自动 化程度 低 、 操 作人 员工作 强度 大等 问题 。针 对 上述 问题 ， 设 计 了一种 液 压 绞 车 自动控 制 系统 。该 系统 通过 单片机 和 P I D控 制 器的协 同控制 对 液压 绞 车速 度进 行调 节 单 片机 收到 目标 转 速指令 后 ， 自动判 断 绞车 的运 行状 态， 控 制各 液 压 阀的 开 启 ； 单 片机通 过 分割 目标 转速 ， 协 同 P I D 控 制 器 自动将卷 筒转速调 整至 目标 转速 ， 从 而提 高 了液 压 绞 车运 行 的 自动 化 水 平 。仿 真 结果 验 证 了该 系统 的 可 靠性 。 关键 词 防爆 液压绞 车 ；自动控 制 ；控制 手柄 ；目标转速 ；目标 转速分割 ； 协 同控 制 ；P I D控制 器 中图分类 号 T D6 3 3 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 8 0 1 0 4 0 8 5 0 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 8 0 1 0 3 ． 1 7 2 4 ． 0 0 1 ． h t ml De s i g n o f a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f hy d r a u l i c wi n c h W EN Yi 一． ZH ANG Ya o c he n g t 1． Co l l e g e o f M e c ha n i c a l En g i ne e r i ng，Ta i y u a n U n i v e r s i t y o f Te c h no l o gy，Ta i y ua n 03 0 0 2 4，Chi n a； 2． S h a n x i Ke y La b o r a t o r y o f Fu l l y M e c h a n i z e d Co a l M i n i n g Eq u i p me n t ，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，Ch i n a Ab s t r a c t At p r e s e nt ． mo s t of h yd r a ul i c wi nc h e s a do p t o pe n l o o p ma n ua l c o nt r o l a nd s i mpl e PI D c l o s e d l o o p c on t r o l m e t ho d， op e r a t i o n s m o o t hn e s s o f t he h yd r a ul i c wi n c h d e pe nds o n t he dr i v e ls e x p e r i e n c e s ，S O a s t o c a u s e l o w a u t o ma t i o n d e g r e e o f t h e wi n c h a n d g r e a t wo r k i n g i n t e n s i t y f o r o p e r a t o r s ． I n o r d e r t o s o l v e t h e a b o v e p r o b l e ms ，a k i n d o f a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f h y d r a u l i c wi n c h wa s d e s i g n e d ． Th e s y s t e m u s e s c o o r d i n a t e d c o n t r o l b e t we e n s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r a n d P I D c o n t r o l l e r t o a d j u s t s p e e d o f t h e h y d r a u l i c wi n c h．Th e s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r c a n a u t o ma t i c a l l y j u d g e r u n n i n g s t a t e o f t h e wi n c h a f t e r r e c e i vi ng t a r ge t s p e e d，a nd t h e n c o nt r o l o pe n i n g o f hy d r a ul i c v a l v e；by s p l i t t i ng t he t a r ge t s p e e d，t he s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r c a n a u t o ma t i c a l l y a d j u s t t h e s p e e d o f d r u m t o t h e t a r g e t s p e e d wi t h c o l l a b o r a t i v e PI D c on t r o l l e r ，wh i c h i m p r ov e s a ut oma t i on l e ve l o f op e r a t i on o f t he wi n c h．The s i m u l a t i on r e s u l t s ve r i f y r e l i a bi l i t y o f t he s ys t e m ． Ke y wo r d s e x p l o s i o n p r o o f h y d r a u l i c wi n c h；a u t o ma t i c c o n t r o l ；c o n t r o l h a n d l e ；t a r g e t s p e e d；t a r g e t s pe e d s pl i t t i ng；c oo r d i na t e d c o nt r o 1 ；PI D c o nt r o l l e r 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 8 - 1 5 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 1 2 1 8 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 山西省科技重大专项项 目 2 0 1 1 1 1 0 1 0 4 0 。 作者简介 温毅 1 9 9 2 一 ， 男 ， 山西 吕梁 人 ， 硕 士研 究 生 ， 研 究方 向为机 械设 备 液压 控制 ， E - ma i l 6 2 7 9 3 7 2 7 9 q q ． c o rn。通 信 作者 张 耀成 1 9 6 4 一 ， 男 ， 山西文水人 ， 副 教 授 ， 硕 士 研 究 生 导 师 ， 主 要 从 事 机 械设 计 、 煤 矿机 械、 P L C 控制 等方 面 的研 究 工 作 ， E ma i l 2 6 3 4 3 4 8 3 9 7 q q ． c o rn。 引用格式 温毅 ， 张耀成． 液压绞车 自动控制系统设计口] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 8 ， 4 4 2 8 0 8 3 ． WE N Y i ， Z HANG Ya o c h e n g ． D e s i g n o f a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f h y d r a u l i c w i n c h [ 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 8 O ～ 8 3 ． 2 0 1 8年 第 2期 温毅等 液压绞车 自动控制系统设计 8 1 0 引言 煤矿中， 液压绞车多用来提升人员和物料 ， 其控 制方式大多为开环手动控制 。以 目前使用较为 广泛的 J KY 型液 压绞车 为例 ， 其液 压控制 系统如 图 1 所 示 。操作 人员 通过 控 制手 柄控 制变 量泵 转子 的偏心度 ， 即变量泵 的排量 ， 从 而控制 液压绞车 的 速 度[ 3 ] 。 图 1 J KY型液压 绞车液压控制系统 F i g ． 1 Hy d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f J KY t y p e h y d r a u l i c wi n c h 开环控制系统没有反馈 ， 需要操作人 员不断调 节操作手柄来控制液压绞车的速度， 因而其运行 速 度 的稳定性和准确性完全取决于操作人员 的经验 ， 造成绞车 自动化程度低 ， 操作人员工作强度大 。相 关学者提出了带反馈的 P I D闭环控制系统， 其大大 提高了恒速运行 时绞车的稳定性， 但在大幅调节绞 车速度时 ， 依 旧需要司机手动缓慢调节完成 ， 故调速 过程的平稳性依 旧依赖于司机的经验[ 4 ] 。针对该 问题 ， 本文设 计 了一 种液 压 绞车 自动 控制 系统 ， 系统 核心 为 单 片机 和 P I D 控制 器 。在 进 行大 幅 调 速 时 ， 操作人员只需输入 目标转速 ， 无需缓慢调节控制手 柄 ， 单片机将 目标转速 自动分 割为多个 阶段 目标转 速， 然后协 同 P I D控制器 自动调节液压绞车 的速度 至 目标转速 ， 从而极大提高了绞车控制 的 自动化水 平， 减轻了操作人员 的工作强度[ 6 ] 。 1 系统设 计 1 ． 1液 压 绞 车 工 作 状 态 液压绞车在运行中存在 3种状态 ， 即上提 、 下放 和制动。单片机根据控制手柄输入的信号和制动手 柄的状态判断绞车的状态并输出响应指令。判断流 程如 图 2所示 。 液压绞车 自动控制系统简图如图 3所示 。提升 重物时 ， 控制手柄 向上推 ， 输入提升速度 ， 三位 四通 电磁阀处于左位 ， 两位两通 电磁阀处于右位 ， 两位两 上合丫 通电 ／ ／ v 与0 ＼ 瑚 关j 单片机不输出指令， 制 动器处于手动制动状态 一 P I控D 嚣 景 叫 并 与 控 制 器 协 同 调 节 I 速度至0 ， 制动器制动 制动器松闸， 单片机控制各液压阀启闭． 并与P I D 控制器协同调节速度至输入速度 图 2 液压绞车工作状态判断程序 流程 F i g ． 2 Th e p r o c e s s o f j u d g me n t p r o g r a m o f wo r k i n g s t a t e o f h y d r a u l i c wi n c h 通 电磁 伺服 阀全 开 ， 液压 制动 器松 闸 ， 液压 电动 机正 转提升重物 ， 单片机与 P I D控制器协 同调整卷筒转 速至控制手柄输入的转速 ； 下放重物时， 控制手柄输 入下放速度 ， 三位 四通 电磁 阀处于右位 ， 两位两通 电 磁 阀 得 电 处 于 左 位 ， 两 位 两 通 电 磁 伺 服 阀 全 闭 ， 1 ． 5 s 后两位两通 电磁 阀断 电处 于左位 ， 两位 两通 电磁伺服阀线性开启 ， 液压制动器松 闸， 液压 电动机 反转下放重物， 单片机 与 P I D控制器协同调整卷筒 转速至控制手柄输入的转速_ 8 _ 9 ] 。需要停车制动时 ， 控 制手 柄输 入转 速 0 ， 单 片 机 与 P I D 控 制 器 协 同调 整 卷筒 转速 至 0 ， 并 控 制 制 动 器 制 动 ， 此 外 ， 在 停 车 后应拉下手动制动拉杆， 使两位三通 电磁 阀断电， 完 成制动 ； 需要紧急制动时， 可直接拉下手动制动拉杆 。 1 ， 2 7 一定量泵 ； 2 ， 5 ， 2 6 一电动机 ； 3 ， 6 ， 7 ， 1 6 一溢流阀 ； 4 一液控变量泵 8 一P I D控制器 ； 9 一模数转换器 ； 1 0 一数模转换器 ； 1 1 一单片机 ； 1 2 一控制手柄 ； 1 3 一三位四通电磁伺服阀 ； 1 4 一液压缸 ； 1 5 一三位四通 电磁阀； 1 7 一单向阀； 1 8 一顺序阀 ； 1 9 一两位两通 电磁阀； 2 O 一液压 电动机 ； 2 1 ， 2 8 一两位两通电磁伺服阀 ； 2 2 一液压制动器 ； 2 3 一卷筒 ； 2 4 一两位三通电磁阀 ； 2 5 一三位三通电磁阀 ； 2 9 一角速度传感器 ； 3 0 一手动制动拉杆 图 3 液压绞 车 自动控 制系统简图 Fi g ． 3 Au t o ma t i c c o n t r o 1 s y s t e m o f h y d r a u l i c wi n c h 1 ． 2 系统调速 原 理 1 ． 2 ． 1 分割 目标转速 控制手柄输入 目标转速后 ， 单片机通过模数转 换器读取 目标转速 ， 并 与液压 电动机 目前的转速做 8 2 工矿 自动 化 2 0 1 8年 第 4 4卷 差 ， 记 为 △叫。 目标转速 与 当前转 速方 向一致 时 ， 单 片机用 △ 的绝对值 除以 2 0 r ／ mi n得 到 目标转速 ， 结果 取整 数， 记为 i ， 并将 目标转速分割为 i 1 个阶段 目标 转 速 。前 i 个 阶段 ， 每个 阶段 目标转 速 的保 持 时 间 都为 1 S 。当 △ ∞为正 时 ， 第 1 S内 ， 阶段 目标转 速为 当前 液 压 电动 机 转 速 加 2 0 r ／ vai n ； 进 入 下 l S后 ， 阶段 目标 转 速 在 前 一 阶 段 目标 转 速 基 础 上 加 2 0 r ／ rai n ， 持续 i S ， i S后的阶段 目标转速设置为控 制手柄输入的 目标转速 。当 △ 叫为负时 ， 前 i S内， 每个阶段的 目标转速在前一阶段的阶段 目标转速基 础上 减 2 0 r ／ mi n ， i S 后 的阶段 目标转 速为 控制 手柄 输入的 目标转速 。 当 目标转速与当前转速方向相反时 ， 分为 2个 大 阶段分 割 目标 转 速 。第 1个 大 阶段 目标 转 速取 为 0 ， 然后与液压 电动机当前转速做差求得 △ 叫， 最 后 分割 目标转 速 ； 第 2个 大阶段 目标转 速 取为控制 手柄 输人 的转速 ， 然 后 与 0做差 求 得 △ 叫， 再 次 分 割 目标转速 。每个大阶段内目标转速的分割与转速一 致时的目标转速分割过程相同_ 】 。 1 ． 2 ． 2 P I D调速 单片机将 目标转速分割完成后 ， 在每个阶段内， 单片机将 当前阶段 目标转速设置为 目标转速 ， 之后 比较 目标转速 和通 过角速 度传感 器测 得 的当前液 压 电动机转速 ， 计算出转速误差信号， 误差信号经数模 转换器转换为模拟信号后输入 P I D控制器 ， 将绞车 转 速调 整为该 阶段 的 目标 转速 。经过 1 个 阶段 调 整后 ， 最终将 液压 电动 机转速 调整 至 目标 转速 。 2系统 建模 仿真 2 ． 1 基 于 AMES i m模 型 的建 立 在 AME S i m 中建立对应液压绞车 自动控制系 统 简 图的仿 真模 型[ 】 。 ] 。模 型建 立后 ， 在仿 真 环 境 中 ， 设 置 P I D 控 制 器 参 数 K 一 1 3 0 0 ，K 一 5 0 ， Ko 一1 0 0 0 ， 液压电动机承受 的拉力设置为 6 0 0 k g ， 分别 测 试 输 入转 速 由 0直 接变 为 一4 0 r ／ mi n ， 及 由 一 5 0 r ／ mi n直 接降 为 0时 ， 在 系统 自动 调 节下 的液 压电动机转速响应情况及最终转速 。仿真开始的时 间都为 0 ， 采样问隔都为 0 ． 0 1 S ， 仿真时间分别为 7 、 23 s [ 引 。 2 ． 2 仿 真 结果及 分析 输 入转 速 由 0直 接变 为 一4 0 r ／ mi n时 ， 液 压 电 动 机 转 速 响 应 曲 线 如 图 4所 示 。输 入 转 速 由 一 5 0 r ／ mi n直接变为 0时， 液压电动机转速响应曲 线 如 图 5所示 。 ’ 口 暑 二 艘 蜱 时间／ s 图 4 输入转速 由 0直接 变为一4 0 r ／ rai n时 的 液 压电动机转速响应 曲线 Fi g． 4 Re s po ns e c ur ve of hy d r a u l i c mo t or s p e e d c h a n g i n g f r o m 0 t o 4 0 r ／ mi n g 二 辩 U l U 1 Z U ， 时间／ s 图 5 输入转速由一5 0 r ／ mi n 直接变为 0时的液压 电动机转速响应曲线 F i g ． 5 Re s p o n s e c u r v e o f h y d r a u l i c mo t o r s p e e d c h a n g i n g f r o m 5 0 r ／ rai n t o 0 从图 4 可看 出， 输入转速由 0 直接变为--4 0 r ／ m i n 时 ， 制动 闸延迟 1 ． 5 S开启 ， 整 个 下 放过 程 中 ， 没有 大幅速度波动。并且系统 自动调节转速 ， 耗时 4 S 后 ， 最终将 液压 电动 机转 速调整 为 一3 9 ． 7 r ／ rai n ， 误 差小 于 1 r ／ rai n 。 从图 5 可看出， 当绞车运行速度由一5 0 r ／ mi n调 整为 0时， 单片机首先将 目标转速分割为一3 0 r ／ mi n 、 一 1 0 r ／ vai n 、 0三个阶段 目标转速 。第 1阶段 ， P I D 控制 器将 绞 车 速 度 由 一5 O r ／ rai n向 一3 0 r ／ mi n调 整 ， 持续 时间 为 1 S ； 第 2阶段 ， P I D控 制器将 绞 车 速 度由第 1阶段的最终运行速度向一1 0 r ／ v a i n调整 ， 持续 时 间为 1 s ； 第 3阶段 ， P I D控 制器 将 绞 车 速度 由第 2阶段 的最终运 行速度 向 0调 整， 最 终耗 时 1 0 S 后将绞车速度调整为 0 。在整个调速过程中绞 车 的运行 速度 没有 出现大 幅波动 。 3 结论 1 液压 绞车 自动控 制 系统通过 单片机 和 P I D 2 0 1 8年 第 2期 温毅等 液压绞车 自动控制系统设计 8 3 控制器的协 同控制来调节绞车的速度 。输入 目标转 速后 ， 单片机能够 自动判断绞车的运行状态， 然后控 制 各 液压 阀 的开 启 ； 通 过 分 割 目标 转 速 ， 协 同 P I D 控制器 自动将卷筒 的转速调整至 目标转速 ， 从 而极 大地提高了绞车的 自动化水平 ， 解决了开环控制液 压绞车必须不 问断调节绞 车速度及单 纯闭环 P I D 控制液压绞车在调速时完全依赖个人经验的问题。 2 在 AME s i m仿真环境 中， 对绞车下放重物 和大幅变速的情况进行了仿真分析 ， 结果表明， 在下 放重物和大幅调速时 ， 控制系统能够 自动将绞车 的 转 速调 整 到 目标 转 速 ， 且 调速 过程 平稳 。 参考文献 R e f e r e n c e s [1] [2] [3] [4] [5] [ 6] [ 7] 王运敏． 中国采矿设备手册 下册 I- M] ． 北京 科学 出 版社 ， 2 0 0 7 9 8 9 9 9 1 ． 吴辉海． 液压绞车[ M] ． 北 京 煤炭工业 出版社 ， 1 9 8 9 10 9 1 2 O． 黎少辉 ， 丁海港． 煤 矿 J K Y型绞 车液压控制 系统改 造 与试验[ J ] ． 煤炭工程， 2 0 1 6 ， 4 8 1 1 1 3 7 1 3 9 ． LI S h a o h u i ，DI NG Ha i g a n g ． Re n o v a t i o n a n d t e s t o f h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m f o r J 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