基于预见控制的带式输送机调速节能方法.pdf

第44卷 第 “ 期 2018年6月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 6 Jun. 2018 文章编号671-251X201806-0064-05 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017120006 基 于 预 见 控 制 的 带 式 输 送 机 调 速 节 能 方 法 韩东升S 杜永贵S 庞宇松12， / 铁柱3 阎 3 伟1 1.太原理工大学电气与动力工程学院，山 西 太 原 030024; 2.代尔夫特理工大学机械海运与材料工程学院， 荷 兰 代 尔 夫 特 2628CD; 3.太原理工大学山西省测控技术与新型传感器工程技术研究中心，山 西 太 原 030024 摘要 针对目前的带式输送机变速节能控制方法均在短时间内对速度进行调节， 速度突变易导致输送带 撕裂、 打滑的问题， 提出了一种基于预见控制的带式输送机调速节能方法。该方法根据前一级带式输送机的 物料运载量计算使下一级带式输送机以额定运载量运行所需的速度， 通过预见控制调节下一级带式输送机 运行速度％十对噪声对调速效果的不利影响， 在预见控制中利用卡尔曼滤波对被控带式输送机状态进行最优 估计， 削弱噪声干扰， 使调速过程平稳。仿真结果表明， 该方法能充分利用带式输送机的运载能力， 减少带式 输送机功率消耗， 在保证带式输送机安全运行的基础上达到了调速节能的目的。 关键词 带式输送机％预见控制％卡尔曼滤波％调速％节能 中图分类号TD634 文献标志码A 网络出版地址 Gttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180525. 1659. 002. html Speed regulation energy saving of belt conveyor based on preview control HAN Dongsheng1 , DU Yonggui1 , PANG Yusong1 , 2 , QIAO Tiezhu3，YAN Gaowei1 1. College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024, China; 2. College of Mechanical， Maritime and Materials Engineering， Delft University of Technology， Delft 2628CD， Netherlands; 3. Engineering Research Center for Measuring and Controlling Technology and Advanced Transducers of Shanxi Province， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China Abstract Current speed regulation energy saving s all regulate speed of belt conveyor in short time， and speed mutation is easy to cause tear and slipping of belt conveyor. In viewof above problem， a speed regulation energy saving of belt conveyor based on preview control was proposed. According to material carrying capacity of preceding belt conveyor， speed which makes succeeding belt conveyor run at rated carrying capacity is calculated， and running speed of the succeeding bett conveyor is adjusted through preview control. Aiming at negative influence of noise on speed regulation effect， Kalman filter is used to estimate state of the controlled bett conveyor in the process of preview control， which can weaken noise interference and smooth speed regulation process. The simulation results show that the can fully utilize carrying capacity of bett conveyor， reduce power consumption of bett conveyor， and achieve purpose of speed regulation and energy saving on the basis of ensuring safe operation of belt conveyor. Keywords belt conveyor ; preview control; Kalman filter; speed regulation ； energy saving 收 稿 日 期 2017-12-04;修 回 日 期 2018-05-19;责 任 编 辑 盛 男 。 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （61450011，615032H;山 西 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （2015011052 。 作 者 筒 介 韩 东 升（ 1991 ， 男 ， 山 西 大 同 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 研 究 方 向 为 机 器 学 习 、 智 能 信 息 处 理 ，E-mail1098275658。 引 用 格 式 韩 东 升 ， 杜 永 贵 ， 庞 宇 松 ， 等.基 于 预 见 控 制 的 带 式 输 送 机 调 速 节 能 方 法 工 矿 自 动 化 ，2018，4464-68. H A N Dongsheng， D U Yonggui， P A N G Yusong， et al. Speed regulation energy saving of bett conveyor based on preview control]. Industry and Mine Automation, 2018446 64-68. 2 0 1 8 年 第 6 期 韩 东 升 等 基 于 预 见 控 制 的 带 式 输 送 机 调 速 节 能 方 法 65 〇 引言 大多数多级串联带式输送机系统无论物料量多 少均以恒速运行， 导致运载效率低、 能源成本高[1]。 利用速度控制使带式输送机保持额定运载量运行， 可实现节能降耗[2]。文献[5]提出了基于模糊规则 的带式输送机调速模型， 利用模糊控制算法优化输 送带运行速度， 实现带式输送机的变速节能控制， 避 免因短期负荷高峰引起的溢料和过载风险。文献 [6]设计了 一种带式输送机自适应调速系统， 该系统 依据电动机实时功率因数进行变压变频调速。但上 文献 ， 产生的附加张力太大， 易导致输送带撕裂、 打滑。本 文提出了一种基于预见控制的带式输送机调速节能 方法。考虑到实际工业应用对带式输送机调速的安 全性要求， 将前一级带式输送机的物料运载量作为 下一级带式输送机速度控制的依据， 并利用物料在 前一级带式输送机上的运载过程为下一级带式输送 机调速提供足够的响应时间； 另外考虑到带式输送 机自身特性及噪声对调速效果的不利影响， 在预见 控制中利用卡尔曼滤波算法对被控带式输送机的状 态进行最优估计[7]， 削弱噪声干扰。该方法不仅能 调节带式输送机按照与其运载能力相匹配的速度运 行 ， 而且能减少带式输送机的功率消耗。 1带式输送机调速节能分析 物料运输常需要多级串联带式输送机协调运行 来完成。根据文献[8]对 第 z 级被控带式输送机运 载过程中所受阻力及驱动功率的分析， 确 定 第 级 带式输送机功率消耗为 P CjuLg m-〇 n 2WeitCOS St v C/ uLgmWiVCOS St 1 式中C 为相关阻力系数;为输送带与滚筒之间的 摩擦因数L为输送带长度;g 为重力加速度； m/ r o l l 为 每米托辊质量;m U 为 每 米 输 送 带 质 量 “为 第 级 带式输送机的倾斜角度uk为输人向量； dk为干 扰 向 量 A ， B ， C ， E 为系数矩阵。 假设系统可控可观， 目标值为r k， 定义误差 信 号 ek rk y k， 结合式（ 2可得被控系统 的广义误差为 〇k 1 〇 G“ uk G R“ rk 1 G“dk 3 式中〇 ek ■ Axk ；Axk ,Auk,Ark 1 “d k为差分算子向量； 矩阵G CB B ;Gr I- C A -0A - ;Gdc - C E - - E - 为单位 对于式（ 3， 其二次型性能指标为 J “ [Tk/〇k “ uTk 0 “ uk] k M r 1 ⑷ 式中Mr为期望目标预见步长/为半正定权值矩 阵;〇 为正定权值矩阵。 使 . 最 小 的 “ uk即为最优解。设 “ uk为 66 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 “ u“k F 〇 X 〇 k “F _jAr k j 1 〇 “F d j“ d k j 5 j 〇 式中 F〇 为被控系统反馈系数矩阵;F_ 为被控系 统在第j 步的前馈目标补偿系数矩阵;Md为干扰信 号预见步长;Fdj 为被控系统在第j 步的前馈干扰 补偿系数矩阵。 将式（ 5代人式（ 4， 并令 “ 0,可得 F 0 - [H G TP G J G TP 0 6 0 0 j - I H G TP G */1G T T j -1P G _ j 1 7 Fd j - [H GTPG]/1GT T j PGd j 0 8 式中P 为 Riccati方程正定解基于单一预见控制的调 速过程有较明显波动， 且加速度变化频繁;基于卡尔 曼滤波的预见控制调速过程相对稳定、 平滑， 加速度 变化幅度较小， 满足带式输送机调速过程的安全性 。 图 3 不 同 方 机 Fig. 3 Speed of belt conveyor under different speeregulation metho 时间/s 图 4 不 同 方 机 Fig. 4 Acceleration of belt conveyor under different speeregulation metho 态方程进行滤波处理。 假设观测噪声和量测噪声的协方差矩阵分别为 W， R ， 二者均不随被控系统状态的变化而变化， 系统 状 态 估 计 下 的 误 差 协 方 差 矩 阵 为 L “ ， 増益为 K “ ， 针对式2表示的被控系统， 卡尔曼滤波算法 的递推公式[13 14]为 L k C T 8 “ 15 “16 17 C L kCT R L k A L k - 1 AT B W B T L k 1 I - K kC L k x k Ax k 一 1 K k y k 一 CAx k 一 1 18 卡尔曼滤波算法的状态向量更新更多地考虑输 出向量和上一时刻状态的影响， 可有效抑制噪声干 扰 。因此， 将卡尔曼滤波算法与预见控制相结合， 利 用 卡 尔 曼 滤 波 对 状 态 向 量 最 优 估 计 的 方 式 代 替 式（） 中对状态向量的更新， 最终得到预见控制律为 0R k 1 e*k 1 xx k r k “ 1 _ 1 19 3仿真实验 利 用 Matlab R2014a 搭建两级串联带式输送机 系统模型， 模 型 参 数 见 表 1。随机设定系统的噪声 协方差矩阵W R ， 随机初始化系统状态估计下的误 差协 方 差 L k 。 为 基 卡 尔 曼 滤 波 见控制对带式输送机调速节能的有效性， 将本文方 与基 控 方 基 单 控 方。 表1带式输送机系统模型参数 Table 1 Model parameters of belt conveyor system 输送带长度/m1 000每米托辊质量/kg 22.58 输送带宽度/m1. 2 每米输送带质量/Ig28.56 带式输送机额定速度/ m s1 6 每米输送带额定运载 物料质量/kg 133.54 输送带滑轮摩擦因数0. 35最大纵向撕裂力/N 5X105 附加阻力系数1. 09滚筒围包角/180 瞬时安全系数 5. 4 模拟料仓随机将物料释放给第一级带式输送 机 ， 第一级输送机上的随机物料质量如图1 所示。 在第一级带式输送机带速恒定且运载量随机变 化的情况下， 第二级带式输送机运载物料质量如 图 2 。 出 不 同 方 第 二 级 旦 /_遐龚蓉 68 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 带式输送机功率消耗如图5 所示。可看出采用 基于卡尔曼滤波的预见控制进行调速时带式输送机 功率消耗低于基于模糊控制的调速方法， 而与基于 单一预见控制的调速方法相差不大。 belt conveying systems [J ]. 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