基于Simulink 的刮板輸送機張緊控制系統(tǒng)的仿真分析

閆文博

（晉能控股集團挖金灣煤業(yè)公司， 山西 大同 037003）

引言

隨著刮板輸送機不斷朝著重型化方向發(fā)展，作為輸送機運行核心的鏈傳動系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性越來越成為影響刮板輸送機運行狀態(tài)的關(guān)鍵因素。煤礦井下工作環(huán)境惡劣、刮板輸送機工作時的工況多變，在不同工況下刮板輸送機具有不同的動態(tài)特性，造成刮板輸送機鏈傳動系統(tǒng)鏈條張力和運行阻力不斷變化。當鏈條張力過小時，會導(dǎo)致鏈條垂度過大，影響刮板輸送機鏈輪和鏈環(huán)的正常嚙合，造成脫齒等現(xiàn)象；當鏈條張力過大時，則會導(dǎo)致鏈輪和鏈條嚙合時的嚙合力劇增，影響鏈輪和鏈環(huán)的嚙合可靠性與鏈傳動系統(tǒng)的使用壽命。因此，需要在刮板輸送機內(nèi)設(shè)置自動張緊裝置，以滿足在不同工作狀態(tài)下刮板輸送機自動根據(jù)鏈傳動系統(tǒng)的工作情況自動調(diào)整鏈條的張力狀況，確保刮板輸送機的穩(wěn)定運行。本文針對現(xiàn)有張緊控制系統(tǒng)的缺陷，提出了將模糊PID 控制與鏈傳動控制相結(jié)合的理論，設(shè)計了新型的自動張緊控制系統(tǒng)，對其工作情況進行了分析，以進一步提升刮板輸送機工作時的穩(wěn)定性和可靠性，提高刮板輸送機鏈傳動系統(tǒng)的使用壽命。

1 刮板輸送機張緊控制系統(tǒng)的工作原理

刮板輸送機的自動張緊控制系統(tǒng)主要是通過控制張緊機構(gòu)來調(diào)整兩個鏈輪之間的距離，從而實現(xiàn)對鏈條內(nèi)張緊力的可靠調(diào)節(jié)，其控制原理如圖1 所示[1]。

由圖1 可知，刮板輸送機自動張緊系統(tǒng)在工作時首先由張力傳感器對鏈條內(nèi)的張力進行自動監(jiān)測并輸出張力監(jiān)測信號SA、SB，系統(tǒng)對其進行濾波處理，獲取實際值，然后由信號比較器Ⅰ計算二者與系統(tǒng)設(shè)定值之間的差值，再由信號比較器Ⅱ計算出差值是否超過了系統(tǒng)運行的誤差值，然后輸出最終的觸發(fā)信號eA、eB，分別用于控制張緊油缸A 和張緊油缸B 的動作。在實際控制時，若觸發(fā)信號為1，則控制執(zhí)行油缸推出；若觸發(fā)信號為0，則控制執(zhí)行油缸保持靜止不動；若觸發(fā)信號為-1，則控制執(zhí)行油缸收回。

圖1 刮板輸送機自動張緊控制系統(tǒng)的工作原理

2 刮板輸送機張緊控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

刮板輸送機自動張緊控制系統(tǒng)中電液伺服系統(tǒng)的工作原理[2]如圖2 所示。

圖2 電液伺服控制系統(tǒng)的控制原理

由圖2 分析可知：

式中：Ue為系統(tǒng)輸出的調(diào)節(jié)電壓信號；Ur為設(shè)定的張緊力所對應(yīng)的電壓信號；Uf為系統(tǒng)監(jiān)測值的反饋電壓信號。

因此，活塞桿位移的傳遞函數(shù)xA（s）可表示為：

式中：UA（s）為系統(tǒng)輸出電壓傳遞函數(shù)；Kbv為電液比例溢流閥的增益；Gbv（s）為伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，Gbv（s）=Kbv+1；A 為執(zhí)行油缸進油腔的面積；S 為被測點鏈條的張力；MA為系統(tǒng)的質(zhì)量摩擦力；C 為執(zhí)行油缸進油腔的容積；K 為電子放大器增益；βec為系統(tǒng)的有效體積剛度系數(shù)；Cip為執(zhí)行油缸的內(nèi)泄露系數(shù)。

3 基于模糊PID 控制的張緊裝置自動控制系統(tǒng)

刮板輸送機因其工作特性及結(jié)構(gòu)特點，在實際工作中，其在刮板輸送機端部和尾部的摩擦力極大，且鏈傳動系統(tǒng)鏈條的非線性分布也較為明顯，導(dǎo)致刮板輸送機鏈傳動控制系統(tǒng)在實際工作時具有顯著的非線性和瞬變特性，因此為了提高控制系統(tǒng)對張力調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和精確性，提出了將模糊PID 控制與現(xiàn)有控制方式相結(jié)合的思想。利用模糊控制特性對刮板輸送機的張力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，其控制原理如圖3 所示。

圖3 基于模糊PID 控制的張緊控制原理

4 基于模糊PID 控制的自動張緊控制系統(tǒng)仿真分析

本文以某礦所采用的刮板輸送機為研究對象，其采用了雙驅(qū)動的鏈傳動系統(tǒng)，張緊裝置位于刮板輸送機的尾部，根據(jù)實際工作情況，利用Simulink 仿真分析軟件[3]建立基于模糊PID 控制的刮板輸送機自動張緊控制系統(tǒng)的控制方塊圖，對刮板輸送機在不同工況下工作時自動張緊控制系統(tǒng)對鏈條內(nèi)張力的調(diào)節(jié)情況進行仿真分析，研究該張緊控制系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性?；谀：齈ID 控制的刮板輸送機張緊控制系統(tǒng)的傳動控制系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 基于模糊PID 控制的張緊控制傳遞方塊圖

圖4 中，U（k）為系統(tǒng)模糊整定后的輸出控制信號；λ 為增益放大系數(shù)；Imax為調(diào)節(jié)控制電流；e（τ1+τ2）s/S表示控制電路的延時特性的傳遞函數(shù)；τ1+τ2=80 ms；Ki為控制系統(tǒng)檢測電路的增益；AC為執(zhí)行油缸有桿腔和無桿腔的面積差，取0.021 m2；KξF為控制電路的放大增益系數(shù)。

為了對該張緊控制系統(tǒng)的控制效果進行分析，本文選擇了刮板輸送機在實際工作中的最差啟動條件——直接啟動情況下的控制效果進行研究，結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 傳統(tǒng)張緊控制系統(tǒng)鏈條張力控制效果

圖6 模糊PID 張緊控制系統(tǒng)鏈條張力控制效果

由仿真分析結(jié)果可知，采用模糊PID 張緊控制系統(tǒng)后，在直接啟動下，其調(diào)節(jié)時間由優(yōu)化前的約0.45 s提升到了現(xiàn)在的約0.15 s，調(diào)節(jié)效率提升了約66.7%，穩(wěn)定時系統(tǒng)的張力由最初的30 kN 降低到了現(xiàn)在的20 kN，張力降低了約33.3%，且在調(diào)整過程中鏈條張力的波動顯著降低。由此可以看出，該新型刮板輸送機張緊控制系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)速度快、可靠性高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，完全可滿足刮板輸送機穩(wěn)定運行的技術(shù)要求。

5 結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)有刮板輸送機自動張緊控制系統(tǒng)的缺陷，提出了一種新的基于模糊PID 控制的刮板輸送機張緊裝置自動控制系統(tǒng)，利用Simulink 仿真分析軟件對直接啟動工況下的調(diào)整情況進行了仿真分析，結(jié)果表明：

1）采用模糊PID 張緊控制系統(tǒng)后，在直接啟動下其調(diào)節(jié)時間由優(yōu)化前的約0.45 s 提升到了現(xiàn)在的約0.15 s，調(diào)節(jié)效率提升了約66.7%；

2）采用模糊PID 張緊控制系統(tǒng)后，在直接啟動下鏈條穩(wěn)定后的張力下降了33.3%，顯著降低了刮板輸送機鏈傳動系統(tǒng)鏈條嚙合時的接觸力，降低了鏈輪和鏈環(huán)的磨損，提升了刮板輸送機的工作可靠性和使用壽命。