提升機(jī)電機(jī)械盤式制動(dòng)器的間隙與壓力控制

王傳禮， 王順， 靳華偉*， 霍環(huán)宇， 許虎威

(1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 淮南 232001； 2.安徽理工大學(xué)環(huán)境友好材料與職業(yè)健康研究院， 蕪湖 241003)

在礦井開(kāi)采中，礦井提升機(jī)承擔(dān)著運(yùn)輸開(kāi)采設(shè)備、提升物料與人員等功能，在開(kāi)采中占有特別重要的地位[1]。盤式制動(dòng)器是礦井提升機(jī)中實(shí)用而關(guān)鍵的機(jī)械部件。它對(duì)礦井提升機(jī)的驅(qū)動(dòng)、停車、安全制動(dòng)等關(guān)鍵動(dòng)作的控制起著重要的作用[2]。提升機(jī)提升貨物不同，負(fù)載重量變化較大，因此要求制動(dòng)器能夠提供可變制動(dòng)力，保證提升機(jī)準(zhǔn)確停車[3]。隨著時(shí)間的推移，盤式制動(dòng)器會(huì)出現(xiàn)閘瓦磨損、傳動(dòng)間隙變大等故障，造成制動(dòng)空動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，制動(dòng)力滯后，故要求制動(dòng)器保持合理的制動(dòng)間隙[4]。能夠保證提升機(jī)正常運(yùn)行的制動(dòng)器，可以避免人員傷亡，大大減少經(jīng)濟(jì)損失。

現(xiàn)有礦井提升機(jī)普遍采用液壓盤式制動(dòng)器，液壓盤式制動(dòng)器的閘瓦依靠蝶形彈簧與高壓油液產(chǎn)生制動(dòng)力，通過(guò)調(diào)節(jié)油液壓力控制制動(dòng)力[5]。為提高液壓盤式制動(dòng)器的可靠性，王利棟等[6]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制律優(yōu)化比例-積分-微分控制器(proportional-integral-derivative, PID)應(yīng)用在液壓盤式制動(dòng)器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒減速度實(shí)時(shí)性與精準(zhǔn)性的控制。Wang等[7]對(duì)制動(dòng)界面的摩擦行為進(jìn)行研究，得出閘瓦磨損變化。Zhang等[8]設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)碟簧彈力和制動(dòng)正壓力的盤式制動(dòng)器，用于判斷制動(dòng)力是否充足?？傊?，為了使盤式制動(dòng)器更加智能化和可靠，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)方法上提出了許多有效的技術(shù)。然而，液壓盤式制動(dòng)器油液泄漏、制動(dòng)間隙補(bǔ)償、制動(dòng)力精確控制等問(wèn)題，沒(méi)有得到有效解決[9]。

與液壓盤式制動(dòng)器相比，電機(jī)械制動(dòng)器(electromechanical brake, EMB)具有環(huán)境友好、通過(guò)控制電機(jī)輸入精確控制制動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)。Duan等[10]針對(duì)汽車的EMB系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出分層控制策略，使制動(dòng)系統(tǒng)具有快速、準(zhǔn)確地跟蹤期望制動(dòng)力的性能。Arasteh等[11]采用魯棒控制策略Youla參數(shù)化設(shè)計(jì)控制器，從能量消耗和響應(yīng)時(shí)間方面對(duì)線控制動(dòng)器進(jìn)行比較和優(yōu)化。Wu等[12]針對(duì)汽車的EMB系統(tǒng)提出了一種提高制動(dòng)性能參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真分析；該方法使EMB具有更短的響應(yīng)時(shí)間、更精確的制動(dòng)力。然而，電機(jī)械盤式制動(dòng)器在礦井提升機(jī)制動(dòng)這一領(lǐng)域應(yīng)用較少。

現(xiàn)將碟簧融入傳統(tǒng)EMB結(jié)構(gòu)，要求改進(jìn)后的EMB能夠?qū)崿F(xiàn)常閉制動(dòng)效果。改進(jìn)型電機(jī)械盤式制動(dòng)器(electromechanical disc brake, EDB)用于礦井提升機(jī)制動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣控制有機(jī)結(jié)合，讓盤式制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)制動(dòng)正壓力、自動(dòng)調(diào)整制動(dòng)間隙等重要功能。為礦井提升機(jī)電機(jī)械制動(dòng)裝置的控制系統(tǒng)提供思路，對(duì)實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)采遠(yuǎn)景目標(biāo)有重要意義[13]。

1 電機(jī)械盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)分析

圖1是EDB的結(jié)構(gòu)示意圖，其機(jī)械結(jié)構(gòu)由直流力矩電機(jī)、行星減速器、螺紋副、碟簧、活塞和制動(dòng)閘瓦等部分組成。EDB的工作原理如下：敞閘時(shí)，制動(dòng)控制單元(brake control unit, BCU)將控制信號(hào)傳輸給電機(jī)電源，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)行星齒輪減速器降速增扭，螺紋副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變?yōu)榛钊闹本€運(yùn)動(dòng)，活塞壓緊碟簧形成預(yù)緊力，與此同時(shí)閘瓦離開(kāi)制動(dòng)盤產(chǎn)生制動(dòng)間隙；提升機(jī)制動(dòng)時(shí)，BCU根據(jù)制動(dòng)需求計(jì)算制動(dòng)力，并將控制信號(hào)傳輸給電源，電機(jī)旋轉(zhuǎn)釋放碟簧，碟簧壓緊閘瓦產(chǎn)生制動(dòng)力，閘瓦與制動(dòng)盤之間摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力矩。BCU通過(guò)控制電機(jī)輸入改變活塞推力，進(jìn)而達(dá)到控制制動(dòng)正壓力的目的。在制動(dòng)間隙達(dá)到目標(biāo)閾值內(nèi)，電機(jī)斷開(kāi)輸入，活塞依靠螺紋自鎖特性保持固定，穩(wěn)定制動(dòng)間隙。

圖1 電機(jī)械盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of EDB

圖2 制動(dòng)器控制流程Fig.2 Brake control process

圖2是制動(dòng)控制單元工作流程圖，制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)刻對(duì)設(shè)備檢查，保證電氣元件正常工作。制動(dòng)器主要有制動(dòng)間隙調(diào)節(jié)、工作制動(dòng)及安全制動(dòng)三個(gè)工作狀態(tài)，BCU需要根據(jù)提升機(jī)的運(yùn)行需求下達(dá)不同工作命令。

安全制動(dòng)指在突發(fā)情況下進(jìn)行全功率制動(dòng)，忽略制動(dòng)正壓力的控制。EDB電機(jī)輸入端除BCU外，還并聯(lián)有安全制動(dòng)電容單元(safety brake capacitor unit，SBCU)，作為電機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)裝置，當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，SBCU利用電容驅(qū)動(dòng)電機(jī)釋放碟簧。研究主要對(duì)制動(dòng)間隙調(diào)節(jié)、工作制動(dòng)兩種狀態(tài)進(jìn)行探究。

為提高制動(dòng)器的跟蹤速度和穩(wěn)定性，研究采用閉環(huán)反饋控制[14]，圖3是制動(dòng)器閉環(huán)控制原理圖，將制動(dòng)正壓力和制動(dòng)間隙兩個(gè)狀態(tài)變量作為被控對(duì)象。電機(jī)械盤式制動(dòng)器使用電機(jī)、傳感器與控制器取代傳統(tǒng)液壓結(jié)構(gòu)。電控元件的加入，提高了制動(dòng)器的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。有效地抑制被反饋通道所包圍的前向通道中各種干擾對(duì)系統(tǒng)輸入量的影響，加快被控對(duì)象的輸出量對(duì)輸入量的跟蹤速度，獲得快速響應(yīng)的效果[15]，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，保證安全制動(dòng)并提高能量利用率。

圖3 閉環(huán)控制原理Fig.3 Closed loop control principle

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 電機(jī)

永磁式直流力矩電機(jī)內(nèi)部有電阻、電感等，簡(jiǎn)化后的電路圖如圖4所示。

U為電樞電壓，V；Ia為電樞電流，A；Ra為電樞電阻，Ω；La為電樞電感，mH；Tf為摩擦力矩，N·m；Te為外力矩，N·m；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；M為電機(jī)轉(zhuǎn)子符號(hào)圖4 力矩電機(jī)簡(jiǎn)化電路Fig.4 Simplified circuit of torque motor

永磁式直流力矩電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)模型為

(2)

式中：Ke為反電勢(shì)系數(shù)，V/(r·min)；ωm為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度，r/min；KT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，(N·m)/A；Jm為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Bm為電機(jī)阻尼，(N·m)/(r·min)；t為時(shí)間，s。

2.2 行星減速器

由于EDB電機(jī)存在安裝空間等局限性，依目前的電機(jī)技術(shù)，單靠電機(jī)還不足以提供壓縮碟簧所需的轉(zhuǎn)矩。因此，需要一個(gè)轉(zhuǎn)矩提升裝置，如減速器或自增力結(jié)構(gòu)。研究采用行星齒輪減速器，當(dāng)齒圈固定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩通過(guò)齒輪傳輸?shù)截?fù)載上，如圖1所示。行星減速器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩比為

(4)

式中：Zsun為太陽(yáng)輪齒數(shù)；Zring為行星輪齒數(shù)；ωsun為太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速，r/min，與電機(jī)轉(zhuǎn)速相等；ωv為行星架轉(zhuǎn)速，r/min，即減速器輸出軸轉(zhuǎn)速；Tsun為太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)矩，N·m；iv為減速比；Tv為減速器輸出軸轉(zhuǎn)矩，N·m。

考慮靜摩擦、庫(kù)侖摩擦、黏滯摩擦力矩，電機(jī)與行星減速器的摩擦模型為

(5)

式(5)中：Ts為最大靜摩擦力矩，N·m；Tc為庫(kù)倫摩擦力矩，N·m；θ為相對(duì)滑動(dòng)角度，rad；Kv為黏滯摩擦系數(shù)，N·m/(rad·s)；sgn(x)為符號(hào)函數(shù)，當(dāng)x>0時(shí)等于1，當(dāng)x=0時(shí)等于0，x<0時(shí)等于-1。

2.3 螺紋副

螺紋副作為運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，用扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼器對(duì)螺紋副進(jìn)行建模如圖5所示，螺桿的受力狀態(tài)如圖6所示。

螺桿的旋轉(zhuǎn)相當(dāng)于活塞沿傾角為α的斜面做線性運(yùn)動(dòng)，螺桿轉(zhuǎn)速為

(6)

式(6)中：rs為螺桿公稱半徑，mm；xs為活塞沿斜坡的線性位移，mm。

作用于活塞的周向力P與螺桿旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系為

(7)

由于活塞在制動(dòng)器工作過(guò)程中持續(xù)受到碟簧彈力作用，產(chǎn)生壓緊活塞的力Q?？紤]螺紋副的摩擦損失，活塞在螺桿上有黏滑運(yùn)動(dòng)，活塞的動(dòng)力學(xué)方程為

Pt為碟簧載荷，N；θs為螺桿的旋轉(zhuǎn)角度，rad；Ks為螺桿剛度，N/m；Bs為螺紋副黏度阻尼系數(shù)，N/(m·s-1)；x′p為活塞軸向位移，m；FN為閘瓦壓緊力，N圖5 EDB系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of EDB system

Q為壓緊活塞力，N；P為活塞周向力，N；N為沿螺紋法向力，N；Ph為螺紋導(dǎo)程，mm圖6 螺紋示意圖Fig.6 Diagram of screw pair

(8)

Tsrs=Ff+P+Q

(9)

式中：Mp為活塞質(zhì)量，kg；Ff為螺紋副摩擦力，N?；钊妮S向位移與活塞沿斜面的線性位移關(guān)系為

(10)

2.4 碟簧

碟簧直接與活塞接觸，通過(guò)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)來(lái)控制碟簧的壓縮量。單片碟簧的載荷和變形量關(guān)系式[16]為

(11)

即

Pt∝Δx3

(12)

計(jì)算系數(shù)為

(13)

C=D/d

(14)

式中：E為彈性模量，N/mm2；D為碟簧外徑，mm；μ為泊松比；h0位碟簧壓平時(shí)變形量，mm；ht為碟簧厚度，mm；Δx為變形量，mm；d為碟簧內(nèi)徑，mm。

對(duì)于無(wú)支撐面碟簧，K4=1。

3 控制器設(shè)計(jì)

3.1 制動(dòng)間隙控制

制動(dòng)間隙控制階段即調(diào)節(jié)制動(dòng)閘瓦與制動(dòng)盤之間的間距，制動(dòng)間隙目標(biāo)值為(1±0.2) mm。此階段初始狀態(tài)，閘瓦將要離開(kāi)制動(dòng)盤，碟簧壓縮量為x0，活塞在電機(jī)帶動(dòng)下克服彈力壓縮碟簧，閘瓦離開(kāi)制動(dòng)盤。當(dāng)制動(dòng)間隙穩(wěn)定在目標(biāo)值，電機(jī)斷開(kāi)輸入等待制動(dòng)命令?；钊揽柯菁y副的自鎖特性固定，制動(dòng)間隙保持恒定。

此階段由于活塞需克服碟簧彈力產(chǎn)生制動(dòng)間隙，且由式(12)知碟簧彈力與制動(dòng)間隙呈三次非線性，傳統(tǒng)的PID控制器針對(duì)線性定常系統(tǒng)具有十分良好的控制效果，對(duì)于制動(dòng)器模型參數(shù)明顯非線性變化的系統(tǒng)則難以勝任。且傳統(tǒng)的PID參數(shù)整定多是實(shí)驗(yàn)試湊法，精度低、難以得到最優(yōu)的PID參數(shù)[17]。針對(duì)以上2個(gè)方面的不足，在PID的基礎(chǔ)上，采用遺傳算法(genetic algorithm, GA)整定PID參數(shù)。利用遺傳算法良好的尋優(yōu)能力對(duì)PID控制器的比例增益kp、積分增益ki、微分增益kd3個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，使控制效果達(dá)到最優(yōu)。

圖7所示為EDB控制系統(tǒng)框圖，控制系統(tǒng)輸入為制動(dòng)需求，輸出為制動(dòng)間隙和制動(dòng)力。

控制器主體包括GA、模糊控制和PID控制器，通過(guò)自整定PID參數(shù)改善控制效果。EDB轉(zhuǎn)速控制器用于電機(jī)保持恒定的夾緊力響應(yīng)，通過(guò)誤差對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，利用合理有效的閉環(huán)控制器，快速、準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)電機(jī)輸入。

目標(biāo)函數(shù)J為PID參數(shù)選取的最優(yōu)指標(biāo)，即

(15)

式(15)中：e(t)為誤差；tr為上升時(shí)間；tp為峰值時(shí)間；w1、w2、w3為權(quán)值。

為避免超調(diào)，采用了懲罰功能，將超調(diào)量作為目標(biāo)函數(shù)中一項(xiàng)，此時(shí)的目標(biāo)函數(shù)為

(16)

ey(t)=y(t)-y(t-1)

(17)

式中：w4為權(quán)值，且w4>>w1；y(t)為系統(tǒng)輸出。

依據(jù)被控對(duì)象的工況，須嚴(yán)格控制系統(tǒng)誤差和響應(yīng)時(shí)間，加大這2個(gè)量的權(quán)重，可以取w1=0.99，w2=0.01，w3=2。而w4作為超調(diào)量的權(quán)值，為起到懲罰效果應(yīng)使其遠(yuǎn)大于其他權(quán)值，取w4=120。

圖7 EDB控制系統(tǒng)框圖Fig.7 Block diagram of EDB control system

適應(yīng)度函數(shù)F為

F=1/J

(18)

個(gè)體被選擇的概率Pi為

(19)

式(19)中：Fi為個(gè)體適應(yīng)度；M為種群規(guī)模。

3.2 制動(dòng)閘瓦壓力控制

制動(dòng)階段活塞釋放碟簧，制動(dòng)閘瓦在碟簧的彈力擠壓下壓緊制動(dòng)盤，摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力矩，令閘瓦壓緊制動(dòng)盤的壓緊力為FN，則有

FN=Pt-Q

(20)

針對(duì)傳統(tǒng)PID控制不能很好的適應(yīng)碟簧非線性等缺點(diǎn)，本研究使用模糊PID控制器作為壓力控制器，其中kp增益隨制動(dòng)力輸入而變化，以獲得合適的響應(yīng)速度并保證合適的跟蹤性能。當(dāng)需要較強(qiáng)的制動(dòng)力時(shí)，制動(dòng)力誤差大，所需電機(jī)轉(zhuǎn)速高，夾緊力響應(yīng)快。然而，當(dāng)需要的制動(dòng)力較小時(shí)，誤差較小，所產(chǎn)生的所需電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，將導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速較慢，夾緊力響應(yīng)較慢。因此，一個(gè)前饋控制器用于電機(jī)保持恒定的夾緊力響應(yīng)，允許電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)，無(wú)論所需的制動(dòng)力。

模糊控制器以誤差和誤差變化率為輸入，以kp、ki、kd為輸出值，將模糊論域劃分7檔。采用三角函數(shù)作為本次設(shè)計(jì)的隸屬度函數(shù)，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)確定模糊PID輸入、輸出隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則表，即kp、ki、kd與系統(tǒng)誤差e(t)及誤差變化率de/dt的模糊關(guān)系。將輸入變量分為7個(gè)階段，NB表示負(fù)大，NM表示負(fù)中，NS表示負(fù)小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，kp模糊控制如表1所示。

表1 kp模糊控制表

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為評(píng)估EDB控制系統(tǒng)的性能，在對(duì)電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)間隙與制動(dòng)閘壓緊力控制器進(jìn)行仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺(tái)來(lái)評(píng)估所提出控制器的性能。選擇某司130LYX05型直流力矩電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)。電機(jī)械制動(dòng)裝置試驗(yàn)系統(tǒng)布置示意如圖8所示，電機(jī)參數(shù)如表2所示。

試驗(yàn)所得到的參數(shù)由傳感器采集并經(jīng)信號(hào)放大器、采集卡轉(zhuǎn)換后供給主機(jī)，主機(jī)通過(guò)對(duì)信號(hào)處理，計(jì)算電機(jī)電壓，通過(guò)可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令(standard commands for programmable instruments, SCPI)將電壓信號(hào)傳送給可調(diào)電源，調(diào)節(jié)力矩電機(jī)輸入電壓的大小與方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)間隙和制動(dòng)力的控制。

圖8 電機(jī)械制動(dòng)裝置試驗(yàn)系統(tǒng)布置示意圖Fig.8 Layout diagram of EDB device test system

表2 130LYX05電機(jī)參數(shù)

4.1 制動(dòng)間隙試驗(yàn)

為探究間隙調(diào)節(jié)性能，開(kāi)展了基于遺傳算法PID控制下的間隙調(diào)節(jié)試驗(yàn)。在剛好結(jié)束一個(gè)制動(dòng)過(guò)程時(shí)的制動(dòng)間隙為零，目標(biāo)間隙值為(1±0.20) mm，圖9為制動(dòng)器試驗(yàn)系統(tǒng)從零制動(dòng)間隙運(yùn)行至目標(biāo)制動(dòng)間隙并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)程中制動(dòng)間隙變化曲線。

圖9 制動(dòng)間隙變化試驗(yàn)曲線Fig.9 Curves of brake gap change

如圖9所示，試驗(yàn)值的上升時(shí)間為0.4 s，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.8 s，制動(dòng)間隙在0.8 s內(nèi)穩(wěn)定在(1±0.04) mm的閾值內(nèi)，達(dá)到制動(dòng)器的控制要求。實(shí)驗(yàn)值與仿真相較有一定滯后，這主要是因?yàn)樵趯?shí)際試驗(yàn)中，電機(jī)應(yīng)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)閘瓦運(yùn)動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)間有運(yùn)動(dòng)間隙和摩擦，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)不能立即傳遞給閘瓦。與仿真值相比系統(tǒng)的超調(diào)量也相對(duì)減小，其主要原因是系統(tǒng)的滯后，給予控制器更多的反應(yīng)時(shí)間，算法計(jì)算的PID參數(shù)更加合適，PID作用效果更強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，由基于遺傳算法的自整定PID控制器能夠有效地控制制動(dòng)間隙。

4.2 制動(dòng)正壓力試驗(yàn)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)模糊PID控制器能夠控制所需制動(dòng)正壓力，進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)評(píng)估制動(dòng)正壓力控制性能。

電機(jī)通過(guò)控制活塞推力間接調(diào)節(jié)制動(dòng)正壓力，故活塞推力的控制性能與制動(dòng)力控制密切相關(guān)。試驗(yàn)測(cè)試活塞推力、電樞電流和減速器輸出軸扭矩隨電機(jī)電壓的變化關(guān)系，如圖10所示。在t1～t2階段，電壓小于1.2 V，推力與扭矩?zé)o明顯變化，此階段電壓較小，電磁轉(zhuǎn)矩小于系統(tǒng)摩擦，電機(jī)無(wú)動(dòng)力輸出，電流隨著電壓的增加呈線性增加。在t2～t3階段，電機(jī)克服系統(tǒng)摩擦開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，電流曲線斜率變小。在t3時(shí)刻之后，活塞壓緊力傳感器，推力隨電壓增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，負(fù)載阻力增加，電流曲線的斜率變大，驗(yàn)證式(1)和式(2)。圖10中A處電流、推力、扭矩試驗(yàn)曲線斜率變小，主要原因是處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的制動(dòng)器，由于其系統(tǒng)聯(lián)軸器的彈性、傳達(dá)部件的剛度等原因，電機(jī)會(huì)克服阻力產(chǎn)生小角度的旋轉(zhuǎn)，此時(shí)角速度不為零，由式(1)得電流的變化速度將減小，在圖10中對(duì)應(yīng)斜率減小。

圖11為模糊PID控制下正壓力響應(yīng)曲線，目標(biāo)壓力為1 000 N，圖11中曲線表明，壓力能夠穩(wěn)定在1 000 N附近，上升時(shí)間為0.5 s，超調(diào)量為4%，調(diào)節(jié)時(shí)間為2.7 s。試驗(yàn)值與仿真值相比存在滯后現(xiàn)象，其主要原因是試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)間隙與系統(tǒng)摩擦。試驗(yàn)調(diào)節(jié)時(shí)間比仿真更長(zhǎng)，振蕩次數(shù)更多，主要原因是制動(dòng)正壓力由碟簧提供，改變電機(jī)電壓是間接改變壓力，且電壓到壓力的控制存在滯后現(xiàn)象，控制效果不能及時(shí)反映在壓力變化，故控制效果稍差于仿真。

通過(guò)連續(xù)階躍試驗(yàn)觀察模糊PID的跟蹤性能，試驗(yàn)是從初始?jí)毫榱?，?00 N為步長(zhǎng)，逐步階躍至1 500 N，后以500 N為步長(zhǎng)階躍至零，循環(huán)測(cè)試。圖12為正壓力跟蹤試驗(yàn)曲線，從圖12中可以看出，每次階躍試驗(yàn)壓力與目標(biāo)壓力基本一致，具有很好的跟蹤性能。零壓力目標(biāo)沒(méi)有超調(diào)現(xiàn)象的主要原因是閘瓦在調(diào)整過(guò)程中離開(kāi)制動(dòng)盤，壓力傳感器示數(shù)保持為零，閘瓦與制動(dòng)盤間沒(méi)有反向壓力。正壓力試驗(yàn)結(jié)果表明，模糊PID控制器能夠有效地控制制動(dòng)正壓力，并保持很好的跟蹤性能。

圖10 活塞推力-電壓特性試驗(yàn)曲線Fig.10 Curves of piston force-voltage characteristic

圖11 正壓力控制曲線Fig.11 Curves of positive force control

圖12 制動(dòng)正壓力跟蹤試驗(yàn)曲線Fig.12 Curves of positive braking force tracking

5 結(jié)論

(1)將基于遺傳算法和模糊控制律的自整定PID用于礦井提升機(jī)電機(jī)械制動(dòng)裝器，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)間隙控制和制動(dòng)正壓力控制，同時(shí)增加了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制動(dòng)間隙、壓力等參數(shù)的功能。解決了提升機(jī)因負(fù)載具有隨機(jī)性和時(shí)變性，需要不同制動(dòng)力的難題。

(2)電機(jī)械制動(dòng)裝置控制系統(tǒng)應(yīng)用于電機(jī)制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)。由數(shù)學(xué)模型得到的仿真值與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于遺傳算法的PID控制器能夠?qū)⒅苿?dòng)間隙調(diào)節(jié)到理想值，使制動(dòng)間隙穩(wěn)定在(1±0.04) mm范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)誤差小于4%，上升時(shí)間為0.4 s，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.8 s。模糊PID控制器能夠?qū)⒅苿?dòng)正壓力控制在目標(biāo)范圍內(nèi)，具有良好的跟蹤性能。