楊海靳

（同煤大唐塔山煤礦有限公司 山西大同037003）

0 引言

目前我國(guó)的現(xiàn)代化礦井建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了大規(guī)模開(kāi)展階段，年產(chǎn)量千萬(wàn)噸以上大型現(xiàn)代化礦井的自動(dòng)化與機(jī)械化程度顯著提高。作為礦井生產(chǎn)的核心生產(chǎn)工藝，大型綜采工作面展現(xiàn)出規(guī)模化生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)同時(shí)，皮帶機(jī)功率顯著增大帶來(lái)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題日益凸顯。由于目前獨(dú)立大功率電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)成本高，許多企業(yè)采取了相同型號(hào)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)[1-2]。理想情況下各電機(jī)的功率相等，但是由于各電機(jī)實(shí)際工況并不總是相同，就會(huì)出現(xiàn)個(gè)別電機(jī)過(guò)載或欠載的情況，極端情況下會(huì)導(dǎo)致電機(jī)燒毀，因此本文提出一種多電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)功率平衡的控制方法。

1 多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)功率平衡原理

在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中，雖然起動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程是可控的，但由于驅(qū)動(dòng)滾筒直徑的差別、驅(qū)動(dòng)裝置的布置形式不同、輸送帶工作時(shí)的彈性伸長(zhǎng)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的差異以及載荷變化等因素的影響，使各個(gè)驅(qū)動(dòng)滾筒間的牽引力不等而造成電機(jī)負(fù)載的不平衡[3-5]。同煤大唐塔山煤礦的膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由三臺(tái)相同功率的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。

在多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)系統(tǒng)中，電機(jī)與皮帶機(jī)之間聯(lián)接形式基本可以分為三種：（1）直接聯(lián)接，電動(dòng)機(jī)通過(guò)高速聯(lián)軸器直接與制動(dòng)器聯(lián)接；（2）液力偶合聯(lián)接，電動(dòng)機(jī)通過(guò)高速聯(lián)軸器與液力耦合器聯(lián)接，然后接含制動(dòng)輪的聯(lián)軸器；（3）液粘軟起動(dòng)裝置聯(lián)接，電動(dòng)機(jī)通過(guò)高速聯(lián)軸器與液粘軟起動(dòng)裝置聯(lián)接，后接低速聯(lián)軸器。對(duì)于不同的聯(lián)接形式，有不同的功率平衡策略，塔山礦皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)聯(lián)接形式采取第三種。液粘軟起動(dòng)裝置通過(guò)其內(nèi)部的主從摩擦片之間油膜的剪刀力來(lái)傳遞動(dòng)扭矩。液粘軟起動(dòng)裝置通過(guò)改變油缸壓力調(diào)節(jié)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)控制，由于電機(jī)的功率與其轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此改變液粘離合器的壓力可間接控制其電機(jī)的功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)功率的平衡。

兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，功率平衡原理圖如圖2所示。電機(jī)M1作為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)M2作為從動(dòng)驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)給定一主動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)M1轉(zhuǎn)速，通過(guò)壓力傳感器采集液粘軟起動(dòng)裝置1的壓力，與給定速度進(jìn)行比較，通過(guò)壓力PID的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使主動(dòng)電機(jī)M1的轉(zhuǎn)速恒定。采集兩臺(tái)電機(jī)的電流進(jìn)行比較，當(dāng)M2工作電流大于M1工作電流時(shí)，通過(guò)功率PID的調(diào)節(jié)減小從動(dòng)液粘軟起動(dòng)裝置2的壓力，實(shí)現(xiàn)減小M2速度，進(jìn)而降低M2功率直至主從電機(jī)功率相等；當(dāng)M2工作電流小于M1工作電流時(shí)，通過(guò)功率PID增加其液粘軟起動(dòng)裝置2的壓力，實(shí)現(xiàn)增大M2轉(zhuǎn)速，進(jìn)而增大M2功率直至主從電機(jī)功率相等。

當(dāng)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)在三臺(tái)及以上時(shí)，也可以類似指定一臺(tái)主動(dòng)電機(jī)，其他為從動(dòng)電機(jī)，但是隨著從動(dòng)電機(jī)增多，從動(dòng)電機(jī)的電流調(diào)整會(huì)彼此影響，在惡劣情況下可能會(huì)引起供電電流的波動(dòng)，影響供電安全。皮帶機(jī)負(fù)載大小決定了電機(jī)功率的大小，通過(guò)兩點(diǎn)驅(qū)動(dòng)功率平衡的分析，摩擦片間的油壓調(diào)整能夠?qū)崿F(xiàn)功率調(diào)整。三臺(tái)以上電機(jī)功率平衡策略可采用平均油壓法，其實(shí)現(xiàn)方法如下圖3所示。在液粘軟啟動(dòng)裝置中安裝壓力傳感器1Px采集各驅(qū)動(dòng)裝置的壓力，當(dāng)油膜壓力超過(guò)油膜壓力閥值△P時(shí)啟動(dòng)功率平衡控制。通過(guò)調(diào)節(jié)電磁比例閥線圈電流，可以精確控制其油壓。將各軟啟動(dòng)裝置油膜壓力取平均值，然后與各臺(tái)軟啟動(dòng)裝置壓力值做差，以其差值來(lái)調(diào)整對(duì)應(yīng)離合器壓力，從而調(diào)整各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩，最終達(dá)到電機(jī)功率平衡。

圖3兩點(diǎn)以上驅(qū)動(dòng)平均油壓功率平衡原理圖

2 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制

通過(guò)控制電液比例閥的開(kāi)度，能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)功率平衡和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但是帶式輸送機(jī)系統(tǒng)是一種純滯后、非線性、時(shí)變的系統(tǒng)。例如系統(tǒng)工作過(guò)程中會(huì)因?yàn)榄h(huán)境或工作時(shí)間的變化，導(dǎo)致油溫的升高或者降低引起系統(tǒng)參數(shù)的變化，采用傳統(tǒng)PID控制方式控制效果不好。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是一種具有自學(xué)習(xí)能力、適用非線性系統(tǒng)的算法，適用于非線性系統(tǒng)或不確定系統(tǒng)，通過(guò)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與傳統(tǒng)PID算法相結(jié)合，使系統(tǒng)在比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)三者組合中確定最佳組合，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制器具有了良好的適應(yīng)性，各個(gè)控制參數(shù)可以在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)調(diào)節(jié)，并適應(yīng)油溫變化導(dǎo)致的系統(tǒng)參數(shù)變化，提高多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)功率平衡系統(tǒng)的魯棒性。

基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制框圖如圖4所示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器由傳統(tǒng)PID控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩部分所組成，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又可分為學(xué)習(xí)算法模塊和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊。采集被控對(duì)象輸出值，與某一預(yù)定初值做差，差值作為常規(guī)PID的輸入值，常規(guī)PID調(diào)節(jié)后的輸出值來(lái)控制被控對(duì)象，形成了傳統(tǒng)閉環(huán)控制。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模塊，控制器的控制參數(shù)比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)進(jìn)行調(diào)整；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法通過(guò)采集PID控制器的輸出值，調(diào)整RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值，進(jìn)而改變PID的各個(gè)控制參數(shù)，從而達(dá)到最優(yōu)性能指標(biāo)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層神經(jīng)元的輸出對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)PID控制器的三個(gè)可調(diào)的控制參數(shù)。通過(guò)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、各個(gè)加權(quán)系數(shù)改變，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID控制器參數(shù)，提高皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)控制精度。

圖4基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制框圖

設(shè)第k時(shí)刻被辨識(shí)系統(tǒng)的理論輸出為y(k)，辨識(shí)網(wǎng)絡(luò)的輸出為ym(k)，此時(shí)辨識(shí)器的性能指標(biāo)函數(shù)為：

系統(tǒng)中采用的增量式PID控制器，控制誤差為：

PID三項(xiàng)輸入為：

控制算法為

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定指標(biāo)為

采用梯度下降法可得PID的參數(shù)kp、ki、kd的調(diào)整量分別為：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)傳統(tǒng)PID控制的改進(jìn)可通過(guò)系統(tǒng)仿真來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，在MATLAB中仿真了一個(gè)主井皮帶機(jī)1 140 V/200 kW的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(三機(jī)驅(qū)動(dòng)，各200 kW)，Rs=0.428，Rr=0.613，Ls=Lr=50 mH，Lm=72.1 mH，JN=0.024 kgm2，Pn=2。圖5是電機(jī)的轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)曲線，橫軸是時(shí)間，縱軸是電機(jī)轉(zhuǎn)速。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)在0.4秒以前進(jìn)入了無(wú)超調(diào)的穩(wěn)態(tài)，較好滿足系統(tǒng)要求。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與傳統(tǒng)PID控制器結(jié)合，傳統(tǒng)PID參數(shù)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法整定，免去了工程師整定過(guò)程，輸入輸出跟隨能力和系統(tǒng)的響應(yīng)速度大幅度提高，使得傳統(tǒng)PID控制器在皮帶機(jī)非線性系統(tǒng)中發(fā)揮了作用。

圖5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的感應(yīng)電機(jī)速度階躍響應(yīng)仿真圖

3 功率平衡控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)上述提出的功率平衡控制策略，編制了基于PLC的多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)功率平衡控制程序。給出了功率平衡控制流程如圖4，程序開(kāi)始時(shí)完成各模塊的初始化配置，采集各驅(qū)動(dòng)電機(jī)壓力并計(jì)算其平均值。若各電機(jī)壓力在允許的范圍內(nèi)則返回，若壓力大于平均值則調(diào)用PID控制程序增大離合器壓力，若壓力小于平均值則調(diào)用PID控制程序減小離合器壓力，最終的控制目標(biāo)是使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的壓力處于平均值附近。功率平衡控制流程及效果如圖6和圖7所示。

圖6功率平衡控制流程圖

圖7功率平衡效果圖

圖6中，橫軸表示時(shí)間，三個(gè)縱軸分別表示負(fù)載、電機(jī)轉(zhuǎn)速和采煤機(jī)位置。從圖中三條轉(zhuǎn)速曲線重合度可以看出，拖動(dòng)皮帶機(jī)的三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎沒(méi)有偏差，能夠?qū)崿F(xiàn)功率平衡。

4 結(jié)論

本文針對(duì)大功率皮帶機(jī)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)功率平衡控制技術(shù)進(jìn)行了研究，基于平均油壓法的功率平衡策略，提出了一種RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制方法。通過(guò)控制流程圖編制了功率平衡控制軟件，在去年將其應(yīng)用于同煤大唐塔山煤礦的膠帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)程序中，實(shí)際應(yīng)用中三臺(tái)電機(jī)的功率幾乎相等，改善了電機(jī)的功率分布，延長(zhǎng)了電機(jī)壽命，確保了企業(yè)生產(chǎn)安全。