礦用絞車控制系統的優化設計探析

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摘要：以當前應用效果最佳的無極繩牽引絞車為對象，在分析各種調速方式及控制系統的基礎上，提出了變頻液壓調速方式，并對該控制系統的馬達、泵及電機進行選型，并設計與其相匹配的PID控制器，對PID控制器中的關鍵參數進行優化。經優化后礦用絞車控制系統能夠使絞車調速控制無超調及波動現象發生，能夠滿足實際生產的控制要求。

關鍵詞：變頻調速液壓調速無極繩牽引絞車

引言

目前，由我國自主研發的無極繩牽引絞車能夠實現連續運輸的功能[1]，應用于無極繩牽引絞車的調速方式以交流調速為主。與其相對應的控制方式有完全開環的交流異步電機V/F變頻控制和矢量小閉環控制[2]。其中，交流異步電機V/F變頻控制為完全開環控制，無法確保整個調速系統的穩定性，而矢量小閉環控制雖然為閉環控制，但是其無法保證后續速度輸出的穩定性[3]，容易由于環境的突變而引起速度的突變，進而對整個系統造成沖擊[4]。以礦用絞車中的無極繩牽引絞車為例，分析其在實際應用中所存在的問題，并經優化設計后對其改造后的效果進行測試。

1控制思路

隨著綜采工作面開采效率的不斷提升，對無極繩牽引絞車的整機效率也需升級，進而適應整個工作面的生產。因此，整機功率升級后，系統對絞車啟動和停止過程中對設備的沖擊和無極調速的要求越來越高。據研究可知，液壓調速方式由于其傳動平穩、響應快捷、調速范圍較廣等優勢被廣泛應用于機械、礦山等設備啟動，制動時可減輕對設備的沖擊。因此，本文將液壓調速方式應用于對無極繩牽引絞車中。

1.1液壓調速方案的分析

在綜合分析節流調速、容積調速以及二者相結合的容積節流調速方式的基礎上，綜合分析無極繩牽引絞車未來的發展趨勢和對貨物運輸平穩性的要求，本文將采用液壓調速方案中的容積調速方式。為了提高該調速方案的遠程操作能力，采用比例先導控制手柄實現對絞車的遠程調速控制。

1.2變頻液壓調速控制方案的分析

為實現對無極繩牽引絞車的變頻調速，在全液壓調速方案的基礎上將變頻調速應用于無極繩牽引絞車中，最終形成變頻液壓調速方案。變頻調速的方法包括有恒壓頻比控制、轉差頻率控制以及矢量控制。由于恒壓頻比控制在靜、動態的控制性能較差，轉差頻率控制的相應速度不高[5]，本文中的變頻液壓調速的控制方案由矢量控制所實現。

2絞車控制系統關鍵部件的選型

2.1設計參數及目標

基于總體變頻液壓調速控制方案的確定，為其設計相應的液壓系統。變頻調速控制系統需控制絞車的參數及控制目標。

2.2液壓系統的選型設計

變頻液壓調速液壓系統的關鍵部件包括馬達、定量泵以及電機。液壓系統工作原理為基于異步電機的變頻調速實現對定量泵的控制，進而控制恒壓自變量液壓馬達。馬達的轉速是衡量變頻調速器性能的關鍵指標。因此，通過計算得出馬達的轉速，即可選出合適的馬達。馬達轉速計算公式如公式（1）：nm=30iVqπr.式中：nm為馬達的轉速；i為減速器減速比，取75；Vq為牽引速度，取1.5m/s；r為絞車滾筒的半徑，取0.5m。經計算，nm=2150r/min。泵的轉速計算公式如公式（2）np=nmVmVp.（2）式中：np為泵的轉速；Vm為馬達的排量，取12mL/r；Vp為泵的排量，取130mL/r。經計算可得，對應泵的轉速為198r/min。基于上述計算，完成對該控制系統中液壓馬達和液壓泵的選型。

3絞車控制系統控制策略的設計

無極繩牽引絞車變頻液壓調速系統包括變頻調速和液壓調速兩部分。其中，變頻調速模塊由矢量小閉環控制實現，其控制算法為PID控制器。為了對絞車速度的理想控制效果，其關鍵在于PID控制器控制策略的確定。變頻調速模塊由異步電機矢量控制所實現，為了達到理想的控制效果，需選用恰當的控制器。目前，工業中選用的控制器大部分為PID控制器。基于相關PID控制理論根據實際生產基于Simulink軟件建立對應的仿真模型，對比例系數Kp、積分系數Ki以及微分系數KD三個參數進行不斷優化。經過多次調節后整定，三個參數的取值分別為Kp=0.001、Ki=0.65、KD=0.02。經對比分析，基于PID控制的變頻液壓調速控制系統能夠明顯消除絞車響應超調量，且穩態誤差由原先的5.9%降低為0.9%；絞車對其速度控制時間由之前的4s減少為當前的2s。由此可見，基于PID控制策略下的絞車變頻調速控制系統能夠提高絞車的響應能力，增強絞車運行的穩定性和可靠性。

4結語

牽引絞車作為綜采工作面的輔助生產設備，該設備運行的穩定性和可靠性間接影響綜采工作面的開采效率。在實際生產中，需確保對絞車速度的無極控制，使其滿足實際生產的需求。本文提出的變頻液壓調速控制系統在對絞車系統控制中無超調和波動，可在實際生產中推廣應用。

參考文獻

[1]李晨浩，李偉.系泊絞車變頻調速系統的設計與應用[J].船舶，2005（2）：48-52.

[2]宮再濱，趙玉珍，朱洪明.矸石山絞車變頻調速電控系統的安裝及使用[J].煤炭技術，2008，27（8）：40-41.

[3]劉學軍.淺談變頻調速絞車在礦井斜巷提升中的應用[J].科學咨詢（科技•管理），2015（3）：41-43.

[4]李宏，劉陽，劉先玉.變頻調速絞車在斜巷提升中的應用[J].煤炭工程，2013，45（1）：150-152.

作者：馬俊峰 單位：山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司