矿井提升机电液控制系统的研究

2020-07-31刘景泰

机械管理开发 2020年6期

刘景泰

（阳煤集团五矿，山西平定 045200）

引言

矿井提升机是由提升平台、钢丝绳、制动系统及提升系统共同构成的用于实现人员和物料进出井下的装置，具有结构简单、经济性好的优点。随着矿井综采作业深度、提升机的提升速度和载重量不断增加，提升钢丝绳因其柔性结构，在制动和启动过程中会产生力的滞后性，导致提升机产生巨大的振动和冲击，给人员和物料运输安全造成了极大的隐患[1]。本文结合高速、大载重提升机的应用特性，提出了一种以PID 模糊控制为核心的矿井提升机电液控制系统。

1 提升机电液控制系统总体结构

由于矿井提升机在运行过程中存在较大的不稳定性因素，因此为了确保对提升机制动过程的精确控制，采用了闭环控制调节模式，该控制系统的整体结构如图1 所示[2]。

图1 提升机电液控制系统整体结构示意图

由图1 可知，在该控制系统中，首先由设置在提升机各处的传感器设备对提升机运行时的状态进行监测，然后将监测结果传送到系统的单片机内，单片机根据提升机的运行状态和制动要求，输出电液控制系统的电液比例溢流阀开度调节信号，控制制动机构对提升机提升滚筒的制动力，然后利用设置在提升滚筒上的角加速度传感器对提升滚筒的速度变化情况进行监测，将监测结果返回到主控单片机内，对实际运行状态和理论运行状态的偏差量进行模糊分析，并输出调节控制信号，实现对提升机制动状态的闭环控制。在控制过程中主控单片机通过控制电磁溢流阀驱动控制模块来实现对电磁溢流阀开度的灵活调整，该控制系统的数据信息传递均通过CAN数据总线和485 数据通信接口进行，以满足在恶劣工况下的传输稳定性和便捷性的需求[3]。

2 电磁阀驱动控制模块结构原理

该提升机电液控制系统的核心，在于电磁溢流阀的驱动控制模块能否根据控制指令，实现对提升机电磁溢流阀开度的精确调控，为了满足各种工况下电磁溢流阀灵活调整的控制需求，在控制系统中增加了MOSFET 反接卸荷组件，实现了对工作过程中油压的连续可调，该驱动控制模块整体结构如图2 所示。

由图2 可知，在工作过程中主控单片机首先输出制动控制指令，该控制指令以PWM（脉冲宽度调制）[3]数据信号的形式进行发送，将数据信号传递到MOSFET（金氧半场效晶体管）反接卸荷组件内，数据通过电磁比例溢流阀的功率放大模块放大后传输到电液比例溢流阀中，系统中的电流采样控制模块则对输入的控制电流进行保护，当输入电流超过最大开度电流时，系统自动断开，确保电控元件的控制精确性。在控制过程中系统通过模糊算法，对控制信号进行分析，实现对PWM（脉冲宽度调制）数据信号输出占比控制，从而实现对比例溢流阀开度大小的精确控制，满足制动力按设定曲线变化的控制需求。

图2 电磁阀驱动控制模块结构原理示意图

3 电液比例模糊调节控制

PID 模糊控制是一种以模糊集合、模糊变量及模糊推论为基础的控制理论。由于提升机的液压系统在实际工作过程中油压会随着温度、管路状态及制动速度的不同而产生较大的差异，传统的精确控制或者是经验控制方案均难以满足对提升机比例溢流阀开度的控制需求，因此只能通过采用PID 模糊控制的方案再加上反馈控制回路来实现对比例溢流阀控制状态的动态调节，满足柔性制动的需求，该电液比例模糊调节控制器的结构如图3 所示[4]。

图3 电液比例模糊标记控制器结构示意图

由图3 可知，在对数字量信号进行模糊化处理的过程中，系统首先根据控制器的设定值和提升机提升滚筒的运行速度信号之间的偏差为调节基础，在模糊控制器内经过模糊量化处理、模糊规则控制、模糊策略决策和模糊化处理等过程获取最终的控制变量，实现对比例溢流阀开度大小的控制，最终反映到对制动压力的控制。

4 提升机制动控制系统的应用

为了对该电液控制可靠性进行分析，以某型立井提升机电液控制系统为例，对其进行升级改造，然后对载荷为4.5 t，运行速度为3.5 m/s 情况下的制动情况进行研究，结果如图4 所示。

图4 不同控制模式下的制动速度曲线

由图4 可知，当采用PID 模糊控制时，在0～0.4 s内速度快速下降，在0.4～0.8 s 内系统速度开始平稳下降，从而有效确保了制动的平稳性，当采用传统控制模式，在0～0.9 s 内速度下降较慢，但在第1 s 时，制动系统突然抱死，虽然实现了制动，但产生了极大的振动和冲击。而且对比传统的控制模式，PID 模糊控制在实现平稳制动时的制动速度降低了20%，极大提升了提升机系统的运行稳定性和制动灵敏性。