矿井提升机电气控制系统行程控制的研究

2021-04-08王鹏

机械管理开发 2021年2期

王鹏

（晋能控股煤业集团晋圣公司，山西晋城 048000）

引言

在一些矿山生产过程中矿井提升机是主要的生产设备。煤炭行业使用矿井提升机占有数额为4 000多套，其余生产行业矿井提升机使用也较为频繁。尽管各类矿产过程对矿井提升机的需求比较大，但由于一些经济和历史的原因，其电控系统存在技术落后等各类问题，直接导致了提升机生产效率以及安全性低，也使得提升机自动化发展相对滞后[1-2]。为满足矿井现代机械化的发展需求，需要改造提升机控制系统。

1 行程控制的基本原理

矿井提升机控制的目的主要是针对其位置的控制，给定地点可保证其停车位置相对更为精准，因此，对整个系统的准确性要求极高。在提升机运行的整个过程中，采集传感的信号主要是依据微机实现的，例如通过井筒位置等信号判断出将要停止的具体位置，对其达到控制和保护的目的要求。

行程控制的本质为位置控制，在给定的行程中，速度给定的信号强弱主要是基于提升机的行程。提升机存在不同的运行速度，当提升机进行减速时，需给定的S 形速度可根据运行速度的不同，在不同的时间段下输入开始运行速度即将要减弱的信号。若整个运行过程中的控制因素为时间，当给出一个速度时，建立一个有关减速点的开关；当速度改变时，仍需再设置另一个减速开关，这就造成不同的速度需对应不同的减速开关，形成了复杂化的控制系统；若控制方式为手动时，尽管可以控制给定信号的强弱，但难以控制减速的速度以及时刻，并不能使系统得到最佳的时间和速度以到达停车点位，这直接导致提升周期以及停车位置的不准确。

给定行程、给定速度的信号强弱主要基于两者之间的距离△S 的大小确定的，这两者指的是所提升的容器与停车点之间的距离。当△S 的值较大时，给定速度的信号较强；当△S 的值较小时，速度给定的信号弱。通过给定速度信号，即可判断出提升机的位置，与其运行时间以及运行速度均无关。

在图1 中，Vmax设定为最大的提升速度，a1和a2分别代表加速度和减速度，减速区间为t2—t3。根据一系列的公式推导得出据该公式得出，当恒减速时，提升机运行速度V 与停车位之间呈现二次函数的关系，如图2 所示。当确定减速度a2并得出停车位与减速位之间的行程距离ΔS 时，便可得出相应大小的速度信号。基于速度信号，给定信号可通过在给定的电路中转化为相应的电位信号。

图1 三段速度图

图2 速度与行程的二次函数图

2 行程控制的数学模型

通过计算机软件S 化提升机的平滑变化折线形运行速度曲线，得出S 形给定速度曲线。同时，在加速以及减速运动阶段，根据修改调整相关提升机的控制参数，可得出相应的要求给定速度曲线。通过分析行程控制的数学模型，可得出在实际应用过程中的控制策略[3]。

在提升机的运行中，不仅对安全、高效、平稳提出高要求，而且工作人员的舒适度也应为重要的考虑因素。如图3 所示为折线形梯形速度图，该运行速度模式较为常用。此图虽能够达到控制的基本要求，但也存在一些弊端：它会冲击提升系统的机械部分，打破提升机中钢丝绳的稳定状态，这也直接影响了提升机运行的稳定性。产生这些不足的原因在于如图3 所示的结果，转折处的速度转变较为直接、不平缓，转换速度也较快，如此加大了加速度的变化率。因此，根据以上不足之处，通过计算机软件使给定曲线S 化，得出S 形速度给定曲线。

图3 梯形速度曲线图

理想的S 形给定出的曲线以及加减速度的变化率和形状如图4 所示，提升机以恒定最大的运行速度 Vmax常运行，该图中 Vmax、Vp和 rm分别为最大提升速度、爬行速度以及加速度变化率，且整个提升周期中包括的部分列于表1。该速度的计算依据是rm对时间的积分。

3 行程的控制策略

调速系统主要采用转速电流双闭环直流控制，在行程给定的条件下，通过一定的关系得出给定速度。速度调节器使用的是有关比例积分的PI 调节器，当采用抛物线函数给定速度时存在一些偏差；若采用斜坡函数给定速度时，稳态的误差基本为0。因此，系统可采用复合的控制方式处理误差，此种控制方式可使在相对恒定稳定状态的条件下，能够较大程度地减小速度的一些误差。针对复合的控制方式，可在反馈系统中加上类似前馈的校正环节，这种模式主要是基于在速度给定的条件下，对相关的动力矩输入信号进行求导得出导数前馈方面的控制，即控制形式为结合前馈控制和反馈控制[4]。

这种复合控制形式优势众多：首先，整体提高了系统的抗扰性和跟随性；其次，优化了拖动系统速度误差和跟随误差，跟随误差主要是由于静阻转矩所引起的。此外，可以避免提升容器的下沉。