王曉梅

（山西潞安郭莊煤業(yè)公司，山西 長(zhǎng)治 046100）

引言

帶式輸送機(jī)作為一種連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備，不僅可以輸送煤炭、礦石等散裝物料，還可以輸送整體物料[1]，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸送量大且運(yùn)輸距離長(zhǎng)、輸送物料種類多、適應(yīng)性強(qiáng)[2]等優(yōu)點(diǎn)。目前，隨著帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度、輸送距離、負(fù)載的持續(xù)增加，導(dǎo)致輸送帶跑偏的現(xiàn)象越來(lái)越明顯，而輸送帶跑偏指的是輸送帶位于帶長(zhǎng)方向的中心線與輸送機(jī)機(jī)架中心線偏離的現(xiàn)象，且跑偏現(xiàn)象已經(jīng)成為帶式輸送機(jī)運(yùn)行中最頻繁發(fā)生的現(xiàn)象[3]。而引起帶式輸送機(jī)跑偏問(wèn)題的原因主要有：一是設(shè)計(jì)制造導(dǎo)致的跑偏，如設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題、設(shè)計(jì)質(zhì)量缺陷、托輥質(zhì)量問(wèn)題、滾筒質(zhì)量問(wèn)題等；二是安裝不當(dāng)導(dǎo)致的跑偏，如機(jī)架安裝不正、滾筒軸線偏斜、托輥軸線偏斜、導(dǎo)料槽兩側(cè)的壓力不等[4]；三是運(yùn)行問(wèn)題導(dǎo)致的跑偏，如托輥或者滾筒外表面黏料、輸送帶松弛、落料位置不居中、輸送機(jī)振動(dòng)以及托輥損壞[5]等。針對(duì)輸送機(jī)的跑偏現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)出一套輸送帶自動(dòng)糾偏裝置，可有效對(duì)輸送帶進(jìn)行糾偏，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效的生產(chǎn)。

1 帶式輸送機(jī)糾偏裝置的設(shè)計(jì)

依據(jù)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行工況，本文對(duì)輸送機(jī)自動(dòng)糾偏裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中，輸送機(jī)糾偏裝置示意圖如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)糾偏裝置示意圖

本文設(shè)計(jì)的糾偏裝置系統(tǒng)原理為：帶式輸送機(jī)橫向位置通過(guò)采用紅外距離檢測(cè)傳感器跑偏量檢測(cè)裝置完成數(shù)據(jù)的檢測(cè)與采集，緊接著傳給控制器，依據(jù)一定的控制算法，控制器對(duì)收集的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，得到控制量，并以某一速度驅(qū)動(dòng)電機(jī)向某方向產(chǎn)生一定的角位移，帶動(dòng)蝸桿傳動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動(dòng)，最后驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)托輥架?chē)@旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的角位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶的糾偏效果。此外，本文采用模糊比例積分控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有模糊控制、比例積分控制的雙重優(yōu)勢(shì)，相比于常規(guī)比例積分控制器，具有更好的控制效果[6-7]。輸送機(jī)自動(dòng)糾偏裝置系統(tǒng)控制圖如圖2 所示。

圖2 帶式輸送機(jī)自動(dòng)糾偏裝置系統(tǒng)控制圖

1.1 自動(dòng)糾偏裝置的模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文選用直流伺服電動(dòng)機(jī)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)，電動(dòng)機(jī)的輸入電壓和輸出轉(zhuǎn)速間存在二階傳函數(shù)關(guān)系，但是針對(duì)電動(dòng)機(jī)的時(shí)間常數(shù)因素，本文將直流伺服電機(jī)等同是一階慣性環(huán)節(jié)[8]。式中：Km為控制系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)輸入頻率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的關(guān)系常數(shù)；Tm為控制系統(tǒng)輸入單位階躍信號(hào)時(shí)得到的系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間。

不同于常規(guī)的二維模糊控制器，其系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差，而本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)在于加入積分作用，構(gòu)建了PI二維模糊控制系統(tǒng)，可以消除系統(tǒng)誤差。模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下頁(yè)圖3 所示。

當(dāng)系統(tǒng)偏差|E|≥95 cm，圖3 中的開(kāi)關(guān)閉合，模糊控制與PI 控制的共同輸出作為被控對(duì)象的輸入，可實(shí)現(xiàn)小超調(diào)量的快速調(diào)節(jié)，控制作用較強(qiáng)；當(dāng)|E|＜95 cm 時(shí)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)，控制對(duì)象僅為PI 控制器，可對(duì)系統(tǒng)后半部分存在穩(wěn)態(tài)誤差的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以很好地消除誤差。

圖3 模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

1.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

當(dāng)控制系統(tǒng)的偏差≥95 cm 時(shí)，此時(shí)被控對(duì)象的輸入是模糊控制與PI 控制器共同輸出，可以消除各種因素對(duì)其的影響，具有很強(qiáng)的控制效果。圖4 為簡(jiǎn)化的控制系統(tǒng)的控制對(duì)象，當(dāng)輸送機(jī)出現(xiàn)橫向跑偏時(shí)直接導(dǎo)致滾輪位置的變化，進(jìn)而帶動(dòng)杠桿產(chǎn)生擺動(dòng)，并通過(guò)后面的四桿機(jī)構(gòu)，將跑偏量轉(zhuǎn)為h 的變化量。而控制系統(tǒng)的輸入量是通過(guò)測(cè)得的h 變化量與變化速率，本文選取E=h-h0（h、h0分別為輸送帶正常和跑偏后檢測(cè)元件與底座間的距離），因此，將系統(tǒng)偏差的導(dǎo)數(shù)作為輸入量，輸出量為蝸桿轉(zhuǎn)速。

圖4 帶式輸送機(jī)模糊控制的簡(jiǎn)化圖

1.3 比例積分模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)控制系統(tǒng)偏差＜95 cm 時(shí)，斷開(kāi)模糊控制器開(kāi)關(guān)，此時(shí)被控對(duì)象的輸入是僅用比例積分控制器的輸出，可以將系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行消除。比例積分控制器的系統(tǒng)控制是采用比例、積分計(jì)算得到的控制量。

對(duì)于比例控制，是一種比較簡(jiǎn)單的控制方式，其輸入誤差變量與輸出量是簡(jiǎn)單的比例關(guān)系，控制特點(diǎn)是隨誤差信號(hào)的變化，輸出變量也快速變化。當(dāng)比例系數(shù)越大時(shí)，控制系統(tǒng)也相應(yīng)地響應(yīng)越快；不足時(shí)只有比例控制的系統(tǒng)，輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

對(duì)于積分控制，其輸入誤差變量和輸出變量的積分是正比關(guān)系，通過(guò)加入積分，就可以將系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除。比例積分控制有位置式和增量式兩種控制算法，因?yàn)槲恢檬降妮敵雠c之前的全部狀態(tài)相關(guān)，不適用計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算；而增量式是輸出變量為增量，并且通過(guò)偏差換向，控制變量也快速變化，可將積分飽和的危險(xiǎn)消除。本文采用的是增量式算法。

系統(tǒng)控制關(guān)系為：

式中：μ（k）為控制器的輸出；e（k）為控制器的輸入；kp為控制器的比例放大系數(shù)；T為控制器的積分時(shí)間。

1.4 控制系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)

本文進(jìn)一步對(duì)控制系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5 所示。

圖5 自動(dòng)糾偏裝置軟件設(shè)計(jì)流程圖

再對(duì)自動(dòng)糾偏裝置控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并與裝置的軟件系統(tǒng)相匹配。帶式輸送機(jī)糾偏裝置控制系統(tǒng)硬件圖如圖6 所示。

圖6 自動(dòng)糾偏裝置的硬件設(shè)計(jì)圖

2 帶式輸送機(jī)自動(dòng)糾偏裝置的仿真分析

前述詳細(xì)設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)糾偏裝置的控制系統(tǒng)，為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的糾偏效果，本文建立MATLAB和ADAMS 聯(lián)合平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行仿真研究，其中，仿真激勵(lì)輸入信號(hào)采用的是階躍信號(hào)，進(jìn)而可以很好地實(shí)現(xiàn)糾偏裝置旋轉(zhuǎn)弧度的控制，仿真結(jié)果如圖7 所示。

從圖7 中可看出，帶式輸送機(jī)自動(dòng)機(jī)糾偏裝置盡管出現(xiàn)了幾個(gè)振蕩循環(huán)，但是振蕩幅度不算大，且糾偏裝置能夠很好地到達(dá)控制位置。因此，從整體上來(lái)看，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)糾偏裝置系統(tǒng)在糾偏過(guò)程中有一定的可控性，穩(wěn)定性也比較好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖7 自動(dòng)糾偏裝置的仿真結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

為有效解決帶式輸送機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的跑偏現(xiàn)象，進(jìn)而保證煤礦生產(chǎn)的安全高效。本文設(shè)計(jì)出一套輸送帶自動(dòng)糾偏裝置，并具體對(duì)模糊控制與PI 控制系統(tǒng)及其系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用直流伺服電機(jī)為系統(tǒng)的動(dòng)力源，并結(jié)合紅外距離檢測(cè)傳感器測(cè)量輸送帶的橫向位置和變化趨勢(shì)；最后，建立MATLAB 和Adams 聯(lián)合平臺(tái)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，該自動(dòng)糾偏系統(tǒng)具有一定的可控性，穩(wěn)定性好。