矿用绞车控制系统的优化设计探析

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摘要：以当前应用效果最佳的无极绳牵引绞车为对象，在分析各种调速方式及控制系统的基础上，提出了变频液压调速方式，并对该控制系统的马达、泵及电机进行选型，并设计与其相匹配的PID控制器，对PID控制器中的关键参数进行优化。经优化后矿用绞车控制系统能够使绞车调速控制无超调及波动现象发生，能够满足实际生产的控制要求。

关键词：变频调速液压调速无极绳牵引绞车

引言

目前，由我国自主研发的无极绳牵引绞车能够实现连续运输的功能[1]，应用于无极绳牵引绞车的调速方式以交流调速为主。与其相对应的控制方式有完全开环的交流异步电机V/F变频控制和矢量小闭环控制[2]。其中，交流异步电机V/F变频控制为完全开环控制，无法确保整个调速系统的稳定性，而矢量小闭环控制虽然为闭环控制，但是其无法保证后续速度输出的稳定性[3]，容易由于环境的突变而引起速度的突变，进而对整个系统造成冲击[4]。以矿用绞车中的无极绳牵引绞车为例，分析其在实际应用中所存在的问题，并经优化设计后对其改造后的效果进行测试。

1控制思路

随着综采工作面开采效率的不断提升，对无极绳牵引绞车的整机效率也需升级，进而适应整个工作面的生产。因此，整机功率升级后，系统对绞车启动和停止过程中对设备的冲击和无极调速的要求越来越高。据研究可知，液压调速方式由于其传动平稳、响应快捷、调速范围较广等优势被广泛应用于机械、矿山等设备启动，制动时可减轻对设备的冲击。因此，本文将液压调速方式应用于对无极绳牵引绞车中。

1.1液压调速方案的分析

在综合分析节流调速、容积调速以及二者相结合的容积节流调速方式的基础上，综合分析无极绳牵引绞车未来的发展趋势和对货物运输平稳性的要求，本文将采用液压调速方案中的容积调速方式。为了提高该调速方案的远程操作能力，采用比例先导控制手柄实现对绞车的远程调速控制。

1.2变频液压调速控制方案的分析

为实现对无极绳牵引绞车的变频调速，在全液压调速方案的基础上将变频调速应用于无极绳牵引绞车中，最终形成变频液压调速方案。变频调速的方法包括有恒压频比控制、转差频率控制以及矢量控制。由于恒压频比控制在静、动态的控制性能较差，转差频率控制的相应速度不高[5]，本文中的变频液压调速的控制方案由矢量控制所实现。

2绞车控制系统关键部件的选型

2.1设计参数及目标

基于总体变频液压调速控制方案的确定，为其设计相应的液压系统。变频调速控制系统需控制绞车的参数及控制目标。

2.2液压系统的选型设计

变频液压调速液压系统的关键部件包括马达、定量泵以及电机。液压系统工作原理为基于异步电机的变频调速实现对定量泵的控制，进而控制恒压自变量液压马达。马达的转速是衡量变频调速器性能的关键指标。因此，通过计算得出马达的转速，即可选出合适的马达。马达转速计算公式如公式（1）：nm=30iVqπr.式中：nm为马达的转速；i为减速器减速比，取75；Vq为牵引速度，取1.5m/s；r为绞车滚筒的半径，取0.5m。经计算，nm=2150r/min。泵的转速计算公式如公式（2）np=nmVmVp.（2）式中：np为泵的转速；Vm为马达的排量，取12mL/r；Vp为泵的排量，取130mL/r。经计算可得，对应泵的转速为198r/min。基于上述计算，完成对该控制系统中液压马达和液压泵的选型。

3绞车控制系统控制策略的设计

无极绳牵引绞车变频液压调速系统包括变频调速和液压调速两部分。其中，变频调速模块由矢量小闭环控制实现，其控制算法为PID控制器。为了对绞车速度的理想控制效果，其关键在于PID控制器控制策略的确定。变频调速模块由异步电机矢量控制所实现，为了达到理想的控制效果，需选用恰当的控制器。目前，工业中选用的控制器大部分为PID控制器。基于相关PID控制理论根据实际生产基于Simulink软件建立对应的仿真模型，对比例系数Kp、积分系数Ki以及微分系数KD三个参数进行不断优化。经过多次调节后整定，三个参数的取值分别为Kp=0.001、Ki=0.65、KD=0.02。经对比分析，基于PID控制的变频液压调速控制系统能够明显消除绞车响应超调量，且稳态误差由原先的5.9%降低为0.9%；绞车对其速度控制时间由之前的4s减少为当前的2s。由此可见，基于PID控制策略下的绞车变频调速控制系统能够提高绞车的响应能力，增强绞车运行的稳定性和可靠性。

4结语

牵引绞车作为综采工作面的辅助生产设备，该设备运行的稳定性和可靠性间接影响综采工作面的开采效率。在实际生产中，需确保对绞车速度的无极控制，使其满足实际生产的需求。本文提出的变频液压调速控制系统在对绞车系统控制中无超调和波动，可在实际生产中推广应用。

参考文献

[1]李晨浩，李伟.系泊绞车变频调速系统的设计与应用[J].船舶，2005（2）：48-52.

[2]宫再滨，赵玉珍，朱洪明.矸石山绞车变频调速电控系统的安装及使用[J].煤炭技术，2008，27（8）：40-41.

[3]刘学军.浅谈变频调速绞车在矿井斜巷提升中的应用[J].科学咨询（科技•管理），2015（3）：41-43.

[4]李宏，刘阳，刘先玉.变频调速绞车在斜巷提升中的应用[J].煤炭工程，2013，45（1）：150-152.

作者：马俊峰 单位：山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司