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基于激光雷达煤流监测的带式输送机自适应调速方法研究
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摘要：为了提高煤矿井下带式输送机煤流运输的均衡性及调速系统的响应特性，首先确定了基于激光雷达煤流监测的带式输送机调速系统结构，利用激光雷达对带式输送机上的煤流进行实时扫描计算，并设计了自抗扰永磁同步电机矢量控制器。根据控制策略和控制器数学模型，在Simulink上搭建了带式输送机调速系统的仿真模型。仿真分析表明，该系统具有良好的响应特性、控制精度和抗干扰能力。
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煤炭是我国的主体能源,带式输送机是煤炭生产转运的关键设备,其运行工况对生产效率及可靠性具有重要影响[1]｡传统的方法是使用皮带电子秤等装置实时监测过煤量,并根据监测结果对带式输送机进行调速,这种监测方式存在维护成本高､可靠性低､调速慢等缺点[2]｡同时,带式输送机的调速系统具有一定的非线性､大时滞､强烈的时变性等变化特点,实际应用中难以对带式输送机进行高精度实时控制[3]｡因此,本文通过激光雷达对带式输送机进行实时扫描,依据煤流监测结果结合调速系统控制策略,对带式输送机进行实时调速,提高调速系统的响应特性和抗干扰能力｡
1、带式输送机调速系统原理
带式输送机调速系统可以分为煤流检测部分和调速控制部分,系统组成如图1所示｡在井下光照不足､粉尘大的恶劣环境中,激光雷达能够扫描煤流轮廓,计算出煤流质量;调速系统依据当前带式输送机上的煤流质量对带式输送机速度进行调节,使其速度与煤流量大小相匹配[4]｡调速系统控制平台如图2所示｡
图1带式输送机调速系统组成
图2调速系统控制平台
(1)煤流监测原理
煤流在带式输送机上呈现不规则的三角形｡二维激光雷达安装于带式输送机的正上方,可以检测出上层煤流的轮廓,求解由煤流轮廓曲线与输送带曲线构成的封闭区域面积,结合带式输送机当前速度､煤块松散程度和密度可以计算出煤流体积[5]｡煤流检测原理如图3所示｡
图3煤流检测原理图
煤流质量计算原理如图4所示｡依据激光雷达扫描计算出的煤流截面积和速度传感器检测出的实时带式输送机速度,可以计算出第i次扫描所对应的瞬时煤量
(2)调速原理
在调速控制部分,上位机依据激光雷达扫描的煤流轮廓计算出带式输送机上煤流质量,速度传感器将采集的带式输送机速度信息通过控制器传递到上位机系统,在上位机中进行煤量与速度匹配,得出控制量通过控制器对变频器进行控制,来实现电机的速度调节｡调速原理如图5所示｡
图5调速原理图
2、自抗扰永磁同步电机矢量控制
本文带式输送机的驱动采用永磁同步电机(PMSM)+变频器的方式,该方法具有结构简单､传动效率高的特点｡带式输送机控制系统利用低压交流变频器控制永磁同步电机,可以实现对带式输送机的智能调速[6]｡永磁同步电机在矢量控制的基础上,通过与智能控制算法结合,依据激光雷达实时采集的煤量信息进行智能调速,实现煤多增速､煤少减速的智能控制效果｡自抗扰控制(ADRC)具有鲁棒性强､响应速度快､控制精度高等优点,因此本文采用自抗扰永磁同步电机矢量控制的方法,其控制原理如图6所示｡
图6自抗扰永磁同步电机矢量控制原理图
激光雷达通过对煤流轮廓扫描,计算出当前带式输送机上的煤量,系统匹配出与之适应的期望速度n｡在控制器中,系统输入信号n经过微分跟踪器处理,输出跟踪信号n1和微分信号n2,系统输出信号y经扩张状态观测器得到信号z1与z2,将误差e1和e2同时输入至非线性状态误差反馈控制中得到控制信号u0,然后将被控对象所受外部扰动与内部干扰信号经扩张状态观测器后输出z3,前控制信号u0通过z3进行主动补偿反馈,最后输出总控制信号u｡
3、自抗扰永磁同步电机矢量控制数学模型
(1)永磁同步电机数学模型
将电机模型简化,在d-q坐标系下,电机的定子电压方程为
本文采用的PMSM为表贴式,电感Ld=Lq,由此可得出电机的电磁转矩
当id=0时电磁转矩Te与定子电流的幅值成正比,永磁同步电机运动方程为
(2)自抗扰控制数学模型
跟踪微分器(TD)连续化一般数学模型为
扩张状态观测器(ESO)是自抗扰控制器的核心部分,连续化一般数学模型为
非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)主要用于抑制或者消除被控系统的输入信号与观测信号的误差,其数学模型组合为
4、仿真分析
(1)Simulink仿真模型建立根据自抗扰永磁同步电机矢量控制原理及数学模型,建立仿真模型如图7所示｡
图7Simulink仿真模型
(2)仿真结果分析
给定从1000rad/min到400rad/min连续变化的期望转速,仿真0.4s,仿真结果如图8所示｡转速响应曲线能够快速到达期望值,表明在自抗扰控制器的控制下永磁同步电电机调速控制具有良好的响应特性｡
图8阶跃调速响应结果
给定频率2π､幅值50rad/min的正弦信号,偏置为50,仿真时间3s,结果如图9所示｡由图9可知,响应曲线与期望曲线基本重合,控制器具有较高的控制精度｡
图9正弦调速响应结果
设定期望转速1000rad/min,在0.2s对电机施加负载扰动,仿真结果如图10所示;间隔0.1s,连续对电机施加10N·m的负载扰动仿真结果如图11所示｡从仿真结果可以看出,在施加扰动后系统快速恢复到稳定状态,表明该调速系统具有较高的鲁棒性｡
5、结语
针对带式输送机调速系统响应慢､稳定性差的问题,提出了基于激光雷达煤流检测的自适应调速系统,并设计了自抗扰永磁同步电机矢量控制器｡搭建了相应的控制模型,通过阶跃调速､正弦调速､负载扰动响应等仿真分析,表明该调速系统控制方法具有较高的响应特性､控制精度和抗干扰能力｡
图11连续负载扰动响应结果
参考文献:
[1]牛永明,高明.带式输送机机头地脚螺栓力学特性分析[J].煤矿机械,2024,45(7):99-101.
[2]李金波,侯忠.煤矿皮带机智能调速系统及其节能分析[J].能源与节能,2024(3):87-89+94.
[3]王卉.基于模糊PID理论的带式输送机调速系统设计[J].煤矿机械,2019,40(9):14-16.
[4]冯媛.融合感知的带式输送机煤流量监控系统[D].淮南:安徽理工大学,2020.
[5]于海里,孙立超,左胜,等.基于双激光雷达的带式输送机煤流量检测系统[J].工矿自动化,2023,49(7):27-34+59.
[6]吴晶.煤矿带式输送机永磁直驱系统的应用[J].煤矿机电,2017(2):56-58+62
文章来源:李晓真,张海波,单光朋.基于激光雷达煤流监测的带式输送机自适应调速方法研究[J].煤矿机械,2025,46(04):212-215.
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2025-04-07我要评论
期刊名称：煤矿机械
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主管单位：国家煤矿安全监察局
主办单位：哈尔滨煤矿机械研究所
出版地方：黑龙江
专业分类：煤矿
国际刊号：1003-0794
国内刊号：23-1280/TD
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创刊时间：1980年
发行周期：月刊
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2025-04-07
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