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差动轮系液粘调速装置仿真模型的建立和仿真
发布时间：2013-07-08 08:04 来源：未知
1、概述
随着我国煤矿高产高效矿井的发展，对长距离、大运量、大功率带式输送机的需求量越来越大，而大功率带式输送机的可控起动成为一个瓶颈问题，严重制约了带式输送机技术的进一步发展。虽然目前国内采用了一些可控起动技术，如：变频调速技术、液力调速技术等，但应用于大功率带式输送机的可控起动各有弊端。差动轮系液粘调速装置作为大功率带式输送机的可控起动装置，有着其独特的优势。这种装置能实现带式输送机可控的起、制动，即按给定的速度曲线起、制动；能够在多电机驱动中实现各电机空载顺序起动，避免了对整个电网的瞬时冲击；在多机驱动时能实现功率平衡；具有过载保护的作用；同时降低了带式输送机起动时的动态张力，减少输送带震荡波，延长输送带及其它零部件的使用寿命。
2、差动轮系液粘调速装置原理简介
差动轮系液粘调速装置是由减速器、差动行星轮系、摩擦片液粘离合器、液压控制系统等组成。电机连接输入轴，内齿圈和离合器连接，行星轮架与输出轴为一体，并与负载连接，通过调节摩擦片之间的间隙来改变输出轴的转速，从而达到输送机的可控起动。差动轮系液粘调速装置原理的详细介绍参见参考文献。
3、应用MATLAB软件建立仿真模型
MATLAB软件的功能强大，它的SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包，可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。在SIMULINK提供的图形用户界面GUI上，只要进行鼠标的简单操作就可以构造出复杂的仿真模型。它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。从建模的角度讲，这既适于自上而下的设计流程，又适于自下而上逆程设计；从分析研究角度讲，这种SIMULINK不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。并且在仿真过程中可以改变某些参数，实时观察系统行为的变化，正确分析各种参数对系统的影响，以使用户得到满意地控制效果。
利用SIMULINK环境，做差动轮系液粘调速装置的一个仿真模型图如图1。其中的比例系数、积分系数、微分系数为PID控制器的三个可调的参数，可通过调节PID控制器的三个参数来实现最佳的控制效果。PID控制器是在工业过程中应用最广的基本控制算法。其优点是原理简单、使用方便、鲁棒性强、调节器参数调整比较容易、具有无余差功能、精度较高、适应性广。PID控制器的形式为：三个参数来确定最佳的控制器，达到满意的控制结果。图1的传递函数为差动轮系液粘调速装置的传递函数，通过机械动力学、液压传动和控制理论方面的知识对差动轮系液粘调速装置进行分析，确定其在某一工作点的传递函数为其传递函数由它的数学模型得到，参见参考文献。当差动轮系液粘调速装置中的液粘离合器在不同的工作点时，其转矩压力增益和转矩转速增益都将有所不同，这样它的传递函数也将有所变化，但其仿真的模型始终不变。
通过图1的仿真模型图，调节PID控制器的3个参数将会得到不同的控制效果，PID参数的确定有很多种方法：如凑试法、齐格勒一尼柯尔斯(Ziegle-Nichols)法、ISTE最优设定法、阶跃曲线法等，根据这些方法确定出一组PID控制器的参数，其中控制效果最佳的是凑试法所确定的PID控制器，效果如图2所示。
从仿真图2可知，凑试法所确定PID控制器的控制效果相当不错，几乎没有超调量，上升时间快，调整时间短，这说明响应速度很快，而且响应平稳没有振荡，其PID控制器的参数为：
4、对理想的起动速度曲线的模拟
在起动长运距带式输送机时，起动速度曲线中如果加入一延时段，是较为理想的起动曲线，见图3。在延时段内，输送机的各部件在低力矩、低速度状态下投入运行，原来松弛的输送带被拉紧，这样就降低了瞬态动张力，避免对整个输送机系统产生巨大的瞬时冲击，延长了输送带及各部件的使用寿命。
把理想的起动曲线近似为图4所示的四段的曲线，通过MATLAB软件编写图4曲线的s-函数，利用图1的仿真模型进行仿真。图5为输入曲线，图6为响应曲线，比较两图形，几乎没有太大的差异，说明模型可以很好地跟踪输入，实现输出按给定的输入曲线运行，从而达到了可控起动的目的。
5、试验验证
图7为试验装置的示意图。
试验过程按照预先编写好的PLC程序进行。先起动加载装置，使液粘调速装置具有一定的负载，再起动液粘调速装置的主电机，电机起动正常后，内齿圈自由旋转，输出轴不转动，这样实现了电机的空载起动。然后PLC指示给电液比例阀一定的输入，即离合器上开始加压，使输出轴带动负载按给定曲线起动，达到稳定的速度。输出轴上有速度传感器，便携式综合测量仪从速度传感器上取得信号后，可直接把起动过程的速度曲线显示在屏幕上，同理也可以显示制动曲线。
试验测得起、制动曲线如图8所示，起动时间为95s左右，从0到95s这段起动时间中，延时段大约为15s左右，在延时段内速度不变；从95s到120s为稳定运行阶段，输送带进入正常运行阶段；从120s到160s这段曲线是制动曲线，即在40s内制动，延长了制动的时间，延缓了制动过程，这样就避免了因急停而带来的各种事故。从图8可知起动曲线与仿真的起动曲线非常的接近，说明建立的仿真模型是正确的，采用的控制方法是可行的。
6、结语
本文应用MATLAB软件对差动轮系液粘调速装置建立了仿真模型，确定了PID控制器的参数，并进行了仿真。仿真结果表明：模型可以很好的跟踪输入，试验结果也表明：差动轮系液粘调速装置能够实现使输出轴按给定的速度曲线运行。
