基于自适应反步控制的提升系统钢丝绳张力控制

2021-09-21张丽婷

机械管理开发 2021年8期

张丽婷

（晋能控股集团责任公司煤峪口矿大型队，山西大同 037001）

引言

随着浅层和深部煤炭资源开发的不断增加，超深矿井勘探已成为发展趋势，基于超深矿井大容量、大速度特点，矿井提升系统的需求越来越大。然而，传统的矿井提升系统，如单绳缠绕式提升系统和多绳摩擦式提升系统，对于超深煤矿具有很大的局限性[1-3]。

随着钢丝绳和卷筒数量的增加，两根钢丝绳的提升不能同步进行，同时考虑到钢丝绳的特性差异、动态变形、缠绕误差等因素，导致张力差急剧增大[4-5]。如何提高DRWHS的张力协调性能一直是工业界关注的焦点。应用最广泛的是液压自动张力平衡装置，它包含固定在两根钢丝绳和一个输送工具之间的两个液压缸。当两根钢丝绳的张力存在差异时，根据通信容器的原理，将相应液压缸中的高压油通过连接管挤压到另一个液压缸中，使钢丝绳的张力保持了新的平衡[6-9]。本文针对液压自动张力平衡装置存在的问题，设计了一种改进型液压张力平衡装置。

1 DRWHS 动态模型

图1-1 为活动头轮DRWHS的组成，活动头轮下固定两个液压缸，通过控制两个液压缸的位移来调节钢丝绳的张力。由于液压缸不再附着在钢丝绳和运输工具之间，因此液压缸的大小对DRWHS的起升能力影响不大。DRWHS的原理图如图1-2 所示，该系统可分为起升系统和电液伺服系统两部分。

1.1 提升系统动力学模型

主要参数如图1-2 所示，ri（i=1，2）为双滚筒的旋转长度，lci（i=1，2）为吊运或降压过程中两条悬链线的长度，lhi（i=1，2）为两根垂直提升钢丝绳在提升或降低运输工具过程中的长度，ui（i=1，2）为两个活动头轮的位移，φ 为两悬索与水平面的夹角，ai（i=1，2）为两根钢丝绳接点到运输工具的水平距离，运输工具重心bi（i=1，2）为运输工具上、下表面与运输重心之间的纵向距离，ksi（i=1，2，3，4）为四对弹簧-阻尼模型的侧向等效刚度，csi（i=1，2，3，4）为四对弹簧-阻尼模型的横向等效阻尼系数。

图1 双绳缠绕式提升系统

1.2 电液伺服系统的动力学模型

电液缸配置如图2 所示。

图2 电容液压缸配置

2 控制器设计

本工作的控制系统分为两部分：起升控制系统和液压缸控制系统。对于提升控制系统，利用NDO来估计一组提升和降低阶段的振动引起的外部干扰。然后设计了由RNABC 和NDO 组成的组合控制器，在存在参数不确定性和外部干扰的情况下，获得钢丝绳张力控制所需的两个液压缸的位移。同样，NDO 也用于液压缸控制系统估计外部干扰影响位移电液伺服系统的跟踪控制，如两个钢丝绳的振动和首饰捆，然后结合控制器设计获得所需的控制输入，确保液压缸的跟踪性能。

2.1 提升系统的NDO 设计

本节中使用的NDO 是基于状态观测器定义的，这个量是可以测量的。

式中：ρ（x1，x2）是要设计的非线性函数，σ（x1，x2）是NDO的收益。

2.2 电液伺服系统的NDO 设计

与提升系统的NDO 设计过程相似，给出了电液伺服系统的NDO 设计过程。

同样，定义NDO的增益为σ（x3，x4，x5）=μ2，μ2>0。

3 实验研究

3.1 DRWHS的实验设置

本文实验所采用的双绳缠绕提升实验系统，以所提出的DRWHS 控制策略加以实现。实验系统包括两根钢丝绳、一组代替运输工具的重量堆、两个活动头轮、两个液压马达、两个液压缸以及一个液压供电系统。两个带有70 mm 口径、50 mm 杆的液压缸和两个液压马达由四个Cosure 公司生产的比例伺服阀驱动，在16 MPa的供应压力下，流量为38 L/min。采用两台线性变量差动变压器（LVDTs）测量两个液压缸的位移。两个力传感器被固定在两个可移动的头轮和重量堆之间，以获取两根钢丝绳的实时张力。双绳缠绕提升实验系统的主要参数如表1 所示。

表1 双绳缠绕提升试验系统的主要参数

图3 给出了基于MATLAB/Simulink 快速技术的xPC 目标实时计算机控制器，实现了数字控制和数据采集。双绳缠绕提升实验系统的控制硬件包括研华IPC-610 控制器、信号调制器、PCI-1716、A-CL-6126、PCI-1784、上位机及其他辅助配件。模拟控制输入信号由D/A 采集板ACL-6126 完成，经信号调制器优化后送入伺服阀控制两个液压缸和两个液压马达。A/D 板pci-1716 和脉冲板pci-1784 转换模拟信号（两个液压缸的位移，紧张的两个绳索，体重栈的倾斜角度，四个液压缸的压力室）和脉冲信号（两个液压马达的旋转速度）转化为数字信号。

图3 双绳缠绕提升实验控制系统框图

3.2 DRWHS 动态模型验证

为了验证简化动力学模型与双绳缠绕提升实验系统的准确性，基于简化动力学模型的数值模拟和双绳缠绕提升实验，对两根钢丝绳的张力进行了研究，结果如图4 所示。从图4 可以看出，考虑参数不确定性和外界干扰的仿真结果与实验结果吻合较好，说明简化的动力学模型能够预测双绳缠绕提升实验系统的性能。

图4 基于动力学模型的两根钢丝绳张力

3.3 实验结果分析

对双绳缠绕式提升试验系统进行了一系列试验测试。将所需的输送工具逆时针旋转角度（0°）和滚筒尺寸差扰动（0.5 mm）发送到实验系统。两个滚筒的参考绕组长度及其实时响应信号如下页图5 所示。从下页图5 中可以看出，两个滚筒能够精确跟踪参考绕组长度，达到预期的吊重效果。为了测试所提控制器的有效性，将传统的PI 控制器、RNABC 控制器和所提的组合控制器用于DRWHS。