创新点
（1）建立了双绳缠绕式深井提升系统本体模型，搭建了双绳缠绕式深井提升试验台及其控制系统，设定了六段速提升容器运行曲线，分析了正常工况与存在卷筒直径偏差工况下容器倾角；正常工况下，容器倾角小于1°，存在卷筒直径偏差工况下，容器倾角峰值达10.52°。
（2）构建了容器倾角控制模型，考虑控制信号在钢丝绳中传递存在得延时问题，设计了浮动天轮驱动信号延时补偿观测器，并证明了系统加入延时补偿观测器后的稳定性。
（3）将高增益观测器与滑模控制器相结合，设计了双绳缠绕式深井提升系统容器位姿调平控制方法，为验证提出控制方法的有效性，在搭建的双绳缠绕式深井提升试验台上进行了实验验证，并与PI控制器和反步控制器进行了对比，其中PI控制器可将容器倾角峰值从10.52°减小至2.14°，反步控制器可将容器倾角峰值从10.52°减小至1.08°，提出的控制器可将容器倾角峰值从10.52°减小至0.82°，证明了所提出控制器的优越性。
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01
作 者
李 翔1,2,朱真才1,2,沈 刚1,2,汤 裕1,2
02
单 位
1. 中国矿业大学 机电工程学院；2. 中国矿业大学 江苏省矿山机电装备重点实验室
03
研究背景
我国埋深在1000m以下煤炭资源储量为2.95万亿t,约占煤炭资源总量的53%。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006—2020)明确提出:重点研究开发煤炭高效开采技术及配套装备,建设千米深井以开发深部矿物资源已成为应对能源紧缺问题的必然选择。在千米煤矿深井中,提升容器以速度高达16m/s、载重量达45t的高速重载工况下装卸载物料,系统运行过程中,卷筒卷绕速度、卷筒及钢丝绳制造尺寸偏差等因素会造成钢丝绳出现提升不同步现象,由于柔性罐道对于容器的约束作用较弱,2根钢丝绳的提升不同步会造成提升容器倾斜,影响提升系统的安全运行。
双绳缠绕式深井提升系统是一个复杂的非线性系统,系统模型存在大量的非线性因素,例如:系统参数不确定性,包括钢丝绳刚度、阻尼的不同和时变特性,卷筒、天轮及钢丝绳等尺寸的不同,浮动天轮液压系统非线性特性等;除此之外,还包括钢丝绳与卷筒之间的摩擦力,浮动天轮液压缸活塞杆与缸筒之间的摩擦力、提升容器与罐道之间摩擦等外部干扰。以上因素使得传统的PID控制器难以完成提升容器调平控制。
04
摘 要
针对柔性罐道工况下双绳缠绕式煤矿深井提升系统运行过程中容器倾斜问题,提出了容器位姿调平控制方法。首先,分析了双绳缠绕式深井提升系统的组成及各组成部分的几何关系,考虑提升系统和浮动天轮液压系统非线性问题,建立双绳缠绕式深井提升系统容器位姿调平非线性控制模型。
其次,由于煤矿深井提升环境恶劣,因此提升系统容器位姿反馈信号通过无线装置进行采集,考虑提升系统运行过程中控制量在钢丝绳中传递存在的不确定延时问题,构建了容器位姿调平主动控制矩阵模型,设计了控制信号传输延时补偿观测器,证明了包含延时补偿观测器的容器位姿调平主动控制模型的稳定性。
然后,设计滑模控制器实现提升系统容器位姿调平控制,考虑到控制器设计过程中需要容器角度的微分信号,利用高增益观测器为滑模控制器提供光滑的角度微分信号,进而提高控制性能。
05
部分图片
双绳缠绕式深井提升系统
双绳缠绕式深井提升系统原理
容器位姿调平控制原理
双绳缠绕式深井提升试验台
双绳缠绕式深井提升试验系统控制方案
提升容器运行速度
正常工况下容器倾角
存在卷筒直径偏差工况下两钢丝绳提升高度
存在卷筒直径偏差工况下容器倾角
不同控制器下的容器倾角调节效果
不同控制器下液压缸位移
06
李翔，男，1990年08月29日生，山东济南人，2018年6月毕业于中国矿业大学机械设计及理论专业获工学博士学位，2018年7月进入中国矿业大学计算机科学与技术博士后流动站工作。作为项目负责人，主持国家自然科学基金1项、重点研发子课题1项。研究成果在国外重要学术期刊上发表SCI 论文8 篇。
研究方向
电液伺服控制、煤矿提升系统控制
主要成果
以双绳缠绕式深井提升系统为研究对象，综合运用提升系统和阀控液压缸系统非线性动力学建模、信号传输与控制信号延时补偿、非线性控制方法等理论，开展双绳缠绕式深井提升系统容器平稳性控制方法的理论与试验研究，为双绳缠绕式深井提升系统容器平稳性控制提供重要理论支持和技术手段。
李翔,朱真才,沈刚,等. 双绳缠绕式煤矿深井提升系统容器位姿调平控制方法[J]. 煤炭学 ,2020,45(12):4228-4239.
LI Xiang,ZHU Zhencai,SHEN Gang,et al. Conveyance leveling control strategy of double-rope winding deep well hoisting systems[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(12):4228-4239.
End
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