（通信与信息系统专业论文）自适应矢量控制变频调速电机研究及其应用.pdf

摘要 本文主要对大型带式输送机变频调速驱动进行了研究。大型带式输送机是当 前散装物料输送的主要方式，正在被冶金、煤炭、电力、化工等越来越多的行业 采用。随着应用领域的不断扩大，大运量、高带速、长距离的带式输送机成为其 发展的一个重要方向，如何设计出符合这些要求的带式输送机驱动设备也因此具 有关键性的研究意义。 论文首先对研究对象带式输送机输送带的相关粘弹特性做了相关介绍。分析 了胶带所具有的特殊性质，结合输送带负载情况，分析了其对启动方式所提出的 要求。同时，介绍了交流电机控制理论目前国内外的发展现状。两者相结合，提 出节能、高效、可靠、安全等特点使变频交流电机逐渐成为带式输送机优先考虑 的调速控制手段。通过对近年来的一些调速方法进行对比，突出矢量控制方法精 确控制速度方面具有良好的优越性，满足高性能传动的需要。 由于变频调速系统在携带负载的情况下呈现非线性系统状态，具有参数时变 及负载扰动大、系统不确定性等特点，而矢量控制技术中，转速调节器a s r 使 用固定参数的常规p i d 控制方法，这一方法在消除静态误差上表现良好，能提 高控制精度，但对控制对象有较高的要求，需要控制对象建立精确的数学模型， 故单纯的矢量控制技术无法满足带式输送机这一非线性时变系统状态。目前，常 规矢量控制技术的输送带系统常会出现：启动阶段稳定性较差、反应速度慢，无 法建立精确模型【i 】。 因此，本文利用常规矢量控制与自适应参数修正相结合的方法，力求在输送 带带负载情况下，建立既保证有效利用矢量控制策略提高控制精度，又使驱动电 机在短时间内自适应修正控制参数，满足输送带软起步要求的控制模型。 文章最后利用a m e s i m s i m u i i n k 联合仿真软件，构建了l1 4 0 v ，8 0 k w 带 式输送机的有限元动力学模型以及自适应矢量变频电机驱动模型，验证了该控制 系统带负载性能和负载跟随性能，既满足了q 轴电流与负载成比例变化，有使得 d 轴电流基本保持不变的要求，证明了整个控制系统的可行性。 关键词：带式输送机，变频调速，矢量控制，模糊p i a b s t r a c t n i sp a p e rm a i n l ys t u d i e do nt h el a 唱eb e l tc 0 n v e y o r “v e 舶q u e n c yc o n 们1 t h el a 唱eb e l tc o n v e y o ri sm ec u l l r e n tm 句o r 妙p eo fm a t e r i a lc a 唧i n gi nr e c e n ty e a r ， 锄db e i n gm o 他u s e di nc o a l ，m e t a i l u 理，e l e c t r i c i 够，c h e m i c a li n d u 鼬叮，e t c a st h e e x p e n d i n go f 印p l i c a t i o n ，t h eb e l tc o n v e y o rw 汕l a 唱ec a p a c i t ) ，h i g hs p e e da n d l o n g - d i 蚰m c eb e c o m e s 锄i m p o r t 锄td i r e c t i o no fi t sd e v e l o p m e n t t h e r ei sak e y d e v i c c 他s e a r c ho nh o wt 0d e s i 印ab e l td r i v et 0m e e tt h e s er e q u i r e m e n t s h lt 1 1 e p 印e r ，t h es p e c i a l n a t u r eo ft h ec o n v e y o rb e l tw a s 锄a l y z e d ，t h o u g h c o m b i n i n g 诵t t lt h el o a dc o n d i t i o n s ，a n a l y s i s o fi t sw a yt 0s t a r tt h ep r o p o s e d r e q u i r e m e n t s a tt h es a m et i m e ，t h ea cm o t o rc o n n 0 lt h e o 叮o fd e v e l o p m e n tp r e s e n t s i t u a t i o na th o m ea n da b r o a dw a sa l s oi n t r o d u c e d t h ec o m b i n a t i o no fb o t i lt h e o r i e s p u tf o r w 习帕t h ee n e r g y 鼢v i n g ，e 简c i e n t r e l i a b i e ，s a f ec h 甜a c t e r i s t i c s 、v h i c hc a nm a k e f k q u e n c ya cm o t o rg r a d u a l i yb b c o m et h ep r i o r i t ) r o ft l l eb e l tc o n v e y o rs p e e d r e g u l a t i o nc o n 仃d im e t h o d 1 h 】r o u 曲c o m p a r i n gt h e s et h e o d e si n 他c e n ty e a r s ，p o i n t t h a tt l l ev c c t o rc o n 仃d im e t h o d sa c c u r a t ec o n t r o lh 鹊t h ea d v a n t a g e so ff i n es p e e d c o n t m i ，w h i c hc a nm e e tt h en e e do fh i g hp e r f - 0 肿a n c ed r i v i n gw i t hl o a d d u et 0t h ef r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e mw i l ls h o w 嬲明n o n l i n e a rs y s t e l l ls t a t e s w h e nc 硼y i n gt h el o a d ，w h i c ha l s 0h a v es o m eh a r d - c o n 仃o lc h a r a c t e r i s t i c sl i k e t i m e v 哪i n gp a m m e t e 体，w i t hal a 唱el o a dd i s t u r b a n c e ，柚dt h es y s t e mu n c c n a i n 妙， e t c i nv e c t o rc o n 仃0 l ，a s rs p e e dc o n 仃o l l e ru s e saf i x e dp 啪m e 魄c o n v e n t i o n a ip i d c o n 仃d lm e t i l o c l s ，w i t ht h i sc o n t r 0 im e t h o d ，t i l es t a t i ce rc 锄b ee l i m i n a t e dw e n ， c o n 仃d l c u m yc 锄a l s ob ei m p m v e d ，b u t 髂t 0t h ed e m e r i t ，t h ec o n 仃o lo b j e c ts h o u l d h a v eap r i m a t h e m a t i c a lm o d e lr e q u i r e m e n t s ，w h i c hh 邪as 仃i c t c rr e q u i r e m e n tf o r t h es y s t c m s ot h i sm e t h o dc 锄n o tb cu s e di nt h en o n l i n e 盯t i m e v a 叫i n gs y s t e m ， w h i c hc a nm a k et h es ) r s t e ml e s ss t a b l ei nt h es t a r t u pp h 丛e ，m er e a c t i o nw 船s l o w ， e v e nm a d es o m ed i f n c u l t i e si na c c u 戌l t em o d e l i n g n t h e r e f o r e ，w i t ht h el o a d ，h o wt 0e n s u r ee f f e c t i v eu s eo fb o t hv e c t o rc o n t r o l s t r a t e g i e st 0i m p r 0 v e c o n t r o la c c u r a c y ，卸da l s oa l l o w st r a n s f e rm n c t i o na u t o m a t i c a l l y c o r r c c tp a r a m e t c r si nas h o nt i m e ，t 0i m p r o v et h es o rs t a r tf c a t u r c ，i nt h em a c h i n e 叮 i n d u s t r 。yh a sac r i t i c a ls n j d yo fm e a n i n g t h ea r t i c l e6 n a l l yu s i n ga m e s i m s i m u l i n kc o - s i m u l a t i o ns o 觚a r et 0b u i l da l l4 0 v ，8 0 k wb e l tc o n v e y o 璐觚da d a p t i v e6 n i t ee l e m e n td y n a m i cm o d e lo ft h e v e c t o rv a r i a b i e 行e q u e n c ym o t o rd r i v em o d e l ，v a l i d a t i o no ft h ec o n n 0 ls y s t e mw i t ha l o a do fp c 响册a n c ea n dl o a df o l l o w ，b o t ht 0m e e tq - a ) 【i sc u r r e n ti sp r o p o r t i o n a lt 0t h e l o a dc h 锄g e s ，d - a x i sc u r r e n t 陀m a i n e dt 0p r 0 v et h ef c a s i b i li 够o ft h ee n t i r ec o n 仃o i s y s t e m 1 ( e ：7 w o r d s ：b e l tc o n v e y o r ，f r e q u e n c yc o n t r - 0 i ，v e c t o rc o n 臼0 l ，f u z z y - p l n l a s r a c r p i d d t c v v v f f c 主要符号表 a c c e l e r a t es 1i pr e g u l a t i o n a c c e l e r a t ec u r r e n tr e g u l a t i o n p r 0 1 ) 0 r t i o n a li n t e g r a ld e r i v a t i v e d i r c c tt 0 r q u ec o n t r o l v i 丽a b l ev 6 l t a g ea n dv a r i a b l ef r e q u e n c y f u z 巧c o n 仃o l 转速调节器 电流调节器 比例积分微分调节 直接转矩控制 变频调速系统 模糊控制 v n 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 带式输送机( b e l tc v e y o r ) 又称胶带输送机，是一种通过摩擦驱动方式连续运输原料的 机械通用带式输送机由输送带、滚筒、托辊以及驱动、制动、装载、张紧、改向、卸载、 清扫等装置组成作为当前散装物料输送的主要方式，与其他运输设备相比，带式输送机具 有大运量、高带速、长距离等特点因此被广泛运用于冶金、煤炭、电力、交通、化工等越 来越多的行业。随着应用领域的不断扩大，输送要求也在不断的提高，如何设计出符合更高 运输要求的带式输送机驱动设备也因此具有关键性的研究意义。 6 图l 带式输送机模型 输送带常用的有橡胶带和塑料带两种。带式输送机所需要的牵引力是通过驱动部分的驱动滚 筒与输送带所产生的摩擦作用而传递，因而被称为摩擦传动。由于输送带属于柔性带体，具 有的弹性特点；启动要求较高，需要大力矩、低电流启动，一般都采用软启动驱动装置。脚 随着交流电机控制理论的快速发展，变频调速电机技术取得了飞速的发展。具有节能、 高效、可靠、安全等优势的变频交流电机，逐渐成为了带式输送机优先考虑的调速控制手段。 同时近年来出现的一些调速方法，例如直接转矩控制( d t c ) 【3 】、自适应控制( a c ) 、矢量控 制( v c ) 、带速度传感器控制( p g c ) 、无速度调节传感器控制1 4 】等，都在技术上优化了变频 电机的性能其中，矢量控制技术具有设备体积小、较为良好的静、动态性能，能在速度范 l 第一章绪论 上海师范大学硕士学位论文 围内实现无级调速等优点，在精确控制速度方面的良好表现，是现如今使用较为普遍的 驱动方式之一。 1 2 带式输送机各驱动设备在国内外的研究现状 对于大型带式输送机系统，需要高性能的驱动装备，特别是长距离带式输送机、平面转 弯带式输送机和圆管带式输送机。对于工况复杂的输送机系统，必须采用具有闭环反馈控制 系统，将转速、磁链等信息及时反馈嘲。对电机的驱动控制要求主要有以下几点： 1 ) 启动电流小，以减小对整个电网造成过大的冲击，一旦冲击过大，将难以避免的造成输 送机重载启动困难，同时对传动设备也会造成破坏性冲击； 2 ) 启动力矩大，以保证重载启动时能有足够力矩； 3 ) 驱动部分在长期运行中有较高的可靠性： 4 ) 启动、制动过程平稳，以避免胶带与滚轮之间出现打滑现象； 5 ) 在一定范围起到节能降耗作用。 目前出现较多的软启动装置有：调速型液力耦合器、部分软启动器、c s t 、变频调速等。 文献【6 1 介绍了液力耦合器的工作原理，并在长距离大倾角带式输送机上进行了实验，对输送 机启动困难和协调多级均衡驱动的问题有所突破。在与其他软启动装置进行比较后，其性能 低于c s t 液粘调速装置，高于软启动电控器；节能性能较差，电能损耗较多。文献【7 】介绍 了软启动方式的带式输送机，该启动方式通过控制系统液压力，调节油膜厚度，从而实现可 控启动。考虑到实际情况下，电液伺服阀的油液污染问题，此外，采用基于流体脉码调制( p u l 辩 c 0 d em 0 d u l 鲥o n ) 技术的组合式数字阀也在近些年被使用进入研究嘲，该方法在控制范围宽， 系统流量较大的带式输送机上使用效果较好，费用较低，但由于采用了插入集成方式，在控 制精度要求相对较高的系统中运用，效果不太理想。c s t 的主体是一个可控无级变速的减 速器，搭配液压伺服系统等部件控制带式输送机的启动。理论上，c s t 的传动效果可以高 达8 5 ，在基于运动条件而非启动条件的输送机驱动电机上，功率和尺寸都可减小到最小 得以节约成本，且c s t 能精确控制速度，平衡电机间的功率，达到多驱动装置同步的目的， 起调速范围广，过载保护灵敏【9 】；缺点是在软启动和调速过程中会出现较大的滑差，发热量 极大，导致传动效率降低。此外c s t 对润滑油的质量要求相当高，液压及控制系统也相 对复杂有文献通过对交流异步电动机液力耦合器和变频器调速的比较【嘲，发现变频器调 速在效率、节能、启动性能、运行维护及精度调节方面具有突出优点，虽然变频器初期投资 2 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 较液力耦合器高，但其综合经济效益优于液力耦合器。 下表为变频驱动与液力耦合器驱动的参数比较： 表l 变频驱动与液力耦合器驱动的参数比较 项目变频驱动 调速型液力耦合器 驱动方式矢量变频电力驱动液压 变频器、电机、标准减速器( 基电机、液力耦合器、标准减速器( 基 结构形式 本) 本) 高性能调速驱动，带速可调，调一般液力驱动，带速不可调，调度 驱动性能速范围宽。能按s 曲线实现软启范围窄，不能实现动态调整，启动 动，控制精度高时对弹性负载冲击大 可靠性可靠一般 好，采用矢量控制、能实现双闭 多级驱动一致环控制、控制精度高、对多驱动较差，对多驱动系统不能实现功率 性 系统能实现功率平衡转矩一致， 平衡，机械损伤大 机械损伤小 技术先进性先进，传动的发展趋势技术较为落后 软启动特性好( 低速性能好) ，对电网冲击小较差( 低速性能差) ，对电网冲击大 可控线性度和 高低，启动速度大 调速精度 传动效率高( 空气冷却)低( 需水冷却系统) 多级功率平衡好( 电流转矩可调)实现困难( 花茶调节损耗大) 多级速度同步精度高精度低 电机直接启动，启动电流为额定电 启动电流 变频控制，启动电流小 流的5 7 倍 高、是少每年换油两次，期间影响 运行成本低、可节能 生产 强，变频器会智能辨别显示故障 故障诊断能力低，需要人工到现场查找 类型 开放，标准化，能采用p r o f i b u s 、 不能自动控制，无法提高工厂生产 控制及通讯 m o d b u s 等通讯协议的自动化水平 国内多用，特别是1 0 0 0 h 以上的 应用1 0 0 0 h 业绩很少 业绩很多 1 3 矢量控制( v b c t o rc o n t r o i ) 变频调速电机的国内外研 究现状 交频调速基本理论虽在很早就已被确立，但由于受到电气电子技术和控制方法的限制， 使其在实际应用方面受到很大限制。早期的变频调速采用了一些相对简单的调速方案，例如 3 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 定子调压调速，定子串电阻调速，变级调速，变转差率调速【l l 】；但这些调速方案的性能较 差、浪费能源，而且使用场合非常有限，从而导致早期变频调速方案无法在工业领域得到广 泛应用 目前，发达国家已将变频调速用至9 0 的异步电动机。我国也将交流电机的变频调速技 术作为重点技术推广。毫无疑问，随着电力电子技术的发展，变频器会向性能佳、低价格的 目标前行 上世纪7 0 年代，德国专家f b l 私c 1 1 l ( e 提出了。感应电机磁场定向”【1 2 】的控制原理( 即矢 量控制变频调速电机理论) ，美国专家t c c u s n i l a n 提出了“感应电机定子电压的坐标变 换控制”( 即直接转矩控制理论) 【1 3 】，两者结合，解决了交流电机转矩控制过于复杂的问题。 由于交流电机无换向器和电刷，只需小型维护保养工作；与直流电机相比，在输出功率相同 的条件下，其结构简单，耐用坚固，适应的安装运行环境广，可以在相对较高转速、电压下 运转【而且随着功率电子器件的日益发展，变频器性能也日趋完善，变频调速技术性能 差的问题得到了根本性地解决。 所以，现代矢量控制变频调速系统在性能上可以完全与直流调速系统相媲美，使其更适 用在直流调速系统无法参与的环境。电机变频调速技术是目前节电、改善工艺流程、提高产 品质量、改善环境、推动技术进步等方面的一种主要手段n 习。交频调速以其优异的调速和 起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛适用范围及其它许多优点而被国内外公 认为是最有发展前途的调速方式 目前实用的异步电动机变频调速系统，主要有五种控制方式：v f 标量控制调速系统、转 差频率标量控制调速系统、转差频率型矢量控制、矢量控制调速系统、直接转矩控制调速系 统 1 ) v f 标量控制 在改变输入频率的同时通过控制变频器输出电压的方式，保证电机磁通一定。在较广泛的范 围内调速，但保证电机效率和功率因数并不下降。因为是控制电压( v 0 l t a g e ) 和频率( f 1 e q u e n c y ) 之比，故称v f 控制。该方法结构简单，操作方便，但由于是开环控制，静、动态性能不理 想，特别在低频段性能表现较差。仅在要求稳态性能的调速系统中应用效果较好。目前，在 洗衣机、采矿业等领域使用广泛1 1 6 】 2 l 标量控制转差频率 通过检测电机转速标量值，协同电机转差频率、给定变频器输出频率，控制与电流、转矩相 关的转差频率在于v f 标量控制相比较下，其加减速特性与限制过流能力得到了提高。目 4 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 前较常运用于平膜拉丝机、观光车等方向n 刀。 3 ) 矢量控制转差频率 为了解决转差频率标量控制动态性能较差的情况，改进加入矢量控制方法。将定子电流解耦 成励磁分量和转矩分量，分别进行控制。同时，再将二者矢量合成的电流供给电机。转差频 率矢量控制其实质是磁链开环、转速闭环的控制，这不仅提高了控制器的动态性能，同时对 复杂且难以直接观测的磁链采用了开环控制，在稳定性和响应速度上都有所进步。具体特点 如下s i 可实现与直流电机相同的控制特性； i i 调速响应速度快，调速范围广，特别是低速段的调速性能优越，可满足频繁急加、减速 度运转和连续四象限运转等场合。 1 4p i d 模糊控制( f u z z yc o n t r o i ) 的国内外研究现状 模糊控制( f u z z yc o n t r o l ，f c ) 是以模糊集合论、模糊语言以及模糊逻辑推理为基础 的一种计算机数字控制。由于模糊逻辑提供了规则化的语言信息，并将其转化为控制策略的 一种系统推理方法，从而能够解决许多复杂且难以建立精确数字模型系统的控制问题，目前 已在机械工业领域得到了广泛的应用n 盯。 目前，模糊控制的研究主要集中在三个大类中：常规模糊控制，高性能模糊控制，复合 模糊控制。 1 4 1 常规模糊控制 图1 常规模糊控制系统图 常规模糊控制结构如上图1 由输入输出，变量模糊化，模糊推理，决策算法和模糊判决 等部分组成 一般情况下模糊控制会将被控对象的输出变量的偏差e 以及偏差e c 变化率作为它的 输入变量，把被控量定义为控制器输出变量，以此反映输入输出的语言变量与语言控制规则 间的模糊定量关系及算法结构。在实现过程中，计算机首先把采集到的控制信息通过语言控 s 第一章绪论 上海师范大学硕士学位论文 制规则进行模糊推理和模糊决策，求得控制量的模糊集，再经过模糊判决得到输出控制的精 确量，作用于被控对象，使被控过程满足控制要求。在目前的实际应用中，模糊控制通常使 用以下两种组成方式： 一是利用硬件芯片直接实现模糊控制的模糊控制器，此方式虽然推 理速度快且控制精度高，但是价格贵，同时输入输出，以及模糊控制规则相对有限并且不够 灵活。因此，只适用于单调重复或者机械性操作控制方法。另一种方法是通过软件编程方法 取得模糊控制算法以此代替数字控制器的控制算法，这类方法成本低、使用灵活、且应用范 围广，是目前主流的方法。 1 4 2 高性能模糊控制 1 ) 自校正模糊控制 它克服了推理决策的单调性和局限性，采用加权推理决策，并引入协调因子，根据系统 偏差f 和偏差膨的大小，用来预测控制系统中的不确定量，同时选择一个最佳的控制规则 集或控制参数，采用在线自动调整两者的混合度，从而便于更全面、 确切的反映出人体意 识的综合决策思想，以此提高系统的控制精度及鲁棒性能n 们。 2 ) 自组织模糊控制 该模糊控制可以自动调整系统本身的控制规则或参数，使系统自发不断完善，以适应不 断变化的外部情况，以此保证控制达到需要的效果。此类方法根据自动测量实际的输出特征 和期望特征之间的偏差，以此确定输出响应所需的校正量并转化控制该量，对模糊控制规则 进行调整，并作用在被控对象上。其基本特征为：控制算法和控制规则可通过在线修改，使 得某几个参数发生微调，改变控制结果。 3 ) 多变量模糊控制 该方法是基于上述两种模糊控制技术，将一个需要进行多变量模糊控制系统转变为多个 互相无干扰的单变量模糊控制的整合，同时利用补偿的方式，消除多变量模糊控制系统间存 在的耦合对于多变量模糊控制，由于控制通道的特性不同，控制规则也可能不同，在进行 控制时，为了便于控制，易于实现。使用一张控制查询表，通过调整不同的参数，来实现不 同控制，提高控制系统的稳定性和灵活性 4 ) 复合模糊控制 虽然模糊控制不需要精确的数学模型，对于处理非线性、时变以及纯滞后等复杂系统是一条 很有效的途径然而，自身也存在不具有学习和适应能力。控制精度较低等缺陷。因此，将 6 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 模糊控制与其他智能控制技术结合是目前研究的新热点。现今，最常用的三种复合模糊控 制分别是：模糊控制与专家控制结合、模糊神经网络和基于遗传算法优化的模糊控制。具体 如下： ( 1 ) 模糊控制与专家控制结合 文献啪1 将专家系统视作三大智能控制支柱之一，它是一种基于知识的系统，模拟人类特 有的思维方式。它主要面对的是各种非结构化的问题，尤其是处理定性的、启发式的或者不 确定的知识信息，经过各种推理过程达到系统的任务目标。将两者结合起来，能够表达和利 用控制复杂过程和对象所需要的启发式知识，重视知识的多层次和分类的需要，弥补了模糊 控制器结构过于简单、规则比较单一的缺陷，提高了模糊控制的智能水平嘲；同时，两者的 结合还能够拥有过程控制复杂的知识，从而为在更复杂的情况下利用这些知识做准备。 ( 2 ) 模糊神经网络 有文献潞1 描述，人工神经网络被视作模拟人直观性思维的一种方式，将分布式存储的信 息并行协同处理，是一个非线性动力学系统，每个神经元结构简单，但大量神经元构成网 络系统能实现很强的功能因此。人工神经网络具有自适应的学习能力、容错性和鲁棒性。 现有人工神经网络代表性的模型有多层映射b p 网络、r b f 神经网络实现局部或全部的模糊 逻辑控制功能，前者如利用神经网络实现模糊控制规则或模糊推理，后者通常要求网络层 数多于3 层；自适应神经网络模糊控制，利用神经网络的学习功能作为模型辨识或直接用作 控制器； 基于模糊神经网络的隶属函数及推理规则的获取方法。具有模糊连接强度的模糊 神经网等。均在控制中有所应用 ( 3 ) 基于遗传算法( g a ) 优化的模糊控制 考虑到模糊控制器的优化涉及到大范围、多参数、复杂和不连续的搜索表面，人们自然想到 用遗传算法来进行优化。遗传算法应用于模糊控制器的优化设计是非常适合的啪1 ，遗传算法 的运行仅由适应度数值驱动而不需要被优化对象的局部信息。此外优化模糊控制器正好符 合遗传算法的所谓积木块假设，积木块长度较短的、性能较好的基因片段。用遗传算法优化 模糊控制器时，优化的主要对象是模糊控制器的隶属函数和规则集 1 6 本文研究思路的提出 为使变频调速输送机在实际应用中达到相对较好的控制性能非线性理论和自适应控制 7 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 技术也得到了越来越广泛的运用，如：自适应反步法、状态精确线性化方法、模糊控制( f u z 巧 c 伽t n 0 1 ) 等。其中，模糊控制技术在应对系统参数变化和外部扰动方面都表现出了较强的 鲁棒性，针对系统非线性问题有很大的优势。这给拟解决的基本矢量控制变频调速电机在设 定a s r 的p i 参数后，软起步动态调速特性较差问题提供了一条思路。 常规的p i 控制方法虽能很好的消除静态误差，提高控制精度，但对控制对象有精确的 数学模型要求，且动态性能表现较差。 因此，针对上述特点，本文希望将模糊p i d 控制方法运用到输送机的矢量控制变频调 速系统中，对系统进行实时监控，及时调整参数，以求达到自适应的控制目的，即在起步阶 段便能在短时间内达到稳定调速的动态性能。 l 建立舢旺s i m 输送机模糊矢量控制变频调速电机模型； 2 选择较优的模糊控制规则，建立s i i l l u l i i l l 【模糊控制模块，控制a s r 中的p i 参数自整定， 保证输送机在低速重载下平稳启动： 3 建立舢旺s i i i l s i r i l u l i n k 接口模块，合理选择交换参数，尽可能的简化模型； 4 观察仿真结果，注意超调量、起步时间、响应速度等参数的变化，及时调整各项参数。 1 7 论文主要研究内容 本论文主要研究以下内容： 1 带式输送机与驱动控制系统 2 带式输送机驱动系统常用建模方法的研究 3 模糊p d 控制方法运用于矢量变频电机研究 4 基于联合仿真软件味他s i m s i i i l u l i r l l ( 的带式输送机驱动系统建模与仿真 8 上海师范大学硕士学位论文第二章带式输送机动力学与控制方法 第二章带式输送机动力学与控制方法 带式输送机是由输送带、驱动装置、滚筒、拉紧装置、托辊及一些辅助设备等部件构成 的机电系统。在进行整个系统的动力学分析是，需要突出每个部分的结构动力学特性。在各 部分中，输送带、拉紧装置、驱动装置是决定带式输送机整体动力学现象的主要部件。目前， 国内外众学者已经通过对这三部分进行不同的侧重【2 扪，采用不同的分析方法，对带式输送 机整体的动力学特性进行了广泛的研究。本章将针对几种主要的研究方法和控制方法进行分 析 2 1 输送带特性分析 2 1 1 输送带物理特性及其数学模型 正如绪论中所提及，输送带主要由橡胶覆盖织物芯或钢丝芯组成。在受到外力作用时， 它所表现出来的力学特性具有粘弹性的物理特性，即应变与应力大小、加载历史、时间、频 率、温度、材料特性有关，具体表现【2 q 为： 1 ) 应力应变的非线性特性 输送带收到拉力的作用，即使过程非常缓慢，其变形与拉力间也不完全符合胡克定律应 力，所呈现出的特性具有非线性，其动态弹性模量也非一个固定值。 2 ) 蠕变特性 专指输送带在受到大小不变的作用力时，其长度变量与时间相关的特性。在输送带上增 加负载后，若载荷不变，短时间内，输送带会随着时间的增长而增长，一段时间后达到峰值。 3 ) 滞后特性 在输送带上加载一个力，应变随载荷的卸载恢复到原有的长度需要一个时间历程，这就 是滞后特性 4 ) 频率特性 输送带的变形量与负载加载的频率有关 因此输送带的物理特性表现为一系列的粘弹性，这一特质既具有普通固体的弹性又具 有一般液体的粘性。 固体的理想弹性特性可用胡克定律表示： 9 第二章带式输送机的力学与控制方法上海师范大学硕士学位论文 液体粘性可用粘性运动方程表示： 仃= e s( 2 1 ) 盯：刁坐 ( 2 2 ) 盯= 矽 l z 一2 ) 班 粘弹性体的力学特性可以用上两式的组合得到，从而构成其物理模型。目前较为广泛采 用的输送带粘弹性模型有：m a ) ( w e l l 模型、三元件模型、五元件模型和k e l v i l l v o i 垂模型。 大多数模型是由m 觚w e l l 模型和k e l v 洫- 、b i g t 模型组成，更为复杂的模型可在k e l v i i l - 、厂0 i g t 模型上增加粘性和弹性元件的串并联组合而成。虽然从数学角度出发，越 复杂的模型能更加精确的模拟输送带的行为，但从实际角度出发，过于复 杂的模型几乎没有必要，m 觚w e l l 模型和k b l v i n v 0 西模型组合足以满足 建模精度的要求f 2 7 1 。 1 ) m a ) c w e u 模型 图2 1 l 默眦i i 模型 m 烈w e n 模型由一个弹簧和阻尼器串联而成，如图3 1 。其中，弹簧 应力q 与应变占l 的关系如下： 阻尼器应力仃2 与应变占2 的关系为： q = 啊 矿227 7 i d s 、 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 因为作用在两个元件之间的应力相同，且都等于总应力，即莎= 盯i = c r 2 ，总应变等于 两应变之和，即s = 占i + 岛，由此可得： 堕：e 堕 d td l d s d 叮a = + d ted l q ( 2 5 ) ( 2 6 ) 上式即为m 嬲= 、v e n 模型的数学描述虽然m 孤w e l l 能够较好的处理松弛现象，但对以 下两种情况不适用： ( 1 ) 在恒定应力条件下，即堕：o 。此时李：! ，符合牛顿流体力学特性，与粘弹性 mc l l n 材料情况不符 1 0 上海师范大学硕士学位论文第二章带式输送机动力学与控制方法 ( 2 ) 应力无法衰减到0 ，这是由于通常弹性材料的松弛不能用一个指 数衰减来表示。 2 ) k e l v i n v o i g t 模型【2 叼 k e l v 访- v o i 舒模型由一个弹簧和阻尼器并联而成，如图3 2 。两者 应力应变关系为：矿= 印。；吒= ，7 鲁 ( 2 - 7 ) 圈2 2l c c i v “v o i g t 模型它们与总应变和应力的关系为； 占= 占l2 占2 仃= 矿i + 盯2 ( 2 8 ) 从而，可得： 盯= e s + ，7 宰 ( 2 9 ) 从公式中，可以看到k e l v n v 0 晦模型为应变的蠕变现象。当仃= ，应力恒定时，可得： f = 普( 1 巧) ( 2 - l o ) 由上式可得：当在粘弹体上加一个恒定的张力之后，因变量需要经过相对较长的时间才能达 到某一确定值当卸载后，矿= o 此时，如+ ，7 警= o ，其应变为： 毛 占= c r o p 吁 ( 2 - 1 1 ) 3 ) 粘弹性模型综合评定 根据以上分析可见，对于m 觚w e l l 模型来说，当把变形保持定值时，应力逐渐趋向0 。 相反，当把应力保持定制并且时间无限延长时，变型趋向无穷大，整合应变随时间成线性增 加，而它对应力的响应却表示出随时间的变化，其变化率是变化的。也就是说m 双w e l l 膜性 能模拟粘弹性材料对应变的响应，而不能模拟对应力的响应 对于k e l v i i l - v o 晦模型，它可以描述物体弹性和突变的后效现象，即突然卸载时变性不 是瞬间消失的，而是在一段时间内逐渐消失在施加载荷的一瞬间，初始变形为0 ，之后弹 簧的伸长受到阻尼器的影响，随着时间的增加，粘性元件逐渐伸长，除了平衡对应力的响应， 弹簧逐渐伸长，直到弹簧的弹性效应发挥至极。因此，这种模型仅模拟粘弹性材料，而非模 拟物体对应变的响应。 综上所述可得，m 状w e 模型在一阶近似的条件下，适用于粘弹性固体的应力松弛现象， 而k e l v i l l i g t 模型可用于描述其蠕变行为但是，上述两种模型只能用于描述粘弹性固体 的一般行为，而不能同时描述其应力松弛行为和蠕变行为 目前，针对输送带这一问题的解决方案：建立由多个m 畎w e l l 模型和k e l v i n v o i g t 模型 进行串并联的组合形式，如三元件复合模型，五元件复合模型【2 9 1 ，使模型可以真实准确的 第二章带式输送机的力学与控制方法 上海师范大学硕士学位论文 用以描述粘弹性对象的松弛和蠕变特征，随着复合元件数增加，模拟精度越高所达到的效果 越好。但是，此时的微分方程也变得复杂，方程的参数同时增多。一般，模型参数与模型的 元件数量相等，求解问题所用的参数正确无误。故建立输送带模型时，与其建模过于复杂， 不如给出相对准确参数的近似模型。因此，在对输送机进行动力学处理时间，一般采用 k e m n v o i g t 模型。当取d 奢西= 0 时，式( 2 9 ) 退变为弹性体本构关系，输送带可以直接 按弹性体处理。 2 1 2 输送带运动的数学模型 输送带运动的数学模型通常可分为连续体和有限元体。从本质上看，两者并无本质区别： 具有相同的动力特征，连续系统可作为离散系统的近似描述。从数学表达式来看，连续系统 需要用较复杂的偏微分方程进行描述，而离散系统则只需一般微分方程即可。 1 ) 连续体模型 输送带有无限个自由度。数学上，需要用时间和位置的多元函数描述它的运动状态。对 具有粘弹性的输送带，不同断面在同一时刻具有不同的变形、速度和加速度，其运动学参数 不仅是时间t 的函数，还是所研究的输送带断面位置的函数。在综合考虑输送带的运行阻力、 输送带的扰度变化、初始张力影响及合理的假设等情况下，文献【3 0 1 中建立了输送带运动偏 微分方程，并将非齐次的边界条件仅此转化为齐次边界条件，进而将方程简化，得到类似单 自由强迫振动的齐次解和特解。文献口1 1 对输送带连续体模型的求解与仿真也展开了研究与 讨论 但连续体模型的求解仍然是一个非常棘手的问题，需要涉及到许多复杂的因素，所以它 的应用和发展受到很大的限制。 2 ) 离散单元模型 离散单元模型就是把输送带沿环形分割，每一段都用反应输送带粘弹特性的数学模型描 述，常被理解为采用计算机求解数学物理问题的数值解法【3 2 】 随着计算机技术的发展，离散单元模型法被用于越来越多的系统分析，带给工程分析很 多价值。 目前一维离散模型已经发展的比较完善，且在实际应用中取得了不俗成绩【3 3 1 ，而二 维离散模型的发展仍旧不够完善，特别是国内的研究还很少。总结国外参考文献，二维离散 模型主要是荷兰学者l 0 d e w i j l ( s 所提出的梁单元模型来仿真带式输送机动态响应l 圳。该方法 综合考虑了横向和纵向振动的耦合性问题，为全面考虑输送带的横向和纵向振动奠定了基 础 1 2 上海师范大学硕士学位论文第二章带式输送机动力学与控制方法 2 1 3 输送带运行的阻力特性 输送带在运动过程中所受的阻力是不可忽略的问题【3 卯，输送带的运行阻力可划分为主 要阻力f h ，附加阻力f n ，提升阻力f s r 和特种阻力f s ，各种阻力之和等于从传动滚筒传递 到输送带上的圆周力f ： f = 露+ 凡+ b + b ( 2 - 1 2 ) 在进行输送机系统动力学分析时，对系统影响较大的阻力是输送线路上的主要阻力f h 假定输送带承载段、回程段的阻力与运动载荷间存在线形关系，两段的主要阻力可 综合确定为： = 醣【g 舯+ g 鼬+ ( 2 9 口+ g g ) c o s 司 ( 2 - 1 3 ) 式中： 广上下分支共同模拟摩擦系数； 万输送机的平均倾角； 输送机长度( 头尾滚筒中心距) ，m ； g 肋输送机承载分支每米机长托辊旋转部分质量，k g m ； g 鼬输送机回程分支每米机长托辊旋转部分质量，k g m ； 口占每米输送带质量，k g m ； 留g 输送机单位长度物料质量，k g m 当然，承载分支和回程分支也可以分别计算，使得结果更加准确。实际上，上下分 支所受载荷不同，相对应上下分支的摩擦系数也是不同的。当带式输送机的装载系数为 0 7 1 1 ，输送带垂度h r 1 时，摩擦系数厂值可根据工作条件和设备状况选为o 0 1 2 o 0 3 5 ， 具体值可参见表2 1 表2 1 当输送机装载系数为o 7 1 1 时的标准值 水平运输向上运输以及轻微向下运输( 驱动装置为电动机工况) f 的标准值 良好的工作条件：调整良好，托辊运转灵活，输送物料内摩擦小， o 0 1 7 速度低 ( 按标准) 正常设计、制造和使用的输送机 0 0 2 0 1 3 第二章带式输送机的力学与控制方法 上海师范大学硕士学位论文 不良的工作条件，如多尘，低温，输送物料内摩擦大，过载，高温 在极低的温度下，设计、制造和工作都正常的输送机 0 0 2 3 旬0 2 7 o 0 3 5 以上 大倾角下运输送机( 驱动装置为电动机工况) 0 0 1 2 o 0 1 6 2 2 带式输送机对制动装置的要求及控制方法 制动装置是有效防止倾斜输送机在有载停车情况下产生倒转、向下运输时产生危险而设 置的，通常存在于电动机与减速器高速轴之间，因此驱动装置和制动装置常被一起放置【3 6 】。 近年来，随着带式输送机往长距离、大运量、高速度等更高的要求发展，制动问题越发 突出。在系统从运行到停车的过程中，所产生的巨大机械能在消耗了输送机的运行阻力外， 多余的能量都要通过制动装置消耗，尤其是下运输送机速度控制时所需的制动做功也很大。 若制动装置设置不合理，易导致装置损坏等事故。 因此，需要考虑应用制动器一般有以下几种情况： 1 ) 向下倾斜输送机速度控制； 2 ) 停车时间控制； 3 ) 输送机停车安全保护。 设置制动器所需考虑的问题主要有： 1 ) 保证具有足够制动力矩； 2 ) 制动时间和制动速度； 3 ) 制动器温升； 4 ) 输送机系统动载荷； 5 ) 物料在输送带上无滑动； 6 ) 制动力受拉紧力的限制条件 目前制动装置按类型可分为机械摩擦制动式、液压制动式、电气制动式三种其具体分 类见表2 2 表2 2 带式输送机系统的制动方式 机械摩擦制动 液力制动电气制动 块式制动戳径向制动) 液力制动器电动机反接制动 带式制动器( 径向制动)液压调压制动器 动力制动 1 4 上海师范大学硕士学位论文第二章带式输送机动力学与控制方法 各种制动器的控制特点和工作原理有所不同p 7 】： 1 ) 机械摩擦式制动可提供必要的减速力矩，同时产生最后锁紧。其制动力的大小取决于 摩擦系数和正压力。这两者均受到温、湿度、相对速度、压力的影响，因而摩不是精确的制 动装置 2 ) 液力制动的原理是从动能到热能的转化过程，通过冷却装置耗散热能，达到制动、降 速目的该方式具有制动力矩大且可调的优点，但需配泵站和循环散热装备。且在低速时， 因制动力矩下降很大，必须与其他机械制动装置配合使用。 3 ) 电气制动有反馈制动，涡流制动，动力制动等方式。其中反馈