1、概述
    隨著我國煤礦高產(chǎn)高效礦井的發(fā)展，對(duì)長距離、大運(yùn)量、大功率帶式輸送機(jī)的需求量越來越大，而大功率帶式輸送機(jī)的可控起動(dòng)成為一個(gè)瓶頸問題，嚴(yán)重制約了帶式輸送機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。雖然目前國內(nèi)采用了一些可控起動(dòng)技術(shù)，如：變頻調(diào)速技術(shù)、液力調(diào)速技術(shù)等，但應(yīng)用于大功率帶式輸送機(jī)的可控起動(dòng)各有弊端。差動(dòng)輪系液粘調(diào)速裝置作為大功率帶式輸送機(jī)的可控起動(dòng)裝置，有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這種裝置能實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)可控的起、制動(dòng)，即按給定的速度曲線起、制動(dòng)；能夠在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)各電機(jī)空載順序起動(dòng)，避免了對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的瞬時(shí)沖擊；在多機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)能實(shí)現(xiàn)功率平衡；具有過載保護(hù)的作用；同時(shí)降低了帶式輸送機(jī)起動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)張力，減少輸送帶震蕩波，延長輸送帶及其它零部件的使用壽命。
2、差動(dòng)輪系液粘調(diào)速裝置原理簡介
    差動(dòng)輪系液粘調(diào)速裝置是由減速器、差動(dòng)行星輪系、摩擦片液粘離合器、液壓控制系統(tǒng)等組成。電機(jī)連接輸入軸，內(nèi)齒圈和離合器連接，行星輪架與輸出軸為一體，并與負(fù)載連接，通過調(diào)節(jié)摩擦片之間的間隙來改變輸出軸的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到輸送機(jī)的可控起動(dòng)。差動(dòng)輪系液粘調(diào)速裝置原理的詳細(xì)介紹參見參考文獻(xiàn)。
3、應(yīng)用MATLAB軟件建立仿真模型
    MATLAB軟件的功能強(qiáng)大，它的SIMULINK是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包，可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。在SIMULINK提供的圖形用戶界面GUI上，只要進(jìn)行鼠標(biāo)的簡單操作就可以構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型。它外表以方塊圖形式呈現(xiàn)，且采用分層結(jié)構(gòu)。從建模的角度講，這既適于自上而下的設(shè)計(jì)流程，又適于自下而上逆程設(shè)計(jì)；從分析研究角度講，這種SIMULINK不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)，而且能讓用戶清晰地了解各器件、各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)間的信息交換，掌握各部分之間的交互影響。并且在仿真過程中可以改變某些參數(shù)，實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)行為的變化，正確分析各種參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，以使用戶得到滿意地控制效果。
    利用SIMULINK環(huán)境，做差動(dòng)輪系液粘調(diào)速裝置的一個(gè)仿真模型圖如圖1。其中的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)為PID控制器的三個(gè)可調(diào)的參數(shù)，可通過調(diào)節(jié)PID控制器的三個(gè)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)最佳的控制效果。PID控制器是在工業(yè)過程中應(yīng)用最廣的基本控制算法。其優(yōu)點(diǎn)是原理簡單、使用方便、魯棒性強(qiáng)、調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整比較容易、具有無余差功能、精度較高、適應(yīng)性廣。PID控制器的形式為：三個(gè)參數(shù)來確定最佳的控制器，達(dá)到滿意的控制結(jié)果。圖1的傳遞函數(shù)為差動(dòng)輪系液粘調(diào)速裝置的傳遞函數(shù)，通過機(jī)械動(dòng)力學(xué)、液壓傳動(dòng)和控制理論方面的知識(shí)對(duì)差動(dòng)輪系液粘調(diào)速裝置進(jìn)行分析，確定其在某一工作點(diǎn)的傳遞函數(shù)為其傳遞函數(shù)由它的數(shù)學(xué)模型得到，參見參考文獻(xiàn)。當(dāng)差動(dòng)輪系液粘調(diào)速裝置中的液粘離合器在不同的工作點(diǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)矩壓力增益和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速增益都將有所不同，這樣它的傳遞函數(shù)也將有所變化，但其仿真的模型始終不變。
通過圖1的仿真模型圖，調(diào)節(jié)PID控制器的3個(gè)參數(shù)將會(huì)得到不同的控制效果，PID參數(shù)的確定有很多種方法：如湊試法、齊格勒一尼柯爾斯(Ziegle-Nichols)法、ISTE最優(yōu)設(shè)定法、階躍曲線法等，根據(jù)這些方法確定出一組PID控制器的參數(shù)，其中控制效果最佳的是湊試法所確定的PID控制器，效果如圖2所示。
    從仿真圖2可知，湊試法所確定PID控制器的控制效果相當(dāng)不錯(cuò)，幾乎沒有超調(diào)量，上升時(shí)間快，調(diào)整時(shí)間短，這說明響應(yīng)速度很快，而且響應(yīng)平穩(wěn)沒有振蕩，其PID控制器的參數(shù)為：
4、對(duì)理想的起動(dòng)速度曲線的模擬
    在起動(dòng)長運(yùn)距帶式輸送機(jī)時(shí)，起動(dòng)速度曲線中如果加入一延時(shí)段，是較為理想的起動(dòng)曲線，見圖3。在延時(shí)段內(nèi)，輸送機(jī)的各部件在低力矩、低速度狀態(tài)下投入運(yùn)行，原來松弛的輸送帶被拉緊，這樣就降低了瞬態(tài)動(dòng)張力，避免對(duì)整個(gè)輸送機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的瞬時(shí)沖擊，延長了輸送帶及各部件的使用壽命。
    把理想的起動(dòng)曲線近似為圖4所示的四段的曲線，通過MATLAB軟件編寫圖4曲線的s-函數(shù)，利用圖1的仿真模型進(jìn)行仿真。圖5為輸入曲線，圖6為響應(yīng)曲線，比較兩圖形，幾乎沒有太大的差異，說明模型可以很好地跟蹤輸入，實(shí)現(xiàn)輸出按給定的輸入曲線運(yùn)行，從而達(dá)到了可控起動(dòng)的目的。
5、試驗(yàn)驗(yàn)證
    圖7為試驗(yàn)裝置的示意圖。
    試驗(yàn)過程按照預(yù)先編寫好的PLC程序進(jìn)行。先起動(dòng)加載裝置，使液粘調(diào)速裝置具有一定的負(fù)載，再起動(dòng)液粘調(diào)速裝置的主電機(jī)，電機(jī)起動(dòng)正常后，內(nèi)齒圈自由旋轉(zhuǎn)，輸出軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的空載起動(dòng)。然后PLC指示給電液比例閥一定的輸入，即離合器上開始加壓，使輸出軸帶動(dòng)負(fù)載按給定曲線起動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定的速度。輸出軸上有速度傳感器，便攜式綜合測(cè)量儀從速度傳感器上取得信號(hào)后，可直接把起動(dòng)過程的速度曲線顯示在屏幕上，同理也可以顯示制動(dòng)曲線。
    試驗(yàn)測(cè)得起、制動(dòng)曲線如圖8所示，起動(dòng)時(shí)間為95s左右，從0到95s這段起動(dòng)時(shí)間中，延時(shí)段大約為15s左右，在延時(shí)段內(nèi)速度不變；從95s到120s為穩(wěn)定運(yùn)行階段，輸送帶進(jìn)入正常運(yùn)行階段；從120s到160s這段曲線是制動(dòng)曲線，即在40s內(nèi)制動(dòng)，延長了制動(dòng)的時(shí)間，延緩了制動(dòng)過程，這樣就避免了因急停而帶來的各種事故。從圖8可知起動(dòng)曲線與仿真的起動(dòng)曲線非常的接近，說明建立的仿真模型是正確的，采用的控制方法是可行的。
6、結(jié)語
    本文應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)差動(dòng)輪系液粘調(diào)速裝置建立了仿真模型，確定了PID控制器的參數(shù)，并進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明：模型可以很好的跟蹤輸入，試驗(yàn)結(jié)果也表明：差動(dòng)輪系液粘調(diào)速裝置能夠?qū)崿F(xiàn)使輸出軸按給定的速度曲線運(yùn)行。