（控制理论与控制工程专业论文）带式输送机的张力控制研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工 业大学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：s 谛彳隧 釜农大孝袁缆 委 员：一、 p7 畸，翻谢戈 导师： 梳“ 署徽d 徽 ， 1 、 压孑之 易刍又镜彬丈雩黜乏 独创 本人声明所呈交的学位论文是本 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒基曼王些太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谓 意。 学位论文作者签字：张团；i 签字日期：纱7 年华月纱e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日里王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权合肥工业太学可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：张研；l 导师签名：才玖 签字同期：弘f7 年争月加同 签字同期：钿lf 年甲月砌同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 带式输送机的张力控制研究 摘要 随着带式输送机逐渐向大运量、长距离和高带速方向发展，对带式输送机 进行动态分析以及有效的控制已成为亟待解决的问题。在输送机运行时，张力 过大会导致输送带拉伸变形甚至是断裂；张力过小又会使得输送带产生淤带现 象。因此，张力控制的研究对于带式输送机的正常运行具有实际意义。 本文分析了输送带的粘弹性特性，通过比较几种粘弹性体模型的动力学特 性选择适合输送带的v o g i t 模型，采用有限元法建立了整个带式输送机系统的 简易动力学模型。 考虑到基于有限元法建立的动力学模型阶次较高，根据模型设计的控制器 阶次也非常高，导致控制过程的实时性变差，不利于实际工程的应用。为了便 于控制器的设计，本文基于最小二乘方法辨识系统的模型参数，在此基础上利 用最小方差自校正控制方法设计了自校正控制器，并在m a t l a b 环境下进行 仿真，结果表明，自校正控制器改善了带式输送机运行时输送带速度的平稳性， 达到张力控制的要求。 考虑到带式输送机系统存在外界干扰和参数摄动问题，本文基于h 。鲁棒控 制理论，设计具有干扰抑制能力的带式输送机系统的张力控制器，并对该张力 控制器进行m a t l a b 仿真，结果表明，相对于传统的p i d 控制，基于h 鲁棒 控制的张力控制系统能够更好地抑制外界的干扰，从而实现带式输送机系统张 力的平稳控制。 关键词：带式输送机；张力控制；h 。鲁棒控制；系统仿真 t h et e n s i o nc o n t r o ls t u d yo ft h eb e l tc o n v e y o r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eb e l tc o n v e y o rt o w a r d sl a r g el o a d ，l o n gd i s t a n c e a n dh i g hs p e e d ，t h e u r g e n tq u e s t i o ni st h ed y n a m i ca n a l y s i sa n dt h ee f f e c t i v e c o n t r o lw i t ht h eb e l tc o n v e y o r w h e nt h ec o n v e y o rr u n n i n g ，e x c e s s i v et e n s i o nw i l l l e a dt h ed i s t o r t i o no rf r a c t u r eo ft h eb e l t ，a n dt o os m a l lt e n s i o nw i l lp r o d u c et h e s l u d g ep h e n o m e n o no ft h eb e l t s ot h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo fn o r m a lo p e r a t i o no f b e l tc o n v e y o ri st h es t u d yo fb e l tt e n s i o nc o n t r 0 1 t h ec o n v e y o rb e l t sv i s c o e l a s t i ci sa n a l y z e di nt h i sp a p e r b yc o m p a r i n gt h e d y n a m i c so fs e v e r a lv i s c o e l a s t i cm o d e la n ds e l e c tam o r ea p p r o p r i a t ev o g i tb e l t m o d e l ，t h ew h o l ec o n v e y o rs y s t e m ss i m p l ed y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n g t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d c o n s i d e r i n gt h eo r d e ro fm o d e lt h a te s t a b l i s h e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d i sh i g h e r ，a n dt h eo r d e ro ft h ec o n t r o l l e rw h i c hi sd e s i g n e db yt h i sm o d e li sa l s o h i g h e r ，l e a dt od e t e r i o r a t i o no ft h er e a l t i m ec o n t r o lp r o c e s s ，a n dt h ea p p l i c a t i o no f t h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gi sn o tc o n d u c t i v e t h ep a r a m e t e ro ft h es y s t e mm o d e li s r e c o g n i z e db yt h el e a s ts q u a r e sm e t h o di nt h i sp a p e r 。b a s e do nt h ea b o v e ，t h e s e l f - t u n i n gc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db yu s i n gm i n i m u mv a r i a n c es e l f - t u n i n gc o n t r o l t h e o r y a n dt h ed e s i g n e dc o n t r o l l e rh a v eb e e ns i m u l a t e da n dr e s e a r c h e dw i t ht h e m a t l a b t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h e s t a b i l i t y o ft h ec o n v e y o rb e l t ss p e e di s i m p r o v e db yt h es e l f - t u n i n gc o n t r o l l e r a st h ep r o b l e mo f p a r a m e t e r sc h a n g e da n de x t e r n a li n t e r f e r e n c ew a se x i s t e di n t h es y s t e mm o d e l t h eh o dt e n s i o nc o n t r o l l e rf o ri n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o nq u e s t i o n b ya p p l y i n gh mr o b u s tc o n t r o lt h e o r yw a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r a n dt h ed e s i g n e d t e n s i o nc o n t r o ls y s t e mh a v eb e e ns i m u l a t e da n dr e s e a r c h e dw i t ht h em a t l a b t h e r e s u l t ss h o wt h a t ，c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r 0 1 t h et e n s i o nc e n t r e l s y s t e mb a s e do nh r o b u s tc e n t r e lt h e o r yc a nc u r bt h ee x t e r n a li n t e r f e f e n c eb e t t e r t h u st h es m o o t hc o n t r o lo ft h eb e l tc o n v e y o rs y s t e m st e n s i o nw a sa c h i e v e d k e yw o r d s ：b e l tc o n v e y o r ；t e n s i o nc o n t r o l ；h r o b u s tc o n t r o l ；s y s t e m s i m u la t i o n 致谢 首先我要由衷地感谢我的导师方敏教授近三年来对我的指导与关心，在这 段学习期间，她给予了我很大的鼓励和帮助。方敏老师开阔的视野，渊博的知 识，严谨的治学态度以及乐观的人生态度都给我留下了深刻的印象，使我终生 受益，使我不仅掌握了更多的理论知识，而且我的分析问题和解决问题的能力 也得到了很大的提高。借此机会向方敏老师表示衷心的感谢。 同时也要衷心地感谢陈薇老师，在整个课题的研究过程中，她给予了我悉 心的指导和帮助，在研究过程中她百忙中抽出时间针对本课题提出了自己宝贵 的意见，使得本论文能够顺利完成。在此向陈薇老师道一声谢谢。 另外还要感谢我的师兄尹一鸣、罗来豹、刘震、喻海军、师姐程良燕，感 谢同窗任文娟、丁康、吴震宇、刘贞英对我无私的帮助和支持，没有他们的关 心和帮助是不可能顺利的完成论文。离别在即，祝各位事业有成，友谊长存。 最后要感谢我的父母在生活上、精神上以及其他各方面对我的关怀与鼓励， 感谢在我人生道路上所有关心、帮助我的亲人、朋友、老师和同学，在以后的 日子里，我将继续奋斗，用实际行动回报他们，不辜负他们对我的期望。 作者：张明 2 0 11 年4 月 目录 第一章绪论1 1 1 本课题研究的目的和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 带式输送机应用和设计的发展现状3 1 2 2 带式输送机张力分析4 1 2 3 带式输送系统的张力控制5 1 3 本文研究的主要工作6 第二章带式输送机系统的动力学模型8 2 1 输送带的力学模型8 2 1 1 输送带的力学特性8 2 1 2 输送带的力学模型1 0 2 2 输送带动力学模型的建立1 2 2 3 带式输送机系统动力学模型的建立1 4 2 3 1 建立输送机模型的基本假设1 4 2 3 2 带式输送机离散模型的动力学方程1 4 2 3 3 输送机系统动力学方程的参数计算1 6 2 4 本章小结2 0 第三章带式输送机系统自适应控制的研究2 1 3 1 系统辨识的基础知识2 1 3 2 带式输送机系统最小二乘辨识2 2 3 3 带式输送机的自适应控制研究2 5 3 3 1 自适应控制理论的概述2 5 3 3 2 带式输送系统的最小方差自校正控制研究2 8 3 4 本章小结3 0 第四章h 鲁棒控制理论基础3 2 4 1h 。范数的基础知识3 2 4 1 1h 。空间和h 。范数3 2 4 i 2h 。范数的计算方法3 3 4 i 3 线性矩阵不等式( l m i ) 3 4 4 2h 。鲁棒控制基本思想和性能指标，3 4 4 3h 标准控制问题3 8 4 4h 。控制问题的求解方法3 9 4 4 1r ic o a t i 方法 4 4 2l m i 方法 4 4 3 基于l m i 的输出反馈解 4 5 本章小结 第五章张力系统h 。鲁棒控制研究及仿真结果分析4 4 5 1 干扰抑制问题4 4 5 2h 。控制器的设计以及仿真4 6 5 2 1 张力控制的思想4 6 5 2 2h 张力控制器的设计4 6 5 2 3 张力控制系统仿真4 8 5 3 本章小结5 2 第六章结论与展望5 4 6 1 主要研究内容总结5 4 6 2 后续研究工作展望5 4 参考文献5 6 插图清单 图1 1 带式输送机系统结构图统结构图1 图2 1 输送带承受拉力时力学特性1 0 图2 2 粘弹性元件模型1 0 图2 3 粘弹性体模型1 1 图2 4 输送带单元段的离散模型1 3 图2 5 带式输送机的简图1 5 图2 6 输送机有限元动力学模型1 5 图3 1 单输入单输出系统2 2 图3 2 最小二乘法辨识的m a t l a b 程序流程图2 4 图3 3 辨识模型与实际过程的响应曲线2 5 图3 4 自适应系统的两种常见结构2 6 图3 5 带式输送机系统控制框图2 8 图3 6 随机噪声信号曲线2 9 图3 7 加入噪声干扰的输送机系统响应曲线2 9 图3 8 最小方差自校正控制仿真结果3 0 图3 9 系统输出与给定值的误差曲线3 0 图4 1 系统的输出输入描述3 3 图4 2 鲁棒控制系统框图3 5 图4 3h 。标准控制问题框图3 9 图5 1 张力控制系统仿真模型4 9 图5 2 系统响应仿真曲线4 9 图5 3 外界干扰信号5 0 图5 4 加入干扰信号的仿真曲线5 0 图5 5 系统抑制干扰h 。鲁棒控制5 1 图5 6 传统p i d 张力控制曲线5 1 图5 7h 。鲁棒控制的误差曲线5 2 图5 8p i d 控制的误差曲线5 2 表格清单 表3 1 计算的残差平方和结果2 3 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 带式输送机经过近两个世纪的发展，已经从最初的小型运输工具发展成为 具有高运速、大运量、大功率的现代化的大型运输设备，成为物料运输行业中 必不可少的设备，其生产率高，结构简单，运输量大，设备运输费用低，能实 现连续长距离大倾斜料输送且可以在胶带的任意位置加料或卸料。因此在现代 物料运输行业中，基于输送量、运输距离、运输成本、地形限制等方面来考虑， 带式输送系统比汽车、火车等更具有优越的性能，在矿山、冶金、煤炭、港口、 电力等行业得到广泛的应用【l 。3 】。 近年来，随着工业生产规模的不断扩大和带式输送技术的发展进步，长距 离、大功率、高带速的带式输送系统成为发展的主要趋势【3 】。带式输送系统是 由输送带、托辊、传动滚筒、改向滚筒、驱动装置、拉紧装置及制动装置等单 元构成的一个复杂的机电系统【2 】( 如图1 1 所示) 。带式输送机是以胶带作承 载和牵引部件，通过胶带的运动来进行物料输送的连续输送设备，其中输送带 是经传动滚筒和尾部滚筒形成闭环构件，且输送带是由托辊支撑运行，拉紧装 置使得输送带的张力能够保证系统安全稳定运行【6 】。当系统开始工作时，驱动 装置驱动传动滚筒，由传动滚筒和胶带之间的摩擦力来驱动输送带运行，物料 则是装载在输送带上与其一起运行。 传动滚 输送带 托辊、 f = = 羽翩瀚 广u 旷厂可t 、仃_ 弋厂 了弋上 拉紧滚筒一审赢滚筒 拉紧配重一 图1 1 带式输送机系统结构图统结构图 在现代运输行业中，带式输送机系统的应用越来越广泛，对于带式输送机 系统控制问题的研究就突显其重要性了【1 8 】。带式输送机系统的控制目标是针对 不同的地形和在非稳定运行状态下诸如启动、制动、变载等工况，希望通过选 择合适的控制策略使得该系统能够安全、平稳的运行，而这些一般可通过带式 输送机系统的张力控制来实现。 由于输送带的粘弹性质和阻力的作用，施加于某处的驱动力不能立刻传递 到整个输送带的各个点上，只是在输送带上形成张力波，驱动力和速度逐渐的 沿着胶带传输，因此各点的张力也就具有不同动态特性【1 0 】。特别是对于长距离、 高带速、多驱动的带式输送系统，其胶带各点的速度、加速度以及张力的变化 会很大。而且，带式输送系统在启动、制动、负载发生变化等状况以及各种地 形( 上运、下运、复杂地形) 情况下，若不对输送带施加张力控制，当其最小 张力处张力下降到极限以下时，会造成打滑；当最小张力下降到零甚至为负值 时，输送带出现淤带；当最大张力点过大及张力有较大变化的地方，出现断带 现象【4 1 。系统运行时，输送带的张力有可能会发生突变，导致带式输送机系统 运行不稳定，从而降低该系统工作的安全性。针对大型带式输送机系统的张力 控制使得系统在启动、制动和运行中能够满足运输行业安全、平稳运行的要求。 因此带式输送机系统的张力控制成为了输送系统安全可靠、经济可行的关键因 素，其研究结果对实际工程具有指导作用。其研究的意义主要体现在如下几个 方面： ( 1 ) 在实际的反馈控制中，大型带式输送机系统的张力特性以及其模型的应 用在目前还没有一套比较系统、完善的理论。带式输送机系统的控制策略的研 究，更是理论远落后与实际应用，因此本课题的研究可以为带式输送机的自动 化发展提供一定的理论基础。 ( 2 ) 带式输送机系统的发展愈趋大型化和运输量日益增加，针对系统张力控 制是以保证其张力平稳性为性能指标，使得系统具有良好的控制性能从而满足 运输行业的需求。相信随着研究的深入，这对于提高整机自动化水平及技术含 量、降低投资和维护成本、节约能源有着十分重要的现实意义，具有很好的实 际应用前景。 本课题的研究为以后大型带式输送机系统的实际应用提供一定的技术手 段。 1 2 国内外研究现状 国外在近几十年来，针对带式输送机的相关理论的研究取得了相当不错的 成果，使得输送机的主要组成部件的技术性都有了很大的进展，为如今带式输 送机逐渐向着大运量、长距离、高带速方向的发展奠定了坚实的基础。但是国 内针对输送机的研究较为缓慢，因此也就制约了国内的输送机的发展水平。近 些年来虽然一些国内的专家花费了大量的人力、物力在这一方面的试验研究， 也取得了一些成果，但是毕竟与国外一些输送技术先进国家相比，还有很大的 差距。 实际工程中，一般是在允许的技术条件下，要求带式输送机的单机长度越 长越好，以减少中间的一些环节，从而提高系统的可靠性和降低生产成本。为 2 了增加运输量同时又不想使得输送带宽度增加从而增加设备的投入，解决这些 问题就需要提高带式输送机的运行速度【1 2 】。在这样的背景下，所面临的带式输 送机动力学问题也就变得越来越多且相当复杂，对其控制的要求也就相应的提 高，研究工作也就更加深入和广泛了。带式输送机动力学研究以及控制起始于 上世纪六、七十年代，主要也是集中在那些运输业、采矿业发达的国家，如澳 大利亚、美国、前苏联、德国、波兰等，他们做了大量的实验研究和理论分析 工作。主要是在如下几个方面【4 j ： 1 ) 输送带的材料特性； 2 ) 带式输送机的动力学方程的建立以及求解； 、 3 ) 带式输送机关于控制策略方面的研究； 4 ) 带式输送机经济性的研究。 1 2 1 带式输送机应用和设计的发展现状 全球经济的快速发展和国际贸易的多元化，大大增加了对物料搬运的需求 量，而带式输送机在散装物料运输领域内占据着重要地位，所以也大大推动了 带式输送机的发展。在野外敷设的带式输送机，之所以能够很容易适应有山有 水、地形复杂的环境，能够节省大量修建隧道和桥梁的基建投资，是因为它已 经从原先的普通槽型输送机慢慢地向倾角越来越大的大倾角带式输送机、圆管 式带式输送机、空间转弯带式输送机的方向发展p j 。 带式输送机的功能越来越多样化、应用的范围也越来越广。再者，从带式 输送机的发展方向来看，距离长、运量大、速度快等要求已经成为了带式输送 机发展所追求的目标；从技术方面来看，带式输送机运行性能和可靠性能否得 到提高主要取决于其核心技术的开发与应用，即带式输送机动态分析与监控技 术的开发应用。这两方面的表现体现了国外带式输送机的快速发展。国际上迄 今为止最为典型的输送线路是建在西撒哈拉，带速为4 5 m s 的带式输送机运输 线，这条线路已经投入生产使用。这条长达l o o k m 的输送线路历经长达两年半 的时间建造完成，所使用的输送带材质是s t 3 1 5 型钢丝绳芯胶带，整条线路由 1 1 台带宽为1 0 0 0 m m 的带式输送机组成，每台长约6 9 一1 1 8 k m 瞵j 。 在国内，带式输送机受到落后的胶带制造技术的制约而发展非常缓慢。带 式输送机的发展和应用向前迈了一步是在7 0 年代后，那时候不断发展的煤矿综 采技术，大幅度提高了生产能力，促进了带式输送机的不断发展、扩大了带式 输送机的应用范围。从1 9 8 0 年到目前为止，带式输送机的研究又有了飞跃的发 展，它建立在国外的研究技术基础上进行不断的创新、不断的发展，并进行理 论结合实际，将研究成果合理地运用到实际的工作系统中，而不是盲目地模仿 国外的设计方式，使得国内的输送机技术再一次攀上了新的至高点。目前国内 大型带式输送机的应用越来越广泛，例如：河南嵩基水泥厂运输石灰石的输送 系统，带速是2 5 m s ，输送能力为1 0 0 0 t h ；江西万年青水泥厂新矿山运输系统， 全长达3 公里以上；宝钢燃料输送系统，全长5 7 k m ：等等。一些单位将国内的装 置与国外的装置进行比较得出双方的优缺点来改进国内的装置，如晋城无烟煤 矿业集团有限公司就变频调速软起动装置、进口的c s t 减速器等在煤矿井下带式 输送机常用的软启动装置探讨了他们的优缺点，对在某种场合使用某种软启动 装置提供了建议。该单位为了达成带式输送机在负载随时变化的情况下能够满 足对张力的不同需求的目标，抛开传统的受地形限制的重锤式拉紧装置和固定 式拉紧装置，提出采用自动张紧装置来调节输送机的张力，使得输送带能够始 终保持最合理的张力，保证带式输送机能够安全可靠、经济的运行。还有一些 学者和公司都已经对带式输送机的一些关键技术进行了研究。例如新集能源股 份有限公司、煤科总院上海分院、大屯煤电( 集团) 有限责任公司龙东矿等几家 单位已经系统分析了带式输送机的一些关键技术，结合国内外的现状进行了分 析并归纳总结了带式输送机目前所急需解决的9 个关键技术【9 】，同时还指出我国 目前需要深入研究的一些重要技术，因为这些技术相对于国外的技术来说差距 相当大，比如断带保护装置技术、防止皮带纵向撕裂的装置的技术、电气控制 与检测技术等等。 1 2 2 带式输送机张力分析 传统的带式输送机张力分析不考虑张力的动态特性，只是将输送带等效为 刚体，在静止或匀速运行状态下对带式输送机进行张力力学分析，这种方法注 重的是静态特性计算，较为简单，并不考虑输送带的动态特性，因此该方法对 于长距离带式输送系统的动态特性无法做出正确的描述【s 】。近年来随着带式输 送系统的应用越来越广泛，国内外对于带式输送机张力特性的动态分析方面相 当的重视，投入了大量的人力和物力，取得了喜人的成果，为输送系统的发展 提供了理论依据。由于带式输送是一个有许多零部件和分系统所组成的复杂的 机电系统，又是在多变的动态条件下工作，导致在实际工作中各部分的定量关 系不是那么的明显。当前，其研究和发展主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 带式输送系统的各种装置对张力动态特性的影响。r a v i k u m a r 和h a t t o p a d h y a y 针对带式输送系统的滚筒及拉紧装置，通过有限元法进行动态分析【l0 1 ，主 要研究了从相遇点到分离点滚筒上胶带的张力动态变化情况。a s h l e yj g n u t t a l 和g a b r i e ll o d e w o k s 分析了系统中驱动装置的动态特性，建立了其数学模型， 并研究了其对带式输送系统的张力性能的影响。f o g e e s m a n n 等人研究了托辊 对带式输送系统的动张力的影响。g a b r i e ll o d e w o k s 通过分析胶带的悬垂度， 研究胶带上各点的垂度大小对动张力的影响。进而g s u w e k e n 和w t v a n h o r s s e n 、李光布【1 2 】等分析了胶带悬垂度的非线性特性，并建立了其非线性微分 方程，考虑了胶带的静垂度和动垂度对带式输送系统的动张力及稳定性的影响 【6 1 。但是以上的国内外对于带式输送系统的张力分析，都只是在做其组成部件 ( 如张紧装置、驱动装置、滚筒等单元) 的选型及设计，主要用来设计系统的机 4 械结构和参数，而不是用来设计控制策略。 ( 2 ) 启动制动曲线对张力动态特性的影响。a s h l e yj g n u t t a l 和g a b r i e l l o d e w i j k s 研究分析了在单驱动装置与多驱动装置，及不同启制动曲线对带式 输送系统的张力动态特性的影响，我国上海师范大学的李光布、东北大学的宋 伟刚、中煤国际工程设计研究总院的李玉瑾根据不同速度曲线预测了启动过程 和紧急停车等工况下张力的动态特性【1 2 】。这些关于带式输送系统的张力分析一 般仅用于离线分析，而不是用于实时控制。 ( 3 ) 根据胶带的粘弹性理论【7 1 ，建立整个带式输送系统的数学模型，再研究其张 力动态特性。n o r d e l l 等人通过采用v o i g t 模型、t h o m a sj r u d o l p h i n 等人采用 m a x w e l l 模型，分别建立了带式输送系统的数学模型，并在此基础上分析了其 动张力的动态特性，取得了相当不错的成果。f u n k eh 、j j d e lc o zd i a z 等人在 考虑了该系统的非线性特性，利用有限元法对长距离带式输送机和圆管输送机 进行了张力特性分析。还有部分人通过有限元法建立了整个带式输送系统纵向 振动的数学模型，将虚拟样机、a d a m s 等技术及软件用于带式输送系统的张 力分析中，从而为其动态特性的研究提供了一些新的方法【1 7 】。但是以上介绍的 这些方法得到的模型的阶次一般都比较高，这就使得计算求解的时间太长，不 利于实时控制。 基于以上的张力分析中可以看出，现有的带式输送系统的张力分析多用来 进行系统的初步设计，而很少用于设计控制策略，即根据输送量、地形条件以 及运输物料等基本参数，通过分析从而合理选择驱动装置的数量、功率及位置， 拉紧装置等，并确定其是否满足带式输送机平稳运行时输送带的张力要求。 本课题对于张力分析的目的是研究带式输送机各个组成部件的动态特性， 并根据已知的带式输送机系统的主要参数，建立整个系统的张力分析模型，进 行合理的简化处理后得到的模型便于之后的控制策略的设计，而这也是如今大 型带式输送机张力控制研究中亟需解决的主要问题之一。 1 2 3 带式输送系统的张力控制 由于随着现在生产规模的不断扩大，带式输送机正逐渐向着长距离、高带 速、大运量方向发展，驱动力和电机总功率也就相应的增加了，若只靠单点驱 动往往会使得胶带的局部张力过大，从而降低了系统工作的安全系数。因此， 为了降低电网峰值和减少胶带局部的张力强度，现大多采取多点驱动的方式。 但是采用多点驱动时其张力控制又带来了新的问题：由于各驱动单元的配置方 式不同，会导致胶带的张力分布也各不相同，最大张力的大小及位置也会不同， 特别是在启动或者制动过程中、在运行过程中速度或负载发生变化时，输送带 距离越长，其速度的变化也就越剧烈，使得张力控制也就越复杂。 般带式输送系统的张力控制包括以下几个方面： ( 1 ) 启制动过程中，在实际工作时带式输送机的启动制动时间越短，则其加速 5 度和速度变化也就越大，这样胶带的张力以及张力变化也就会越大。输送机的 理想启动制动过程是希望保证加速度的没有突变。美国的n o r d d l 采用对策抛 物线的启动速度曲线，h a r r i s o n 通过摆线形启动速度曲线，我国的宋伟刚利用 带爬行段的梯形加速度曲线，实现了没有加速度的突变启动过程，使得胶带在 启动过程中动张力大大减小【】。通过研究分析了输送机的各种加速度曲线( 矩 形、三角形、抛物线、正弦形) 及响应特性，我国的李玉瑾提出了最佳的软启 动和软制动控制曲线，付俊青则提出了组合加速度的概念；m e n gq i n g r u i 提出 了通过利用液力耦合器的软启动方法来限制大型带式输送机的动张力1 1 2 。还有 就是通过控制驱动电机的不同启动时间，优化驱动的启动顺序以及启动时间间 隔，这样可以避免输送带产生打滑或淤带现象，并能有效的节约能源。现有的 针对带式输送机的启动、制动过程的控制方法，大都属于张力的开环控制，只 是根据输送机满载状况下设计其启动、制动的速度曲线，从而保证系统的张力 尽可能的满足平稳运行的条件。 ( 2 ) 运行过程中，针对大型“下运带”输送系统，j o s er o d r i g u e z 等人提出了速 度控制曲线来控制电机，取得了相当不错的控制效果【2 0 1 。为了满足减少胶带张 力及降低电网峰值的要求，可以通过合理的功率分配比和驱动力分配比，并保 证了电动机的功率平衡。而且在变运量的输送系统中，采用了多速电动机来控 制，可以在运量变小时降低胶带速度，从而减小了张力。但是已有的实时控制 方案都是通过控制电机速度从而间接的满足系统张力的要求，一般为速度闭环 控制而非张力闭环控制。 综合以上内容可见，传统的控制方案大都是研究启动、制动过程中的速度 和加速度曲线，并使得带式输送机按照给定的曲线来启动或制动，从而保证输 送带的张力满足设计要求；另外传统的控制方法都是根据输送机满足状况设计 的控制策略，至于空载或其它状况下的控制策略并没有研究。总的来说，针对 带式输送机张力控制的研究还是处于不断摸索及完善的过程中。 1 3 本文研究的主要工作 本课题是来源于国家自然基金大型带式输送系统张力控制关键问题的研 究。在实际应用中，系统特性受到运行工况、运料成分、设备状态等多种不 确定因素的影响，输送带的动张力会相应的发生变化，这就需要采用合适的控 制策略以免造成能源浪费和降低实际工作的安全性。传统的张力控制都是间接 的张力控制，是通过控制胶带的速度来达到所需的控制效果，因此本文首先是 通过分析研究带式输送系统各个组成部件的动态特性，建立胶带的粘弹性体模 型，利用有限元分析法建立整个带式输送系统的动力学模型和数学模型，以便 能较为准确的反映实际情况，由于所得的系统模型较为复杂，然后利用系统辨 识得到带式输送机的模型，基于此模型利用自适应控制算法从而达到系统工作 6 的要求。但是在实际应用中辨识所需的输入输出数据不易获得 有限元法得到的系统模型，本文最后提出了基于h 。鲁棒控制理 送系统的张力控制器，并借助于m a t l a b 进行了仿真实验。 本文还利用传统p i d 控制针对带式输送机系统的张力进行控制 中进行仿真，结果表明，相对于传统p i d 控制，利用h 。鲁棒 控制系统具有更好的稳定性，能够更加有效的抑制外界的干扰， 7 第二章带式输送机系统的动力学模型 随着带式输送系统的应用越来越广泛，且由于现代运输行业的需求，其运 输的距离增长、运量增加及带速的提高，使得带式输送系统的动力学特性不容 忽视。带式输送系统是由多个子系统组成的复杂机电系统，为了保证其正常运 行，首先就是要了解整个系统的动态性能，这就要求我们不能只关注各个部件 的独立性能。本文就是通过分析研究带式输送机的动态特性，针对系统启动时 不稳定工况进行动态分析，观察分析输送带的动张力，建立合理的动力学模型 【1 4 】 0 为了要得到一个符合实际需要的带式输送机系统动力学模型，首先应该正 确地建立输送机各个组成部分的动力学子模型。而在整个系统中，输送带是主 体，所以要建立输送带的动力学模型，首先要了解胶带的力学特性，只有通过 胶带的力学特性，才能够正确的建立输送带的动力学模型。各主要部件建模以 后，鉴于带式输送机高带速、长运距的特点，输送机整体受力运转过程中会出 现很多因素，严重阻碍了接下来的模拟仿真研究，因此在对输送机系统建立动 力学模型时除了考虑输送带内部因素的影响外，还需要结合输送机外部因素的 影响，为了能够把外部因素转化到主要部件上方便研究，就需要结合实际情况 设定一些假设条件【1 7 】，最终建立起整机的离散体动力学模型，并利用边界条件 求解输送机系统的动力学模型，最终达到指导工程实践，降低设备投资成本， 优化设计的目的。 2 1 输送带的力学模型 2 1 1 输送带的力学特性 输送带作为整个带式输送系统的一个关键构件，除了用来承载被输送的物 料，而且也是系统运行的牵引构件，同时也是决定整个输送系统性能的核心部 分，其中输送带的动力学特性也是带式输送系统分析的基本问题。在实际应用 中，输送带的种类一般有以下几种：塑料输送带、整体带芯阻燃带、尼龙分层 输送带、钢丝绳芯输送带等，各种输送带的力学特性差别也较大。而目前对于 长距离、大功率、大运量带式输送机大多采用的是钢丝绳芯输送带，本文也是 以钢丝绳芯输送带为研究对象。钢丝绳芯输送带的结构是由上下橡胶覆盖层和 许多纵向平行排列的钢丝绳组成，因此其力学特性不仅具有弹性而且具有橡胶 的非线性特性，当它受到外力的作用时，其表现出复杂的动力学特性。通过分 析输送带的静特性和动特性，发现输送带的动力特性具有明显的粘弹性特征， 这样建立输送带的动力学模型也即建立其相应的粘弹性模型。如果胶带的粘弹 性力学模型建立得不恰当的话，就很难保证带式输送机系统能够准确、可靠地 进行动态分析。 胶带的粘弹性即应变除了受应力大小和加载历史制约外，甚至还受到时间、 温度、频率及材料特性的制约。应变受这些因素的制约性表现为四个方面，具 体表现如下： ( 1 ) 应力一应变的非线性关系 由图2 1 ( a ) 所示，在拉力的作用下，即使作用力是非常缓慢的加载，胶 带所受的拉力和胶带的变形( 应力和应变) 之间的关系也不完全服从虎克定律， 即不完全呈现出线性关系，而是呈现出明显的非线性特性，由此可以看出，胶 带的弹性模量是随着应力仃的变化而变化的值，并不是一个固定不变值。所以 胶带的弹性模量和应力可以表示成如下的函数关系 e = f ( a ) ( 2 1 ) ( 2 ) 蠕变特性和松弛特性 当在胶带上施加一个定值的外力时，胶带的变形会随着时间的推移而不断 增加，但是不会无限的增大，它最后会趋向于某一个定值。所谓的蠕变特性是 指胶带的应变在胶带受到拉伸应力作用时仃= c r 0 h ( f ) ，t 0 0 ，表现出具有滞后于 盯的规律，慢慢趋向于固定值，而不是与仃具有相同的规律。所谓的松弛特性， 刚好与胶带的蠕变特性相反，即当一个常应变作用在胶带上时，随着时间的增 加，胶带的拉伸应力却逐渐减少，最后趋向于稳定值。蠕变特性曲线和松弛特 性曲线如图2 1 ( b ) 、( c ) 所示。 ( 3 ) 滞后特性 如图2 1 ( d ) 所示，胶带在拉伸的过程中，加载和卸载外力时体现出来的应力 一应变关系曲线并不重合，这种现象称为胶带的滞后特性。这一现象可以充分 的说明胶带具有明显的粘弹性。对于不同材料的胶带，这两种状态下的力学特 性也有一定的差别，有时相差竟然达一倍以上。 ( 4 ) 动态特性 从前面3 个特性可以看出，在拉力作用下，胶带的变形与拉力的大小和作用 时间有关。此外，胶带还有一种特性为动特性，即拉力的变化速度也会影响胶 带的变形。 9 图2 1 输送带承受拉力时力学特性 从以上分析可以看出，胶带的拉伸应力、应变规律的影响因素有很多，也 就说明了胶带具有明显的粘弹性特性。由此得出研究胶带模型的特性时应从动 态的角度来分析，这主要有两方面的原因：一是，从实际实现角度来看，人们 无法在无限缓慢的加载情况下测得应力和应变的关系；二是，胶带的实际工况 是动态应力。 2 1 2 输送带的力学模型 1 ) 粘弹性模型的基本概念及几种常用的模型 连续介质的基本性质一般有两种分别为：粘性和弹性，在一定的条件下反 映了该材料某一方面的性质，弹性元件和粘性元件是用来描述连续介质粘弹性 的两个基本元件，下面先简单介绍这两个元件。 弹性元件( 图2 2 ( a ) ) ，其力学特性可以由胡克定律来描述，表达式为 仃= e e ( 2 2 ) 其中盯：表示的是弹性体应力； 占：表示的是弹性体应变； e ：表示的是弹性体单位宽度弹性模量。 粘性元件( 图2 2 ( b ) ) ，一般用仃= 叩叠表示，反映的是粘性连续介质内某 一点的应力与该点应变率成正比关系的性质。 其中仃：表示的是粘性体内的应力； 刁：表示的是粘性体粘滞系数； 叠：表示的是粘性体的应变率。 ( a ) 弹性模型( b ) 粘性模型 图2 2 粘弹性元件模型 以上介绍的是基本元件的两个简单模型，通过这两种简单模型的组合可以 得到多种复杂模型，从而建立各种不同材料的力学模型，但是在对实际材料分 l o 析研究发现，很多实际材料的特性不能简单的用简单模型的组合来描述，并且 当采用复杂的组合模型时又常常会遇到更加复杂的数学问题。现阶段一般常用 的粘弹性体模型有m a x w e l l 模型( 图2 3 ( a ) ) 、v o g i t 模型( 图2 3 ( b ) ) 、标准 三参数模型( 图2 3 ( c ) ) ，我们可以通过研究模型的松弛及蠕变特性是否与输 送带的动特性相似或一致，这样就可以确定该模型是否适合用于研究输送带的 粘弹性特性。 。+ 沁当卜。 e 2 。弘甜a o 卜八h 卜o ( a ) m a x w e l l 模型 ( b ) y o g i t 模型 ( c ) 标准三参数模型 图2 3 粘弹性体模型 2 ) 输送带动力学模型的确定 a m a x w e l l 模型 该模型又称为松弛模型，是由阻尼器和线性弹簧串联组成，如图2 3 ( a ) 所示， 经过分析可得作用在两元件上的应力相等，则该模型的总应变应该是两元件的 应变之和，因此其本构关系为： 舌：里+ 一o r ( 2 - 3 ) e 啊 b v o g i t 模型 该模型又称为非松弛模型，是由阻尼器和线性弹簧并联构成，如图2 3 ( b ) 所示， 分析可得两个元件的应变相同，则总的应力为两元件应力之和，因此其本构关 系为 o r = e 6 + 幡 ( 2 4 ) c 标准三参数模型 该模型是由一个v o g i t 模型和一个线性弹簧串联组成，如图2 3 ( c ) 所示，分析得 其本构关系为 舌+ 墨占：地上叮+ 土彦( 2 5 ) r 2 e l 叩2最 针对以上三种模型分别进行模型对应力载荷的响应、模型对应变载荷的响 应的分析可得，m a x w e l l 模型对应力的响应一般是直接由阻尼器给出，而线性 弹簧表现的则是弹性应变，这样整个模型的应变是随着时间逐渐增加而增加， 但是当应变保持不变时，其应力则会按指数逐渐衰减为零。因此m a x