带式输送机纠偏装置液压伺服系统仿真设计

图1
动态监测系统原理图
由于输送带跑偏的根本原因是输送带张力中
*
安徽省教育厅自然科学研究基金项目 （ KJ2007B068 ） ，安庆市重点科技项目 （ 20081211 ）
《起重运输机械》
2010 （ 11 ）
— 17 —
心线偏离几何中心线， 考虑到输送带的受力特点， 机头、机尾、张紧滚筒处、 受料点等必须安装监 测模块， 其 他 部 位 根 据 输 送 带 强 度， 每 隔 30 ～ 60 m 安装 1 套监测模块。 1. 2 动态监测程序设计流程 输送带跑偏状态主要分为正常状态 、 可调跑 偏、极限跑偏 3 种。 正常状态： 所有传感器无信 号输出，即跑偏在许可范围内； 可调跑偏： 部分 传感器有信号输出， 经过控制软件判断为可调跑 偏，即发 出 相 应 纠 偏 信 号， 并 驱 动 BCCD 系 统， 直至跑偏控制在许可范围内； 极限跑偏： 部分传 感器有信号输出， 经过控制软件判断为极限跑偏， 即发出报警，需要紧急停机。 根据上述需求分析， 设计动态监测程序流程如图 2 所示。 2. 2
（ 2）
考虑到系统主要是惯性负载和摩擦负载， 没 有弹性负载，因此其传递函数为 Kq K ce δ X v （ s） － 2 1 + F （ s） Ap ω1 f Ap X p （ s） = （ 3） s2 2 δ h s 2+ +1 ωh ωh
(
(
)
)
式中
— —容积滞后频率，rad / s ω1 — ω1 = 4 β e K ce / V t — —油液的弹性模量，N / m2 βe — Vt — — —液压缸等效总容积 （ 包括液压缸 2 腔 的容积及伺服阀至液压缸 2 腔连接管 路中油液体积之和） K ce — — —伺服阀总的压力流量泄漏系数， m3 / （ sPa） Ap — — —液压缸的活塞面积，m2 F f （ s） — — —外负载力，N Kq — — —功率滑阀的流量增益 — —阀控动力元件的固有频率，rad / s ωh — — — — δh 阀控元件的阻尼比
带式输送机纠偏装置 （ BCCD ） 能自动检测 胶带跑偏趋势并随时纠正或报警。 纠偏方法较多， 使用调心托辊或设计不同结构的托辊系统可以实 现纠偏， 但效果不明显或对胶带损伤较大； 连杆 式自动调偏装置纠偏效果较好， 但结构复杂， 安 装、调试困难。 利用传 感 器， 实 时 对 输 送 带 跑 偏 进 行 监 测， 设计液压纠偏装置， 根据实时监测信号， 明确判 定输送带跑偏状态， 及时调节尾部滚筒的轴线位 置以达到调偏目的， 或及时报警停机， 以避免造 成卷带、 撕带恶性事故。 该液压伺服系统精度的 高低、频率特性的好坏， 将直接关系到纠偏系统 的精度和稳定性。 本文基于动态监测的带式输送 机纠偏 装 置， 构 造 了 液 压 伺 服 系 统 的 设 计 模 型， 利用 Matlab 对系统进行仿真， 并分析了系统的稳 定性。
系统稳定性是系统正常工作的必要条件 ， 对 系统进行稳定性分析非常重要。 由于系统的参数 在工作过程中经常发生变化， 用系统的开环 Bode 图来分析系统的稳定性十分方便。 从系统的 Bode 图中可知，系统的幅值裕度 G m = 1. 63 dB ， 对应的 相位穿 越 频 率 ω g = 73. 8 rad / s， 相 位 裕 度 P m = 65. 6° ，对应的幅值穿越频率 ω c = 30. 5 rad / s。 显 然，系统的相位裕度足够， 但幅值裕度偏小， 需 要采取措施来增大幅值裕度。
图2
动态监测程序设计
2
BCCD 液压伺服系统的数学模型
BCCD 液压伺服系统是一个位置控制伺服系 统，并且是单闭环控制系统。 其数学模型及方框 图如图 3 所示。 系统中传感器检测到胶带的偏移 量后，转换成相应的电流或电压信号， 经过比例 直流放大器将其放大到伺服阀中， 伺服阀将该控 制信号转换成相应的负载和流量， 调节尾部滚筒 的轴线，实现胶带纠偏。 2. 4
参考文献 ［ 1］ 宋志安 . 基于 Matlab 的液压伺服控制系统分析与设计 ［ M］ ． 北京： 国防工业出版社，2007. ［ 2］ 雷天觉 . 液压工程 手 册［M］ ． 北 京： 机 械 工 业 出 版 社，2001.
G m = 1. 63 dB（ 73. 8 rad / s） P m = 65. 6° （ 30. 5 rad / s）
带式输送机纠偏装置液压伺服系统仿真设计
董甲东
1， 2
ห้องสมุดไป่ตู้
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谷立臣
1
西安 710055 2 安庆师范学院物理与电气工程学院 安庆 246011
摘 要： 设计了动态监测系统，实时采集、处理带式输送机输送带的跑偏信号，发出指令实施纠偏或报警
1 西安建筑科技大学机电工程学院
停机。带式输送机纠偏装置 （ BCCD） 收到纠偏指令后，通过调节带式输送机尾部滚筒的轴线实现纠偏 。 纠偏液 压伺服系统精度的高低 、频率特性的好坏，将直接关系到纠偏系统的精度 。 本文设计带式输送机纠偏装置液压 伺服系统数学模型，对系统稳定性和设计方案进行仿真研究，为系统设计提供了理论依据 。 关键词： 带式输送机纠偏装置 （ BCCD） ； 动态监测； 液压伺服系统； 仿真设计 中图分类号： TH222 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 0785 （ 2010 ） 11 － 0017 － 04 Abstract ： The dynamic monitoring system is designed to collect and deal with the conveyor belt offtracking signal of tracking or alarm to shutdown. When the belt conthe belt conveyor in real time，and send out command to correct the offveyor correcting device （ BCCD ） receives the correcting signal，it will correct the offtracking through adjusting the axial line of the roller at the tail part of the belt conveyor. The accuracy of the correcting hydraulic servo system and the frequency feature will directly relates to the accuracy of the correcting system. The paper designs the mathematical model of the hydraulic servo system of the belt conveyor correcting device，and simulation study is performed for the system stability and design scheme，to provide theoretical basis for the system design. Keywords ： belt conveyor correcting device （ BCCD） ； dynamic monitoring； hydraulic servo system； simulation design
Xg 、 Xp — — —分 别 为 跑 偏 位 移 和 纠 偏 位 移 ， cm 伺服阀传递函数 设以电流 I 为输入、 以滑阀位移 X v 为输出的
伺服阀增益为 K sc ，则伺服阀的传递函数为 X v （ s） K sv = 2 I（ s） 2 δ sv s s +1 2 + ω sv ω sv — —伺服阀的固有频率 ω sv — — —伺服阀的阻尼比 δ sv — 若滑阀的增益为 K q ，则有 K sv = K sc K q 。 2. 3 动力元件的传递函数 式中
1
1. 1
动态监测系统方案设计
动态监测系统原理
动态监测系统主要是由传感 器、 信号采集系 统、信号处理器系统、 显示系统、 驱动及报警系 统组成，见图 1 。传感器检测到输送带的跑偏位移 后发出信号， 信号采集系统将放大后的信号通过 网络传输给信号处理器， 信号处理器利用控制软 件进行分析， 判断输送带的跑偏状态： 在可调范 围内时，驱动 BCCD，调节尾部滚筒的轴线位置以 实现调偏目的； 当跑偏量较大时， 进行报警， 以 防过量跑偏而发生事故。
系统开环传递函数及方框图 在不考虑外负载力的作用下 （ F f （ s ） = 0 ） ， 由
图3
液压伺服系统数学模型及方框图
2. 1
控制器传递函数
传感器与伺服放大器通称为控制器 ， 因其动 态响应高，可以看成比例环节，即传递函数为 I（ s） = Ki （ 1） X e （ s） — —控制器增益，mA / cm 式中 K i — Xe — — —跑偏位移偏移量，cm Xe = （ Xg － Xp ） — 18 —
4
Simulink 仿真与系统校正
PID 控制系统是 1 个单位负反馈控制系统， 系 统的输入和输出构 成 偏 差， 将 偏 差 的 比 例 （ P ） 、 积分 （ I ） 和微分 （ D ） 通过线性组合成控制量， 对被控制对象进行控制。传递函数为 KI G（ s） = K p + K D s + （ 5） s 其中，K p 、K D 、 K I 分 别 是 比 例 系 数、 微 分 系 数和积分系数。
(
)(
)
（ 4）
3
3. 1
液压伺服系统仿真
仿真模型 已知某带式输送机纠偏装置液压伺服系统的
《起重运输机械》 2010 （ 11 ）
－1 参数为： 开环增益 Kv = 27 s ，阀控动力元件的固有 频率 ωh = 87 rad / s，伺服阀固有频率 ωsv = 155 rad / s，
建立 PID 控制系统的 Simulink 仿真图，通过试 凑法，PID 的 3 个参数可以用 Simulink 模型中的增 益设置功能方便地进行调整。 用 PI （ D ） 校正后 系统的开环传递函数为 0. 1 G k （ s） = 0. 6 + × s
)
（ 6）
图4 BCCD 液压伺服系统方框图
3. 2
系统稳定性分析
用 Matlab 分析，可求得 PI （ D ） 校正后系统的 开环 Bode 图，如图 6 所示。 加入 PI（ D） 校正后，系统的幅值裕度为 6. 07 dB， 相位裕度为 76. 5° ，满足稳定性要求。 故本系统仅 用 PI 控制器校正即可。
图 4 可得此系统的开环传递函数为 Kv W cs （ s） = 2 2δh s s2 2 δ sv s 2+ s +1 s +1 2 + ωh ωh ω sv ω sv — —开环增益，1 / s 式中 K v — K v = K i K sc K q / A p = K i K sv / A p
阀控动力元件的阻尼比 δ h = 0. 2 ， 伺服阀的阻尼比 δ sv = 0. 67 ，根据图 4 ， 在 Matlab 中建立仿真模型， 其系统 Bode 图如图 5 所示。
(
)
s
(
s 2 × 0. 2 + s +1 87 87 2
2
)(
27 s2 2 × 0. 67 + s +1 155 155 2
图6
PI（ D） 校正后系统开环 Bode 图 G m = 6. 07 dB （ 73. 8 rad / s） P m = 76. 5° （ 16. 8 rad / s）
5
结论
图5
系统 Bode 图
带式输送机动态监测设计方案， 利用传感器 实时监测输送带跑偏状态， 通过网络和控制软件 收集和处理信息， 显示并发送纠偏指令或报警停 机指令。根据接收的纠偏指令，BCCD 完成输送带 的纠偏过程。本文重点进行了 BCCD 液压伺服系统 的建模 设 计， 利 用 Matlab 对 系 统 进 行 仿 真 分 析， 建立 PID 控制系统的 Simulink 仿真图， 通过试凑 法，最终获得满足系统需求的稳定性， 为系统设 计提供了理论依据。