礦用升降機電動機轉矩的振蕩阻尼控制的製作方法

2023-07-01 15:09:46 1

專利名稱：礦用升降機電動機轉矩的振蕩阻尼控制的製作方法
礦井中採集的礦石藉助於所謂礦用升降機動到地面。採礦經常是在深達數千米的極大深度下進行的。礦用升降機的繞繩筒和料車(或運礦車)之間所需的起重鋼絲繩是很長的，因而料車經常在垂直方向產生振蕩問題，這是因為鋼絲繩具有彈性所致。本發明提出了避免發生這種振蕩的一種方法和裝置。


圖1示出了現有技術控制礦用升降機速度的情況。
圖2和圖3示出了減少料車在啟動、停車等過程中振蕩的風險的加速函數。
圖4示出了礦用升降機的物理模型。
圖5示出了本發明礦用升降機的控制系統。
圖6示出了本發明礦用升降機控制系統的一個實施例。
為說明本發明的來龍去脈，首先簡單介紹一下礦用升降機及其在正常升降的過程中、起動和正常減速的過程中和緊急剎車過程中可能產生的一些問題。
礦用升降機通常有兩種類型，通常叫做滾筒式礦用升降機，前者當料車上升時鋼絲繩繞在滾筒上，後者每一個繞繩筒有一個料車，鋼絲繩也繞繩筒上，卷繞得使一個料車下到井底時，另一個料車在礦井的頂上。
在摩擦式升降機中，一條或多條鋼絲繩自由懸掛在繞繩筒的分立槽上。裝礦石的料車掛在鋼絲繩的一端，另一個料車或平衡錘掛在鋼絲繩的另一端。這就是說，防止鋼絲繩在繞繩筒上打滑的唯一因素是繩筒兩側懸掛著的鋼絲繩質量保持平衡，在料車底下與平衡錘底之間設置了平衡繩。
為使礦用升降機在靜止時能夠固定不動，即所謂停車剎定，採用了各種控制方式的機械制動系統電氣控制的，液壓控制的和氣動控制的。這些制動系統不是作用到繞繩筒上就是作用到鋼絲繩本身。這些機械制動器還供礦用升降面緊急剎車用。在通常使用的機械制動系統中，繞繩筒的側面構件各個都配備有環形制動盤，制動是在氣動塊在制動盤兩側的情況下藉助於液壓制動盤進行的。在另一種用的制動系統中，制動則藉助於鼓式制動器進行。
ABB公司1993年6月的ABB小冊子3ASMOIC200中特別介紹了雙繞繩筒的ABB礦用升降機。從該小冊子中知道，升降機的驅動系統可以由交流驅動系統組成，也可以由直流驅動系統組成。這些驅動系統都是為最大限度地減小鋼絲繩中的動應變而設計的，方法是令電動機的轉速和轉矩平穩地變化。此外，從上述小冊子還知道，每一條鋼絲繩都可採用繩張力計。當然，摩擦式升降機中也可以測定鋼絲繩的張力。這樣做除可以檢測某一條繩有否鬆弛外還可以不斷地監控繩的張力。此外，在起動過程中也測定繩的張力，其目的在於影響電動機的轉矩，從而抵消料車和平衡錘在繩張力方面的不平衡。這就是說，制動器在料車裝滿礦石之後松閘時驅動電動機的轉矩可以控制得使負荷不下降僅而產生平穩的加速度，從而減小鋼絲繩中振蕩的風險。
料車垂直振蕩的問題在滾筒升降機和摩擦式升降機中都可能發生。振蕩的風險隨著鋼絲繩的長度而增加，即隨著礦井深度的增加而增加。這種振蕩主要是在加載/卸載過程中、在驅動循環的起動/停車過程中和在緊急剎車的過程中發生的。
無論採用哪一種電力驅動系統驅動繞繩筒，操作過程總是包括在控制電動機的內電流或轉矩的情況下控制外轉速的過程。圖1示出了現有技術進行這類控制電動機的內電流或轉矩的情況下控制外轉速速的過程。圖1示出了現有技術進行這類控制的一般方案，該方案採用了轉速控制器1、轉矩控制器2和驅動系統3，轉速控制器1將所要求的繞繩筒轉速nref與繞繩筒的實際轉速nltr加以比較，並傳送對應於轉矩控制基準值的信號Mm。這類控制的實例在倫敦皇家礦業學校1993年6月30日出版的93年礦業起重運輸雜誌，第二次國際會議，第2，3，1-2，3，6諸頁上發表和題為「緊急停車用的機械制動器的控制器」的文章中特別加以介紹。為防止鋼絲繩中與負荷的起動、停車和緊急剎車有關的振蕩，在現有技術中也採用了「S」形基準信號來控制啟動和停止循環過程中和轉速。從圖2中可以知道停車時速度控制的標準過程。圖3示出了停車循環時轉矩控制相應的減速標準過程。減速過程從線性增加的加速過程開始，然後轉入恆定的減速過程，在減速過程終了時減速得越來越快趨近於0。
儘管採取了上述措施使起動/停車等過程平穩，但要防止鋼絲繩中產生振蕩還是有困難的。因此，歷來都要求這類對運行周期期間有有害影響的啟動和減速過程平穩進行。此外，特別是礦井深因而鋼絲繩長的情況下，恆速動輸載荷的過程中產生的各種幹擾也會引起振蕩。在雙繞繩筒的滾筒式升降機中，其中一個繞繩筒上料車的振蕩可能引起另一個繞繩筒上的料車振蕩。因此，迫切需要有一種無論在運行周期的任何階段，只要有產生振蕩的傾向就會採取避免振蕩傾向發展下去的措施的方法。
前面說過，之所以產生這些振蕩是因為鋼絲繩起彈簧的作用所致。懸垂著的彈簧的特性方程屬於經典力學的範圍。但由於鋼絲繩很長，因而仔細研究這些振蕩過程時，還應考慮鋼絲繩的分布質量。作為本發明的技術基礎，這裡簡單介紹總模型的微分方程體系，其中，令鋼絲繩近似以於為零質量的彈簧所隔開的點質量，同時將鋼絲繩的重量包括入料車和平衡錘中。這種模型如圖4中所示，這是與摩擦式升降機有關的模型。微分方程組是以下列參數為基礎的。FK1，FK2-作用到料車和平衡錘的彈簧力；11，12-鋼絲繩的實際長度；V1，V2-料車和平衡錘的速度；u-所加的轉矩，系統的輸入信號；m1，m2-包括料車側載荷和鋼絲繩的質量在內的料車質量，和包括平衡錘側絲繩的質量在內的平衡錘質量；f1，f2-鋼絲繩中的粘性阻尼；k1，k2-鋼絲繩的半徑；c-軸承摩擦力；r-繞繩筒的半徑；J-電動機連同軸和繞繩筒的慣性矩；ω-繞繩筒的角速度；於是，微分方程如下v1=1m1(f1(r-v1)+Fk1-m1g)]]>v2=1m2(f2(r-v2)+Fk2-m2g)]]>Fk1＝k1(rω-ν1)Fk2＝k2(rω-ν2)=1j(u-c-f1r(r-v1)-f2r(r-v2)-rFk1-rFk2)]]>將上述模型變換成狀態模型是現有技術的一部分，其中，x1=v1x2=vx3=Fk1x4=Fk2x5=]]>可作為模型的各狀態。這樣，根據 可以將系統以狀態的形式表示，這時系統矩陣可根據上述微分方程表示，例如其中A=-f1m101m10f1rm10-f2m201m2f2rm2-k1000k1rf1rJf2rJ-rJ-rJc+f1-r2+f2r2J]]>為了分別掌握和採取能避免這類振蕩發生的措施，最好能連續獲取料車的速度。然而，這個速度不能直接測定或表示出來。另一方面。若料車的速度已知，通過確定繞繩筒與料車的速度差應該可以採取穩定化措施。然而，上述礦用升降機的微分方程未能直接指示出解決上述問題的方法。
上面說過，鋼絲繩的張力可藉助於各條繩上的張力測定器測出。按照本發明，應用繩的張力，可以利用例如根據下列方程(1)、(2)或(3)的礦用升降機的數學狀態模型估計料車的速度。x(t)=AX(t)+Bu(t)+Nel------(1)]]>y(t)＝C·X(t)+e2(2)z(t)＝H·X(t) (3)這裡，x(t)表示礦用升降機的狀態矢量， 為狀態矢量的導數，y(t)為從鋼絲繩張力可得出的測量信號，z(t)為所要求的料車速度。在此方程組中，A、B、N、C和H是可從礦用升降機的有關數據(例如上述微分方程組)確定的矩陣。此外，e1和e2表示強度分別為R1和R2、交互頻譜等於R12的幹擾。根據這種狀態模型，可以確定下列卡爾曼濾波器x^(t)=Ax^(t)+Bu(t)+ky(t)-Cx^(t)-----(4)]]>z(t)＝H·x(t)(5)其中 為(t)的估測值， 為 的估計值，u(t)為所施加的轉矩， 為料車的速度估計值，K為放大係數，可用下式表示K=(PCT+N.R12)R2-1]]>通常，按照周知的線性代數，帶角標「T」的矩陣為相應矩陣的轉子矩陣。P為卡爾曼濾波器周知矩陣方程的半正定解，即A·P+P·AT，+N·P1·NT-(P.CT+N·R12)T＝O上述狀態矢量x(t)可適用於這種用途的礦用升降機，因而可用以表示不同類型的礦用升降機。這種狀態矢量可以例如表示雙繞繩筒式的礦用升降機，從而可以分別求出兩料車的速度估測值z(t)1和z(t)2。
圖5示出了本發明有兩個繞繩筒的滾筒式礦用升降機速度控制的原理圖。按圖1所示的一般方式，控制電路有一個轉速控制器1、轉矩控制器2和驅動系統3。轉速控制器1將所要求的繞繩筒轉速nref與繞繩筒的實際轉數nrtr.加以比較，電動機的實際轉矩M反饋到轉矩控制器2上。轉速控制可以按不同的方式設計並使其根據對轉速控制的靜態和動態要求具有不同有特性。這裡，和圖1中一樣，假設轉速控制器的輸出信號等於Mm。此外還假設，無論nref或轉速控制器都可以包括上述用以減小振蕩風險且還是現有技術的一部分的S形極限和加速函數。
從圖5中還可以看到兩個繞繩筒4和5連同其各自的鋼繩6和7以及料車8和9。繩6上的張力S1在測定器10中測定，繩7上相應的張力S2則用測定器11測定。
本發明轉速控制的新穎性在於，利用繞繩筒繩張力的測定信號和繞繩筒實際轉速nert的測定信號作為估測器12的輸入信號，估值器12呈根據礦用升降機某狀態模型的卡爾曼濾波器的形式，例如根據按方程(1)、(2)和(3)製成的上述模型的卡爾曼濾波器的形式，基於上述推理。估測器12可連續地傳送對應於兩料車的速度值(即分別為Z1和Z2)的估計值。
此外，從圖5中可以看出，按照本發明，轉矩基準發生器13用以給驅動系統的轉矩控制器傳送所要求的轉矩基準值mref。轉矩發生器的輸入信號包括上述轉速控制器的輸出信號Mm、料車的速度估計值Z1和Z2以及繞繩筒的實際轉數netr。這時轉矩基準值按下式形成Mref=Mm+P1(nltr-z^1)+P2(nltr-z^2)]]>所述礦用升降機的轉矩基準發生器13包括加權係數P1和P2，這是根據實際操作情況確實的，即終端位置、中間位置、加速度/減速度等。
給驅動系統4加上述轉矩基準值時，驅動系統中的轉矩控制器會將轉矩經轉速控制器疊加到所要求的轉矩上，從而起這樣的作用繞繩筒的轉速與小車的估計轉速一有差別，經過一段積累過程之後就將振蕩的傾向加以抵消和減小。這樣，無論振蕩傾向是因裝載/卸載引起的或在運行周期的起動/停車引起的，轉矩的疊加都會起作用。
這種系統的好處，除減少鋼繩的振蕩外，大大減少了摩擦式升降機中鋼繩打滑的風險。動態載荷減小的另一個極其重要的好處是，可以降低鋼繩的安全係數，從而提高了礦用升降機的有效載荷。這在升降深度極大時特別重要。
圖5示出了轉速控制器1，轉矩控制器2，估計器12和轉矩基準發生器13的方框圖。但不言而喻，計算裝置(最好是計算機)的程序採用了狀態模型和卡爾曼濾波器連同現有技術。這種控制設備中使用的控制器也同樣採用了上述模型、濾波器連同現有技術。採用的硬體包括驅動系統的換能器、電動機、繞繩筒、料車等等。
因此，可根據圖6說明本發明的一個實施例，計算裝置14採用了取「S」和加速函數形式的基準函數的程序、n控制器1、Mref發生器13、轉矩控制器2和估計器12的程序。加到計算機實際轉數nltr、轉矩反饋M，信號S1和S2則獲自鋼繩張力測定裝置10和11。這時計算機的輸出信號成了驅動系統3的基準轉矩Mref。此外，從圖6中還可以看到繞繩筒4和5、鋼繩6和7以及料車8和9。
本發明的說明和圖5涉及分別有兩個繞繩筒和兩個料車的摩擦式升降機。當然，本發明的控制原理也適用於單繞繩筒單料車的摩擦式升降機，同樣也適用於滾筒式升降機。
從純實用的觀點看，估計器適宜用來在鋼繩張力信號因受幹擾或其它原因而消失或在估計器顯然傳送了錯誤的信號時發出估計與一個或多個料車的速度相應的信號。
權利要求
1.一種用於阻尼在礦用升降機中的一個或多個料車(8，9)在不同操作情況下可能產生的垂直振蕩的方法，其中礦用升降機包括礦用升降機一個或多個繞繩筒(4，5)的轉速控制，且其中所述轉速控制包括輸出信號為Mm的轉速控制器，其中所述轉速控制包括由轉矩控制器(2)和驅動系統(3)組成的內轉矩控制，且所述一個或多個料車從一個或多個繞繩筒和一個或多個料車之間的鋼繩(6、7)懸垂著，其中各鋼繩配備有鋼繩張力測定器(10，11)供測定各條鋼繩上的鋼繩張力S1和S2，所述方法的特徵在於，轉速控制的內轉矩控制包括採用基於礦用升降機的狀態模型的卡爾漫濾波器的形式的估測器；且該估測器上加上來自繩張力測定器的信號S1和S2對應於繞繩筒轉速netr的信號，估測器的輸出信號由對應於一個或多個料車估計值的信號組成；一個轉矩基準值發生器(13)，加有轉速控制器的輸出信號Mm、一個或多個料車的估計轉速值 以及對應於繞繩筒轉速nerr的信號，產生驅動系統以下式表示的轉矩基準值mrefMref=Mm+P1(nltr-z^1)+P3(nltr-z^2)]]>其中P1和P2是給定的加權係數。
2.如權利要求1所述的用以對礦用升降機的一個或多個料車(8，9)在不同操作情況下可能產生的垂直振蕩起阻陛作用的方法，其特徵在於，卡爾曼濾波器是根據下列參數確定的x^(t)=Ax^(t)+Bu(t)+K(y(t)-Cx^(t)-----(4)]]>z^(t)=Hx^(t)]]> 為x(t)的估測值； 為 的估測值； 為一個或多個料車的轉速估測值；k=(PCT+NR12)R2-1]]>P為卡爾曼濾波器矩陣方程的正的半定解A·P+P·AT+N·R1·NT-(P·CT+N·R12)R2-1(PCT+N.R12)T=O.]]>且是根據按下列參數得出的狀態模型求出的x(t)=Ax(t)+Bu(t)+Nel------(1)]]>y(t)＝C·x(t)+e2(2)z(t)＝H·x(t) (3)x(t)為礦用升降機的狀態矢量， 為狀態矢量的導數，u(t)為所施加的轉矩；y(t)是從一個或多個繩張力得出的測定信號；z(t)為一個或多個料車的速度；A，B，N，C和H是根據實際礦用升降機的數據確定出的矩陣；e1和e2則為強度分別為R1和R2、交叉頻譜等於R12的幹擾。
3.一種用於執行權利要求1的用來阻尼礦用升降機的一個或多個料車(8，9)在各種不同的操作情況下可能產生的垂直的方法振蕩的裝置，其中礦用升降機包括礦用升降機一個或多個繞繩筒(4，5)的轉速控制，且其中用轉速基準值nref形式的控制信號進行的轉速控制有一個輸出信號為Mm的轉速控制器(1)、內轉矩控制(2)和驅動系統(3)，且其中一個或多個料車(9，10)從一個或多個繞繩筒與一個或多個料車之間的鋼繩(6，7)懸垂著，且其中各條鋼繩配備有繩張力測定器(10，11)，供測定各鋼繩的張力S1和S2，其特徵在於，計算裝置中採用了下列程序轉速控制器(1)的程序，包括輸出信號為Mm的礦用升降機的速度基準函數；估計各料車速度Z1和Z2的估計值(12)的程序；用以產生下列信號的轉矩基準值發生器的程序Mref=Mm+P1(nltr-z^1)+P2(nltr-z^2)]]>其中P1和P2是給定的加權係數，用以驅動系統傳送輸入信號的轉矩控制器(2)的程序；且計算構件的輸入信號包括轉速基準值nref、驅動系統實際轉矩M的的反饋信號、一個或多個繞繩筒的轉速nltr和鋼繩張力則定器對應於鋼繩張力的張力測定值的信號。
4.根據權利要求3所述用來阻尼在用升降機中的一個或多個料車中可能產生的垂振蕩起的裝置，其特徵在於，卡爾曼濾波器是根據下列參數設計的x^(t)=Ax^(t)+Bu(t)+K(y(t)-Cx^(t)-----(4)]]>z^(t)=Hx^(t)------(5)]]> 為x(t)的估測值； 為 (t)的估測值； 為一個或多個料車的速度估測值；k=(PCT+NR12)R2-1]]>P為卡爾曼濾波器矩陣方程的半正定解A·P+P·AT+N·R1·NT-(P·CT+N·R12)R2-1(PCT+N.R12)T=O.]]>卡爾曼濾波則是根據按下列參數構成的礦井升降機的狀態模型構制；x(t)Ax(t)+Bu(t)+Nel------(1)]]>y(t)＝C·x(t)+e2(2)z(t)＝H·x(t) (3)x(t)為礦用升降機的狀態矢量， 為狀態矢量的導數，u(t)為所施加的轉矩；y(t)是從一個或多個繩索張力得出的測定信號；A，B，N，C和H是根據實際礦用升降機的數據確定出的矩陣；e1和e2則為強度分別為R1和R2、交叉頻譜等於R12的幹擾。
全文摘要
用來阻尼礦用升降機中一個或多個料車(8，9)在各種不同操作條件下可能產生的垂直振蕩方法和裝置，藉助於估測器(12)形式的按升降機的狀態模型構制的卡爾曼濾波器獲得一個或多個料車的速度的估測值(Z1，Z2)。由此包含在礦用升降機的速度控制中的併疊加在根據轉速控制器(1)要求的轉矩上的轉矩控制，可通過轉矩控制發生器(13)給出一個附加轉矩，當轉速n
文檔編號H02PGK1134393SQ96103220
公開日1996年10月30日 申請日期1996年1月30日 優先權日1995年1月30日
發明者J·加力克, C·坎普萊倫 申請人:瑞典通用電器勃朗勃威力公司