模糊自适应整定永磁偶合器恒转矩负载多机均衡调控方法与流程

1.本发明涉及传动设备自主控制技术领域，尤其涉及一种模糊自适应整定永磁偶合器恒转矩负载多机均衡调控方法。


背景技术：

2.带式输送机是一种用来运输物料的恒转矩设备，广泛应用在煤炭、化工、石油、电力等行业。为了提高单条带式输送机等恒转矩设备的运行能力，通常采用多驱的形式进行设计，由2台及以上的电机共同对同一设备进行驱动，可以有效的提高设备运行能力。
3.但由于驱动电机安装位置、皮带包角及设备自身参数带来的差异，多台电机在运行过程中容易出现功率不均衡的问题，此不平衡严重时可导致电机烧毁、皮带撕裂，因此实现多驱皮带机功率均衡具有十分重要的意义。
4.目前常用的功率均衡手段是使用变频器来进行电机电流的调节，利用变频器改变对应电机的运行状态，实现功率平衡。但变频控制的系统存在着较大的谐波干扰，且驱动系统与负载直连，并无有效的机械保护及隔振系统，输送机运行时容易出现故障。且使用变频器进行供电还需要购买专用的变频电机，同时要为变频器搭建独立的恒温恒湿室，改造成本高。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种模糊自适应整定永磁偶合器恒转矩负载多机均衡调控方法，实现对永磁偶合器恒转矩负载多机的均衡调控。
6.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：模糊自适应整定永磁偶合器恒转矩负载多机均衡调控方法，采用调速型永磁偶合器作为传动设备安装在电机和减速器之间，利用磁场作为媒介，通过调节永磁体和铜导体之间的间隙改变传动设备传递能力；调速型永磁偶合器使用角行程电动执行机构对传动设备的气隙进行调节，角行程电动执行机构的信号由永磁偶合器的综合控制系统中的plc给定；
7.具体包括以下步骤：
8.步骤1、确定多台永磁偶合器通过恒转矩负载连接时，单台永磁偶合器气隙变化对该永磁偶合器输出转矩的影响；
9.将永磁偶合器输出转矩采用多项式拟合表示为如下二元多项式:
[0010][0011]
式中，m为永磁偶合器的输出转矩；δ为永磁偶合器的转差率；g为永磁偶合器的气隙；a
ji
为永磁偶合器某一气隙某一转差率下的系数；i为δ多项式的最高次数；j为g多项式的最高次数；
[0012]
若k台永磁偶合器通过恒转矩负载连接，k≥2，对于k台永磁偶合器设备，整体总负载是一定的，则有
[0013][0014]
式中，k为多机工作模式下某台永磁偶合器的序号；mk为第k台永磁偶合器的输出转矩；gk为第k台永磁偶合器的气隙；mm为总负载转矩；
[0015]
所述多机工作模式是指一个负载由多个驱动系统组成，通常一个驱动系统包括一台电机、一台永磁偶合器、一台减速器，k机系统就是由k台电机、k台永磁偶合器和k台减速器组成；
[0016]
结合公式(1)，将公式(2)写成：
[0017][0018]
根据公式(1)，第p台永磁偶合器的输出转矩m
p
为
[0019][0020]
其中，g
p
为第p台永磁偶合器的气隙；
[0021]
将式(4)两侧同时对第p台永磁偶合器的气隙g
p
求导，有：
[0022][0023]
通过式(3)两侧同时对第p台永磁偶合器的气隙g
p
求导并整理得：
[0024][0025]
将式(6)代入式(5)，得多台永磁偶合器通过恒转矩负载连接时，其中第p台永磁偶合器气隙变化对其输出转矩的影响为：
[0026][0027]
步骤2、确定永磁偶合器气隙与角行程电动执行机构输出转角的关系；
[0028]
角行程电动执行机构的特性方程如下公式所示：
[0029][0030]
式中，c(t)为角行程电动执行机构的输出开度实际值；t为角行程电动执行机构的反馈开度，取值范围为0≤t≤1；υ为角行程电动执行机构的输入开度指令，取值范围为0≤υ≤1；tz为角行程电动执行机构从0％到100％开度的时间；
[0031]
角行程电动执行机构的输出转角与实际开度的关系为：
[0032][0033]
式中，θ(t)为角行程电动执行机构的输出转角；
[0034]
永磁偶合器气隙与角行程电动执行机构输出转角的关系为
[0035]
g＝g
m-g
a sinθ (10)
[0036]
式中，gm为永磁偶合器最大气隙；ga为永磁偶合器实际气隙变化范围；
[0037]
步骤3、确定多机工作模式下，对第p台永磁偶合器，角行程电动执行机构开度指令至永磁偶合器输出转矩的传递函数；
[0038]
由式(9)和(10)，并将永磁偶合器气隙大小对角行程电动执行机构实际开度求导得：
[0039][0040]
由式(7)和(11)联立得第p台调速型永磁偶合器的传递转矩随其自身角行程电动执行机构位置的变化情况，如下公式所示：
[0041][0042]
将式(11)和(12)联立得多机工作模式下，对第p台偶合器，角行程电动执行机构开度指令υ至永磁偶合器输出转矩经过拉氏变换后的传递函数go(s)为：
[0043][0044]
式中，t为考虑皮带的转矩传递动态特性时转矩变化惯性时间常数，υ为角行程电动执行机构的输入开度指令，取值范围为0≤υ≤1；s为拉氏变换中的符号；
[0045]
步骤4、采用多机驱动带式运输机中与气隙最小的永磁偶合器相连接的电机作为基准电机；如有两台或以上永磁偶合器气隙的均为最小，则选择其中电流最小的电机作为基准电机；
[0046]
步骤5、将角行程电动执行机构开度指令至永磁偶合器输出转矩的传递函数编译到调速型永磁偶合器的综合控制系统中，通过调节某台或某几台永磁偶合器的气隙大小改变永磁偶合器的输出转矩，进而对调速型永磁偶合器对应电机的输出转矩进行调节，实现多台电机之间的功率均衡；
[0047]
步骤5.1、带式输送机软启动完成后，综合控制系统实时检测并存储驱动电机的运行电流，实时进行逻辑判断，通过电机运行电流的偏差值来判断多台电机之间是否存在功率不均衡；
[0048]
步骤5.2、当多台电机运行电流偏差值大于设定阈值时，认定出现功率不均衡现象，则以当前驱动电机的运行电流为基准，确定当前输入电流最小的电机为基准电机；
[0049]
步骤5.3、将基准电机电流作为目标值参与到模糊pid控制中，并将其他电机运行电流与基准电流的差值进行离散pid控制；通过模糊化、模糊推理和去模糊化，对pid参数进行模糊化整定；经过pid控制器，将其他电机运行电流与基准电流的差值作为控制目标进行
功率平衡；
[0050]
步骤5.4、除与基准电机相连的永磁偶合器气隙不进行调整，其余永磁偶合器的综合控制系统计算各自的传递函数，角行程电动执行机构开始动作，对各自对应的永磁偶合器的气隙向目标气隙进行调节；
[0051]
步骤5.5、在角行程电动执行机构动作过程中，驱动电机的运行电流将会发生改变，此时还要对驱动电机的运行电流进行判断，确定基准电机是否发生改变；如果基准电机发生变化，返回步骤5.2重新判断基准电机；若基准电机未发生改变，已实现功率平衡，永磁偶合器气隙调节结束；如果通过角行程电动执行机构对永磁偶合器的气隙进行调节，当调节量达到设定阈值后，多台电机的输入电流仍存在不平衡，则未实现多机功率平衡，重新整定pid参数后，返回步骤5.2开始重新计算、调节。
[0052]
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的模糊自适应整定永磁偶合器恒转矩负载多机均衡调控方法，克服了现有传动技术中存在的谐波干扰、机械保护及振动等问题，通过使用调速型永磁偶合器实现多机工作模式下的功率平衡，具有改造工程小、调节稳定可靠等方面的优点，可以避免多驱设备出现单机过载烧毁的情况。
附图说明
[0053]
图1为本发明实施例提供的模糊自适应整定永磁偶合器恒转矩负载多机均衡调控方法的流程图。
[0054]
图2为本发明实施例提供的多机功率平衡控制的流程图。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0056]
本实施例中，模糊自适应整定永磁偶合器恒转矩负载多机均衡调控方法，采用调速型永磁偶合器作为传动设备安装在电机和减速器之间，利用磁场作为媒介，通过调节永磁体和铜导体之间的间隙改变传动设备传递能力，具有隔振、无极调速等方面的特点，设备在使用时仅仅需要将电机后移即可，不需做其他的投入等；调速型永磁偶合器使用角行程电动执行机构对传动设备的气隙进行调节，角行程电动执行机构的信号由永磁偶合器的综合控制系统中的plc给定，控制程序通过预编程存放在plc中；如图1所示，具体包括以下步骤：
[0057]
步骤1、确定多台永磁偶合器通过恒转矩负载连接时，单台永磁偶合器气隙变化对该永磁偶合器输出转矩的影响；
[0058]
由于永磁偶合器的输出转矩与转差率、气隙两个变量有关，因此将永磁偶合器输出转矩采用多项式拟合表示为如下二元多项式:
[0059][0060]
式中，m为永磁偶合器的输出转矩，单位n
·
m；δ为永磁偶合器的转差率；g为永磁偶合器的气隙，单位mm；a
ji
为永磁偶合器某一气隙某一转差率下的系数；i为δ多项式的最高次数；j为g多项式的最高次数；
[0061]
若k台永磁偶合器通过恒转矩负载连接，k≥2，对于k台永磁偶合器设备，整体总负载是一定的，则有
[0062][0063]
式中，k为多机工作模式下某台永磁偶合器的序号；mk为第k台永磁偶合器的输出转矩，单位n
·
m；gk为第k台永磁偶合器的气隙，单位mm；mm为总负载转矩，单位n
·
m；
[0064]
多机工作模式是指一个负载由多个驱动系统组成，通常一个驱动系统包括一台电机、一台永磁偶合器、一台减速器，k机系统就是由k台电机、k台永磁偶合器和k台减速器组成。
[0065]
结合公式(1)，将公式(2)写成：
[0066][0067]
根据式(1)，第p台永磁偶合器的输出转矩m
p
为
[0068][0069]
其中，g
p
为第p台永磁偶合器的气隙；
[0070]
将式(4)两侧同时对第p台永磁偶合器的气隙g
p
求导，有：
[0071][0072]
通过式(3)两侧同时对第p台永磁偶合器的气隙g
p
求导并整理得：
[0073][0074]
将式(6)代入式(5)，得多台永磁偶合器通过恒转矩负载连接时，其中第p台永磁偶合器气隙变化对其输出转矩的影响为：
[0075][0076]
步骤2、确定永磁偶合器气隙与角行程电动执行机构输出转角的关系；
[0077]
角行程电动执行机构的特性方程如下公式所示：
[0078][0079]
式中，c(t)为角行程电动执行机构的输出开度实际值；t为角行程电动执行机构的反馈开度，取值范围为0≤t≤1；υ为角行程电动执行机构的输入开度指令，取值范围为0≤υ≤1；tz为角行程电动执行机构从0％到100％开度的时间，单位s；
[0080]
角行程电动执行机构的输出转角与实际开度的关系为：
[0081][0082]
式中，θ(t)为角行程电动执行机构的输出转角，单位rad；
[0083]
永磁偶合器气隙与角行程电动执行机构输出转角的关系为
[0084]
g＝g
m-g
a sinθ (10)
[0085]
式中，gm为永磁偶合器最大气隙，单位为mm；ga为永磁偶合器实际气隙变化范围，单位为mm；
[0086]
步骤3、确定多机工作模式下，对第p台永磁偶合器，角行程电动执行机构开度指令至永磁偶合器输出转矩的传递函数；
[0087]
由式(9)和(10)，并将永磁偶合器气隙大小对角行程电动执行机构实际开度求导得：
[0088][0089]
由式(7)和(11)联立得第p台调速型永磁偶合器的传递转矩随其自身角行程电动执行机构位置的变化情况，如下公式所示：
[0090][0091]
将式(11)和(12)联立得多机工作模式下，对第p台偶合器，角行程电动执行机构开度指令υ至永磁偶合器输出转矩经过拉氏变换后的传递函数go(s)为：
[0092][0093]
式中，t为考虑皮带的转矩传递动态特性时转矩变化惯性时间常数，单位为s，υ为角行程电动执行机构的输入开度指令，取值范围为0≤υ≤1；s为拉氏变换中的符号，代表频域；
[0094]
进一步将式(12)表示为如下形式
[0095][0096]
其中
[0097][0098]
步骤4、采用多机驱动带式运输机中与气隙最小的永磁偶合器相连接的电机作为
基准电机；如有两台或以上永磁偶合器气隙的均为最小，则选择其中电流最小的电机作为基准电机；
[0099]
步骤5、在现场应用时，将式(14)的角行程电动执行机构开度指令至永磁偶合器输出转矩的传递函数编译到调速型永磁偶合器的综合控制系统中，通过调节某台或某几台永磁偶合器的气隙大小改变永磁偶合器的输出转矩，进而对调速型永磁偶合器对应电机的输出转矩进行调节，实现多台电机之间的功率均衡，如图2所示，具体方法为：
[0100]
步骤5.1、带式输送机软启动完成后，综合控制系统实时检测并存储驱动电机的运行电流，实时进行逻辑判断，通过电机运行电流的偏差值来判断多台电机之间是否存在功率不均衡；
[0101]
步骤5.2、当多台电机运行电流偏差值大于设定阈值时，认定出现功率不均衡现象，则以当前驱动电机的运行电流为基准，确定当前输入电流最小的电机为基准电机；
[0102]
步骤5.3、将基准电机电流作为目标值参与到模糊pid控制中，并将其他电机运行电流与基准电流的差值进行离散pid控制；通过模糊化、模糊推理和去模糊化，对pid参数进行模糊化整定；经过pid控制器，将其他电机运行电流与基准电流的差值作为控制目标进行功率平衡；
[0103]
步骤5.4、除与基准电机相连的永磁偶合器气隙不进行调整，其余永磁偶合器的综合控制系统计算各自的传递函数，角行程电动执行机构开始动作，对各自对应的永磁偶合器的气隙向目标气隙进行调节；
[0104]
步骤5.5、在角行程电动执行机构动作过程中，驱动电机的运行电流将会发生改变，此时还要对驱动电机的运行电流进行判断，确定基准电机是否发生改变；如果基准电机发生变化，返回步骤5.2重新判断基准电机；若基准电机未发生改变，已实现功率平衡，永磁偶合器气隙调节结束；如果通过角行程电动执行机构对永磁偶合器的气隙进行调节，当调节量达到设定阈值后，多台电机的输入电流仍存在不平衡，则未实现多机功率平衡，重新整定pid参数后，返回步骤5.2开始重新计算、调节。
[0105]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。