CN1134393A

CN1134393A - 矿用升降机电动机转矩的振荡阻尼控制

Info

Publication number: CN1134393A
Application number: CN96103220A
Authority: CN
Inventors: J·加力克; C·坎普莱伦
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1995-01-30
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 1996-10-30
Anticipated expiration: 2016-01-30
Also published as: ZA96613B; CN1071699C; SE503755C2; SE9500316L; SE9500316D0; CA2168171A1

Abstract

用来阻尼矿用升降机中一个或多个料车(8，9)在各种不同操作条件下可能产生的垂直振荡方法和装置，借助于估测器(12)形式的按升降机的状态模型构制的卡尔曼滤波器获得一个或多个料车的速度的估测值(Z1，Z2)。由此包含在矿用升降机的速度控制中的并叠加在根据转速控制器(1)要求的转矩上的转矩控制，可通过转矩控制发生器(13)给出一个附加转矩，当转速n_etr与料车的估测值不同时，可防止发生振荡。

Description

矿用升降机电动机转矩的振荡阻尼控制

矿井中采集的矿石借助于所谓矿用升降机动到地面。采矿经常是在深达数千米的极大深度下进行的。矿用升降机的绕绳筒和料车(或运矿车)之间所需的起重钢丝绳是很长的，因而料车经常在垂直方向产生振荡问题，这是因为钢丝绳具有弹性所致。本发明提出了避免发生这种振荡的一种方法和装置。

图1示出了现有技术控制矿用升降机速度的情况。

图2和图3示出了减少料车在启动、停车等过程中振荡的风险的加速函数。

图4示出了矿用升降机的物理模型。

图5示出了本发明矿用升降机的控制系统。

图6示出了本发明矿用升降机控制系统的一个实施例。

为说明本发明的来龙去脉，首先简单介绍一下矿用升降机及其在正常升降的过程中、起动和正常减速的过程中和紧急刹车过程中可能产生的一些问题。

矿用升降机通常有两种类型，通常叫做滚筒式矿用升降机，前者当料车上升时钢丝绳绕在滚筒上，后者每一个绕绳筒有一个料车，钢丝绳也绕绳筒上，卷绕得使一个料车下到井底时，另一个料车在矿井的顶上。

在摩擦式升降机中，一条或多条钢丝绳自由悬挂在绕绳筒的分立槽上。装矿石的料车挂在钢丝绳的一端，另一个料车或平衡锤挂在钢丝绳的另一端。这就是说，防止钢丝绳在绕绳筒上打滑的唯一因素是绳筒两侧悬挂着的钢丝绳质量保持平衡，在料车底下与平衡锤底之间设置了平衡绳。

为使矿用升降机在静止时能够固定不动，即所谓停车刹定，采用了各种控制方式的机械制动系统：电气控制的，液压控制的和气动控制的。这些制动系统不是作用到绕绳筒上就是作用到钢丝绳本身。这些机械制动器还供矿用升降面紧急刹车用。在通常使用的机械制动系统中，绕绳筒的侧面构件各个都配备有环形制动盘，制动是在气动块在制动盘两侧的情况下借助于液压制动盘进行的。在另一种用的制动系统中，制动则借助于鼓式制动器进行。

ABB公司1993年6月的ABB小册子3ASMOIC200中特别介绍了双绕绳筒的ABB矿用升降机。从该小册子中知道，升降机的驱动系统可以由交流驱动系统组成，也可以由直流驱动系统组成。这些驱动系统都是为最大限度地减小钢丝绳中的动应变而设计的，方法是令电动机的转速和转矩平稳地变化。此外，从上述小册子还知道，每一条钢丝绳都可采用绳张力计。当然，摩擦式升降机中也可以测定钢丝绳的张力。这样做除可以检测某一条绳有否松弛外还可以不断地监控绳的张力。此外，在起动过程中也测定绳的张力，其目的在于影响电动机的转矩，从而抵消料车和平衡锤在绳张力方面的不平衡。这就是说，制动器在料车装满矿石之后松闸时驱动电动机的转矩可以控制得使负荷不下降仅而产生平稳的加速度，从而减小钢丝绳中振荡的风险。

料车垂直振荡的问题在滚筒升降机和摩擦式升降机中都可能发生。振荡的风险随着钢丝绳的长度而增加，即随着矿井深度的增加而增加。这种振荡主要是在加载/卸载过程中、在驱动循环的起动/停车过程中和在紧急刹车的过程中发生的。

无论采用哪一种电力驱动系统驱动绕绳筒，操作过程总是包括在控制电动机的内电流或转矩的情况下控制外转速的过程。图1示出了现有技术进行这类控制电动机的内电流或转矩的情况下控制外转速速的过程。图1示出了现有技术进行这类控制的一般方案，该方案采用了转速控制器1、转矩控制器2和驱动系统3，转速控制器1将所要求的绕绳筒转速n_ref与绕绳筒的实际转速n_ltr加以比较，并传送对应于转矩控制基准值的信号M_m。这类控制的实例在伦敦皇家矿业学校1993年6月30日出版的93年矿业起重运输杂志，第二次国际会议，第2，3，1-2，3，6诸页上发表和题为“紧急停车用的机械制动器的控制器”的文章中特别加以介绍。为防止钢丝绳中与负荷的起动、停车和紧急刹车有关的振荡，在现有技术中也采用了“S”形基准信号来控制启动和停止循环过程中和转速。从图2中可以知道停车时速度控制的标准过程。图3示出了停车循环时转矩控制相应的减速标准过程。减速过程从线性增加的加速过程开始，然后转入恒定的减速过程，在减速过程终了时减速得越来越快趋近于0。

尽管采取了上述措施使起动/停车等过程平稳，但要防止钢丝绳中产生振荡还是有困难的。因此，历来都要求这类对运行周期期间有有害影响的启动和减速过程平稳进行。此外，特别是矿井深因而钢丝绳长的情况下，恒速动输载荷的过程中产生的各种干扰也会引起振荡。在双绕绳筒的滚筒式升降机中，其中一个绕绳筒上料车的振荡可能引起另一个绕绳筒上的料车振荡。因此，迫切需要有一种无论在运行周期的任何阶段，只要有产生振荡的倾向就会采取避免振荡倾向发展下去的措施的方法。

前面说过，之所以产生这些振荡是因为钢丝绳起弹簧的作用所致。悬垂着的弹簧的特性方程属于经典力学的范围。但由于钢丝绳很长，因而仔细研究这些振荡过程时，还应考虑钢丝绳的分布质量。作为本发明的技术基础，这里简单介绍总模型的微分方程体系，其中，令钢丝绳近似以于为零质量的弹簧所隔开的点质量，同时将钢丝绳的重量包括入料车和平衡锤中。这种模型如图4中所示，这是与摩擦式升降机有关的模型。微分方程组是以下列参数为基础的。FK1，FK2-作用到料车和平衡锤的弹簧力；11，12-钢丝绳的实际长度；V1，V2-料车和平衡锤的速度；u-所加的转矩，系统的输入信号；m1，m2-包括料车侧载荷和钢丝绳的质量在内的料车质量，和包括

平衡锤侧丝绳的质量在内的平衡锤质量；f1，f2-钢丝绳中的粘性阻尼；k1，k2-钢丝绳的半径；c-轴承摩擦力；r-绕绳筒的半径；J-电动机连同轴和绕绳筒的惯性矩；ω-绕绳筒的角速度；于是，微分方程如下：

{\overset{\cdot}{v}}_{1} = \frac{1}{m_{1}} (f_{1} (rω - v_{1}) + F k_{1} - m_{1} g)

{\overset{\cdot}{v}}_{2} = \frac{1}{m_{2}} (f_{2} (rω - v_{2}) + F k_{2} - m_{2} g)

Fk₁＝k₁(rω-ν₁)Fk₂＝k₂(rω-ν₂)

\overset{\cdot}{ω} = \frac{1}{j} (u - cω - f_{1} r (rω - v_{1}) - f_{2} r (rω - v_{2}) - rF k_{1} - r {Fk}_{2})

将上述模型变换成状态模型是现有技术的一部分，其中，

[\begin{matrix} x_{1} = v_{1} \\ x_{2} = v \\ x_{3} = {Fk}_{1} \\ x_{4} = {Fk}_{2} \\ x_{5} = ω \end{matrix}]

可作为模型的各状态。这样，根据

可以将系统以状态的形式表示，这时系统矩阵可根据上述微分方程表示，例如其中

A = [\begin{matrix} - \frac{f_{1}}{m_{1}} & 0 & \frac{1}{m_{1}} & 0 & \frac{f_{1} \cdot r}{m_{1}} \\ 0 & - \frac{f_{2}}{m_{2}} & 0 & \frac{1}{m_{2}} & \frac{f_{2} \cdot r}{m_{2}} \\ - k_{1} & 0 & 0 & 0 & k_{1} \cdot r \\ \frac{f_{1} \cdot r}{J} & \frac{f_{2} \cdot r}{J} & - \frac{r}{J} & - \frac{r}{J} & \frac{c + f_{1} - r^{2} + f_{2} \cdot r^{2}}{J} \end{matrix}]

为了分别掌握和采取能避免这类振荡发生的措施，最好能连续获取料车的速度。然而，这个速度不能直接测定或表示出来。另一方面。若料车的速度已知，通过确定绕绳筒与料车的速度差应该可以采取稳定化措施。然而，上述矿用升降机的微分方程未能直接指示出解决上述问题的方法。

上面说过，钢丝绳的张力可借助于各条绳上的张力测定器测出。按照本发明，应用绳的张力，可以利用例如根据下列方程(1)、(2)或(3)的矿用升降机的数学状态模型估计料车的速度。

\overset{\cdot}{x} (t) = A \cdot X (t) + B \cdot u (t) + N \cdot el - - - - - - (1)

y(t)＝C·X(t)+e2 (2)z(t)＝H·X(t) (3)这里，x(t)表示矿用升降机的状态矢量，

为状态矢量的导数，y(t)为从钢丝绳张力可得出的测量信号，z(t)为所要求的料车速度。在此方程组中，A、B、N、C和H是可从矿用升降机的有关数据(例如上述微分方程组)确定的矩阵。此外，e1和e2表示强度分别为R1和R2、交互频谱等于R12的干扰。根据这种状态模型，可以确定下列卡尔曼滤波器

\overset{\hat{\cdot}}{x} (t) = A \cdot \hat{x} (t) + B \cdot u (t) + ky (t) - C \cdot \hat{x} (t) - - - - - (4)

z(t)＝H·x(t) (5)其中为(t)的估测值，

为

的估计值，u(t)为所施加的转矩，为料车的速度估计值，K为放大系数，可用下式表示：

K = (P \cdot C^{T} + N . R 12) R_{2}^{- 1}

通常，按照周知的线性代数，带角标“T”的矩阵为相应矩阵的转子矩阵。P为卡尔曼滤波器周知矩阵方程的半正定解，即

A·P+P·A^T，+N·P1·N^T-(P.C^T+N·R12)^T＝O

上述状态矢量x(t)可适用于这种用途的矿用升降机，因而可用以表示不同类型的矿用升降机。这种状态矢量可以例如表示双绕绳筒式的矿用升降机，从而可以分别求出两料车的速度估测值z(t)₁和z(t)₂。

图5示出了本发明有两个绕绳筒的滚筒式矿用升降机速度控制的原理图。按图1所示的一般方式，控制电路有一个转速控制器1、转矩控制器2和驱动系统3。转速控制器1将所要求的绕绳筒转速n_ref与绕绳筒的实际转数n_rtr.加以比较，电动机的实际转矩M反馈到转矩控制器2上。转速控制可以按不同的方式设计并使其根据对转速控制的静态和动态要求具有不同有特性。这里，和图1中一样，假设转速控制器的输出信号等于Mm。此外还假设，无论n_ref或转速控制器都可以包括上述用以减小振荡风险且还是现有技术的一部分的S形极限和加速函数。

从图5中还可以看到两个绕绳筒4和5连同其各自的钢绳6和7以及料车8和9。绳6上的张力S1在测定器10中测定，绳7上相应的张力S2则用测定器11测定。

本发明转速控制的新颖性在于，利用绕绳筒绳张力的测定信号和绕绳筒实际转速n_ert的测定信号作为估测器12的输入信号，估值器12呈根据矿用升降机某状态模型的卡尔曼滤波器的形式，例如根据按方程(1)、(2)和(3)制成的上述模型的卡尔曼滤波器的形式，基于上述推理。估测器12可连续地传送对应于两料车的速度值(即分别为Z1和Z2)的估计值。

此外，从图5中可以看出，按照本发明，转矩基准发生器13用以给驱动系统的转矩控制器传送所要求的转矩基准值m_ref。转矩发生器的输入信号包括上述转速控制器的输出信号Mm、料车的速度估计值Z1和Z2以及绕绳筒的实际转数n_etr。这时转矩基准值按下式形成：

M_{ref} = M_{m} + P_{1} (n_{ltr} - {\hat{z}}_{1}) + P_{2} (n_{ltr} - {\hat{z}}_{2})

所述矿用升降机的转矩基准发生器13包括加权系数P1和P2，这是根据实际操作情况确实的，即终端位置、中间位置、加速度/减速度等。

给驱动系统4加上述转矩基准值时，驱动系统中的转矩控制器会将转矩经转速控制器叠加到所要求的转矩上，从而起这样的作用：绕绳筒的转速与小车的估计转速一有差别，经过一段积累过程之后就将振荡的倾向加以抵消和减小。这样，无论振荡倾向是因装载/卸载引起的或在运行周期的起动/停车引起的，转矩的叠加都会起作用。

这种系统的好处，除减少钢绳的振荡外，大大减少了摩擦式升降机中钢绳打滑的风险。动态载荷减小的另一个极其重要的好处是，可以降低钢绳的安全系数，从而提高了矿用升降机的有效载荷。这在升降深度极大时特别重要。

图5示出了转速控制器1，转矩控制器2，估计器12和转矩基准发生器13的方框图。但不言而喻，计算装置(最好是计算机)的程序采用了状态模型和卡尔曼滤波器连同现有技术。这种控制设备中使用的控制器也同样采用了上述模型、滤波器连同现有技术。采用的硬件包括驱动系统的换能器、电动机、绕绳筒、料车等等。

因此，可根据图6说明本发明的一个实施例，计算装置14采用了取“S”和加速函数形式的基准函数的程序、n控制器1、M_ref发生器13、转矩控制器2和估计器12的程序。加到计算机实际转数n_ltr、转矩反馈M，信号S1和S2则获自钢绳张力测定装置10和11。这时计算机的输出信号成了驱动系统3的基准转矩M_ref。此外，从图6中还可以看到绕绳筒4和5、钢绳6和7以及料车8和9。

本发明的说明和图5涉及分别有两个绕绳筒和两个料车的摩擦式升降机。当然，本发明的控制原理也适用于单绕绳筒单料车的摩擦式升降机，同样也适用于滚筒式升降机。

从纯实用的观点看，估计器适宜用来在钢绳张力信号因受干扰或其它原因而消失或在估计器显然传送了错误的信号时发出估计与一个或多个料车的速度相应的信号。

Claims

1.一种用于阻尼在矿用升降机中的一个或多个料车(8，9)在不同操作情况下可能产生的垂直振荡的方法，其中矿用升降机包括矿用升降机一个或多个绕绳筒(4，5)的转速控制，且其中所述转速控制包括输出信号为Mm的转速控制器，其中所述转速控制包括由转矩控制器(2)和驱动系统(3)组成的内转矩控制，且所述一个或多个料车从一个或多个绕绳筒和一个或多个料车之间的钢绳(6、7)悬垂着，其中各钢绳配备有钢绳张力测定器(10，11)供测定各条钢绳上的钢绳张力S1和S2，所述方法的特征在于，转速控制的内转矩控制包括：

采用基于矿用升降机的状态模型的卡尔漫滤波器的形式的估测器；且

该估测器上加上来自绳张力测定器的信号S1和S2对应于绕绳筒转速n_etr的信号，估测器的输出信号由对应于一个或多个料车估计值的信号组成；

一个转矩基准值发生器(13)，加有转速控制器的输出信号Mm、一个或多个料车的估计转速值

以及对应于绕绳筒转速n_err的信号，产生驱动系统以下式表示的转矩基准值m_ref：

M_{ref} = M_{m} + P_{1} (n_{ltr} - {\hat{z}}_{1}) + P_{3} (n_{ltr} - {\hat{z}}_{2})

其中P₁和P₂是给定的加权系数。

2.如权利要求1所述的用以对矿用升降机的一个或多个料车(8，9)在不同操作情况下可能产生的垂直振荡起阻陛作用的方法，其特征在于，卡尔曼滤波器是根据下列参数确定的：

\overset{\hat{\cdot}}{x} (t) = A \cdot \hat{x} (t) + B \cdot u (t) + K (y (t) - C \cdot \hat{x} (t) - - - - - (4)

\hat{z} (t) = H \cdot \hat{x} (t)

为x(t)的估测值；为的估测值；

为一个或多个料车的转速估测值；

k = (P \cdot C^{T} + N \cdot R 12) R_{2}^{- 1}

P为卡尔曼滤波器矩阵方程的正的半定解A·P+P·A^T+N·R1·N^T-(P·C^T+N·R12)

\cdot R_{2}^{- 1} \cdot {(P \cdot C^{T} + N . R 12)}^{T} = O .

且是根据按下列参数得出的状态模型求出的：

\overset{\cdot}{x} (t) = A \cdot x (t) + B \cdot u (t) + N \cdot el - - - - - - (1)

y(t)＝C·x(t)+e2 (2)z(t)＝H·x(t) (3)x(t)为矿用升降机的状态矢量，

为状态矢量的导数，u(t)为所施加的转矩；y(t)是从一个或多个绳张力得出的测定信号；z(t)为一个或多个料车的速度；A，B，N，C和H是根据实际矿用升降机的数据确定出的矩阵；e1和e2则为强度分别为R1和R2、交叉频谱等于R12的干扰。

3.一种用于执行权利要求1的用来阻尼矿用升降机的一个或多个料车(8，9)在各种不同的操作情况下可能产生的垂直的方法振荡的装置，其中矿用升降机包括矿用升降机一个或多个绕绳筒(4，5)的转速控制，且其中用转速基准值n_ref形式的控制信号进行的转速控制有一个输出信号为Mm的转速控制器(1)、内转矩控制(2)和驱动系统(3)，且其中一个或多个料车(9，10)从一个或多个绕绳筒与一个或多个料车之间的钢绳(6，7)悬垂着，且其中各条钢绳配备有绳张力测定器(10，11)，供测定各钢绳的张力S1和S2，其特征在于，计算装置中采用了下列程序：

转速控制器(1)的程序，包括输出信号为Mm的矿用升降机的速度基准函数；

估计各料车速度Z1和Z2的估计值(12)的程序；

用以产生下列信号的转矩基准值发生器的程序：

M_{ref} = M_{m} + P_{1} (n_{ltr} - {\hat{z}}_{1}) + P_{2} (n_{ltr} - {\hat{z}}_{2})

其中P1和P2是给定的加权系数，

用以驱动系统传送输入信号的转矩控制器(2)的程序；

且计算构件的输入信号包括转速基准值n_ref、驱动系统实际转矩M的的反馈信号、一个或多个绕绳筒的转速n_ltr和钢绳张力则定器对应于钢绳张力的张力测定值的信号。

4.根据权利要求3所述用来阻尼在用升降机中的一个或多个料车中可能产生的垂振荡起的装置，其特征在于，卡尔曼滤波器是根据下列参数设计的

\overset{\hat{\cdot}}{x} (t) = A \cdot \hat{x} (t) + B \cdot u (t) + K (y (t) - C \cdot \hat{x} (t) - - - - - (4)

\hat{z} (t) = H \cdot \hat{x} (t) - - - - - - (5)

为x(t)的估测值；

为

(t)的估测值；为一个或多个料车的速度估测值；

k = (P \cdot C^{T} + N \cdot R 12) R_{2}^{- 1}

P为卡尔曼滤波器矩阵方程的半正定解

A·P+P·A^T+N·R1·N^T-(P·C^T+N·R12)

\cdot R_{2}^{- 1} \cdot {(P \cdot C^{T} + N . R 12)}^{T} = O .

卡尔曼滤波则是根据按下列参数构成的矿井升降机的状态模型构制；

\overset{\cdot}{x} (t) A \cdot x (t) + B \cdot u (t) + N \cdot el - - - - - - (1)

y(t)＝C·x(t)+e2 (2)z(t)＝H·x(t) (3)x(t)为矿用升降机的状态矢量，为状态矢量的导数，u(t)为所施加的转矩；y(t)是从一个或多个绳索张力得出的测定信号；A，B，N，C和H是根据实际矿用升降机的数据确定出的矩阵；e1和e2则为强度分别为R1和R2、交叉频谱等于R12的干扰。