CN114294190B - 一种固体散状颗粒物料流能量稳定回收控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业余能回收再利用领域技术领域，具体涉及一种固体散状颗粒物料流能量稳定回收控制系统，该控制系统由固体散状颗粒物料承接子系统将固体散状颗粒物料所蕴藏的重力势能转化为旋转动能，通过运行参数监测与控制子系统对固体散状颗粒物料承接子系统、增速轮系子系统、发电子系统运行状态参数的采集与监测控制调速轮系子系统输出合适的转速与固体散状颗粒物料承接子系统输出的旋转动能进行合成，消除了由于固体散状颗粒物料密度不均、上游运送设备速度平稳性差、单位时间内的来流质量波动大等原因诱发的转速波动，提高了确保发电子系统的发电稳定性。

Description

一种固体散状颗粒物料流能量稳定回收控制系统

技术领域：

本发明涉及涉及工业余能回收再利用领域技术领域，具体涉及一种固体散状颗粒物料流能量稳定回收控制系统。

背景技术：

在固体散状颗粒物料的储运过程中，例如，煤炭洗选企业中，未经洗选的原煤经刮板输送机或带式输送机被运输至原煤方仓顶部后，自由跌落至仓底，这类物料被输送设备运送至较高位置而具有较大的重力势能，之后完全按照自由落体运动规律跌落至较低位置的仓底。由此，将造成这类物料所蕴含的重力势能的无谓消耗，同时，对于粒度有较高要求的应用场景，例如，对于硬度较低的块精煤而言，高度较大的筒仓将造成块精煤在自由跌落至仓底后出现碰撞、摔碎现象，进而影响块精煤品质。

目前现有技术中虽然也存在对其势能进行回收利用的装置，但由于由于上游固体散状颗粒物料分布密度不均匀、单位时间内的来流质量波动大，从而造成系统极度不稳定，密度小时其能量收集效率过低，密度大时在大的冲击力作用下速率过大而引起飞车，造成系统故障。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种固体散状颗粒物料流能量稳定回收控制系统采用如下技术方案：

本发明提供一种种固体散状颗粒物料流能量稳定回收控制系统，其特征在于：包括固体散状颗粒物料承接子系统、调速轮系子系统、发电子系统以及运行参数监测与控制子系统，运行参数监测与控制子系统分别与固体散状颗粒物料承接子系统、调速轮系子系统、发电子系统连接，固体散状颗粒物料承接子系统用于将固体散状颗粒物料所蕴藏的重力势能转化为旋转动能；调速轮系子系统包括接收旋转动能的内齿轮和内齿轮一侧设置的分别监测其扭矩和转速的第一扭矩传感器与第一转速传感器，还包括控制电机以及控制电机一侧设置的监测控制电机转速的第二转速传感器，控制电机与主动轮传动连接，主动轮与双联齿轮左侧齿轮相啮合，双联齿轮右侧齿轮与内齿轮啮合，双联齿轮中心轴连接转动杆，并通过一侧连接的第二联轴器将动力输出至发电子系统的发电机组；运行参数监测与控制子系统由整机运行参数监测及状态估计子系统、模型预测控制器子系统以及执行层控制子系统组成，整机运行参数监测及状态估计子系统由整机运行参数监测模块和整机运行状态估计模块组成，模型预测控制器子系统由稳态控制目标计算模块、模型预测模块、滚动优化模以及反馈校正模块四个模块组成，执行层控制子系统由PLC控制器以及PID控制模块组成。

物料承接子系统包括位于上方的第一链轮、第二链轮、第三链轮，位于下方的第四链轮、第五链轮、第六链轮以及与上述各链轮均啮合连接的链条，链条上设置有多个承接料斗，链轮转轴处安装有第一联轴器；

调速轮系子系统还包括与所述第一联轴器连接的第三联轴器，所述第三联轴器另一侧与内齿轮连接；

发电子系统包括与第二联轴器连接的第四联轴器，第四联轴器与发电机传动连接，第四联轴器设置有第三转速传感器与第二扭矩传感器；

控制电机、第二转速传感器、第一转速传感器、第一扭矩传感器、第三转速传感器、第二扭矩传感器以及发电机组均与运行参数监测与控制子系统电性连接。

本发明的有益效果：

1.对输出速度的实时调控有效避免了能量收集效率过低以及大的冲击力作用下速率下引发的飞车等系统安全故障，提高了能量回收整个系统的运行稳定性；

2.本申请在运行参数监测与控制子系统的运行状态动态监测与实时控制作用下利用调速轮系子系统对物料承接子系统输出的波动速度进行合成，可消除由于固体散状颗粒物料密度不均、上游运送设备速度平稳性差、单位时间内的来流质量波动大等原因诱发的转速波动，最终使由固体散状颗粒物料重力势能转化得到的电能功率较为平稳与稳定，适合下游用电负载的使用。

附图说明：

图1为一种固体散状颗粒物料流能量稳定回收控制系统的整体控制流程图；

图2为一种固体散状颗粒物料流能量稳定回收控制系统的物料承接子系统的结构示意图；

图3为一种固体散状颗粒物料流能量稳定回收控制系统的调速控制示意图；

图4为一种固体散状颗粒物料流能量稳定回收控制系统的整机运行参数监测及控制子系统的控制模块示意图；

具体实施方式：

下面将结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-4，本发明的固体散状颗粒物料流能量稳定回收控制系统包括固体散状颗粒物料承接子系统11、调速轮系子系统12、发电子系统13以及运行参数监测与控制子系统14，由固体散状颗粒物料承接子系统11将固体散状颗粒物料所蕴藏的重力势能转化为旋转动能，通过运行参数监测与控制子系统14对固体散状颗粒物料承接子系统11、调速轮系子系统12、发电子系统13运行状态参数的采集与监测控制调速轮系子系统12输出合适的转速与固体散状颗粒物料承接子系统11输出的旋转动能进行合成，进而确保发电子系统13的发电稳定性。

物料承接子系统11包括位于上方的第一链轮301、第二链轮302、第三链轮303，位于下方的第四链轮306、第五链轮308、第六链轮309以及与上述各链轮均啮合连接的链条305，链条305上设置有多个承接料斗310，第五链轮308转轴处安装有第一联轴器307，上方固体散状颗粒物料从第一链轮301位置落入料斗输送机、从第六链轮309位置脱离料斗输送机，而第一链轮301与第六链轮309的转轴在竖直方向的距离为H，当固体散状颗粒物料落入料斗310后，固体散状颗粒物料受到的重力将推动左侧位置的链条305向下运动，并最终带动第五链轮308旋转，由此，将固体散状颗粒物料在落差H间所蕴藏的能量转化成为第五链轮308转轴所具有的旋转动能并由第一联轴器307进行输出。

调速轮系子系统包括控制电机401、第二转速传感器402、双联齿轮左侧齿轮403、主动轮404、转动杆405、第二联轴器406、双联齿轮中心轴407、双联齿轮右侧齿轮408、内齿轮409、第一转速传感器410、第一扭矩传感器411、第三联轴器412，第三联轴器412与物料承接子系统11中的第一联轴器307与连接，第三联轴器412内齿轮406连接，内齿轮406的一侧设有监测其扭矩和转速的第一扭矩传感器410和第一转速传感器411，控制电机401与主动轮404传动连接，主动轮404与双联齿轮左侧齿轮403相啮合，双联齿轮右侧齿轮408与内齿轮409啮合，双联齿轮中心轴407与转动杆405连接，转动杆405的一侧设有第二联轴器406，控制电机401转轴上设有监测控制电机401转速的第二转速传感器402。

发电子系统13包括与第二联轴器406连接的第四联轴器501，第四联轴器501与发电机组504传动连接，第四联轴器501设置有第三转速传感器502与第二扭矩传感器503。

控制电机401、第二转速传感器402、第一转速传感器410、第一扭矩传感器411、第三转速传感器502、第二扭矩传感器503以及发电机组504均与运行参数监测与控制子系统14电性连接。

运行参数监测与控制子系统14由整机运行参数监测及状态估计子系统601、模型预测控制器子系统602以及执行层控制子系统603组成，以调速轮系子系统12中控制电机401的转速作为整机被控对象的控制输入量u、以发电子系统13中发电机组504的发电功率作为整机被控对象的输出量y，针对上游来流的固体散状颗粒物料的时变随机分布特性，以基于预测模型与反馈校正的滚动优化算法来实现整机被控对象的预测发电功率y^Pred尽量趋近于目标发电功率y^Targ，由此实现整机运行状态的主动可控以及能量回收与再利用效率的最大化。

整机运行参数监测及状态估计子系统601负责依据由各传感器采集的实施运行数据信息以及整机被控对象动力学模型，来估计在每一采样时刻k的整机运行状态信息，具体包括计算得出调速轮系子系统12中双联齿轮403的自转角速度ω₄₀₃与自转角加速度α₄₀₃的估计值；MPC控制器子系统602在固体散状颗粒物料上游来流质量信息、整机运行状态历史数据信息以及整机系统动力学模型基础上，首先计算得出每一采样时刻k的整机目标发电功率y^Targ k，然后在上述整机运行状态信息基础上，计算整机被控对象在每一采样时刻k的预测发电功率y^Pred k，并以^yTarg k与^yPred k间的偏差|y^{Targ k}-y^{Pred k}|最小化为主要优化目标来得出整机被控对象的最优控制输入量u^*；而执行层控制子系统603则负责依据u^*向PLC控制器以及PID控制模块发出控制指令来驱动控制电机401按需动作。

整机运行参数监测及状态估计子系统601由整机运行参数监测模块60101以及整机运行状态估计模块60102组成。其中，整机运行参数监测模块60101接受来自第一转速传感器410、第一扭矩传感器411、第二转速传感器402、第三转速传感器502以及第二扭矩传感器503的实时运行数据信息ω₄₀₈、T₄₀₉、ω₄₀₂、以ω₅₀₂及T₅₀₃，而整机运行状态估计模块60102则在上述各个传感器采集得到的实时运行数据以及整机系统动力学模型基础上，对调速轮系子系统12中双联齿轮的自转角速度ω₄₀₃与自转角加速度α₄₀₃进行估算。

模型预测控制器子系统602由4个模块组成，分别是稳态控制目标计算模块60201、模型预测模块60202、滚动优化模块60203以及反馈校正模块60204，模型预测控制器子系统602具备4方面功能，分别是稳态控制目标计算、基于被控对象单位阶跃响应模型的运行状态以及输出功率预测、在每一采样时刻均滚动迭代的控制目标优化以及基于功率实际测量值的反馈校正。

执行层控制子系统603由PLC控制器以及PID控制模块组成，负责根据模型预测控制器子系统602发出的控制指令来驱动控制电机401工作。

控制过程：当固体散状颗粒物料落入料斗310后，固体散状颗粒物料受到的重力将推动左侧位置的链条305向下运动，并最终带动第五链轮308旋转，将固体散状颗粒物料在落差H间所蕴藏的能量转化成为第五链轮308转轴所具有的旋转动能，该旋转动能输出至内齿轮409，第一扭矩传感器411和第一转速传感器410将检测内齿轮406的实时转速与扭矩数据并传输至运行参数监测与控制子系统14，运行参数监测与控制子系统14对其采集到的数据进行运算分析，并对控制电机401发出实时调节动作指令，调速轮系子系统中的控制电机401根据运行参数监测与控制子系统14发出的实时动作指令来驱动主动轮404旋转，将主动轮404的旋转运动与内齿轮409的旋转运动进行合成，并最终通过转动杆405与其上安装的第二联轴器406输出，第二联轴器406通过与发电子系统13中的第四联轴器501的连接将稳定的转动输出至发电机组504，在此过程中调速轮系子系统中的第二转速传感器402采集控制电机401的转速数据，并反馈至运行参数监测与控制子系统14，由此实现了对于控制电机401的闭环控制，所述发电子系统中的第三转速传感器502以及第二扭矩传感器503负责采集发电机组504的输入转速数据以及扭矩数据，并反馈至运行参数监测与控制子系统，由此实现了对于发电机组504的闭环控制。

其中，运行参数监测与控制子系统运行时需要借助已知先验知识获取整机被控对象的如下6类基础数据，具体包括：第1类，整机被控系统的发电功率初始预测序列且/>而/>的各个元素可事先借助整机被控对象的数学模型采用仿真模拟方法计算得出；

第2类，整机被控对象的单位阶跃响应模型向量a，且借助该向量a可建立在k时刻施加给整机被控对象的控制输入量增量Δu k，与该被控对象在k刻之后的N个采样时刻中的输出预测量y^Pred k间的量化关系，即y^Pred k+i＝aΔu k，其中，i＝1，2，3……，N；

第3类，整机被控对象的动态矩阵A，A是一个N×N阶矩阵，且A由整机被控对象单位阶跃响应模型向量a的各元素按照如下规则构成，即

第4类，优化系数向量d，且d是模型预测控制器子系统602在求解优化问题过程中的系数向量。具体而言，本发明专利所涉及的优化问题可表示为

式中，y^Targ k为整机发电功率目标序列、y^Pred k为预测发电功率序列、Δu k为控制输入量增量序列、Q与R分别为权重矩阵；而式所对应的数学问题是一类典型的二次规划问题，借助已知先验知识可求解出该式的最优控制输入量增量Δu^*k为

Δu^*k＝d^T·[y^Targ k-y^Pred k]

因此，优化系数向量d的各元素可事先借助整机被控对象的数学模型采用仿真模拟的方法计算得出。

第5类，校正向量H，且而H的各个元素可事先借助整机被控对象的数学模型采用仿真模拟方法计算得出；

第6类，移位矩阵S，且

在具体运行过程中，在每一采样时刻k时，运行参数监测与控制子系统14及其各功能模块均依序执行如下实施步骤如下，

第1步，整机运行参数监测模块60101采集来自第一转速传感器、第一扭矩传感器、第二转速传感器402、第三转速传感器502及第二扭矩传感器503的实时运行数据信息；

第2步，整机运行状态估计模块60102在上述实时运行数据信息以及整机被控对象系统动力学模型基础上，计算得出k+1时刻、k+2时刻、……、k+N时刻等合计N个后续采样时刻的双联齿轮403的自转角速度与自转角加速度的估计值ω₄₀₃ k+i|k与α₄₀₃k+i|k，其中，i＝1，2，3，……，N；

第3步，稳态控制目标计算模块60201借助固体散状颗粒物料的上游来流质量信息、整机运行状态的历史数据信息以及整机系统动力学模型，计算得出k+1时刻、k+2时刻、……、k+N时刻等合计N个后续采样时刻的整机发电功率目标序列y^Targ k，其中，同时，该模块计算整机发电功率目标序列的过程是滚动进行的，即每一时刻均重新计算、并持续更新整机发电功率目标序列；

第4步，模型预测模块60202计算得出k+1时刻、k+2时刻、……、k+N时刻等合计N个后续采样时刻的预测发电功率序列y^Pred k为其中， 是整机被控系统未作用后续各采样时刻的控制输入量增量序列Δu k时的发电功率初始预测序列，A为整机被控对象的动态矩阵、且事先已存储在模型预测模块60202中备用，Δu k为从当前k时刻开始、依序连续给整机被控系统作用的控制输入量增量，且

第5步，滚动优化模块60203计算得出最优控制输入量增量Δu^*k为Δu^*k＝d^T·[y^Targ k-y^Pred k]；同时，该模块计算最优控制输入量增量的过程是滚动进行的，即每一时刻均重新计算、并持续更新最优控制输入量增量的计算结果；

第6步，模型预测模块60202计算得出整机被控系统在最优控制输入量增量Δu^*k作用下的预测发电功率序列为/>其中，

第7步，反馈校正模块60204计算得出整机被控系统在k+1时刻的输出误差e k+1为e k+1＝y^Meask+1-y^Pred k+1|k，其中，y^Meas k+1为借助传感器采集得到的整机被控系统在k+1时刻的发电功率实际测量值，而y^Predk+1|k则已由模型预测模块60202在第4步计算得出；

第8步，反馈校正模块60204以第7步计算得出的输出误差e k+1对第6步计算得出的进行修正、并计算得出修正后的预测发电功率序列/>为

第9步，反馈校正模块60204将第8步计算得到的进行移位运算操作、并得到k+1时刻的发电功率初始预测序列/>为/>

第10步，执行层控制子系统603根据第5步计算得到的最优控制输入量增量Δu^*k指令来驱动控制电机401工作。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种固体散状颗粒物料流能量稳定回收控制系统，其特征在于：包括固体散状物料承接子系统、调速轮系子系统、发电子系统以及运行参数监测与控制子系统，运行参数监测与控制子系统分别与固体散状物料承接子系统、调速轮系子系统、发电子系统连接，固体散状物料承接子系统用于将固体散状颗粒物料所蕴藏的重力势能转化为旋转动能；调速轮系子系统包括接收旋转动能的内齿轮和内齿轮一侧设置的分别监测其扭矩和转速的第一扭矩传感器与第一转速传感器，还包括控制电机以及控制电机一侧设置的监测控制电机转速的第二转速传感器，控制电机与主动轮传动连接，主动轮与双联齿轮左侧齿轮相啮合，双联齿轮右侧齿轮与内齿轮啮合，双联齿轮中心轴连接转动杆，并通过一侧连接的第二联轴器将动力输出至发电子系统的发电机组；运行参数监测与控制子系统由整机运行参数监测及状态估计子系统、模型预测控制器子系统以及执行层控制子系统组成，整机运行参数监测及状态估计子系统由整机运行参数监测模块和整机运行状态估计模块组成，模型预测控制器子系统由稳态控制目标计算模块、模型预测模块、滚动优化模以及反馈校正模块四个模块组成，执行层控制子系统由PLC控制器以及PID控制模块组成；所述固体散状物料承接子系统包括位于上方的第一链轮、第二链轮、第三链轮，位于下方的第四链轮、第五链轮、第六链轮以及与上述各链轮均啮合连接的链条，链条上设置有多个承接料斗，第五链轮转轴处安装有第一联轴器；上方固体散状颗粒物料从第一链轮位置落入料斗输送机、从第六链轮位置脱离料斗输送机，当固体散状颗粒物料落入料斗后，固体散状颗粒物料受到的重力将推动左侧位置的链条向下运动，并最终带动第五链轮旋转，将固体散状颗粒物料在落差间所蕴藏的能量转化成为第五链轮转轴所具有的旋转动能并由第一联轴器进行输出。

2.根据权利要求1所述的一种固体散状颗粒物料流能量稳定回收控制系统，其特征在于：所述调速轮系子系统还包括与所述第一联轴器连接的第三联轴器，所述第三联轴器另一侧与内齿轮连接。

3.根据权利要求2所述的一种固体散状颗粒物料流能量稳定回收控制系统，其特征在于：所述发电子系统包括与第二联轴器连接的第四联轴器，第四联轴器与发电机组传动连接，第四联轴器设置有第三转速传感器与第二扭矩传感器。

4.根据权利要求3所述的一种固体散状颗粒物料流能量稳定回收控制系统，其特征在于：控制电机、第二转速传感器、第一转速传感器、第一扭矩传感器、第三转速传感器、第二扭矩传感器以及发电机组均与运行参数监测与控制子系统电性连接。