无绳提升系统的关键技术及应用分析

无绳提升系统的关键技术及应用分析

陈军

贵州富通联创设备有限公司 550000

摘要：本文主要对无绳提升系统中的核心技术进行研究，分析该系统的主要控制方式以及基本的结构设计，同时对无绳系统中的PID技术展开详细分析，意在提升系统的稳定性与高效性，希望对相关工作人员具有一定的借鉴意义。

关键词：无绳提升系统；控制系统；控制器设计

前言：由于传统的有绳模式钢丝绳强度不足，因此无法在超高层建筑以及较深的矿井中使用，同时由于提升的高度在不断增加，有绳模式已经无法满足当前的建筑需要，而永磁同步直线电机驱动下的无绳模式则可以不受传统模式的限制，现阶段无绳模式的提升系统在超高层建筑中被广泛使用。

1无绳提升系统的组成及其运行原理

根据国内外的研究表明，传统的有绳电机无法有效克服自身的局限性，而无绳系统基于PMLSM技术，则可以不受到传统模式的限制，这是由于该技术具有推力大、效率高以及功率因数高等特点，当前已经成为无绳提升系统中最佳的动力源。在实际运行中，可以将初级和次级分别固定在基础与动子上，此种模式不受到传统模式绳索、链条以及液压等组成部分的限制，从而无需借助中间装置就可以传动装置，也不受到高度的限制，占地空间显著缩小，系统的安全性也在逐步提升。通常来说，PMLSM驱动系统需要额外配置一个系统的单边PMLSM的驱动方案，当动子在运行过程中，依靠电磁或者液压就能够将制动器打开，一旦发生紧急状况，还可以立即切断动力电源，令制动弹簧可以止动弹簧^[1]。另外，在采用双U型的PMLSM单边配置方案时，还可以将两列的PMLSM进行面对面的安装，将其置于井筒的一侧，通常来说，此种方案较为适合承载较大的重量，不仅能够抵消PMLSM中的法向力，同时还操作简便，降低了工作人员的安装难度。除此之外，PMLSM无绳提升系统，在前期主要采用短次级的单边型或者是双边型的结构，这种结构一般为整体初级，因此控制方式较为简单快捷，但是在制造、安装以及维修上的难度较高。例如，初级系统绕组时间过长，损耗较大，从而导致成本提升，而双边型的短初级方案则可以有效避免以上问题。

2 PID控制技术分析

2.1 PID技术的基本原理

PID技术主要原理是在系统中输入参数，然后对其进行常用状态辨识，如果系统处于常用的状态，则可以利用开关调节简化模糊推理机中的PID参数，否则就会运行PID模糊推理机，将PID参数输送到PID控制器中，最终将PID控制器中的控制量传输到被控对象中，在该系统中设计了两个模糊推理机，这主要是由于该系统对于运行的效率要求较高，虽然采用PID控制技术操作程序较为简单，但是其在查询模糊表中仍旧会占用较长的时间^[2]。根据相关的数据就可以看出，PID系统在实际运行过程中，有几种状态发生的频率较高，因此，工作人员为了提升系统的稳定性，可以适当简化规则库，将其作为系统的常用状态，如果在系统稳定运行时，查询简化模糊规则库，就能有效缩减模糊推理所需的时间，显著提升系统的实效性。例如，在系统运行时，技术人员可以先对其进行简单的识别，如IF偏差e较小，THEN就可以在简化模糊表中查询ELSE模糊规则库。此种方式查询的e值较小，也无需知道变化率的值，就可以有效掌握系统是否在正常运行。

2.2 PID系统的设计分析

2.2.1参数控制原则

PID系统内参数控制原则如下：1）K_p（比例系数）的主要特点是降低静差，提升系统的实际响应速度。若K_p值过大还会使系统的动态性降低，导致闭环系统稳定性下降。2）K_i能够去除静态误差，不过对于积分的控制存在滞后性，若K_i较大会导致动态性降低，影响系统稳定性。3）K_d微分系数的实际作用是结合误差变化值进行科学控制，进而去除并抑制系统超调情况，防止负载环境下动态速度下降问题。

2.2.2模型设计

依据矢量控制方式，围绕速度、位置、电流三个元素实现无绳提升系统的设计，并在位置控制过程中借助计算机确定给定位置。将输出信号当作给定信号，利用坐标变换的方式获取相电流指令，比较电流传感器、电流指令等内容，将控制系统输出值设置为驱动逆变器的PWM信号。借助逆变器、PI调解器设置比例环节，控制系统的主要传递函数包含动子位置、电阻等因素。

2.2.3 PID控制器设计

PID参数设置思路是结合计算机分析反馈信号与输入信号，通过得出给定位置与具体位置之间的差距e和变化率ec，找寻其他参数和位置之间的模糊关系。通过在运行过程中测试差距e和变化率ec的变化值，依托模糊控制方式针对PID完成修改。同时，将输出信号设置为PID控制器的积分系数、比例系数、微分系数。本课题中PID控制器需借助增量计算方式，其算法表达式为： u(n）=u（n）-u(n-1)=Kp[e(n)-e(n-1)]+ e(n)+ [e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]=Kp

ei+kiei+K_D²ei。在该式子中，u(n）是第n个采样点的输出量，e(n)是第n个采样点输入量，K_p是比例系数，T_i是积分时间、T_d是微分时间、T是采样周期，可以借助MIN-MAX的方式反模糊推理。

2.3 PID技术的仿真

PID模糊控制可以借助FIS编辑器作为控制器编辑形式，通过在Matlab命令模式中借助Fuzzy函数开启FIS编辑器，进而输出模糊控制器。依托Simulink技术构建PID的控制器仿真模型与PID模糊控制器，其控制主体的传递函数是：G（s）= 。在仿真阶段，应多次调整比例因子、量化因子，绘制PID仿真曲线。经过分析得出模糊PID调解时间较短，稳定时间是2.6s，且系统动态响应程度良好，不会出现超调情况，可以净化定位直线电机。相较于PID常规调解器，其采取动态参数模式，振荡次数较低，调节时间延长，可以节省4s的稳态时间。

本课题中通过绘制了PID控制曲线与系统跟踪响应曲线，二者可以在0.4s后趋于稳定。当2.5s时加入幅值是200N的随机干扰数据进行仿真实验后分析得出：针对阶跃信号，模糊PID控制相较于常规控制的跟踪性加强，不会出现速度超调的问题。而干扰信号中，模糊PID与常规控制相比抗干扰水平提升，因此经过仿真分析可以得出PID控制相较于常规模式性能更佳，可以优化直线电机的性能指标。

结束语：总而言之，由于无绳提升系统不仅可以在超高层建筑以及超深的矿井中运行，同时还具有高效、节能等特点，现阶段被广泛应用在了建筑中，因此应加强对无绳提升系统的研究，进一步提升系统的安全性和稳定性。

参考文献：

[1]刘勇.特大型箕斗的永磁直线电机辅助提升系统设计研究[D].中国矿业大学,2019.

[2]王玉琳,许宝玉,贾言言,等.永磁同步直线电机提升系统总体方案研究与实现[J].中国新技术新产品,2018(20):25-26.