一种基于总负载感知的刮板输送机自适应节能控制系统及方法与流程
本发明涉及煤矿井下运输设备节能控制，具体地说，涉及一种基于总负载感知的刮板输送机自适应节能控制系统及方法。
背景技术：
1、刮板输送机是综采工作面的核心运输设备，其运行功耗占矿井总能耗的较大比重，实际生产中，采煤机割煤速率波动剧烈，导致刮板输送机的进料速率极不稳定，传统的控制方式采用恒速运行，即不论进料多少，输送速度始终保持恒定，这种方式的弊端在于：当进料速率较低时，溜槽内负载很少，大量能量消耗在链条和刮板与槽体的空载摩擦上，空载底座功耗占比过高；当进料速率较高时，负载堆积过多，推移阻力非线性上升，不仅功耗激增，还容易引发压死、断链等安全事故。
2、现有技术中已有一些尝试，例如通过监测电机电流来调节速度，但电流信号是多种因素例如摩擦、负载、倾角、卡滞等的混叠量，无法准确反映真实的负载情况；又如采用料位计监测负载量，但负载体积受物料密度、粒度的变化而变化，简单使用料位计难以准确反映负载量，导致负载估计偏差，因此，亟需一种能够直接监测负载量、准确感知溜槽内实际负载、并能自适应调节输送速度以实现节能和安全双重目标的控制方法。
技术实现思路
1、本发明旨在解决现有技术的不足，提供一种基于总负载感知的刮板输送机自适应节能控制系统及方法，通过在刮板输送机底部设置组装式称重底板，再利用组装式称重底板下方的称重传感模组间接测量刮板输送机溜槽内部的负载重量，结合用于功耗优化的总功耗模型实现自适应调速，在保证输送效率的前提下最大限度地降低能耗。
2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、本发明一方面提供了一种基于总负载感知的刮板输送机自适应节能控制系统，在本发明的技术方案中，所述刮板输送机自适应节能控制系统包括刮板输送机和控制模块；所述刮板输送机包括组装式称重底板、机架和称重传感模组，所述组装式称重底板作为刮板输送机的承载结构，其具体由若干段刚性金属板拼接而成，以用于安装刮板输送机的所有后续部件；所述机架安装于所述组装式称重底板的上端面，所述机架上还配置有用于负载输送的溜槽和驱动刮板输送机输送的驱动组件；所述称重传感模组具体包括若干个称重传感模块，若干个所述称重传感模块均匀分布于所述组装式称重底板的下端面，若干个所述称重传感模块用于实时监测所述刮板输送机溜槽内部的负载重量；若干个所述称重传感模块均采用电阻应变式称重传感器，并且若干个所述称重传感模块与组装式称重底板的下端面之间均通过球面支座连接；所述控制模块与所述称重传感模组和驱动组件电连接，所述控制模块被配置为：获取所述刮板输送机溜槽内部的负载重量以及刮板输送机输送的驱动链速，以及计算得到使得刮板输送机当前设备总功耗最低的目标链速、并控制所述驱动组件调整其驱动刮板输送机输送的驱动链速至目标链速，所述控制模块具体包括数据获取单元和控制计算单元。
4、进一步的，在本发明的技术方案中，所述数据获取单元用于获取所述称重传感模组监测的刮板输送机溜槽内部的负载重量以及所述驱动组件驱动刮板输送机输送的驱动链速；所述控制计算单元与所述数据获取单元通信连接，所述控制计算单元用于执行以下步骤：
5、根据获取的刮板输送机溜槽内部的负载重量计算所述溜槽内的单位长度负载均量，所述单位长度负载均量的计算公式为：
6、，式中，表示为溜槽内部的负载重量，表示为溜槽的长度，表示为溜槽内的单位长度负载均量；
7、基于刮板输送机的驱动链速、单位长度负载均量和当前进料均速之间的稳态关系，计算得到单位长度负载均量和驱动链速之间的函数关系，所述单位长度负载均量和驱动链速之间的函数关系的计算公式为：
8、，式中，表示为当前进料均速，表示为驱动链速；
9、再将所述单位长度负载均量和驱动链速之间的函数关系代入第一总功耗模型，计算得到使得当前设备总功耗最低的目标链速，所述第一总功耗模型的计算公式为：
10、，式中，表示为刮板输送机的设备总功耗，表示为空载功耗系数，表示为负载功耗系数；
11、所述目标链速的计算公式为：
12、，式中，表示为目标链速，且；
13、并控制所述驱动组件调整其驱动刮板输送机输送的驱动链速至目标链速。
14、进一步的，在本发明的技术方案中，所述空载功耗系数的标定方法为：空载功耗系数具体用于计算设备空载功耗，在刮板输送机正常运行的数据范围内，其设备空载功耗与刮板输送机的驱动链速近似为成正比例关系，即视为，式中，表示为设备空载功耗，表示为刮板输送机空载时驱动链速越大其设备空载功耗越高；通过清空所述溜槽，使刮板输送机在空载状态下分别以多个不同的驱动链速运行，获取各驱动链速对应的设备空载功耗，并通过线性回归建立设备空载功耗与驱动链速之间的第一线性函数关系，即线性拟合，以求得。
15、进一步的，在本发明的技术方案中，所述负载功耗系数的标定方法为：负载功耗系数具体用于计算设备负载功耗，在刮板输送机正常运行的数据范围内，其设备负载功耗在刮板输送机的驱动链速恒定时，与溜槽内部的负载重量近似为成正比例关系，即视为，式中，表示为设备负载功耗，表示为刮板输送机的驱动链速恒定时，其溜槽内部的负载重量越大其设备负载功耗越高；通过在恒定的进料速率下，使刮板输送机分别以多个不同的驱动链速运行，获取各驱动链速对应的设备总功耗，并依据上述标定空载功耗系数时建立的第一线性函数关系扣除相应驱动链速下的设备空载功耗以得到设备负载功耗，同时获取各驱动链速下溜槽内的单位长度负载均量，并通过线性回归建立设备负载功耗与单位长度负载均量之间的第二线性函数关系，即线性拟合，以求得。
16、本发明另一方面还提供一种基于总负载感知的刮板输送机自适应节能控制方法，在本发明的技术方案中，所述刮板输送机自适应节能控制方法具体包括以下步骤：
17、步骤s1、使刮板输送机在空载状态下分别以多个不同的驱动链速运行，获取各驱动链速对应的设备空载功耗，并通过线性回归建立设备空载功耗与驱动链速之间的第一线性函数关系，即；步骤s2、在恒定的进料速率下，使刮板输送机分别以多个不同的驱动链速运行，获取各驱动链速对应的设备总功耗，并依据步骤s1建立的第一线性函数关系扣除相应驱动链速下的设备空载功耗以得到设备负载功耗，同时获取各驱动链速下溜槽内的单位长度负载均量，并通过线性回归建立设备负载功耗与单位长度负载均量之间的第二线性函数关系，即；步骤s3、基于第一线性函数关系和第二线性函数关系，构建以驱动链速和单位长度负载均量为输入、以设备总功耗为输出的第一设备总功耗模型，即；步骤s4、实时获取刮板输送机溜槽内部的负载重量和驱动链速，并根据溜槽长度和驱动链速进一步计算动态采样周期，该动态采样周期用于动态表征溜槽内的负载在不同的驱动链速下的置换过程，即该动态采样周期表示为溜槽内的负载在不同的驱动链速下通过溜槽所需的时间，动态采样周期的计算公式为：
18、，式中，表示为动态采样周期，且在每个动态采样周期结束时，执行以下子步骤：步骤s41、记录此刻刮板输送机及其溜槽内部的负载重量和驱动链速；步骤s42、基于溜槽内的负载重量进一步计算得到溜槽内的单位长度负载均量，该单位长度负载均量表示为对溜槽内部的负载重量进行线密度归一化得到的单位长度溜槽上的平均负载重量，即将负载总重量除以溜槽的长度得到溜槽内的单位长度负载均量，单位长度负载均量的计算公式为：；步骤s43、将单位长度负载均量和驱动链速代入第一设备总功耗模型，再对第一设备总功耗模型进行求导计算得到使得当前设备总功耗最低的目标链速，具体包括以下步骤：步骤m1、基于溜槽长度、驱动链速和动态采样周期之间的稳态关系即：，以及溜槽长度、溜槽内部的负载重量和单位长度负载均量之间的稳态关系即：，计算得到单位长度负载均量和驱动链速之间的函数关系即：；步骤m2、将单位长度负载均量和驱动链速之间的函数关系代入第一设备总功耗模型得到第二设备总功耗模型，第二设备总功耗模型的具体形式为：；步骤m3、该第二设备总功耗模型对驱动链速的二阶导数：，故为凸函数，存在极小值点，令其一阶导数为零，计算公式为：
19、；
20、即求解得到当前使得当前设备总功耗最低的目标链速，所述目标链速的计算公式为：，式中，表示为目标链速，且；
21、即令第二设备总功耗模型的一阶导数为零，求解得到使得当前设备总功耗最低的目标链速，并控制调整刮板输送机输送的驱动链速至目标链速；步骤s5、返回步骤s4，进入下一个动态采样周期。
22、进一步的，在本发明的技术方案中，所述控制计算单元还用于执行如上文所述的刮板输送机自适应节能控制方法中的数据的处理分析及计算。
23、有益效果：综上所述，本发明提供了一种基于总负载感知的刮板输送机自适应节能控制系统及方法，本发明通过在刮板输送机底部设置组装式称重底板，并利用组装式称重底板下方均匀布设的称重传感模组间接测量刮板输送机溜槽内部的负载重量，进而基于总功耗模型和动态采样周期实时计算目标链速，以实现对刮板输送机输送的智能调速，能够有效避免传统刮板输送机恒速运行的大量无效空载功耗和过载损耗，具有显著的节能效益和广泛的工程推广价值。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述。