超深矿井双绳缠绕式提升机动力学建模与控制研究

摘要

随着全球矿物资源日益紧缺，深部开采已成为我国的重要战略。矿井提升机是超深矿井资源开采中的重要设备。然而，随着提升高度升高，提升机的安全运行会面临着一系列的挑战，比如钢丝绳的振动加剧以及动载荷增加。这不仅会缩短钢丝绳的服役寿命，极端情况下甚至可能引发严重安全事故。因此，从经济和安全的角度考虑，需要开展超深矿井提升系统安全运行研究。 针对适用于深部开采作业的双绳缠绕式矿井提升机所面临的振动加剧和张力不平衡的挑战，本文开展了超深矿井双绳缠绕式提升机动力学建模与控制研究。主要研究内容如下： ①基于Hamilton原理建立了双绳缠绕式超深矿井提升机及柔性罐道系统精确的分布参数模型，模型中考虑了钢丝绳的横向轴向耦合振动，钢丝绳与罐笼振动和倾斜状态的耦合，罐笼与柔性罐道的相互作用，以及滚筒的等效时变转动惯量等，形成了大时变、变惯量、强耦合的无穷维分布参数系统模型。然后基于所建立的模型进行振动分析并获得了双绳缠绕式提升机的变形失谐规律。 ②考虑超深矿井提升机中存在的传感器信号时滞问题，设计了对时变传感器时滞具有鲁棒性的全维状态观测器用于观测矿井提升机中的钢丝绳和罐笼的振动状态，实现了对时变时滞的补偿并准确估计系统的振动状态。 ③针对长度快时变的钢丝绳所引入的振动问题，利用反步法设计了作用于天轮的基于状态观测器的输出反馈控制器，实现了抑制钢丝绳以及所连结的罐笼的纵向振动。 ④罐笼在运行过程中可能受到影响系统稳定性的未知外部扰动，如罐道卡阻、冲击、通风气流所带来的干扰等，本文建立了扰动观测器来观测罐笼所受到的未知外部扰动。并结合主动抗扰技术设计对外部扰动具有鲁棒性的浮动天轮控制器，实现了对未知扰动的估计以及减小扰动对系统稳定性的影响。 ⑤面对高速、重载、超深双绳缠绕式提升机的振动抑制、张力平衡和协调控制的问题，本文利用系统的可测量状态，基于双绳提升机动力学模型构建了作用于两个浮动天轮的多目标协同控制器，实现了抑制双绳缠绕式提升机的振动，减小钢丝绳之间的张力差，以及平衡罐笼倾斜角的目标。

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