长距离带式输送机能量耗散规律及能效安全一体化控制研究

The proposal aims at an integrated control strategy of energy efficiency and safety for long distance belt conveyors. The dynamic model of belt conveyors and their dynamic characteristics will be firstly investigated. And then the energy dissipation law will be found for dynamic optimization of energy efficiency and safety. The main targets are as follows. With consideration of the rigid-flexible coupling characteristic, a dynamic model of belt conveyors, based on multi-body theory, will be built. A deep dynamic analysis of belt conveyors will be carried out through the newly built dynamic model. The energy dissipation laws of the micro units will be analyzed and then integrated into the belt dynamic model.The spatial characteristics of the energy dissipation will be obtained through the simulation of the compound model.Then, a control model of the energy dissipation of the belt conveyors will be built using the above simulation results. The tension models of the key points of a belt will be built through learning modeling technologies. Finally, an integrated optimal control strategy, towards the energy efficiency and safety of belt conveyors, will be investigated. The project will acquire the dynamic analysis theory for the complex mechanical systems with long distance and rigid-flexible coupling characteristic. The project aims to find the energy dissipation law of belt conveyors and propose the control theory for energy saving. A general methodology for integrated control of energy efficiency and safety of complex electromechanical coupling systems will be built. The research results will broaden the application fields of optimal control theory in term of energy saving. Furthermore, the result may act as a theoretical basis and a technical guide for analysis, design, and optimal operation of belt conveyors.

本项目围绕长距离带式输送机能效安全一体化控制，研究其动力学建模及特征分析、能源耗散规律及能效安全综合控制问题。研究内容包括：针对长距离带式输送机刚柔耦合的特征，建立其柔性多体动力学模型并研究动力学参数的时空分布规律；将带节单元能耗规律融入动力学模型构成动力学能耗复合模型，先通过模型仿真从微观角度探索能耗分布规律，再在此基础上研究输送机能源耗散的宏观规律及控制模型；采用学习建模理论建立输送带关键点的张力预测模型；对多点驱动长距离输送机稳态能效优化及动态安全控制的协调策略进行研究，获得张力多输入多输出广义预测控制方法。通过本项目研究，将建立基于柔性多体动力学理论的带式输送机动力学分析方法，得到输送机能源耗散的基本规律及控制机理，提出一套适合长距离输送机能效安全一体化控制的方法。本项目将拓展先进控制理论在节能优化方面的研究领域，还将为长距离输送机分析、设计及运行优化提供理论支撑和技术指导。

带式输送机是中、远距离散料运输的重要设备，广泛应用于煤炭、矿山、电力、冶金和港口等生产领域。随着运行速度及单机长度的增加，对输送机基础理论研究提出了更高要求，而能效安全一体化控制是其中的关键环节之一。本项目围绕长距离带式输送机能效安全一体化控制，研究了动力学建模及特征分析、能耗模型及能效安全综合控制问题。首先，对带式输送机动力学建模及特性进行了研究。项目组运用有限元法，对不同驱动力和不同槽角下输送机稳定运行时输送带承载段的张力波动特性进行研究，掌握了输送带的纵向力学特性；还研究了不同驱动力下不同位置的张力分布规律。其次，研究了带式输送机的能量控制模型。针对优化计算需求，基于输送机的耗能规律归纳提出了输送机的解析能耗模型，并提出了模型的离线/在线辨识方法以确保能耗模型在应用时的精确性。再次，研究了带式输送机关键点张力的预测方法。针对关键点最大张力的复杂性，提出了通过统计学习来预测关键点最大张力的方法。张力模型以带速、装载量、带速和装载量的变化量为模型输入，预测传送带的最大张力。在研究中还提出了一种LSSVM模型的最优稀疏化方法，将模型稀疏化转换为最优化问题来实现训练样本的最优剪切。最后，在能耗模型和张力预测模型的基础上研究了带式输送机的能效安全一体化控制问题。考虑电价因素，以能源费用为优化目标，以输送机的带速和装载量为优化变量建立输送系统的优化控制问题，在问题中考虑了多种约束，包括输送量约束、最大速度约束、最大装料量约束，出料粒度约束等，并加入了最大张力约束确保输送机的安全性。为了应对干扰的影响，还提出了基于模型预测控制的能效安全闭环控制策略。本项目拓展了先进控制理论在节能优化领域的研究，提出了一套适合输送机能效安全一体化控制的方法，可为输送机分析、设计及运行优化提供理论支撑。项目共产出18项成果：13篇期刊论文，3篇会议论文，2项软件著作权；其中，7篇SCI论文在Automatica、Applied Energy、ISA Transactions等期刊刊出。