【技术实现步骤摘要】
一种数字孪生驱动的长距离带式输送机运行优化方法
[0001]本专利技术涉及带式输送机智能控制领域，尤其涉及一种数字孪生驱动的带式输送机运行优化方法。
技术背景
[0002]带式输送机是矿山、电厂、港口等领域运输散装物料的关键设备之一。随着经济的快速发展，带式输送机已朝着大运量、长距离的方向发展，其运输效率和运行安全问题日益突出。目前，在煤矿等应用带式输送机的实际场合中，我国带式输送机多以恒定带速运行，常处于轻载或空载状态，造成能源浪费。在运行层面上，根据载荷调节带速是有效节能手段，但长距离带式输送机运行动态特性明显，运行动态复杂。输送带在暂态过程中会存储或释放大量的能量，如果变速时间过短，这些能量会在输送带内部形成动态张力，导致输送带张力过大或过小，将会对各部件产生强烈的冲击，进而影响到设备的稳定性和使用寿命，存在潜在风险。因此，长距离带式输送机的稳定、高效运行是一个重要问题。
[0003]目前使用的带式输送机运行优化方法集中于稳态带速设定的节能性或启动安全性的研究，不能同时保证带式输送机的节能、安全运行，存在很大的安全隐患。
技术实现思路
[0004]本专利技术提供了一种数字孪生驱动的长距离带式输送机运行优化方法可以形成优化带速设定曲线，能够同时保证稳态带速的经济性和暂态带速的安全性，有效地实现长距离带式输送机的节能安全控制，为长距离带式输送机的运行优化提供支撑。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种数字孪生驱动的长距离带式输送机运行优化方法，具体如下：
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种数字孪生驱动的长距离带式输送机运行优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1、获取现实带式输送机固有参数、实时运行数据和预知给料速率；步骤2、建立长距离带式输送机数字孪生模型；步骤3、利用步骤1获取的实时运行数据，基于递推最小二乘法更新步骤2建立的动态能耗模型参数；步骤4、依据步骤1获取的预知给料速率、步骤2建立的数字孪生模型设定带式输送机的稳态、暂态运行带速，并形成优化带速设定曲线；步骤5、利用步骤2建立的数字孪生模型对步骤4形成的优化带速设定曲线进行仿真评估，评估优化带速设定曲线是否存在输送带张裂、打滑和运载物料溢出，若存在上述情况，则进行步骤6，否则形成可行优化带速设定曲线；步骤6、根据步骤5的评估结果，对步骤5形成的优化带速设定曲线进行校正，重复迭代步骤5和步骤6，最终形成可行优化带速设定曲线。2.根据权利要求1所述的数字孪生驱动的长距离带式输送机运行优化方法，其特征在于，步骤1获取的带式输送机固有参数包括输送带的长度、等效粘性、弹性系数参数，实时运行数据包括带式输送机的带速，预知给料速率为预知时域内给料量的大小。3.根据权利要求1所述的数字孪生驱动的长距离带式输送机运行优化方法，其特征在于，步骤2建立的长距离带式输送机数字孪生模型包括输送带动力学模型、物料流动态模型和带式输送机能耗模型，方法具体如下：步骤2
‑
1、依据有限元分析法和变质量牛顿第二定律建立输送带动力学模型，具体包括：步骤2
‑1‑
1、将整条输送带拆分成n个微元段，第1至第n个微元段依次连接，输送带的承载侧拆分成j个微元段，从输送带给料端至尾端依次为第1至第n个微元段，输送带的返回侧拆分成n
‑
j个微元段，张紧装置单独一个微元段，张紧装置微元段位于输送带第j+1个微元段和输送带第j+2个微元段之间，驱动力施加到输送带第j+1个微元段上；步骤2
‑1‑
2、输送带第1个微元段的运动状态描述为：步骤2
‑1‑
3、输送带第2个微元段的运动状态描述为：步骤2
‑1‑
4、输送带第3个至第j个微元段的运动状态描述为：步骤2
‑1‑
5、输送带第j+1个微元段的运动状态描述为：步骤2
‑1‑
6、输送带第j+2个微元段的运动状态描述为：
步骤2
‑1‑
7、输送带第j+3至第n
‑
1个微元段的运动状态描述为：步骤2
‑1‑
8、第n个微元段的运动状态描述为：步骤2
‑1‑
9、张紧装置微元段的运动状态描述为：步骤2
‑1‑
10、在输送带承载侧：步骤2
‑1‑
11、在输送带返回侧：其中，k
i
、c
i
分别为第i个微元段的等效弹性系数、等效粘性系数，k
t
、c
t
为张紧装置微元段的等效弹性系数、粘性系数，F
d
为驱动力，f
i
为第i个微元段所受摩擦力、f
t
为张紧装置微元段所受摩擦力，g为重力加速度，m
i
为第i个微元段的等效质量、m
t
为张紧装置微元段的等效质量，q
i
为第i个微元段上运载物料的平均质量，q
B
为每米输送带的质量，q
RO
为承载侧每米托辊平均质量，q
RU
为返回侧每米托辊平均质量，s
i
、为第i个微元段的位移、速度、加速度，s
t
、为张紧装置微元段的位移、速度、加速度，ΔL为微元段的长度，μ为运载物料与输送带之间的摩擦系数；步骤2
‑1‑
12、将输送带各个微元段和张紧装置微元段简化为如下所示的矩阵形式：其中，M＝diag{[m1,m2,
…
,m
n
,m
t
]}，Rank(M)＝n+1，S＝[s1,s2...,s
n
,s
t
]
T
，F＝[
‑
f1,
‑
f2,
…
,
‑
f
j+1
+F
d
,
…
,
‑
f
n
,
‑
f
t
+m
t
g]
T
；
其中，K、C、P矩阵中未定义位置为0；步骤2
‑
2、依据质量守恒原理，建立的物料流动态模型如下：G
h
q
h+1
＝q
h
+b
h
·
I
h
/v
h
其中，b
h
是阶数j
×
1的矩阵，b
h
＝[γ
h
/2,0,0,0,
…
,0]
T
，q
h
＝[q(1,h),
…
,q(j,h)]
T
，q(j,h)为h时刻输送带上第j个微元段运载物料的平均质量，γ
h
＝v
h
Δt/ΔL，v
h
为h时刻的带速，Δt为时域采样间隔，ΔL为微元段长度，I
h
为h时刻的给料量；G
h
是阶数j
×
j的矩阵；
G
h
中未定义位置为0；步骤2
‑
3、依据步骤2
‑
2计算的运载物料质量更新步骤2
‑1‑
10的动力学模型中输送带承载侧的m
i
，m
i
＝(q
i
+q
B
+q
RO
)ΔL，其中，q
i
＝q(i,h)；步骤2
‑
4、利用步骤1获取的固有参数，对带式输送机的固有机械参数设置两个参数φ1、φ2，建立带式输送机的动态能耗模型如下：其中，为带式输送机系统的能耗功率，η
d
和η
m
分别为驱动系统和传动系统的效率，为运载物料的平均质量，v为带式输送机的带速，φ1为空载参数、φ2为密度参数。4.根据权利要求3所述的数字孪生驱动的长距离带式输送机运行优化方法，其特征在于，步骤3利用步骤1获取的实时运行数据，基于递推最小二乘法更新步骤2建立的数字孪生模型参数，算法具体如下：其中，v(h)为h时刻的带速，为h时刻输送带上运载物料的平均质量，y(h)＝η
d
η
m
p
BCs
(h)，为带式输送机系统的能耗功率，x(h)和y(h)为h时刻算法输入，为算法输出，初始取为算法输出，初始取为h时刻参数φ1的估计值，为h时刻参数φ2的估计值，p(h)为协方差矩阵，初始取p(0)＝E，E为单位矩阵，k(h)为算法中间变量。5.根据权利要求4所述的数字孪生驱动的长距离带式输送机运行优化方法，其特征在于，步骤4中，依据步骤1获取的预知给料速率、步骤2建立的数字孪生模型设定带式输送机的稳态、暂态运行带速，并形成优化带速设定曲线，具体如下：步骤4
‑
1、暂态最优带速v
*
由下式计算：其中，v
*
为稳态带速设定值，I为给料速率，Q
max
为输送带每米所允许的最大物料质量；步骤4
‑
2、求解变速过程所允许加速度的上限，求解公式如下：a
a,max
＝min(a
a,max,tension
,a
a,max,slip
))其中，a
a,max...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨春雨，卜令超，陈斌，周林娜，马磊，王国庆，代伟，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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