本项目教学目标就是通过实验使同学了解我国在矿山电力传动领域的科技进步；通过对矿井提升电力传动系统的控制，在熟悉、掌握矿井提升系统工艺流程的同时，掌握自动控制系统构成、参数计算、整定调试的基本方法和基本途径；培养同学能够运用现代工程工具和信息技术工具对复杂电气工程问题进行预测和模拟，并理解其局限性；进一步地，学会分析、解决生产实际过程中出现的问题，以及从工程师职业道德的高度认识工程实际与社会、健康、安全、法律、经济以及文化之间的关系。为今后从事相关的工作奠定一定的实践基础。

具体而言达到以下目的：
① 使学生对运动控制系统的理论意义和实际工程意义有进一步的理解；
② 使学生了解和熟悉矿井提升系统工艺流程，特别是煤矿安全规程对提升系统速度控制要求和安全保护方面的要求；
③ 掌握矿井提升系统电气设备选型设计和方法；
④ 掌握从矿井提升系统物理微分方程建立系统动态数学模型的方法；
⑤ 掌握不同控制器类型及其参数调整对控制效果的影响；

矿井提升机作为一个典型的位势力矩负载，要求其拖动电动机机械特性在四个象限内频繁周期性地进行启动、制动和反向运行。在运行过程中的加速度、减速度以及各运行阶段的行程和最后的停车位置都有精确的要求和严格的限制。矿井直流提升机控制系统设计包括主电路电气设计和控制系统参数设计。主电路设计包括变压器、整流器件、平波电抗器、直流电机等主要电气设备选型。该部分保证矿井提升机能够满足生产需要，保证安全运行。提升机采用电枢换向的直流电动机可逆调速方案，该方案采用逻辑无环流的双闭环直流电机控制，可实现直流提升机的四象限运行且能通过逻辑无环流控制确保主电路不会出现环流。

1.晶闸管-电动机系统电气元件选型实验

首先，根据提升系统速度图、力图计算得到负载功率曲线，按此计算得到额定直流电流，额定直流电压，选择直流电动机并确定各种电流整定值。

在矿井提升机电力传动系统中，变压器是一个重要组成部分。其绕组的连接方式以及主要电气参数均需与变流装置设计计算时并考虑。

整流器件选择时应考虑所承受的最大峰值电压。为使晶闸管不至因过热而损坏，根据晶闸管实际通过电流的有效值，并考虑留有1.5-2倍的安全裕量作为晶闸管电流定额。

电感选型取决于三个方面。1）为了保证电流连续，电枢回路中应具备的一定电感量L1；2）为了保护直流电动机换向器换向的安全，通常要限制电枢电流脉动分量，电枢回路中应具备的一定电感量L2；电枢回路所需的总电感的电感量为 L1和 L2 中的较大值。而滤波电抗器的电感量 Ld 应为所需的总电感减去电枢绕组电感量 La 和整流变压器所有的漏感。

2.矿井直流无环流控制可逆提升控制系统设计

对于大容量的矿井提升直流拖动系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流控制可逆系统。

图1矿井直流可逆提升控制系统原理

为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环节DLC，这是系统中的关键环节。它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换，其输出信号 Ublf 用来控制正组触发脉冲的封锁或开放，Ublr 用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。

3.控制参数设计及提升系统性能测试实验

矿井提升系统虚拟仿真实验中控制参数设计具体要求如下：稳态指标：转速、电流无静差；动态指标：电流超调量<=5% ，启动到额定转速时的转速超调量<=10%。根据上述要求，具体转速、电流双闭环控制参数设计过程如下：

1）电流环控制参数设计原理

图 2电流环结构框图

图2是矿井提升系统简化后电流内环结构框图，根据设计要求的超调量，为保证稳态电流无差，可按照I型系统设计电流环。由于电流环控制对象是双惯性环节，所以采用PI型电流调节器

2）转速环控制参数设计原理

为了实现转速无静差转速调节器应设计为典型II型系统，可以同时满足动态和抗扰性能。ASR也应设计为PI调节器。

图 3转速环结构框图

知识点：共 6个

1）了解矿井提升系统工程背景。分析提升系统工程背景数据（如：速度图、力图等），得出实际运行中速度运行范围，所需提升功率等要求，确保选取设备有即符合要求有能保证运行有较高的效率。

2）掌握矿井直流提升系统晶闸管-电动机的电气元件和设备选型方法。根据直流电动机、变压器、滤波电抗器、功率器件等设备的特性，结合实际工程需求，选取合适的设备类型。

3）掌握直流电动机动态数学模型建立方法。根据直流电机的电压方程，动力学方程，在零初始条件下取拉氏变换，得电压与电流，电压与电机电动势之间的传递函数即为电机的动态模型。

4）掌握矿井直流提升自动控制系统稳态结构和稳态参数计算方法。

5）掌握直流提升控制系统转速调节器、电流调节器参数设计方法。根据系统运行的性能要求，如稳态指标（转速电流无静差），动态指标（超调量）设计转速调节器、电流调节器的参数。

6）掌握逻辑无环流可逆系统组成及工作原理。主电路为两组晶闸管装置反并联线路，采用经典的转速、电流双闭环控制，移相方法采用α=β配合控制。在无环流控制器（DLC）模块的控制下在需要正组VF工作时，封锁反组触发脉冲同时开放正组触发脉冲，需要反组VR工作时，封锁正组而开放反组。

登录界面

图 3-6-1登录界面

实验介绍界面

点击“登录”，即开始内容，准备实验。

该界面默认在图3-6-2中标出区域首先出现“项目简介”内容，点击“实验原理”、“教学方案”、“实验过程”、“技术要求”、“项目团队”可切换展示标注区域的内容。

图3-6-2 项目简介

实验大厅界面

进入实验后，即看到实验大厅界面。包含“预习模式”、“实验模式”和“考核模式”以及“上传实验报告”按钮，如图3-6-3所示。

图3-6-3 实验大厅界面

预习模式

在实验大厅界面，点击“预习模式”，出现如图3-6-4界面。

预习模式包含：实验指导模块、矿井漫游模块、学习资料模块。

图3-6-4 预习模式界面

实验指导模块

进入系统时默认出现“实验概述”界面，点击实验指导模块中“实验目的”与“实验要求”按钮，分别出现以下界面。

图3-6-5 实验指导模块界面

矿井漫游模块

点击“主井房”按钮，出现主井房区域三维自动漫游画面，可点击“漫游暂停”按钮，暂停当前自动漫游画面。漫游过程中，可通过鼠标左键操作720观察三维场景。

图3-6-6 主井房

点击“副井房”按钮，出现副井房区域三维自动漫游画面，可点击“漫游暂停”按钮，暂停当前自动漫游画面。漫游过程中，可通过鼠标左键操作720观察三维场景。

图3-6-7 副井房

点击“绞车房”按钮，出现绞车房区域三维自动漫游画面，可点击“漫游暂停”按钮，暂停当前自动漫游画面。漫游过程中，可通过鼠标左键操作720观察三维场景。

图3-6-8 绞车房

点击“手动漫游”按钮，出现矿区整体三维画面，漫游过程中，可通过鼠标左键操作720观察三维场景，通过键盘“Q/W/E/A/S/D”控制画面的前后左右移动以及视角上升与下降。

图3-6-9 手动漫游操作按钮

用户可手动漫游前往矿区三维场景任何区域。

图3-6-10 手动漫游界面

学习资料模块

点击设备设施，可查看直流电动机、钢丝绳、提升容器等三维模型及相关文字介绍。

图3-6-11 设备设施查看界面

点击“电气元件”按钮，展开菜单，菜单中包含“电抗器”、“功率元器件”、“变压器”等内容，点击任意按钮即可查看相关介绍。

图3-6-12 电气元件查看界面

点击“控制器”按钮，展开菜单，菜单中包含“双闭环控制系统”与“可逆系统”相关介绍。

图3-6-13 控制器查看界面

点击“图片资料”按钮，查看实验相关图片资料。

图3-6-14 图片资料查看界面

点击“视频资料”按钮，查看实验相关视频资料，其中微课资料可点击链接直接跳转至指定微课网站。

图3-6-15 视频资料查看界面

实验模式

在预习模式界面点击“开始实验”按钮或在大厅界面点击“实验模式”按钮，即可进入实验模式。

工程背景参数

进入实验模式后，默认打开“工程背景参数”界面，查看本次实验的基础数据。

图3-6-16 工程背景参数

设备选取

在左方导航地图（导航栏）界面点击“设备选取”按钮，即可进入开始进行设备选取。

点击“设备选取”按钮后，画面中出现主电路图，点击电路图上红框白底部分，进行设备选型。

图3-6-17 设备选取

点击“变压器”按钮，出现变压器选型界面。

图3-6-18 变压器选型

点击“功率元器件”按钮，出现功率元器件选型界面。

图3-6-19 功率元器件选型

点击“电动机”按钮，出现电动机选型界面。

图3-6-20 电动机选型

图3-6-21 平波电抗器选型

在左方导航地图（导航栏）界面点击“控制器”按钮，即可进入开始进行控制器设计环节。

点击1区域内电气工程符号移动放置2区域框图位置，全部放置完成后，点击“检查”按钮，确认控制器电路设计是否有误。

若摆放正确，则绿色高亮显示；

若摆放错误，则红色高亮显示。

图3-6-22 控制系统设计

在左方导航地图（导航栏）界面点击“控制器”菜单中“控制参数设计”按钮，即可进入开始进行控制器参数设计环节，在对应文本框中分别输入“电流环比例系数、电流环积分系数、转速环比例系数、转速环几份系数”。

仿真模型设计

在左方导航地图（导航栏）界面点击“仿真模型”按钮，即可开始进行仿真模型设计环节，界面中采用绿色闪烁图框为可交互部分，单击即可进入其中进行仿真模型参数设计。

图3-6-23 仿真模型设计

点击“速度给定”模块，进入速度给定设计环节，输入完成后，点击“确定”按钮。

图3-6-24 速度给定模块

点击“ASR”模块，进入ASR参数设计环节，输入完成后，点击“确定”按钮。

图3-6-25 ASR模块

点击“ACR”模块，进入ACR参数设计环节，输入完成后，点击“确定”按钮。

图3-6-26 ACR模块

点击“DLC”模块，进入DLC参数设计环节，输入完成后，点击“确定”按钮。

图3-6-27 DLC模块

点击“平波电抗器”模块，进入平波电抗器参数设计环节，输入完成后，点击“确定”按钮。

图3-6-28 平波电抗器模块

点击“直流电动机"模块，进入直流电机参数设计环节，输入完成后，点击“确定”按钮。

图3-6-29 直流电动机模块

点击“变压器二次侧电压”模块，进入变压器二次侧电压参数设计环节，输入完成后，点击“确定”按钮。

图3-6-30 变压器参数模块

设备选取、控制器设计、仿真模型设计三个环节完成后，检查整体参数设计是否有误，若无误则点击右下方“开始验证”按钮，进行设计验证环节。

设计验证环节为提升系统整体参数设计的验证过程，验证参数设计是否合理，能否让提升系统正常运行。用户可查看右下方监控系统界面图，观察参数是否正常，若有误则可点击“紧急制动”按钮后再点击“返回自检”修改参数。

图3-6-31 验证环节

监控系统界面包含各项参数变化，用户主要可参考监控系统右下方“电动机转速给定速度图、电动机电枢图、DLE封锁信号图、ACR输出控制图、同步电压图、输出脉冲图”。

图3-6-32 模型仿真数据