采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)的滑?？刂蒲芯?/h1>
2020-04-12 15:13:16張志忠
機械管理開發(fā) 2020年12期
張志忠
（華陽新材料科技集團機電設(shè)備管理中心，山西 陽泉045000）
引言
采煤機、刮板輸送機以及液壓支架為綜采工作面的三大機電設(shè)備，號稱工作面的“三機”。在實際生產(chǎn)中，采煤機、刮板輸送機以及液壓支架三機的匹配程度直接決定工作面煤炭的生產(chǎn)效率和安全程度，即要求實現(xiàn)三機聯(lián)動，完成對三機的協(xié)調(diào)控制。目前，刮板輸送機和液壓支架目前已經(jīng)實現(xiàn)了聯(lián)動自動化控制，而對于采煤機而言其單機控制功能還未真正意義上實現(xiàn)，更別說與刮板輸送機和液壓支架的三機聯(lián)動控制[1]。實現(xiàn)采煤機自動化控制的關(guān)鍵在于解決其根據(jù)工作面煤層、地質(zhì)等條件對其滾筒高度進行自適應(yīng)調(diào)整。為此，本文研究滑模控制理念在采煤機滾筒自動調(diào)高系統(tǒng)中的應(yīng)用，具體闡述如下。
1 采煤機自動調(diào)高控制關(guān)鍵技術(shù)研究
采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)的控制對象可以是搖臂、也可以是系統(tǒng)的截割部，還可以是采煤機本身，其控制目的是要求自動調(diào)高系統(tǒng)能夠根據(jù)煤層厚度、硬度以及地質(zhì)等條件完成對滾筒截割高度的自適應(yīng)控制，從而保證采煤機的最佳截割效果，提升綜采工作面煤炭資源的回采率。目前，針對采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)主要是對設(shè)備的搖臂高度進行調(diào)整，其具有調(diào)高范圍大、裝煤效果好等優(yōu)勢。而且，調(diào)整采煤機搖臂的調(diào)高方式其對應(yīng)的調(diào)高油缸的安裝方式和位置相對靈活[2]。本文所研究采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)的控制對象為搖臂，且調(diào)高油缸的安裝方式為水平安裝。
目前，實現(xiàn)采煤機自動調(diào)高功能主要基于記憶切割技術(shù)，其對應(yīng)的控制原理框圖如圖1所示。
圖1 基于記憶切割技術(shù)的自動調(diào)高控制原理框圖
如圖1所示，基于記憶切割技術(shù)的采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)主要包括有控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及機械系統(tǒng)等分系統(tǒng)。其中，反饋系統(tǒng)主要基于煤巖界面自動識別系統(tǒng)以及相關(guān)數(shù)據(jù)采集部件對所截割煤層的相關(guān)參數(shù)進行采集；控制系統(tǒng)根據(jù)反饋系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)完成對搖臂的自動調(diào)高控制和采煤機牽引速度、牽引方向的控制。分析圖1可知，實現(xiàn)采煤機的自動調(diào)高功能需對實時截割煤層的特性進行充分掌握，對采煤機滾筒的負載特性進行充分掌握，在此基礎(chǔ)上還需有效、可靠自動調(diào)高控制策略實現(xiàn)對采煤機截割高度的控制。
目前，針對采煤機滾筒負載特性和工作面煤巖自動識別技術(shù)的研究已經(jīng)相對成熟。本文將重點對采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)的控制策略進行研究。
2 采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)及控制策略研究
2.1 采煤機自動調(diào)高液壓控制系統(tǒng)
采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)包括通過基于換向閥對調(diào)高油缸進行控制的繼電器控制系統(tǒng)，還包括通過基于電液比例實現(xiàn)的連續(xù)控制系統(tǒng)。兩種液壓控制系統(tǒng)的對比具體闡述如下：
基于換向閥實現(xiàn)采煤機自動調(diào)高功能的液壓系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢。但是，此種液壓控制系統(tǒng)無法結(jié)合采煤機的記憶截割功能完成對工作面煤層的截割?？偟膩碚f，基于換向閥對調(diào)高油缸的控制其整體控制性能較差，無法適應(yīng)采煤機在實際生產(chǎn)過程中的復(fù)雜工況。
基于電液比例閥實現(xiàn)對采煤機搖臂或者截割部的自動調(diào)高能夠復(fù)現(xiàn)上一個生產(chǎn)循環(huán)的截割參數(shù)，包括截割深度、截割速度以及搖臂高度等。
綜上所述，本文將采用以電液比例或伺服液壓控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)實現(xiàn)采煤機的自動調(diào)高功能。
2.2 采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)控制策略
鑒于采煤機在實際截割過程中截割部的負載特性相對復(fù)雜，導(dǎo)致其液壓伺服控制系統(tǒng)的控制參數(shù)在實際生產(chǎn)過程中會受到較大的擾動，從而無法保證采煤機按照預(yù)期完成其滾筒的自動調(diào)高功能。目前，工業(yè)生產(chǎn)中可靠性較高的控制策略包括有PID控制策略、模糊PID控制策略以及滑?？刂撇呗缘?。
經(jīng)對當(dāng)前可應(yīng)用于采煤機自動調(diào)高控制策略研究可知，目前主要以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制的應(yīng)用最為廣泛。但是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制還無法很好地適應(yīng)采煤機在實際生產(chǎn)中的參數(shù)突變性和非線性的問題[3]。因此，急需將一種有效控制策略應(yīng)用于采煤機的自動調(diào)高控制中，滑模控制具有較強的不確定動態(tài)特性，尤其適用于非線性系統(tǒng)中。因此，為提升采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本文將滑模控制理念應(yīng)用于自動調(diào)高控制系統(tǒng)中。
3 采煤機自動調(diào)高滑模控制系統(tǒng)研究
3.1 滑?？刂苽鬟f函數(shù)的設(shè)計
從理論上講，滑?？刂朴址Q為變結(jié)構(gòu)控制，其可有效解決在實際控制過程中所存在的模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)不符的問題。鑒于采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)本身就屬于非線性、參數(shù)時變的控制系統(tǒng)，尤其是設(shè)備在實際生產(chǎn)過程中各類液壓元器件的相關(guān)系數(shù)、介質(zhì)溫度等工況參數(shù)的變化對整體運行的影響較大。因此，將滑模控制理念應(yīng)用于采煤機自動調(diào)高控制是提升其控制效果最有效的方法。采煤機自動調(diào)高伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 采煤機自動調(diào)高伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
圖2中，f1為外界對采煤機穩(wěn)定運行的擾動；y為伺服控制系統(tǒng)對調(diào)高油缸控制的位移量?；诨？刂茖崿F(xiàn)對采煤機的自動調(diào)高功能需完成兩個核心步驟：
1）建立采煤機伺服控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；
2）設(shè)計可匹配的滑?？刂破鳎⑻岢鲇行У幕？刂埔?guī)律。
綜合上述兩步驟的結(jié)果最終得出滑?？刂坪瘮?shù)，如式（1）所示：
式中：kv是與采煤機調(diào)高系統(tǒng)中調(diào)高油缸活塞左右兩個腔內(nèi)的有效面積相關(guān)的系數(shù)，結(jié)合所研究采煤機的相關(guān)參數(shù)，取200；wh為采煤機調(diào)高系統(tǒng)中調(diào)高油缸的固有頻率，取26 Hz；ξh為調(diào)高液壓系統(tǒng)的阻尼比，取0.2。
3.2 滑?？刂菩Ч尿炞C
為驗證3.1中針對采煤機自動調(diào)高所設(shè)計滑?？刂撇呗缘目刂菩Ч竟?jié)將對滑?？刂破骱蛡鹘y(tǒng)PID控制器下對應(yīng)采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)的控制效果進行對比，主要考核項為對比兩種控制策略下采煤機調(diào)高系統(tǒng)是否能夠按照預(yù)定路徑對截割高度進行調(diào)整，并具體分析兩種控制策略下的控制誤差[4]。
假設(shè)采煤機按照正弦曲線的路徑對工作面的煤層進行截割，即驗證滑?？刂坪蛡鹘y(tǒng)PID控制下采煤機截割高度是否與正弦曲線相匹配，仿真結(jié)果分別如圖3、圖4所示。
圖3 不同控制策略下軌跡的跟蹤情況對比
圖4 不同控制策略下對應(yīng)的跟蹤誤差情況對比
由仿真結(jié)果可知，當(dāng)滑模形成后，基于滑模控制下采煤機截割部與設(shè)定正弦曲線的匹配程度更好，且基于滑?？刂频母櫿`差在系統(tǒng)形成滑模后其比傳統(tǒng)PID控制跟蹤誤差小的多[5]。也就說，基于滑模控制能夠保證采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)獲得更好的控制效果。
4 結(jié)論
采煤機作為綜采工作面的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，其生產(chǎn)效率直接決定綜采工作面的生產(chǎn)能力。為保證采煤機能夠根據(jù)其實際工況對其截割高度進行實時、快速控制，將滑?？刂评砟顟?yīng)用于采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)中。經(jīng)仿真分析可知，基于滑?？刂颇軌虼_保采煤機截割部按照預(yù)定路徑完成截割任務(wù)，且跟蹤誤差遠小于傳統(tǒng)PID控制下的誤差。
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1 采煤機自動調(diào)高控制關(guān)鍵技術(shù)研究
采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)的控制對象可以是搖臂、也可以是系統(tǒng)的截割部，還可以是采煤機本身，其控制目的是要求自動調(diào)高系統(tǒng)能夠根據(jù)煤層厚度、硬度以及地質(zhì)等條件完成對滾筒截割高度的自適應(yīng)控制，從而保證采煤機的最佳截割效果，提升綜采工作面煤炭資源的回采率。目前，針對采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)主要是對設(shè)備的搖臂高度進行調(diào)整，其具有調(diào)高范圍大、裝煤效果好等優(yōu)勢。而且，調(diào)整采煤機搖臂的調(diào)高方式其對應(yīng)的調(diào)高油缸的安裝方式和位置相對靈活[2]。本文所研究采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)的控制對象為搖臂，且調(diào)高油缸的安裝方式為水平安裝。
目前，實現(xiàn)采煤機自動調(diào)高功能主要基于記憶切割技術(shù)，其對應(yīng)的控制原理框圖如圖1所示。
圖1 基于記憶切割技術(shù)的自動調(diào)高控制原理框圖
如圖1所示，基于記憶切割技術(shù)的采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)主要包括有控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及機械系統(tǒng)等分系統(tǒng)。其中，反饋系統(tǒng)主要基于煤巖界面自動識別系統(tǒng)以及相關(guān)數(shù)據(jù)采集部件對所截割煤層的相關(guān)參數(shù)進行采集；控制系統(tǒng)根據(jù)反饋系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)完成對搖臂的自動調(diào)高控制和采煤機牽引速度、牽引方向的控制。分析圖1可知，實現(xiàn)采煤機的自動調(diào)高功能需對實時截割煤層的特性進行充分掌握，對采煤機滾筒的負載特性進行充分掌握，在此基礎(chǔ)上還需有效、可靠自動調(diào)高控制策略實現(xiàn)對采煤機截割高度的控制。
目前，針對采煤機滾筒負載特性和工作面煤巖自動識別技術(shù)的研究已經(jīng)相對成熟。本文將重點對采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)的控制策略進行研究。
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采煤機自動調(diào)高控制系統(tǒng)包括通過基于換向閥對調(diào)高油缸進行控制的繼電器控制系統(tǒng)，還包括通過基于電液比例實現(xiàn)的連續(xù)控制系統(tǒng)。兩種液壓控制系統(tǒng)的對比具體闡述如下：
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基于電液比例閥實現(xiàn)對采煤機搖臂或者截割部的自動調(diào)高能夠復(fù)現(xiàn)上一個生產(chǎn)循環(huán)的截割參數(shù)，包括截割深度、截割速度以及搖臂高度等。
綜上所述，本文將采用以電液比例或伺服液壓控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)實現(xiàn)采煤機的自動調(diào)高功能。
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經(jīng)對當(dāng)前可應(yīng)用于采煤機自動調(diào)高控制策略研究可知，目前主要以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制的應(yīng)用最為廣泛。但是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制還無法很好地適應(yīng)采煤機在實際生產(chǎn)中的參數(shù)突變性和非線性的問題[3]。因此，急需將一種有效控制策略應(yīng)用于采煤機的自動調(diào)高控制中，滑模控制具有較強的不確定動態(tài)特性，尤其適用于非線性系統(tǒng)中。因此，為提升采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本文將滑模控制理念應(yīng)用于自動調(diào)高控制系統(tǒng)中。
3 采煤機自動調(diào)高滑模控制系統(tǒng)研究
3.1 滑?？刂苽鬟f函數(shù)的設(shè)計
從理論上講，滑?？刂朴址Q為變結(jié)構(gòu)控制，其可有效解決在實際控制過程中所存在的模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)不符的問題。鑒于采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)本身就屬于非線性、參數(shù)時變的控制系統(tǒng)，尤其是設(shè)備在實際生產(chǎn)過程中各類液壓元器件的相關(guān)系數(shù)、介質(zhì)溫度等工況參數(shù)的變化對整體運行的影響較大。因此，將滑模控制理念應(yīng)用于采煤機自動調(diào)高控制是提升其控制效果最有效的方法。采煤機自動調(diào)高伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 采煤機自動調(diào)高伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
圖2中，f1為外界對采煤機穩(wěn)定運行的擾動；y為伺服控制系統(tǒng)對調(diào)高油缸控制的位移量?；诨？刂茖崿F(xiàn)對采煤機的自動調(diào)高功能需完成兩個核心步驟：
1）建立采煤機伺服控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；
2）設(shè)計可匹配的滑?？刂破鳎⑻岢鲇行У幕？刂埔?guī)律。
綜合上述兩步驟的結(jié)果最終得出滑?？刂坪瘮?shù)，如式（1）所示：
式中：kv是與采煤機調(diào)高系統(tǒng)中調(diào)高油缸活塞左右兩個腔內(nèi)的有效面積相關(guān)的系數(shù)，結(jié)合所研究采煤機的相關(guān)參數(shù)，取200；wh為采煤機調(diào)高系統(tǒng)中調(diào)高油缸的固有頻率，取26 Hz；ξh為調(diào)高液壓系統(tǒng)的阻尼比，取0.2。
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為驗證3.1中針對采煤機自動調(diào)高所設(shè)計滑?？刂撇呗缘目刂菩Ч竟?jié)將對滑?？刂破骱蛡鹘y(tǒng)PID控制器下對應(yīng)采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)的控制效果進行對比，主要考核項為對比兩種控制策略下采煤機調(diào)高系統(tǒng)是否能夠按照預(yù)定路徑對截割高度進行調(diào)整，并具體分析兩種控制策略下的控制誤差[4]。
假設(shè)采煤機按照正弦曲線的路徑對工作面的煤層進行截割，即驗證滑?？刂坪蛡鹘y(tǒng)PID控制下采煤機截割高度是否與正弦曲線相匹配，仿真結(jié)果分別如圖3、圖4所示。
圖3 不同控制策略下軌跡的跟蹤情況對比
圖4 不同控制策略下對應(yīng)的跟蹤誤差情況對比
由仿真結(jié)果可知，當(dāng)滑模形成后，基于滑模控制下采煤機截割部與設(shè)定正弦曲線的匹配程度更好，且基于滑?？刂频母櫿`差在系統(tǒng)形成滑模后其比傳統(tǒng)PID控制跟蹤誤差小的多[5]。也就說，基于滑模控制能夠保證采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)獲得更好的控制效果。
4 結(jié)論
采煤機作為綜采工作面的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，其生產(chǎn)效率直接決定綜采工作面的生產(chǎn)能力。為保證采煤機能夠根據(jù)其實際工況對其截割高度進行實時、快速控制，將滑?？刂评砟顟?yīng)用于采煤機自動調(diào)高系統(tǒng)中。經(jīng)仿真分析可知，基于滑?？刂颇軌虼_保采煤機截割部按照預(yù)定路徑完成截割任務(wù)，且跟蹤誤差遠小于傳統(tǒng)PID控制下的誤差。
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