劉 杰

（西山煤電集團(tuán)公司官地礦， 山西 太原 030022）

引言

隨著科技水平的不斷發(fā)展，煤礦井下綜采作業(yè)自動(dòng)化程度得到了極大地提高，采煤機(jī)作為一種高效的煤炭綜采設(shè)備，在煤礦井下占據(jù)著十分重要的地位，其工作時(shí)的穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度直接決定了煤礦井下的綜采作業(yè)效率和安全性。采煤機(jī)在工作中主要是依靠調(diào)節(jié)懸臂的角度實(shí)現(xiàn)不同高度煤炭的截割，但由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，通常采用人工控制的方式進(jìn)行截割作業(yè)，在實(shí)際應(yīng)用中，人工極易疲勞，經(jīng)常發(fā)生觸頂事故，導(dǎo)致截齒損壞，極大影響了煤礦井下的綜采作業(yè)效率和安全性。因此本文根據(jù)長期工作經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，提出了一種截割高度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，利用變結(jié)構(gòu)控制的原理，實(shí)現(xiàn)井下復(fù)雜條件下的精確高度控制。實(shí)際應(yīng)用表明，該控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高，對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)，具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 變結(jié)構(gòu)控制原理

變結(jié)構(gòu)控制是一種新的基于非線性化特性的控制原理[1]，適用于在控制邏輯中存在不確定性大的控制結(jié)構(gòu)，在控制過程中通過不斷切換系統(tǒng)信號(hào)控制量來確?？刂茢?shù)據(jù)沿著理論的控制曲線進(jìn)行，確保了當(dāng)系統(tǒng)受到外界的干擾作用時(shí)能夠快速回到既定的控制滑模面。

采用變結(jié)構(gòu)控制對(duì)采煤機(jī)工作過程中的懸臂高度進(jìn)行調(diào)節(jié)的機(jī)理是，以懸臂驅(qū)動(dòng)油缸活塞桿的位移傳感器監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為基本的調(diào)整函數(shù)[2]，以此為基礎(chǔ)建立變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程，然后設(shè)定采煤機(jī)懸臂工作過程中的控制切換函數(shù)和變結(jié)構(gòu)控制規(guī)律，獲得最終的具有數(shù)據(jù)修正的采煤機(jī)變結(jié)構(gòu)控制邏輯，滿足對(duì)采煤機(jī)工作時(shí)懸臂調(diào)節(jié)高度的精確、穩(wěn)定控制，變結(jié)構(gòu)控制邏輯如圖1所示。

圖1 變結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)示意圖

2 采煤機(jī)變結(jié)構(gòu)調(diào)高控制系統(tǒng)的仿真分析

該采煤機(jī)變結(jié)構(gòu)調(diào)高控制系統(tǒng)中，根據(jù)采煤機(jī)所用的執(zhí)行油缸，在仿真分析時(shí)設(shè)定其工作時(shí)的固有頻率為25 Hz，其液壓控制系統(tǒng)的阻尼比[3]為0.3，執(zhí)行油缸的活塞截面積為16×10-3m2，活塞桿的截面積為4×10-3m2，利用仿真分析測試系統(tǒng)分別對(duì)采用變結(jié)構(gòu)調(diào)高控制和傳統(tǒng)控制方式的控制效果進(jìn)行仿真分析，不同控制方式下的采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)位移跟蹤量變化情況如圖2所示。

圖2 不同控制方式下采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)位移跟蹤曲線示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)采用傳統(tǒng)的控制方式時(shí)，采煤機(jī)的調(diào)高機(jī)構(gòu)對(duì)位移跟蹤的修正緊跟理論輸出的控制量，但在位移跟蹤發(fā)生變化的位置，傳統(tǒng)控制方式的位移跟蹤和實(shí)際理論控制值之間有約0.2 m的差值，并且在變化時(shí)會(huì)有約0.15 s的提前或者滯后量，極易導(dǎo)致采煤機(jī)截割滾筒在工作時(shí)出現(xiàn)觸頂、提前落刀，影響煤炭回采率。當(dāng)采用變結(jié)構(gòu)控制時(shí)，采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)在控制下能夠很好地與理論輸出控制量相匹配，僅在位移量變化時(shí)出現(xiàn)約0.05 s的提前量或者滯后量，對(duì)采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)高度調(diào)節(jié)影響可以忽略不計(jì)，完全能夠滿足在煤礦井下對(duì)采煤機(jī)搖臂的調(diào)高控制要求。

3 采煤機(jī)變結(jié)構(gòu)調(diào)高控制系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證

在仿真分析的基礎(chǔ)上，本文以煤礦井下采煤機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)該控制系統(tǒng)在采煤機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)采煤機(jī)搖臂調(diào)節(jié)油缸位移的監(jiān)測采用了德國進(jìn)口的拉繩位移傳感器[4]，其具有0.0005%的重復(fù)精度，測量線性度好，對(duì)井下惡劣環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，能夠最大限度地確保對(duì)采煤機(jī)搖臂調(diào)節(jié)位移控制的精確性。在試驗(yàn)時(shí)將該位移傳感器設(shè)置在執(zhí)行油缸的活塞桿上，同時(shí)在執(zhí)行油缸的進(jìn)液口和出液口位置均設(shè)置有壓力傳感器，滿足對(duì)工作過程中執(zhí)行油缸工作壓力的監(jiān)測，采煤機(jī)在工作過程中執(zhí)行油缸活塞桿的目標(biāo)跟蹤曲線如圖3所示。

圖3 不同控制方式下采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)位移跟蹤曲線示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)采用變結(jié)構(gòu)調(diào)高控制系統(tǒng)后，采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)在工作過程中的位移變化情況完全按照目標(biāo)位移曲線進(jìn)行，在調(diào)整過程中的偏差小于1 mm，受擾動(dòng)情況下能夠快速進(jìn)行跟蹤數(shù)據(jù)的修正，使其滿足對(duì)目標(biāo)位移曲線高精度跟蹤調(diào)整的控制效果。

4 結(jié)論

1）變結(jié)構(gòu)控制是一種新的具有非線性化特性的控制原理，適用于在控制邏輯中存在不確定性大的控制結(jié)構(gòu)，在控制過程中通過不斷切換系統(tǒng)信號(hào)控制量來確?？刂茢?shù)據(jù)沿著理論的控制曲線進(jìn)行，控制精度高；

2）當(dāng)采用變結(jié)構(gòu)控制時(shí)，在位移量變化時(shí)出現(xiàn)約0.05 s的提前量或者滯后量，對(duì)采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)高度調(diào)節(jié)影響可以忽略不計(jì)，完全能夠滿足在煤礦井下對(duì)采煤機(jī)搖臂的調(diào)高控制要求；

3）當(dāng)采用變結(jié)構(gòu)控制時(shí)，采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)在工作過程中的位移變化情況完全按照目標(biāo)位移曲線進(jìn)行，在調(diào)整過程中的偏差小于1 mm，受擾動(dòng)情況下能夠快速進(jìn)行跟蹤數(shù)據(jù)的修正。