孫洪敏

（同煤集團(tuán)煤峪口礦， 山西 大同 037001）

引言

采煤機(jī)作為煤礦井下綜采設(shè)備的核心，主要依靠調(diào)節(jié)搖臂的截割角度來(lái)滿足不同區(qū)域的截割控制需求，由于采煤機(jī)截割作業(yè)過(guò)程中會(huì)受到來(lái)自巖壁的交變載荷沖擊作用，導(dǎo)致?lián)u臂調(diào)節(jié)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的跳動(dòng)和偏差，現(xiàn)有的采煤機(jī)搖臂高度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)主要采用了PID 控制模式，雖然控制邏輯簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，但無(wú)法適應(yīng)采煤機(jī)自主截割時(shí)的控制精度需求，在實(shí)際使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)截割滾筒觸頂事故，給煤礦井下的綜采效率和安全帶來(lái)了嚴(yán)重的隱患。本文提出了一種新的采煤機(jī)自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，根據(jù)采煤機(jī)搖臂工作過(guò)程中所存在的時(shí)變形性、數(shù)據(jù)采樣不均勻性，在對(duì)搖臂工作過(guò)程中的調(diào)節(jié)誤差進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，建立了自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制修正邏輯，實(shí)現(xiàn)了不同工況下對(duì)搖臂調(diào)節(jié)的自適應(yīng)修正，根據(jù)仿真分析結(jié)果表明，該自適應(yīng)調(diào)高控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)搖臂±0.2 m 的調(diào)高控制精度，跟蹤誤差小、準(zhǔn)確度高，顯著提升了采煤機(jī)的調(diào)高控制精度。

1 搖臂高度控制系統(tǒng)

采煤機(jī)的搖臂調(diào)高控制系統(tǒng)主要由搖臂、截割滾筒、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。在工作時(shí)通過(guò)控制系統(tǒng)接收采煤機(jī)控制中心發(fā)來(lái)的控制指令，然后通過(guò)控制液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，控制搖臂的截割角度和高度，滿足井下不同高度綜采面的綜采需求。以MWG-200/475 型采煤機(jī)為例，采用閥控缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)，要求在不同高度進(jìn)行截割時(shí)能夠快速鎖定，在調(diào)節(jié)時(shí)能夠快速解鎖并移動(dòng)到位。

在調(diào)節(jié)過(guò)程中，對(duì)采煤機(jī)截割滾筒高度進(jìn)行精確監(jiān)控。目前對(duì)搖臂高度的監(jiān)測(cè)主要有兩種，一種是利用角度傳感器對(duì)搖臂的角度變化情況進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的角度和高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)截割高度的判斷，另一種是通過(guò)對(duì)液壓控制系統(tǒng)中執(zhí)行油缸的行程監(jiān)測(cè)[1]，來(lái)推算出截割滾筒的實(shí)際工作高度。由于角度傳感器需要設(shè)置在搖臂和機(jī)身下側(cè)，結(jié)構(gòu)外置而且結(jié)構(gòu)滾筒截割作業(yè)時(shí)在截割載荷沖擊下會(huì)產(chǎn)生一定的振蕩，會(huì)對(duì)角度傳感器的監(jiān)測(cè)精度會(huì)產(chǎn)生較大的影響。對(duì)執(zhí)行油缸活塞桿行程監(jiān)測(cè)的方案不僅監(jiān)測(cè)精度更高，而且控制系統(tǒng)能夠直接控制活塞桿的行程情況，具有更快的響應(yīng)速度，因此更適合自動(dòng)化截割作業(yè)模式下的快速調(diào)節(jié)需求。因此在新的自適應(yīng)高度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，對(duì)搖臂截割滾筒高度的監(jiān)測(cè)選用了第二種模式。采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 搖臂調(diào)高控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，在工作時(shí)電動(dòng)機(jī)3 帶動(dòng)泵4 將油液從油缸1 中抽出，經(jīng)過(guò)凈化過(guò)濾器2、電磁換向閥6、單向閥9/10 后進(jìn)入到執(zhí)行油缸11 內(nèi)，控制活塞桿的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)搖臂工作高度的調(diào)整。同時(shí)為了確保截割高度調(diào)整的快捷性和靈敏性，在系統(tǒng)內(nèi)增加了快速差動(dòng)回路，通過(guò)在單向閥下游設(shè)置液控閥7/8，當(dāng)進(jìn)行高度調(diào)節(jié)時(shí)從執(zhí)行油缸內(nèi)排出的油液能夠快速進(jìn)入到活塞桿的另一側(cè)，既能夠提升調(diào)節(jié)的反應(yīng)速度又能夠加快搖臂調(diào)節(jié)速度，提升采煤機(jī)的截割效率。

2 自適應(yīng)模糊控制器

由于采煤機(jī)在工作時(shí)搖臂會(huì)受到交變載荷的沖擊作用，導(dǎo)致執(zhí)行油缸的活塞桿會(huì)出現(xiàn)小范圍的波動(dòng)，傳統(tǒng)的PID 控制模式邏輯控制相對(duì)簡(jiǎn)單，在控制中無(wú)法對(duì)活塞桿的波動(dòng)進(jìn)行模糊化分析，導(dǎo)致調(diào)節(jié)精度差[2]達(dá)到了±0.8 m，難以滿足采煤機(jī)自動(dòng)截割控制所需的精度要求。因此本文提出了自適應(yīng)模糊控制原理，將自適應(yīng)控制邏輯輸入到自適應(yīng)模糊控制器內(nèi)，降低了模糊規(guī)則的數(shù)量，在保證控制系統(tǒng)良好魯棒性的基礎(chǔ)上，增加了自適應(yīng)控制邏輯，能夠?qū)钊麠U的波動(dòng)情況進(jìn)行自適應(yīng)分析，給出核實(shí)的調(diào)節(jié)余量，滿足了調(diào)節(jié)精度的控制需求。

由于搖臂在截割作業(yè)時(shí)的抖動(dòng)特性，因此無(wú)法直接利用活塞桿的行程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，因此在自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)中，需要系統(tǒng)的輸出變量能夠迅速跟進(jìn)采煤機(jī)的截割規(guī)劃路徑參數(shù)，設(shè)定自適應(yīng)模糊控制器的輸出信號(hào)為y（t），采煤機(jī)搖臂的截割規(guī)劃路徑參數(shù)為xd，則系統(tǒng)在工作時(shí)的跟蹤誤差 e（t）可表示為：

結(jié)合采煤機(jī)搖臂調(diào)節(jié)控制需求，該自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制邏輯可表示為[3]：

式中：u（t）為系統(tǒng)的輸入控制量；b 為非線性控制函數(shù)；f（x，t）為活塞桿振蕩控制函數(shù)；d（t）為活塞桿位移變化函數(shù)；xd（n）為系統(tǒng)輸出時(shí)變函數(shù)；usw為系統(tǒng)模糊逼近控制函數(shù)。

3 系統(tǒng)仿真分析

為了驗(yàn)證該采煤機(jī)自適應(yīng)調(diào)高控制系統(tǒng)的控制效果，利用MATLAB 仿真分析軟件建立調(diào)高系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)高控制模式，根據(jù)MWG-200/475 型采煤機(jī)的實(shí)際參數(shù)，設(shè)置執(zhí)行油缸的有效面積為0.113 m2，活塞桿滑動(dòng)時(shí)的摩擦力為350 N，液壓油的彈性模量為1 000 MPa，油液的密度為900 kg/m3，執(zhí)行油缸的油液泄露系數(shù)為1，該控制系統(tǒng)的模糊控制原理如圖2 所示[4]。

由于目前采煤機(jī)主要通過(guò)PID 控制模式對(duì)搖臂的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，因此為了確定新的控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果，將其與PID 控制進(jìn)行對(duì)比，不同控制方式下的位移跟蹤曲線和跟蹤誤差曲線如圖3 所示。

圖2 自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制邏輯示意圖

圖3 不同控制方式下的控制誤差對(duì)比

由圖3-1 可知，在控制過(guò)程中PID 控制情況下的位移跟蹤與輸入的控制信號(hào)存在一定的差異性，特別是在位移變化的時(shí)候，自適應(yīng)滑模控制表現(xiàn)出了更快的響應(yīng)速度和更高的跟蹤精度，穩(wěn)定性優(yōu)于PID 控制。由圖3-2 可知，在PID 控制模式下，偏差變化量達(dá)到了-0.6～+1 m，而在新的自適應(yīng)控制模式下的偏差變化量最大為-0.3～+0.1 m，顯著提升了采煤機(jī)搖臂的調(diào)節(jié)控制精度和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）執(zhí)行油缸活塞桿行程監(jiān)測(cè)的方案不僅監(jiān)測(cè)精度更高，而且控制系統(tǒng)能夠直接控制活塞桿的行程情況，具有更快的響應(yīng)速度，更高的調(diào)節(jié)靈敏性；

2）自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)，在保證了控制系統(tǒng)良好魯棒性的基礎(chǔ)上，增加了自適應(yīng)控制邏輯，能夠?qū)钊麠U的波動(dòng)情況進(jìn)行自適應(yīng)分析，滿足了調(diào)節(jié)精度的控制需求。

3）自適應(yīng)模糊控制精度約為±0.2 m，具有更高的控制精度和更優(yōu)的調(diào)節(jié)靈敏性。