于志強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺礦，山西 大同 037003）

引言

在全斷面掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)的過程中，由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，使得掘進(jìn)機(jī)在作業(yè)過程中的掘進(jìn)速度需依據(jù)不同的工況得到及時調(diào)整，滿足安全高效的作業(yè)。對于掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度，主要是通過推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的[1]，對于推進(jìn)系統(tǒng)的系統(tǒng)，目前主要采用的方式為采用液壓系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制，這是由于液壓系統(tǒng)相對于電機(jī)驅(qū)動，不需要高壓電源的供電，容易實現(xiàn)同步控制。采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行掘進(jìn)速度控制的精確性，常用的主要有普通的PID 控制方式，為目前使用較多的控制方式，而隨著控制技術(shù)的發(fā)展，模糊PID 控制的出現(xiàn)，給液壓系統(tǒng)的控制提供了新的方式，對于這兩種控制方式的優(yōu)劣，采用AMESim 進(jìn)行液壓系統(tǒng)的建模，并進(jìn)行兩種不同控制方式的仿真分析。

1 掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)及其控制方式

1.1 掘進(jìn)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)的系統(tǒng)組成示意圖如圖1 所示，推進(jìn)系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)提供動力，以推進(jìn)油缸作為執(zhí)行元件，推動主軸及刀盤克服阻力進(jìn)行掘進(jìn)。在進(jìn)行推進(jìn)的過程中，通過前支撐的上下支撐部分來調(diào)整機(jī)身，前后支撐靴在油缸的調(diào)節(jié)下進(jìn)行固定。在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)時，前后支撐靴起固定機(jī)身的作用，通過推進(jìn)系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)來控制推進(jìn)油缸，實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)，在推進(jìn)油缸的作用下，刀盤進(jìn)行巖層的切割，并將碎石進(jìn)行輸出[2]，完成切割過程。推進(jìn)系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)主要由油箱、液壓泵、推進(jìn)油缸、比例閥及相應(yīng)的傳感器組成。液壓泵采用斜盤結(jié)構(gòu)軸向柱塞變量泵，通過恒功率閥及相應(yīng)的連接結(jié)構(gòu)，保證液壓泵的恒功率輸出。

圖1 掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)示意

對于掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，采用AMESim 軟件進(jìn)行液壓系統(tǒng)的建模。AMESim 軟件是液壓、機(jī)械、控制等多學(xué)科系統(tǒng)的綜合建模應(yīng)用仿真平臺，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的交叉控制仿真，避免模型的相互傳輸及平臺的切換使用，提高仿真分析的靈活性。采用AMESim 進(jìn)行系統(tǒng)的仿真分析，分為四個主要步驟，包括草圖繪制、選型、賦值及仿真分析。依據(jù)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的液壓原理及組成，采用AMEsim 建立液壓系統(tǒng)的模型如圖2 所示。

圖2 推進(jìn)系統(tǒng)液壓模型

1.2 液壓推進(jìn)系統(tǒng)的控制方式

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對于工業(yè)控制的精度要求越來越高。在工業(yè)控制領(lǐng)域，面臨著多樣的環(huán)境變換及參數(shù)的不可控，為了解決這一問題，PID 控制方式成為了較多的選擇。PID 控制方式經(jīng)過較長時間的使用及驗證，具有良好的控制效果，并且技術(shù)發(fā)展較為成熟，在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。PID 控制效果突出，可以對變量進(jìn)行實時糾正，并且控制結(jié)構(gòu)也簡單，并且控制過程不需要精確的數(shù)學(xué)模型，能直接對被控制量進(jìn)行監(jiān)視及反饋。模糊控制相對于控制理論是較大的提升[3]，不依靠數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行控制器的創(chuàng)建，通過模糊集合采用一定的模糊規(guī)則進(jìn)行推理，來實現(xiàn)控制的精確性。

PID 控制通過系統(tǒng)的比例、微分、積分系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而模糊PID 控制則相對于PID 控制增加了模糊控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過合適的轉(zhuǎn)換開關(guān)量[4]，來進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制。模糊PID 控制相對于PID 控制出現(xiàn)的時間不長，在掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用尚不廣泛，對于其控制性能，需要進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。

2 基于AMESim掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的仿真分析

根據(jù)使用的掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)參數(shù)對于建立的液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行元件的賦值，采用MATLAB 進(jìn)行模糊算法的編寫，將MATLAB 作為AMEsim數(shù)據(jù)處理的工具[5]，進(jìn)行液壓系統(tǒng)的仿真分析。依據(jù)系統(tǒng)使用實際操作的PID參數(shù)，設(shè)定變化的負(fù)載推力如圖3 所示。

圖3 負(fù)載推力變化曲線

依據(jù)圖3 中的負(fù)載曲線分別對推進(jìn)液壓系統(tǒng)進(jìn)行PID 控制和模糊PID 控制，依據(jù)模型進(jìn)行仿真分析，在運(yùn)行過程中，設(shè)定同樣的干擾信號，對于系統(tǒng)的響應(yīng)仿真分析得到如圖4 所示的結(jié)果曲線。從圖4 可以看出，兩種不同形式的控制方式在負(fù)載干擾的情況下，模糊PID 控制方式的調(diào)節(jié)效果要明顯的好于普通的PID 控制方式，具有較高的響應(yīng)速度，產(chǎn)生較小的波動，并且在穩(wěn)定性、超調(diào)量上都要比普通的PID 控制方式效果要好，這說明了模糊PID 控制對于掘進(jìn)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)具有較好的實用性，可以提高系統(tǒng)的性能。

圖4 液壓推進(jìn)系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

3 結(jié)論

1）模糊PID 控制方式的調(diào)節(jié)效果要明顯地好于普通的PID 控制方式，在掘進(jìn)機(jī)的液壓推進(jìn)系統(tǒng)中具有較高的響應(yīng)速度，產(chǎn)生較小的波動，可以提高掘進(jìn)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且在超調(diào)量上要小于普通的PID控制方式，有利于減小元件在使用過程中的沖擊性，提高元件的使用壽命，提高系統(tǒng)的效率。

2）采用模糊PID 控制對于掘進(jìn)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)具有較好的實用性，可以提高系統(tǒng)的性能，結(jié)合全斷面掘進(jìn)機(jī)的高效率掘進(jìn)，可以實現(xiàn)煤礦的高效開采，滿足煤炭的大量需求。