梁 凱

(西山煤電(集團)有限責(zé)任公司 職業(yè)病防治所，山西 太原 030053)

0 引言

采煤機是煤炭開采最重要的設(shè)備之一，其控制性能關(guān)系到采煤效率和設(shè)備安全。采煤機自動控制系統(tǒng)中，截割部的滾筒調(diào)高和牽引部的電機調(diào)速是重要內(nèi)容。采用PID控制器進行控制，對控制對象的數(shù)學(xué)模型準確性要求較高，參數(shù)整定比較困難，若參數(shù)選擇不合適將會導(dǎo)致控制性能下降。將模糊算法、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與傳統(tǒng)PID控制器相結(jié)合，使控制器具有參數(shù)自整定功能，改善了PID控制器的控制性能，使采煤機在采煤過程中自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)，提高了控制性能和設(shè)備安全性。

1 采煤機自動控制系統(tǒng)

采煤機自動控制系統(tǒng)的主要功能是對牽引部、截割部的控制以及對采煤機本身各類運行狀態(tài)的感知。圖1為采煤機自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過安裝在采煤機機身各部位的旋轉(zhuǎn)編碼器、電流傳感器、溫度傳感器和傾角傳感器采集采煤機的運行狀態(tài)，將工作面位置、電機電流、電機溫度和采煤機姿態(tài)等信息通過模數(shù)轉(zhuǎn)換或CAN通信接口上傳至控制器，控制器將采煤機此時的運行狀態(tài)和自動截割相關(guān)算法結(jié)合起來，計算出下次截割動作和牽引動作應(yīng)執(zhí)行的控制指令，并通過調(diào)高PID控制器向滾筒油缸和截割電機發(fā)出截割和調(diào)高指令，通過調(diào)速PID控制器向牽引電機發(fā)出轉(zhuǎn)向和調(diào)速指令，完成對采煤機的自動控制。在自動控制過程中，所有的控制參數(shù)和運行數(shù)據(jù)都會通過保護邏輯進行處理，對異?；蚬收习l(fā)出報警信號或停機指令。除上述基本的控制、監(jiān)測和保護等功能外，在采煤機自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展的智能控制系統(tǒng)還增加了記憶截割和遠程監(jiān)控平臺，控制器通過CAN總線將采煤機實時控制參數(shù)和運行數(shù)據(jù)發(fā)送給遠程監(jiān)控平臺。

圖1 采煤機自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 自整定PID控制器

PID控制是經(jīng)典控制理論中一種簡單有效的控制方法。如圖2(a)所示，它首先取得被控量的給定值和實際值之差，然后對其進行比例、積分和微分運算，然后將三個運算結(jié)果相加作為控制器的輸出值，被控對象在此控制指令下進行調(diào)整，在閉環(huán)反饋的作用下，被控量經(jīng)過多次調(diào)整，逐步接近給定值，直到達到控制目標(biāo)。傳統(tǒng)的PID控制器只適用于線性時不變系統(tǒng)，然而在采煤機的運動過程中，由于某些不可預(yù)知的因素或被控對象的非線性特性，控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可能會發(fā)生明顯變化，因此傳統(tǒng)PID控制已經(jīng)不能滿足采煤機智能化要求。自20世紀初開始就出現(xiàn)了一些對傳統(tǒng)PID控制方法進行改進的控制思想，將傳統(tǒng)的PID控制器與模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等結(jié)合起來，形成了一系列控制參數(shù)自整定的PID控制方法，體現(xiàn)了采煤機智能化的發(fā)展方向。圖2(b)為基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的自整定PID控制器結(jié)構(gòu)圖，在傳統(tǒng)PID控制器的基礎(chǔ)上，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以控制器輸出u、控制對象輸出yout、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸出和控制對象輸出之差ymout-yout作為輸入，輸出為對PID參數(shù)的調(diào)整，在每一次閉環(huán)反饋的調(diào)整過程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法都會改變一次PID參數(shù)，使得PID參數(shù)迅速收斂于合適的值，這樣就加快了動態(tài)調(diào)整的時間，在被控對象發(fā)生變化后依然能夠保持控制的有效性。

圖2 傳統(tǒng)PID控制器和自整定PID控制器結(jié)構(gòu)

3 自整定PID在采煤機調(diào)高中的應(yīng)用

隨著我國智能化礦山的建設(shè)，采煤機作為煤炭領(lǐng)域的重要設(shè)備，逐步發(fā)展出了多種智能化技術(shù)，包括記憶截割技術(shù)、液壓支架和采煤機聯(lián)動技術(shù)、工作面顯示與信息傳輸技術(shù)等。其中記憶截割技術(shù)是采煤機一項重要的智能化技術(shù)，它通過人工示范第一刀，將采煤機工作面位置、行走方向、自身姿態(tài)等信息與第一刀的截割動作進行對比分析，并與控制器調(diào)取的存儲在內(nèi)部的滾筒姿態(tài)進行對比。隨著采煤機在工作面的行進，煤層的厚度和煤巖硬度不斷發(fā)生變化，采煤機的調(diào)高搖臂會將截割滾筒的載荷返送給油缸，油缸在此反作用力的影響下經(jīng)常損壞，因此在采煤過程中，滾筒的調(diào)高需要同步進行?？刂破魍ㄟ^調(diào)整PID參數(shù)，使得滾筒調(diào)高的控制性能得到改善，實現(xiàn)自適應(yīng)截割。滾筒調(diào)高是記憶截割技術(shù)中重要的控制過程，其工作原理為：通過傳感器采集調(diào)高油缸的位置信息，通過A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號處理器可接收的數(shù)字信號，控制系統(tǒng)經(jīng)過模糊PID算法得出相應(yīng)的控制信號，通過D/A轉(zhuǎn)換器變換為模擬信號，然后經(jīng)過驅(qū)動電路放大，對滾筒液壓換向閥進行控制，液壓換向閥在控制電壓的作用下改變油缸的伸縮長度，從而改變調(diào)高油缸的高度。

4 自整定PID在采煤機調(diào)速中的應(yīng)用

從技術(shù)發(fā)展的角度來看，我國生產(chǎn)的采煤機調(diào)速經(jīng)歷了液壓調(diào)速、滑差調(diào)速和電氣調(diào)速的過程。目前采用電氣調(diào)速的國產(chǎn)采煤機已經(jīng)占據(jù)了主要的市場，從調(diào)速電氣設(shè)備原理來看，又分為交流變頻調(diào)速方式、開關(guān)磁阻電機調(diào)速方式和電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速方式，其中應(yīng)用最為廣泛的是交流變頻調(diào)速，該方式效率高、性能好、成本低，對于異步電機的適應(yīng)性強。但是由于變頻器的機械特性，采煤機在大傾角工作面啟動和停止時，若液壓閘和變頻器對電機的勵磁配合不當(dāng)，會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩過大、電機堵轉(zhuǎn)，導(dǎo)致牽引裝置內(nèi)部的齒輪損傷、負載突變時還會導(dǎo)致采煤機滑坡。為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，技術(shù)人員在采煤機大傾角啟停過程中會根據(jù)采煤機機型和工作面傾角等現(xiàn)場情況擬定勵磁時間和松閘時間，實現(xiàn)開環(huán)調(diào)速，這種方法的缺點一是依賴工作人員的經(jīng)驗，二是隨著工作面的變化還得重新調(diào)整參數(shù)。有研究人員將模糊自整定PID控制器和串級控制結(jié)合起來，通過變頻器輸出電流的變化改變采煤機牽引部的運動狀態(tài)，當(dāng)采煤機工作在大傾角工作面時改善了動態(tài)調(diào)節(jié)過程，使得采煤機平滑調(diào)速，避免下滑。液壓調(diào)速適用于大慣量采煤機控制系統(tǒng)，具有力矩大、控制精度高的特點，有研究人員將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制器結(jié)合起來，對電液恒功率系統(tǒng)進行調(diào)速設(shè)計，相比于傳統(tǒng)的PID控制器，該控制方式具有更高的精度和響應(yīng)特性。

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)PID控制器的參數(shù)是固定的，在采煤機滾筒調(diào)高和牽引部調(diào)速等非線性時變系統(tǒng)應(yīng)用場景中性能不夠優(yōu)秀。將模糊算法、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等與傳統(tǒng)PID控制器結(jié)合起來，使得控制器具有參數(shù)自整定的功能，在采煤機滾筒調(diào)高、變頻調(diào)速和電液恒功率調(diào)速中發(fā)揮了突出的作用，實現(xiàn)了提高控制精度，降低故障率的控制效果。隨著我國智慧礦山的發(fā)展，采煤機的智能化控制將越發(fā)體現(xiàn)出其省人工、高效率的優(yōu)勢。