張 鋒

（山西西山晉興能源有限責任公司，山西 呂梁 033699）

1 電液比例控制系統(tǒng)的組成

1.1 滾筒調(diào)高系統(tǒng)的工作原理

如圖1 所示，滾筒調(diào)高系統(tǒng)的主控件使用的不再是傳統(tǒng)的電磁電磁換向閥，而是電液比例方向閥。更換的目標是提高控制精度，加強對大慣量的控制。改進后的系統(tǒng)工作流程如下：采煤機調(diào)高時，使調(diào)高液壓缸的位移的數(shù)據(jù)實時被位移傳感器收集，將收集后的數(shù)據(jù)進行處理，與預期設定的數(shù)值進行對比，達到整個系統(tǒng)的閉環(huán)，控制器把處理后的數(shù)據(jù)傳遞給電液比例方向閥，控制器電磁鐵達到調(diào)高控制的目標[1-2]。

圖1 采煤機電液比例調(diào)高控制系統(tǒng)

1.2 電液比例控制系統(tǒng)的硬件選取

1.2.1 比例放大器

本系統(tǒng)中比例放大器最大的特點是同時控制兩個先導闊的電磁鐵，該先導闊的型號是VTVSPA2-1-2X/V0/T1，該模擬放大器的格式是歐洲格式，使用規(guī)定的電壓是24 V，工作最大的功率是50 W，規(guī)定的輸入信號是±10 V，電磁鐵承受電流的最大值是18 A，電磁鐵可以使接受的電壓轉換成電流，轉換后的電流被傳輸給電液比例闊，實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的移動，能夠和輸入的電壓相匹配。系統(tǒng)中比例放大器自身帶有一個限流器的電源，能夠?qū)斎氲碾娏鬟M行限制，提供內(nèi)部所需的正電源電壓和負電源電壓。該電流限制器還能夠防止因電流輸出中的濾波造成的電流[3-4]。

1.2.2 電液比例方向閥

該方向閥的生產(chǎn)廠家博世力士樂公司，使用的類型是先導型比例換向閥，型號是4WRZ10，該比例閥承擔的是該系統(tǒng)的放大功能，產(chǎn)生的作用是讓液壓力能夠和其控制的電信號相匹配，來帶動液壓缸工作。該比例閥的有兩部分工作，一部分工作是電機械化的轉換，該工作是讓輸入的電壓或者電流進入電機械化機器，然后產(chǎn)生相匹配的電磁力或者位移，實現(xiàn)控制器帶動液壓缸工作[5-6]。其原理是電磁力或者位移讓放大器部分的阻尼產(chǎn)生改變，產(chǎn)生控制液壓的信號。

1.2.3 反饋元件

位移傳感器的生產(chǎn)公司是MTS 公司，生產(chǎn)的系列是Temposonics 磁致位移傳感器，這個傳感器的測量方式是非線性測量。該傳感器的非線性測量值為0.001%，重復精度的數(shù)值也是非常的低，為0.001%。鐵磁材料的感性原件是該公司傳感器的重要部分，通常叫做“波導管”，是可以行走的永磁鐵。當信號從傳感器電子頭輸出，當信號通過波導管時，波導管就會產(chǎn)生磁場，磁場的方向是在徑向面上，新磁場與老磁場相互作用，二者相互抵消，就會讓波導管形成“磁致伸縮”現(xiàn)象。

2 PID 控制

PID 是常見的系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制方式，其中P 是比例控制，I 是積分控制，D 是微分控制。PID 字母中的分別表示三個環(huán)節(jié)，三個環(huán)節(jié)按字母的順序排列，第一個環(huán)節(jié)是比例環(huán)節(jié)、第二個環(huán)節(jié)是積分環(huán)節(jié)、第三個環(huán)節(jié)是微分環(huán)節(jié)，如圖2 所示。

圖2 PID 控制算法原理圖

控制系統(tǒng)的偏差：

式中：e（t）為控制偏差；r（t）為系統(tǒng)給定的輸入信號；c（t）為系統(tǒng)的輸出信號。

PID 控制器會進行偏差的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的形式有三種：比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)、微分調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)公式為：

式中：u（t）為輸出信號；kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。

公式中的所有環(huán)節(jié)都具有連續(xù)性。在計算機控制時不能被直接應用，其原因是計算機控制不具有連續(xù)性，收集信息時候只能夠按照不連續(xù)的時間點進行收集。所以計算機應用時應該將上面的公式進行離散化。

離散后的控制公式如下：

式中：k 為采樣序號；u（k）為第k 個采樣時測得的信號偏差值；e（k）為第k 個采樣時測得的信號偏差值；e（k-1）為第k-1 個采樣時測得的信號偏差值。

PID 控制器的輸出u（k）是能夠控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，在精度不夠的情況下，可以相應地減短采樣周期，u（k）是控制系統(tǒng)輸出的關鍵，與它相互匹配的是執(zhí)行機構的狀態(tài)。因此該公式是PID 的控制算法。

在進行計算時，一定會把歷史的狀態(tài)加入其中，進行整體的運算，所以每次的計算結果都是與之前的狀態(tài)有關，這種形式的計算會加大計算機的工作量，因為u（k）是與執(zhí)行機構的狀態(tài)相互匹配的，在現(xiàn)實工作時，計算機偶爾也會出現(xiàn)錯誤，計算機計算u（k）的結果有較大的偏差時，PID 控制系統(tǒng)就會產(chǎn)生大幅度的位移，為了減少這種情況的發(fā)生，增量式的PID 控制算法應運而生。

PID 控制算法的數(shù)值是收集數(shù)據(jù)時的控制值。但是增量PID 控制算法的數(shù)值是控制數(shù)值的增加量，在一些情況下，我們需要的數(shù)值不是控制數(shù)值，反而是增加量，所以在這種情況下要使用增量式控制算法。

3 仿真研究

采用PID 控制器會校正電液比例控制系統(tǒng)，根據(jù)上文所說的方式對控制器進行參數(shù)的擬定。通過多次的試驗，研究得出在Kp、Ki、Kd的數(shù)值依次為0.4，0.984，0.001 時，可以得到理想的校正曲線如圖3，在計算上述的數(shù)值時，會增加系統(tǒng)的響應速度，減少超調(diào)量，并且系統(tǒng)運行也是相對穩(wěn)定的，穩(wěn)態(tài)的誤差相應就會減小。

圖3 PID 控制階躍響應曲線

4 結論

在采煤機滾筒調(diào)高控制系統(tǒng)研究的基礎上討論了電液比例調(diào)高控制系統(tǒng)，建立了相關的公式，分析出相互匹配的關系，該研究是在自適應PID 控制器上，學習調(diào)整比例參數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù)三種參數(shù)。分析對比仿真結果，研究出單獨神經(jīng)元PID 控制器比以往的控制效果要好，其中較為明顯的是動態(tài)響應、穩(wěn)態(tài)精度和自適應能力。將PID 控制器應用在采煤機調(diào)高系統(tǒng)上，可以提高調(diào)高系統(tǒng)對采煤機的控制準確性。