張 韜

(鎮(zhèn)城底礦生活公司，山西 太原 030200)

0 引 言

鎮(zhèn)城底礦為基建礦井，開采年限長、設(shè)備老舊、自動化程度低。 采煤機(jī)的自動化改造過程涉及滾筒調(diào)高系統(tǒng)、機(jī)身牽引設(shè)備以及滾筒轉(zhuǎn)速三個部分，而實現(xiàn)滾筒調(diào)高系統(tǒng)的自動控制是采煤機(jī)升級迭代的關(guān)鍵一步。

現(xiàn)有綜采工作面滾筒采煤機(jī)采用的液壓調(diào)高系統(tǒng)，其主控閥類型為電磁換向閥，控制方式為人工控制。 該類型調(diào)高系統(tǒng)存在便捷性差、控制精度低的缺點。 通過對電液比例技術(shù)的研究分析，借助電液比例方向閥線性輸出、控制精度高、抗油污能力強(qiáng)、投入成本可控等優(yōu)勢，并且嘗試引入更有效的智能控制策略——單神經(jīng)元PID 控制策略，實現(xiàn)采煤機(jī)自動調(diào)高系統(tǒng)的精確控制、快速跟蹤響應(yīng)的控制效果。

1 電液比例調(diào)高控制系統(tǒng)

滾筒采煤機(jī)生產(chǎn)運行過程中，需對高度進(jìn)行靈活、快速、精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，而實現(xiàn)采煤機(jī)高效快速掘進(jìn)，則需要通過提升設(shè)備自動化、智能化水平來實現(xiàn)。 采煤機(jī)的調(diào)高控制系統(tǒng)設(shè)計涉及了機(jī)械、液壓、控制等多學(xué)科，專業(yè)跨度大，復(fù)雜程度高。

圖1 為滾筒采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)閉環(huán)示意圖。

圖1 滾筒采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)閉環(huán)示意圖

系統(tǒng)加裝位移傳感器用于采集活塞桿實時位移數(shù)據(jù)，取采集到的檢測信號與給定信號差值為誤差信號，將誤差信號輸入控制器，由提前設(shè)定的控制策略調(diào)節(jié)電液比例方向閥，達(dá)到控制目標(biāo)。 通過分析不難得出，控制策略的選擇將直接影響響應(yīng)速度與控制精度；方向閥的設(shè)備性能直接決定控制策略是否有效[1]。

為了解決方向閥控制精度與跟蹤響應(yīng)速度的問題，選擇采用單神經(jīng)元PID 控制器的控制策略。 單神經(jīng)元PID 控制是結(jié)合了增量式PID 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制得到的，是對傳統(tǒng)PID 控制的優(yōu)化迭代，實現(xiàn)了控制變量Kp、Ki、Kd的動態(tài)調(diào)整，具有良好的非線性與魯棒性。 此外，對電液比例技術(shù)的選擇，則是為了改變原有采煤機(jī)電磁換向閥穩(wěn)定性差、控制精度低的劣勢，通過引入電液比例方向閥，實現(xiàn)輸入、輸出信號的線性關(guān)聯(lián)，避免油液污染，兼顧了成本投入與設(shè)備性能。

為了確保上述控制系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期目的，需進(jìn)行關(guān)鍵元器件選型。

(1) 電液比例方向閥 電液比例方向閥具有良好的壓力補償能力，不會因負(fù)載的波動導(dǎo)致輸出壓力和流量產(chǎn)生較大的變化，連續(xù)、按比例的對油流進(jìn)行控制。 電液比例方向閥通常與功率放大器搭配使用。因系統(tǒng)位置信息采集由位移傳感器負(fù)責(zé)，方向閥內(nèi)部不需要再次采集位移信息，最終選擇GDBFW-03-3C4 型隔爆直通式電液比例方向閥。

(2) 調(diào)高液壓缸 調(diào)高液壓缸主要作用是調(diào)節(jié)活塞桿，改變截割滾筒的高度和位置，同樣作為調(diào)高系統(tǒng)的重要執(zhí)行部件，結(jié)合截割滾筒的工作要求，最終選擇采用W70L-11CA80B7B160AA 型號調(diào)高液壓缸。

(3) 位移傳感器 作為反饋數(shù)據(jù)采集的重要元器件，除了對數(shù)據(jù)采集進(jìn)度、行程長度有要求外，同樣需要關(guān)注其防爆性與抗沖擊能力，最終選擇M-0250-D300-A01 型位移傳感器[2]。

2 系統(tǒng)建模與理論驗證

完成設(shè)備選型后，對電液比例調(diào)高控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)建模與理論驗證。 除了電液比例方向閥、調(diào)高液壓缸、位移傳感器，控制系統(tǒng)還包括比較單元、控制器、功率放大器等。 此外，采煤機(jī)運行過程中不可避免地受到截割阻力，故還需要將系統(tǒng)外部負(fù)載擾動考慮在內(nèi)[3]。

(1) 功率放大器 功率放大器通過控制信號電流的大小影響作用在方向閥的電磁力，達(dá)到比例調(diào)節(jié)的目的。 功率放大器的調(diào)節(jié)模型，可視作比例環(huán)節(jié)。故得到其傳遞函數(shù)Gf(s):

式中:Kf為為放大器增益，A/V。

(2) 電液比例方向閥 實際運行過程中，電液比例控制閥響應(yīng)速度相較于調(diào)高液壓缸要快許多，并且電液比例方向閥運行狀態(tài)與功率放大器保持一致，故其數(shù)學(xué)模型可表示為傳遞函數(shù)Gdy(s):

式中:Kdy為放大器增益， 單位為m3(s·A)-1。

(3) 調(diào)高液壓缸 調(diào)高液壓缸作為調(diào)高系統(tǒng)物理實現(xiàn)性能的重要部件，其實際運行過程中受到多種擾動因素及變量的影響，為了兼顧模型準(zhǔn)確性與建模難度，需要對部分影響采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)運行的因素進(jìn)行理想化處理。 參考文獻(xiàn)[4]中的推導(dǎo)方法，得到調(diào)高液壓缸的傳遞函數(shù)Gtg(s)為:

式中:Kq為流量增益系數(shù)；Am為活塞平均面積；Xv為閥芯位移；A1為無桿腔有效面積；Vt為等效總?cè)莘e；βe為油液體積彈性模量；FL為活塞伸出時的外負(fù)載；Wh為液壓缸固有頻率；ξh為液壓缸阻尼比。

為了便于計算處理，將公式(3)進(jìn)行如下近似處理: ①視系統(tǒng)油源的供油壓力保持穩(wěn)定，即Ps為常數(shù)；②系統(tǒng)供油的油液溫度與油液密度恒定，可不考慮因油液溫度與密度變化帶來的影響。

(4) 位移傳感器 位移傳感器通過采集液壓缸活塞位移信號作為輸入信號，輸出反饋電信號給控制器，對采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)運行狀況進(jìn)行及時反饋。 得到其傳遞函數(shù)Gwy(s)為[5]:

式中:Kwy為增益系數(shù)。

(5) 理論驗證 單神經(jīng)元PID 控制器的相應(yīng)速度與抗干擾性能可通過系統(tǒng)仿真驗證。 給定系統(tǒng)外部負(fù)載為200 kN，對應(yīng)活塞桿位移量為1 mm，取0 ～10 s 相應(yīng)曲線，并與傳統(tǒng)PID 控制策略進(jìn)行對比，取Kp＝4、Ki＝2、Kd＝0.1，可得到圖2 所示的仿真曲線。

對圖2 進(jìn)行分析，1＃實線為傳統(tǒng)PID 控制器的系統(tǒng)響應(yīng)曲線；2＃虛線為單神經(jīng)元PID 控制器的系統(tǒng)相應(yīng)曲線。 1＃實線超調(diào)量為0.24 mm，調(diào)整至穩(wěn)態(tài)耗時4.5 s；2＃虛線超調(diào)量為0.1 mm，調(diào)整至穩(wěn)態(tài)耗時1.5 s。 單神經(jīng)元PID 控制器響應(yīng)速度更快，控制效果更好。

圖2 系統(tǒng)響應(yīng)曲線

進(jìn)一步，驗證其抗干擾性。 在第6 s 將負(fù)載增加200 kN，觀察其恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)的時間，得到圖3 所示仿真曲線。

對圖3 進(jìn)行分析，1＃實線超調(diào)量為0.11 mm，調(diào)整至穩(wěn)態(tài)耗時3 s；2＃虛線超調(diào)量為0.04 mm，調(diào)整至穩(wěn)態(tài)耗時1.5 s。 單神經(jīng)元PID 控制器魯棒性更好，恢復(fù)穩(wěn)態(tài)速度更快。

圖3 擾動突增響應(yīng)曲線

3 應(yīng)用效果

通過半實物仿真平臺對單神經(jīng)元PID 控制策略與電液比例調(diào)高技術(shù)應(yīng)用效果進(jìn)行驗證，單神經(jīng)元PID 控制器通過Simulunk 仿真平臺模擬，用調(diào)高油缸、電液比例發(fā)、位移傳感器搭建調(diào)高系統(tǒng)，軟硬件之間的信號傳輸通過數(shù)據(jù)采集卡完成，系統(tǒng)選用的是研華公司的PCL-1800 型號板卡。 半實物平臺如圖4所示。

圖4 電液比例調(diào)高系統(tǒng)半實物仿真

電液比例調(diào)高控制系統(tǒng)的跟蹤精度、控制效果可通過觀察其跟蹤誤差與采樣誤差得到，為了結(jié)果更加直觀，仍選擇傳統(tǒng)PID 控制器作為標(biāo)定對象。 設(shè)定調(diào)高油缸的軌跡為正弦曲線，滿足:

式中:x為水平位移量，m；htg表示油缸高度，mm。

水平移動速度設(shè)定為4 m/min。 滾筒軌跡跟蹤誤差對比圖如圖5 所示。

圖5 滾筒軌跡跟蹤誤差對比圖

對圖5 進(jìn)行分析，可觀察到，同一時刻單神經(jīng)元PID 控制器的跟蹤誤差均小于傳統(tǒng)PID 控制器，單神經(jīng)元PID 控制器的引入可實現(xiàn)電液比例調(diào)高系統(tǒng)的快速響應(yīng)與運行精度。 傳統(tǒng)PID 控制與單神經(jīng)元PID 控制采樣誤差如圖6、7 所示。

圖6 傳統(tǒng)PID 控制采樣誤差

通過采樣誤差對比，得出在采煤機(jī)運行過程中，同一時刻單神經(jīng)元PID 控制器的采樣誤差更小，波動更平緩。

圖7 單神經(jīng)元PID 控制采樣誤差

4 結(jié) 論

通過對采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的分析比對，分析了電液比例控制系統(tǒng)的實現(xiàn)原理，確定了采煤機(jī)主要元器件具體型號，并分別通過理論仿真與半實物平臺對單神經(jīng)元PID 控制與電液比例調(diào)高系統(tǒng)性能實現(xiàn)進(jìn)行驗證。 得到如下結(jié)論。

(1) 建立的電力比例方向閥到調(diào)高液壓缸的數(shù)學(xué)模型及分析結(jié)果，對后續(xù)相關(guān)研究具有借鑒作用。

(2) 單神經(jīng)元PID 控制器的引入，能減少人工操作的復(fù)雜程度，且響應(yīng)速度更快，抗擾動能力更強(qiáng)。

(3) 應(yīng)用電液比例控制系統(tǒng)使得跟蹤能力更快，跟蹤誤差更小，對鎮(zhèn)城底礦現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備升級改造提供了合理的可行性方案。