采煤自動(dòng)化應(yīng)用以促進(jìn)資源保護(hù)研究

康俊偉

摘 要：滾筒式采煤機(jī)在采煤工作中起到至關(guān)重要的作用，其工作效率的高低直接影響著綜合采煤工作的自動(dòng)化水平。本文以MG200/466-WD型采煤機(jī)為例，對(duì)其自動(dòng)化程度進(jìn)行了研究。針對(duì)滾筒采煤機(jī)由于調(diào)節(jié)滾筒時(shí)速度較慢而導(dǎo)致的搖臂抖動(dòng)問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的單神經(jīng)元PID控制策略對(duì)采煤系統(tǒng)進(jìn)行控制，使?jié)L筒調(diào)整的速度明顯加快，搖臂抖動(dòng)問(wèn)題從根源上得到改善。

關(guān)鍵詞：滾筒式采煤機(jī);PID控制策略;搖臂抖動(dòng)

煤炭是重要能源，我國(guó)大部分的電能需要依賴焚燒煤炭產(chǎn)生，我國(guó)煤炭資源豐富，但石油燃?xì)赓Y源相對(duì)較少。在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，煤炭會(huì)是國(guó)內(nèi)能源的主要組成部分，以煤炭為基礎(chǔ)、多種能源并存的發(fā)展計(jì)劃與戰(zhàn)略布局會(huì)一直指導(dǎo)國(guó)內(nèi)的能源市場(chǎng)。煤炭的高效開(kāi)采是國(guó)內(nèi)能源安全可持續(xù)發(fā)展不可缺少的必要條件。而我國(guó)煤炭開(kāi)采效率并不是很高，安全事故頻發(fā)，由于過(guò)度開(kāi)采導(dǎo)致的資源浪費(fèi)與環(huán)境污染問(wèn)題日益突出。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)開(kāi)采煤炭的機(jī)器自動(dòng)化程度不高，多數(shù)時(shí)候需要人為操控，不能高效地開(kāi)采煤炭，亟需一種高效的采煤自動(dòng)化設(shè)備與控制策略來(lái)提高煤炭開(kāi)采的效率并保障人員安全。

一、滾筒式采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)

滾筒式采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，包含機(jī)械、液壓與控制模塊，在采煤機(jī)帶有大功率慣性負(fù)載的情況下，運(yùn)用傳統(tǒng)PID控制策略很難高效控制采煤機(jī)工作，會(huì)使?jié)L筒式采煤機(jī)超調(diào)量較大且性能較低。滾筒式采煤機(jī)液壓升高系統(tǒng)使用電液比例控制技術(shù)，在調(diào)高過(guò)程中可以較為精準(zhǔn)地控制調(diào)高過(guò)程。

（一）滾筒式采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)的控制模塊

滾筒式采煤機(jī)液壓升高系統(tǒng)精準(zhǔn)控制調(diào)高過(guò)程中有兩個(gè)控制模塊——開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制。

開(kāi)環(huán)控制模塊：先對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行設(shè)置，而后再對(duì)控制的閥門(mén)進(jìn)行變動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)流量的調(diào)節(jié)與控制，最終使采煤機(jī)的滾筒調(diào)高裝置得到較好的調(diào)節(jié)。

閉環(huán)控制模塊：滾筒式采煤機(jī)的調(diào)高控制系統(tǒng)整體是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中，活塞杠的移動(dòng)位置大小由位置傳感器來(lái)檢測(cè)得到，得到此檢測(cè)信號(hào)后，將此信號(hào)與設(shè)定的控制信號(hào)相減做差，將此差值信號(hào)稱為系統(tǒng)的誤差信號(hào)。最后將誤差信號(hào)送入PID控制模塊或其他改進(jìn)的控制策略中，實(shí)現(xiàn)誤差信號(hào)逐步減小，得到理想的輸出信號(hào)，完成對(duì)采煤機(jī)滾筒的調(diào)高控制。

（二）滾筒式采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)的主要裝置

滾筒式采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)的主要裝置有以下幾個(gè)：功率放大裝置、電液比例控制裝置、比較裝置以及位置傳感裝置等。因?yàn)闈L筒切割煤炭時(shí)會(huì)受到阻力與摩擦力的影響，筆者需要將外部的負(fù)載擾動(dòng)加入進(jìn)來(lái)考慮。下面將對(duì)滾筒式采煤機(jī)的調(diào)高控制系統(tǒng)的裝置挑選重點(diǎn)的來(lái)介紹。

1.功率放大裝置

功率放大裝置通常是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)的元件，它可以調(diào)整原設(shè)定信號(hào)的大小，從而達(dá)到使電磁鐵的磁力發(fā)生變化的目的，并且還能通過(guò)輸出信號(hào)來(lái)對(duì)電液比例控制模塊進(jìn)行改變。功率放大裝置是滾筒式采煤機(jī)調(diào)高控制裝置不可或缺的重要組成部分。在整個(gè)系統(tǒng)中，功率放大裝置由電液比例方向閥來(lái)確定，可以由功率放大裝置來(lái)初步建立整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，這個(gè)環(huán)節(jié)是一個(gè)比例環(huán)節(jié)。

2.位置傳感裝置

系統(tǒng)使用的位置傳感裝置采用液壓缸活塞缸的位置信號(hào)作為輸入信號(hào)，將比較裝置給出的電壓差值信號(hào)作為輸出信號(hào)，此裝置的響應(yīng)時(shí)間大大低于機(jī)械裝置的響應(yīng)時(shí)間，因此能將此裝置代表的模塊簡(jiǎn)化為另一個(gè)比例環(huán)節(jié)。

3.常規(guī)PID控制器

在連續(xù)的控制過(guò)程里，將系統(tǒng)反饋的偏差值進(jìn)行比例、積分與微分的組合運(yùn)算，三者的各自占比與誰(shuí)先誰(shuí)后通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，最后將運(yùn)算后的結(jié)果信號(hào)給到被控對(duì)象來(lái)輸出，這種控制過(guò)程被稱為PID控制器。

在控制器中，給定輸入量后，將控制系統(tǒng)實(shí)際輸入值與反饋回的輸出量做減法，得到誤差信號(hào)e（t）。通過(guò)調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)的誤差信號(hào)e（t），最后得到PID控制器的控制輸出。這種控制策略稱之為PID控制。

二、單神經(jīng)元PID算法

滾筒式采煤機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，常規(guī)PID控制已經(jīng)無(wú)法滿足精確控制的需求。因?yàn)樵谶\(yùn)用常規(guī)PID控制策略時(shí)，比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)與微分環(huán)節(jié)的系數(shù)確定后便無(wú)法變動(dòng)。在非線性系統(tǒng)中，確定的PID參數(shù)不能使系統(tǒng)穩(wěn)定并精確控制。因此，亟需一種可以在控制過(guò)程中實(shí)時(shí)根據(jù)外部擾動(dòng)的變化PID參數(shù)而變化的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)如今，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展如火如荼，在各種領(lǐng)域中起到了很好的作用。它最主要的特點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)，不斷根據(jù)外界環(huán)境來(lái)調(diào)整神經(jīng)元之間的權(quán)重，最終得到一個(gè)魯棒性強(qiáng)、精確度高的模型。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有這個(gè)優(yōu)勢(shì)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)PID控制策略在非線性系統(tǒng)時(shí)無(wú)法實(shí)時(shí)改變PID參數(shù)的缺點(diǎn)，所以將PID控制策略與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)，提出一種單神經(jīng)元PID控制算法，使PID控制中的比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)與微分環(huán)節(jié)的系數(shù)可以實(shí)時(shí)調(diào)整。神經(jīng)元的三個(gè)權(quán)重對(duì)應(yīng)與PID控制三個(gè)環(huán)節(jié)的系數(shù)，可以通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)的能力不斷更新三個(gè)控制參數(shù)。

單神經(jīng)元PID控制策略的三個(gè)權(quán)重值可以在不同的規(guī)則下不斷調(diào)節(jié)，相應(yīng)地，它們所對(duì)應(yīng)的三個(gè)控制參數(shù)也可以根據(jù)外部環(huán)境的擾動(dòng)變化而不斷調(diào)整到最佳值，來(lái)實(shí)現(xiàn)較為精確的控制，得到最好的輸出結(jié)果。正因如此，單神經(jīng)元PID控制策略是一個(gè)魯棒性很強(qiáng)的控制器，在非線性系統(tǒng)中可以收到很好的控制效果。

三、結(jié) 語(yǔ)

滾筒式采煤機(jī)在采煤工作中起到了至關(guān)重要的作用，其工作效率的高低直接影響著綜合采煤工作的自動(dòng)化水平。針對(duì)滾筒采煤機(jī)由于上下調(diào)節(jié)滾筒時(shí)速度較慢而導(dǎo)致的搖臂產(chǎn)生抖動(dòng)的問(wèn)題，基于常規(guī)PID控制策略，筆者設(shè)計(jì)的這種改進(jìn)的單神經(jīng)元PID控制策略對(duì)采煤系統(tǒng)進(jìn)行控制，使?jié)L筒向上調(diào)整的速度更快，向下調(diào)整時(shí)活塞桿的速度也明顯地加快，從而使搖臂抖動(dòng)問(wèn)題從根源上得到了改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]王慧，趙國(guó)超，宋宇寧，金鑫.采煤機(jī)調(diào)高過(guò)程的軌跡跟蹤模糊PID控制[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2018，32（08）：164-171.

[2]汪亮培.采煤機(jī)電液比例調(diào)高控制仿真研究[D].安徽理工大學(xué)，2019.

（作者單位：山西焦煤西山煤電馬蘭礦）