基于RBF的掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)PID推進(jìn)控制系統(tǒng)

蘇國亮

(山西焦煤集團(tuán) 嵐縣正利煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033500)

煤礦掘進(jìn)機(jī)在工作時主要依靠旋轉(zhuǎn)的截割機(jī)構(gòu)將巖層進(jìn)行破碎作業(yè)，掘進(jìn)機(jī)工作時的掘進(jìn)速度、工作壓力以及巖層硬度直接影響掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩，決定著掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際工作效率[1]. 目前，對掘進(jìn)機(jī)聯(lián)合控制系統(tǒng)的研究，并沒有對速度和壓力之間的相互影響因素進(jìn)行分析，當(dāng)作用在截割機(jī)構(gòu)上的載荷沖擊忽然增大、截割機(jī)構(gòu)推進(jìn)油缸運(yùn)行速度變小時，系統(tǒng)仍然會按預(yù)定的速度控制程序給出推進(jìn)速度增加的信號，導(dǎo)致掘進(jìn)速度出現(xiàn)反復(fù)的波動，嚴(yán)重影響掘進(jìn)機(jī)的工作效率，降低了系統(tǒng)的工作可靠性。

為優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升掘進(jìn)效率，以掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度和系統(tǒng)的工作壓力為研究對象，將系統(tǒng)的壓力作為掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度調(diào)節(jié)的反饋信號，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對PID自適應(yīng)控制進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)利用PID對系統(tǒng)溢流閥和速度調(diào)節(jié)閥的控制，精確調(diào)整比例閥的開口大小，確保掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度和自適應(yīng)控制器所設(shè)定的運(yùn)行速度的吻合。

1 掘進(jìn)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理

掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的液壓原理見圖1，在執(zhí)行推進(jìn)作業(yè)時，液壓泵工作，將液壓油從油缸中抽出通過比例調(diào)速閥及電磁換向閥進(jìn)入到推進(jìn)油缸的無桿腔內(nèi)，推進(jìn)掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)前進(jìn)，在無桿腔進(jìn)油的過程中同步調(diào)整溢流閥的壓力，確保無桿腔推進(jìn)過程中壓力的穩(wěn)定。設(shè)置在進(jìn)油管路上的壓力變送器和執(zhí)行油缸上的速度變送器分別實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的壓力和活塞桿的行程，經(jīng)過自適應(yīng)控制器的分析，發(fā)出反饋信號給調(diào)速閥，完成對液壓控制系統(tǒng)的調(diào)整。在該液壓推進(jìn)控制系統(tǒng)中將在某個單位時間內(nèi)的無桿腔工作壓力的均值作為調(diào)整推進(jìn)速度的聯(lián)合控制輸入信號，系統(tǒng)的實(shí)際工作壓力大于設(shè)定壓力時推進(jìn)速度的增量將保持恒定不變，如果實(shí)際工作壓力小于系統(tǒng)設(shè)定壓力，則系統(tǒng)的推進(jìn)速度將由RBF-PID自適應(yīng)控制器進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)控制。

1—安全閥 2—液壓泵 3—比例調(diào)速閥 4—電磁換向閥 5—比例溢流閥 6—壓力變送器 7—執(zhí)行油缸 8—速度變送器圖1 掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的液壓原理圖

2 掘進(jìn)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的建模

掘進(jìn)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)在工作中，系統(tǒng)比例調(diào)速閥的流量方程可表示為：

q2=kq2y2

式中：

kq2—單位閥芯位移所對應(yīng)的流量，L/min·mm；

y2—比例溢流閥的閥芯的位移，mm；

q2—比例調(diào)速閥的流量，L/min.

節(jié)流閥工作時閥芯的運(yùn)動方程可表示為[2]：

式中：

D2—流體流動時的黏性摩擦系數(shù)；

FM2—閥芯運(yùn)動時電磁鐵作用在閥芯上的推力，N；

k2—閥芯上復(fù)位彈簧的剛度，N/mm；

m2—節(jié)流閥的閥芯質(zhì)量，kg.

推動油缸的連續(xù)性流量方程可表示為：

式中：

A—活塞桿的橫截面積，m2；

Ctc—液壓油的黏滯阻尼系數(shù)；

E—液壓油的體積彈性模量；

V—推動缸高壓腔的容積,L；

pL—負(fù)載的壓力，MPa.

推動油缸的活塞桿運(yùn)動方程可表示為：

式中：

M—活塞桿及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總重量,kg；

FL—執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用在活塞桿上的負(fù)載，N；

K—彈簧的負(fù)載剛度，N/mm；

BV—彈簧的阻尼系數(shù)；

x—活塞桿的位移,mm.

3 推進(jìn)系統(tǒng)的RBF-PID自適應(yīng)控制原理

RBF-PID自適應(yīng)控制器包括PID控制器以及RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器兩個部分。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)信息分析識別出該目標(biāo)數(shù)據(jù)的近似數(shù)學(xué)模型，然后利用該數(shù)據(jù)模型替代所輸入的控制目標(biāo)，同時對PID控制器的控制參數(shù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)目標(biāo)的自適應(yīng)調(diào)整，掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)推進(jìn)控制系統(tǒng)的工作原理見圖2.

圖2 掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的自適應(yīng)控制原理示意圖

由圖2可知，在該控制模式下，系統(tǒng)將掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際推進(jìn)速度和推進(jìn)油缸活塞桿的速度對比，計(jì)算出兩者之間的差值并輸入到自適應(yīng)控制器中，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的作用下對輸入PID控制器中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行不斷調(diào)整，確保掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際推進(jìn)速度與系統(tǒng)設(shè)定速度的差值維持在要求的范圍內(nèi)。系統(tǒng)同時會對推動油缸無桿腔處的壓力變化情況進(jìn)行不間斷監(jiān)測，若壓力已達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的壓力則將對掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)速度進(jìn)行降速調(diào)整，避免作用在截割滾筒上的壓力過大損壞截齒，當(dāng)壓力小于設(shè)定壓力時則增加推進(jìn)速度，確保截割效率。

4 掘進(jìn)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)工作特性的仿真分析

利用AMEsim仿真分析軟件建立掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，利用MATLAB仿真分析軟件建立自適應(yīng)控制系統(tǒng)的模型[3]，在進(jìn)行聯(lián)合仿真分析時將應(yīng)用系統(tǒng)中壓力調(diào)節(jié)閥和調(diào)速閥系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)值作為MATLAB的設(shè)定輸出值[4]，液壓推進(jìn)系統(tǒng)速度變化曲線見圖3.

圖3 掘進(jìn)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)速度變化曲線圖

由圖3可知，當(dāng)在進(jìn)行仿真分析時，將速度調(diào)節(jié)閥的目標(biāo)速度設(shè)置為0.8 mm/s，在仿真開始的第4 s給系統(tǒng)一個60 kN的負(fù)載擾動，在聯(lián)合自適應(yīng)控制器的作用下系統(tǒng)僅需約0.1 s即可恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)并快速達(dá)到設(shè)定的速度。

推進(jìn)油缸在負(fù)載突變情況下的控制輸出量變化曲線見圖4. 由圖4可知，在作用于截割機(jī)構(gòu)上的負(fù)載發(fā)生突然增大時，系統(tǒng)并沒有將油壓信號作為速度調(diào)整的執(zhí)行信號，而僅將其作為一個速度調(diào)節(jié)的參考量，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時控制器所輸出的速度調(diào)節(jié)增量為零，見圖4b)中的虛線。由此表明，在采用基于RBF的掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)PID推進(jìn)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的情況下能夠有效避免工作中掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度與工作壓力之間的協(xié)調(diào)性，避免出現(xiàn)壓力及速度突變的情況，維持掘進(jìn)機(jī)截割推進(jìn)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

5 結(jié) 論

通過對掘進(jìn)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)工作原理的分析，建立了液壓推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用AMEsim及MATLAB仿真分析軟件對掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)工作特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

圖4 壓力突變時的控制器輸出變化情況圖

1) 在作用于掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)上的負(fù)載出現(xiàn)突變時，該控制系統(tǒng)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行快速響應(yīng)，并確保推進(jìn)系統(tǒng)的速度快速、平穩(wěn)地達(dá)到設(shè)定值。

2) 利用系統(tǒng)工作壓力的變化作為速度調(diào)節(jié)修正信號，在兩者之間建立動態(tài)聯(lián)系能夠有效降低推進(jìn)速度的調(diào)整誤差，確保速度調(diào)整的準(zhǔn)確性。

3) 基于RBF的掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)PID推進(jìn)控制系統(tǒng)能有效地提升掘進(jìn)速度和工作壓力的匹配性，對外界負(fù)載擾動的抑制作用明顯，有效提升了掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率。