采煤機(jī)搖臂智能調(diào)高控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

劉俊強(qiáng)

（潞安化工集團(tuán)山西新元煤炭責(zé)任有限公司， 山西 壽陽(yáng) 045400）

0 引言

采煤機(jī)是煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，其主要任務(wù)是對(duì)煤層進(jìn)行截割、落煤等任務(wù)，直接決定著綜采工作面的生產(chǎn)能力。工作面煤層的條件不一致，主要表現(xiàn)為煤層厚度不一致，采煤機(jī)需根據(jù)煤層厚度對(duì)其搖臂進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制，即實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高。采煤機(jī)傳統(tǒng)調(diào)高系統(tǒng)主要采用電磁換向閥實(shí)現(xiàn)其功能，但是在實(shí)際生產(chǎn)中不能夠?qū)ζ淞髁窟M(jìn)行控制，從而很難適應(yīng)在復(fù)雜工況下的控制要求，進(jìn)而導(dǎo)致影響煤炭的采出率。針對(duì)此，將電液比例控制技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)搖臂的智能調(diào)高控制。具體闡述如下：

1 采煤機(jī)搖臂智能調(diào)高系統(tǒng)研究

在傳統(tǒng)采煤機(jī)搖臂角度或滾筒高度控制中主要采用變量泵+電液換向閥相組合的方式進(jìn)行控制，即對(duì)電磁換向閥開(kāi)口大小以及開(kāi)口方向的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾筒調(diào)高速度、降低或升高等動(dòng)作進(jìn)行控制。上述調(diào)高系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在以下不足：滾筒高度達(dá)到指定位置的響應(yīng)速度較慢，在控制層面存在滯后性；在整個(gè)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)控制中穩(wěn)定性不足，主要表現(xiàn)為超調(diào)量較大。

從理論上，采用電液比例控制技術(shù)可以提升采煤機(jī)的控制精度和自動(dòng)化控制水平；該項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的核心為電液比例方向，其器件具有性價(jià)比高、抗污染性能強(qiáng)的特點(diǎn)，特別適用于在惡劣環(huán)境且復(fù)雜工況下的使用要求。對(duì)于電液比例控制技術(shù)的應(yīng)用可以分為閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制兩種；工業(yè)實(shí)踐表明，閉環(huán)控制效果明顯優(yōu)于開(kāi)環(huán)控制效果。因此，本文采用電液比例方向的閉環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾筒的自動(dòng)調(diào)高，控制原理如圖1 所示。

圖1 電液比例滾筒自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)

2 采煤機(jī)搖臂智能調(diào)高系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件選型

電液比例方向閥、調(diào)高油缸以及位移傳感器為滾筒自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件[1-2]。其中，電液比例方向閥根據(jù)控制需求對(duì)滾筒的升高或降低的動(dòng)作進(jìn)行控制；調(diào)高油缸為滾筒調(diào)高或降低的直接執(zhí)行部件；位移傳感器為對(duì)液壓油缸活塞桿伸縮量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制提供依據(jù)。結(jié)合采煤機(jī)滾筒在實(shí)際生產(chǎn)中自動(dòng)調(diào)高的功能需求，本系統(tǒng)所選型的器件如表1 所示。

表1 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)關(guān)鍵元器件選型結(jié)果

3 采煤機(jī)搖臂智能調(diào)高控制策略研究

采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的電液比例控制，其在核心元器件硬件做支撐的基礎(chǔ)上，還需采用可靠、穩(wěn)定且高效的控制策略，最終達(dá)到快速響應(yīng)、低超調(diào)量的穩(wěn)定控制系統(tǒng)。PID 控制策略為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用效果評(píng)價(jià)較高的控制系統(tǒng)。針對(duì)采煤機(jī)滾筒的自動(dòng)調(diào)高控制需求，擬采用PID控制策略為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)其功能[3-4]。

3.1 采煤機(jī)搖臂的智能閉環(huán)控制

根據(jù)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)閉環(huán)控制的控制器、功率放大器、電液比例閥、調(diào)高油缸以及位移傳感器的數(shù)學(xué)模型，并基于閉環(huán)控制的原理框圖建立采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；根據(jù)滾筒自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)中各元器件的參數(shù)對(duì)傳遞函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行幅值，得出基于PID 控制器的電液比例自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)搖臂智能調(diào)高控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

3.2 不同控制策略的仿真模型搭建

PID 為自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)，包括有常規(guī)PID 控制器和單神經(jīng)元控制器。對(duì)于PID 控制理論而言，重點(diǎn)是根據(jù)控制對(duì)象及控制要求的不同確定其中比例、積分以及微分環(huán)節(jié)的系數(shù)。對(duì)于PID 控制器而言，上述三個(gè)參數(shù)確定后無(wú)法根據(jù)工況條件對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整；而單神經(jīng)元控制器可根據(jù)采煤機(jī)的實(shí)際工作條件以及煤層條件對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)整，從而提高對(duì)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的控制精度。

因此，為達(dá)到對(duì)采煤機(jī)滾筒調(diào)高系統(tǒng)的最佳控制效果，本系統(tǒng)擬采用單神經(jīng)元控制器對(duì)其進(jìn)行控制，基于單神經(jīng)元控制器的仿真模型如圖3 所示。

圖3 單神經(jīng)元控制器仿真模型

3.3 不同控制策略控制效果對(duì)比

根據(jù)采煤機(jī)的工況條件和煤層條件，對(duì)基于傳統(tǒng)PID 策略下參數(shù)的設(shè)置如下：比例環(huán)節(jié)系數(shù)為3；積分環(huán)節(jié)系數(shù)為1，微分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.01；基于單神經(jīng)元PID 控制策略可對(duì)上述系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)整[5]。兩種控制策略下系統(tǒng)的采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制過(guò)程的穩(wěn)定性對(duì)比如圖4 所示。

圖4 不同控制策略對(duì)應(yīng)的控制效果對(duì)比

如圖4 所示，基于傳統(tǒng)PID 控制策略自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)達(dá)到預(yù)定控制效果所需時(shí)間為4.5 s，在控制過(guò)程中的最大超調(diào)量為0.24 mm；基于單神經(jīng)元PID 控制策略自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)達(dá)到預(yù)定控制效果所需時(shí)間為1.5 s，在控制過(guò)程中的最大超調(diào)量為0.1 mm。

對(duì)比可知：基于單神經(jīng)元PID 控制策略可以比傳統(tǒng)PID 控制策略更快的達(dá)到預(yù)定的控制效果，而且控制過(guò)程更加穩(wěn)定。同時(shí)，當(dāng)在控制過(guò)程中遇到負(fù)載突變的工況時(shí)，基于單神經(jīng)元PID 控制器能夠更快消除負(fù)載突變工況所帶來(lái)的影響，其具有更高精度的控制效果和穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

采煤機(jī)為煤礦綜采工作面生產(chǎn)的核心設(shè)備，其需要根據(jù)煤層變化和底板變化對(duì)其滾筒高度進(jìn)行調(diào)整控制，以保證對(duì)煤層的全部截割，從而保證采出率。傳統(tǒng)基于電磁閥的自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)控制精度低、響應(yīng)速度慢以及穩(wěn)定性差的問(wèn)題；為此，本文提出了基于電磁比例方向閥為核心的電液比例自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)，并采用單神經(jīng)元PID 控制策略實(shí)現(xiàn)其功能。經(jīng)仿真分析可知：?jiǎn)紊窠?jīng)元PID 控制器的電液比例自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)具有更高的控制精度和穩(wěn)定性，尤其是可以解決在突變工況對(duì)系統(tǒng)造成沖擊的問(wèn)題。