螺旋鉆式采煤機(jī)鉆具定向控制研究

王 磊陳祥恩

(1.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇省徐州市,221008; 2.河南煤業(yè)化工集團(tuán),河南省鄭州市,450000)

★煤炭科技·機(jī)電與信息化 ★

螺旋鉆式采煤機(jī)鉆具定向控制研究

王 磊1,2陳祥恩1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇省徐州市,221008; 2.河南煤業(yè)化工集團(tuán),河南省鄭州市,450000)

針對(duì)螺旋鉆式采煤機(jī)存在鉆具偏斜問題,提出采用PID控制算法對(duì)鉆具的鉆進(jìn)方向進(jìn)行控制,結(jié)合電液伺服閥的調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)了定向鉆進(jìn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,通過采用PID控制算法的鉆具定向控制技術(shù),提高了鉆式采煤機(jī)的安全可靠性,實(shí)現(xiàn)了薄煤層的安全高效采煤。

螺旋鉆式采煤機(jī) PID控制器 鉆具 定向控制

AbstractIn order to solve the problem of auger type coal miner’s drilling deviation,it is proposed by this paper to use PID algorithm to control the drilling direction.With the combined use of the regulatory functions of the electro-hydraulic servo valve,directional drilling is realized. The tests show that the application of directional drilling control technology employing PID control algorithm greatly improves the safety features and reliability of the auger type coal miners and thus safe coal mining in thin coal seams at high efficiency is ensured.

Key wordsauger type coal miner,PID controller,drill,direction control

螺旋鉆式采煤機(jī) (簡稱鉆式采煤機(jī))是一種應(yīng)用于薄與極薄煤層開采的機(jī)械設(shè)備,主要由主機(jī)、鉆具、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成。鉆式采煤機(jī)在鉆采過程中,由于受地質(zhì)條件、鉆頭和鉆桿重力以及不平衡力矩的影響,鉆具在鉆進(jìn)過程中經(jīng)常發(fā)生偏斜,需要司機(jī)憑經(jīng)驗(yàn)人工調(diào)整鉆具,工作面不能實(shí)現(xiàn)無人采煤,噸煤成本較高。為了減人增效,實(shí)現(xiàn)薄煤層的安全高效采煤,對(duì)鉆具防偏斜進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了PID調(diào)節(jié)器,通過調(diào)節(jié)鉆頭鉆進(jìn)方向,實(shí)現(xiàn)鉆具的定向控制。

1 鉆具偏斜原因

在鉆式采煤機(jī)鉆進(jìn)過程中,受諸多因素影響,如煤層的地質(zhì)條件、鉆具組合結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)工藝參數(shù),以及鉆式采煤機(jī)的固定、工人操作方式等因素,鉆頭方向往往不能按預(yù)先設(shè)定的方向鉆進(jìn),會(huì)發(fā)生跑偏。雖然影響鉆具鉆進(jìn)方向的因素是多方面的,但主要影響因素是煤層結(jié)構(gòu)及鉆具結(jié)構(gòu)。

鉆頭定向鉆進(jìn)過程中并非沿著其所受合力方向鉆進(jìn),也不是沿著其軸向鉆進(jìn)。在相同軸向力和側(cè)向力作用下,由于煤層在各個(gè)方向上力學(xué)性質(zhì)的不同,鉆頭在各個(gè)方向上鉆進(jìn)速度也會(huì)有明顯不同。其結(jié)果是在鉆進(jìn)過程中鉆頭位移方向并非與其機(jī)械合力方向一致,從而導(dǎo)致受力不平衡,產(chǎn)生側(cè)向切削,進(jìn)而造成鉆具偏斜。

2 鉆具的定向控制

鉆具的定向控制由測斜系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、糾斜系統(tǒng)3個(gè)基本單元組成。測斜系統(tǒng)采用傾角傳感器,用于測量鉆孔傾角,并將測量到的參數(shù)信息進(jìn)行放大,經(jīng)過采樣保持器傳送到控制中心。控制系統(tǒng)對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理和比較,檢測實(shí)際傾角與給定值之間的偏差,然后發(fā)出控制指令驅(qū)動(dòng)糾斜機(jī)構(gòu)。鉆具糾斜系統(tǒng)按控制指令動(dòng)作,向液壓電磁閥發(fā)出指令,控制液壓系統(tǒng)的油缸伸縮,進(jìn)行鉆具的偏斜調(diào)整,實(shí)現(xiàn)鉆具的定向鉆進(jìn)。鉆具的定向控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 鉆具的定向控制圖

2.1 測斜系統(tǒng)

測斜系統(tǒng)的傾角傳感器選用壓阻式傳感器,它由測量電路和彈性敏感元件組合而成。將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性敏感元件上,當(dāng)彈性敏感元件受到壓力作用時(shí),將產(chǎn)生應(yīng)變,粘貼在表面的電阻應(yīng)變片也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變,表現(xiàn)為電阻值的變化。這樣彈性體的變形轉(zhuǎn)化為電阻應(yīng)變片阻值的變化,把4個(gè)電阻應(yīng)變片按照橋路方式連接,兩輸入端施加一定的電壓值,兩輸出端輸出的共模電壓隨著橋路上電阻阻值的變化增加或者減小,通過測量共模電壓得到壓力值。當(dāng)有壓力時(shí)各橋臂的電阻狀態(tài)都將改變,電橋的電壓輸出會(huì)有變化。

壓阻式傳感器將差壓轉(zhuǎn)換為微小的模擬信號(hào),經(jīng)過放大器、采樣/保持器,進(jìn)行信號(hào)的放大與保持,送入到PLC的模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊A/D,方可在PLC內(nèi)完成反饋、給定信號(hào)的比較及控制。

2.2 定向控制系統(tǒng)

定向控制的關(guān)鍵是做出測量和比較后,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確糾偏鉆進(jìn)。傳統(tǒng)的定向控制系統(tǒng)是通過手工的操作保證鉆具的定向鉆進(jìn),這也造成了鉆具系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢、調(diào)節(jié)誤差過大等問題。因此,為了解決以上的問題,引入 PID控制算法調(diào)節(jié)鉆具系統(tǒng),以保證鉆具定向控制系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)特性和較好的穩(wěn)定性。因?yàn)?PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn),這也是為什么PID控制算法成為了工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)普遍使用的技術(shù)之一。

采用PID(比例 -積分 -微分)控制器,通過PID調(diào)節(jié)控制量,保證差值e(t)為零,使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。PID控制器由比例單元 (P)、積分單元 (I)和微分單元 (D)組成,如圖2所示,圖中r(t)、y(t)分別為輸入輸出信號(hào),傳統(tǒng)的PID控制算法如下:

式中:m(t)——調(diào)節(jié)器輸出信號(hào);

e(t)——差值信號(hào);

kp——比例系數(shù);

ki——積分系數(shù);

kd——微分系數(shù)。

圖2 PID控制系統(tǒng)框圖

PID調(diào)節(jié)器中的比例控制作用可減小誤差,積分作用可消除偏差,使穩(wěn)態(tài)誤差為零,而微分控制作用可減少輸出響應(yīng)超調(diào)量。上式離散化處理可得:

式中:m(n)——第n時(shí)刻的控制量;

T——采樣周期;

Ti——積分時(shí)間;

Td——微分時(shí)間;

n——采樣序號(hào),n=0,1,2,3…。

但是,普通的 PID控制也存在問題。為了消除靜態(tài)誤差,提高控制精度,引入積分環(huán)節(jié)。積分環(huán)節(jié)的引入,使得系統(tǒng)在起動(dòng)、結(jié)束或是大幅度增減時(shí),短時(shí)間內(nèi)輸出有很大的偏差,會(huì)造成 PID運(yùn)算的積分積累,致使控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的極限控制量,引起系統(tǒng)較大的超調(diào),甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩等問題,這在井下鉆進(jìn)系統(tǒng)中是不允許的。

因此,基于以上原因,引入一種新型的 PID控制算法 (積分分離算法)加低通濾波器的方法來解決這種超調(diào)過大、系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。積分分離算法的基本思想是:當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí),取消積分作用,以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低,超調(diào)量增大;當(dāng)被控量接近給定值時(shí),引入積分控制,以便消除靜差,提高系統(tǒng)的控制精度。控制算法過程如下:

(1)根據(jù)實(shí)際情況,人為設(shè)定閾值δ>0;

(2)當(dāng)|e(t)|>δ時(shí),即偏差|e(t)|比較大時(shí),采用PD控制,大幅度降低超調(diào)量,使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度;

(3)當(dāng)|e(t)|<δ時(shí),即偏差|e(t)|比較小時(shí),采用PID控制,保證系統(tǒng)的控制精度。

此算法可以表示為:

式中:∝ ——積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)。

積分分離 PID控制算法的程序框圖如圖3所示。

則基于積分分離 PID鉆具新型控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

為了驗(yàn)證本文提出的新型 PID控制算法在鉆具系統(tǒng)中的有效性,采用matlab/simulink系統(tǒng)仿真軟件,分別對(duì)傳統(tǒng)的 PID控制策略和采用積分分離算法的新型 PID控制算法進(jìn)行了系統(tǒng)建模,并對(duì)基于鉆具定向控制系統(tǒng)的這兩種PID算法進(jìn)行了仿真分析,仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出,采用新型積分分離 PID策略的鉆具系統(tǒng)能夠有效地避免鉆具方向的超調(diào),同時(shí)限制了系統(tǒng)積分飽和等現(xiàn)象的發(fā)生,能夠?qū)崿F(xiàn)鉆具的定向控制。

PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)控制性能影響較大,比例控制系數(shù)kp可調(diào)節(jié)幅值震蕩,kp偏大時(shí),系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏,但震蕩次數(shù)加多,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間加長。積分控制系數(shù) ki可調(diào)節(jié)動(dòng)作響應(yīng)的速度, ki偏大時(shí),響應(yīng)速度慢。微分控制kd系數(shù)能夠阻止偏差的變化,有助于減小超調(diào)量,克服振蕩,使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定,但對(duì)輸入信號(hào)的噪聲較敏感。

圖1中實(shí)線框內(nèi)為PLC的PID控制,輸入量2個(gè):設(shè)定鉆進(jìn)方向和實(shí)際鉆進(jìn)方向測量值,設(shè)定鉆進(jìn)方向作為給定值,通常是固定值,實(shí)際鉆進(jìn)方向通常是經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算后得到的被控量的實(shí)測值。

控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7-300系列,用STEP7軟件編程,在程序中,PID功能塊用于控制連續(xù)變化的模擬量,可以在組織塊中調(diào)用,PID功能塊控制框圖如圖6所示。

圖6 PID功能塊控制框圖

由于實(shí)際鉆進(jìn)方向測量值的大小、范圍與設(shè)定的鉆進(jìn)方向數(shù)值有很大的不同,采用 PID指令運(yùn)算前,必須將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的浮點(diǎn)數(shù),在模塊CRP_IN中按公式將 PV-PER外設(shè)值轉(zhuǎn)換成-100%～+100%之間的浮點(diǎn)數(shù)格式,即:

CRP_IN的輸出=PV_PER×100/2764

同樣,對(duì)于 PID指令的輸出,在將其送給數(shù)模轉(zhuǎn)換之前,也需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

PID各部分在 PID算法中可以分別激活或取消,當(dāng)輸入端P_SEL被置位時(shí),比例分量P被接通,同理,I_SEL、D_SEL被置位時(shí),積分分量I,微分分量D可以分別被接通。

圖7 糾斜系統(tǒng)圖

2.3 糾斜系統(tǒng)

鉆具糾斜采用液壓系統(tǒng),如圖7所示,液壓系統(tǒng)的4個(gè)電液伺服閥分別控制水平液壓缸和垂直液壓缸。當(dāng)沒有控制電流輸入時(shí),伺服閥內(nèi)的滑閥處于中間位置,滑閥兩端油腔的壓力相等,沒有壓力輸出,液壓缸活塞桿不動(dòng)作。當(dāng)輸入控制電流時(shí),滑閥偏離中間位置,油液進(jìn)入液壓缸,活塞桿以一定速度運(yùn)動(dòng)。控制電流越大,滑閥的偏移量也越大,電流的極性決定液流方向,即活塞桿運(yùn)動(dòng)方向。

3 結(jié)語

采用PID控制與電液伺服閥調(diào)節(jié)相結(jié)合的方法,進(jìn)行鉆具的偏斜調(diào)整,實(shí)現(xiàn)了鉆具的定向鉆進(jìn),發(fā)揮了鉆式采煤機(jī)的開采效率,提高了設(shè)備的安全可靠性,實(shí)現(xiàn)了薄煤層的安全高效采煤。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

A research on an auger type coal miner’s drill direction control system

Wang Lei1,Cheng Xiang’en2

(1.China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu province 221008,China; 2.Henan Coal and Chemical Industry Group,Zhengzhou,Henan province 450000,China)

TD421.6

A

王磊 (1972-),男,河南永城人,高級(jí)工程師,博士研究生,主要從事煤礦機(jī)電設(shè)備的研究。