基于自適應模糊滑模變結構的采煤機自動調高控制策略

毛　君　楊振華　潘德文

遼寧工程技術大學，阜新，123000

基于自適應模糊滑模變結構的采煤機自動調高控制策略

毛君楊振華潘德文

遼寧工程技術大學，阜新，123000

摘要：針對采煤機自動調高和采煤工作面無人化存在的問題，提出了基于電液位置伺服系統的自適應模糊滑模變結構控制系統。分析了采煤機自動調高的依據條件，建立了采煤機調高系統的數學模型，得到了采煤機調高系統的控制變量。采用自適應模糊滑模變結構控制策略，設計了采煤機自動調高控制器，并分析了其穩定性。利用MATLAB對采煤機調高控制器進行了仿真，仿真結果表明，采用自適應模糊滑模變結構的控制系統可以實現采煤機截割預定軌跡的準確跟蹤，相對于PID控制技術，其跟蹤誤差較小，控制效果較理想。

關鍵詞：采煤機；自動調高；自適應模糊滑模；控制策略

0引言

隨著煤礦機械自動化技術的不斷發展，綜采工作面實現少人或無人開采是必然趨勢。采煤機作為成套綜采裝備的重要組成部分，主要完成破煤和裝煤的任務，其較低的自動控制水平將直接影響綜采“無人化”進程的推進。采煤機自動控制主要包括變頻牽引和滾筒智能調高。隨著變頻技術的發展，采煤機的大功率變頻調速技術已經比較成熟，然而，采煤機滾筒調高自動控制方面，還有很多問題有待解決[1]。煤巖界面的識別對實現采煤機的自動調高很關鍵，國內外學者提出了γ射線探測、雷達探測、紅外溫度探測、截割力分析、振動分析等煤巖界面識別技術方法，但實際應用效果并不理想[2]。20世紀80年代中期出現的記憶截割自動調高系統，受工況復雜性和不確定性的影響，記憶截割的控制出現累積誤差，從而影響了自動調高的控制效果。針對以上問題，本文參考記憶截割理想軌跡，基于自適應模糊滑模控制理論，實現了對采煤機滾筒自動調高的自適應、模糊、非線性控制。

1采煤機記憶截割及外部干擾

1.1記憶截割技術

記憶截割是一種主動控制方式，即采煤機司機操縱采煤機沿采煤工作面完成一個循環的截割，在此過程中，司機根據工作面實際情況調整前后滾筒的高度以及采煤機的牽引速度，實現截割軌跡的相對最優。控制系統對首次人工調節的工作循環進行采樣，記錄采煤機的相關工作參數，之后的幾次工作循環重復首次采樣得到的循環過程。

由于采煤機的牽引速度具有時變性，等時間采樣可能會導致采樣數據不均勻、截割循環采樣與控制數據不對應，因此，應提高采樣時間的密集程度，并保證等時間間隔采樣，在采煤機移動相同位移的情況下，將采集的數據成組存儲，即密采稀存方式[3]。采樣周期應考慮頂底板起伏變化、液壓支架推移動作、煤層落差等影響。

采煤機要實現自動調高，自身的運動參數需實時反饋給控制系統，這就要求采煤機本身能夠實時、全方位地監控其姿態和工作狀態，監控內容主要包括采煤機的牽引速度、搖臂傾角，滾筒的采高、切割速度、切割深度、轉矩、振動信息、旋轉方向、進刀位置、進刀傾角等，以及采煤機的各種工作狀態和各種故障信息[4]。通過對采煤機監控數據的整理，編制廣義記憶截割程序，可以實現自動記憶切割，也可以實現遠程人工干預。

1.2外部干擾

采煤機記憶截割過程中，外部干擾分為可知和不可知兩種。截割滾筒負載存在隨機性和不確定性，對采煤機滾筒截割和調高影響很大。采煤機在工作面的位置姿態可通過刮板輸送機和液壓支架上的傳感器檢測，其機身的縱向傾角和橫向傾角對滾筒調高有一定影響，需實時監測，這對采煤機適應煤層的變化和自動化切割非常重要。

2采煤機滾筒調高系統

2.1采煤機滾筒調高系統組成

采煤機調高系統主要由截割滾筒、搖臂、調高液壓系統和調高控制系統等組成。調高液壓系統是采煤機滾筒調高的動力部分，當煤層厚度隨時間發生變化時，采煤機滾筒高度通過調高油缸的伸縮實時調節，目前，采煤機調高大都采用這種閥控缸動力機構裝置[5]。在綜采工作面底板較平坦的工況下，需保持滾筒高度，液壓鎖可以實現滾筒高度的鎖定。在采煤機行進過程中，通過閥控缸電液位置伺服系統實現采煤機滾筒的調高和保持，就完成了滾筒截割軌跡的調節。

對于采煤機滾筒調高的閥控缸電液位置伺服系統，還需要快速、高效、精確、穩定的控制系統來控制，隨著電液控制技術的發展，傳統的開關式電磁閥控液壓系統逐步被穩定性、精確度更好的電液比例控制和伺服控制液壓系統所取代。本文將以閥控缸電液位置伺服系統為對象，建立其數學模型。

2.2采煤機滾筒位置的確定

在采煤機沿工作面作業的過程中，截割滾筒位置的確定是實現自動化調高的前提。確定采煤機滾筒位置的方式有兩種，即通過傳感器檢測搖臂的擺角或調高液壓缸的行程。本文選擇了后者，因為調高油缸是采煤機液壓系統的執行元件，通過伺服液壓系統可直接控制其活塞位移，控制精度更高、響應更快。滾筒高度與油缸行程的關系如圖1所示。

圖1　采煤機調高示意圖

2.3調高系統的數學模型

采煤機調高系統為閥控非對稱缸電液位置伺服液壓系統，除了具有液壓伺服系統所固有的非線性特性外，還受液壓缸兩腔有效面積非對稱性的影響，這使得系統的靜動態特性呈現非線性[6]。根據文獻[7]，建立閥控非對稱缸伺服系統的狀態方程：

(1)

式中，u(t)為控制輸入；xi(t)為輸出信號函數，i=1，2，3；k為比例系數；M為負載質量，kg；Ctp為液壓缸總泄漏系數，m3·Pa/s；K為油液等效體積彈性模量，N/m；Ff為摩擦力，N；FL為負載力，N；Vt為液壓缸兩腔容積，m3；A為液壓缸有效面積，m2；xv為閥芯位移，m；kv為閥芯位移比例系數；pL為負載壓力，Pa；ps為供油壓力，Pa；Cd為流量系數；ρ為油液密度，kg/L。

參數矢量a=[a1a2a3]隨液壓系統參數時變，因而具有不確定性，b是一個非線性函數，d(t)隨著作用力的變化而構成對系統的一個擾動。a、b和d(t)決定了電液位置伺服系統是一個非線性系統[8]。

3自適應模糊控制器的設計

針對非線性系統設計了自適應模糊滑模控制器，將滑模控制中的切換函數作為模糊控制系統的輸入，設計了單輸入模糊控制器[9]，從而大大減少了模糊規則的數量，簡化了系統，在保持較好的魯棒性的基礎上，有利于減小抖振[10]。

在系統存在不確定性或有擾動的情況下，控制目標是令系統輸出變量快速跟蹤采煤機記憶截割的規劃軌跡的參數，設計的控制器使系統輸出y(t)跟蹤期望輸出信號xd。定義系統的跟蹤誤差為

e(t)=xd-y(t)

(2)

3.1控制器設計

對于非線性的電液伺服位置控制系統：

x(n)=f(x，t)+bu(t)+d(t)

(3)

定義切換函數[11]為

s(x,t)=-ke=

(4)

k=[k1k2…kn-11]

其中，k1，k2，…，kn-1滿足Hurwitz多項式條件。

滑模控制律設計為

(5)

其中，切換控制律usw=ηsgns，η>0。

由式(3)、式(5)可得

(6)

(7)

當f(x,t)、b、d(t)存在未知條件或參數時，式(5)難以得到明確的控制律，可采用模糊系統逼近控制律u(t)。取αi為可調參數，則

ufz(s,α)=αTξ

(8)

該控制器的模糊控制規則形式為

定義

(9)

式中，wi為第i條規則的權值。

根據模糊逼近理論，存在一個最優模糊系統ufz(s，α*)來逼近控制律u(t)[12-13]:

u(t)=ufz(s，α*)+ε=(α*)Tξ+ε

(10)

式中，ε為逼近誤差，|ε|

采用模糊系統ufz逼近u(t)，則

(11)

采用切換控制律usw來補償u與ufz之間的誤差，則總控制律為

u(t)=ufz+usw

(12)

usw=-E(t)sgns(t)

3.2穩定性分析

定義Lyapunov函數為

(13)

(14)

定義自適應律為

(15)

則

(16)

4仿真分析

圖2　自適應模糊滑模控制系統原理

液壓缸總泄漏系數Ctp1流量系數Cd0.7液壓缸摩擦力Ff(N)350活塞有效面積A(m2)0.113油液彈性模量K(MPa)1000油液密度ρ(kg/m3)900

圖3　仿真模型

目前，采煤機調高控制大多采用傳統的PID控制技術，因此通過比較傳統PID控制器與本文設計的自適應模糊滑模控制器的信號跟蹤效果，來分析控制器的控制效果，確定設計的控制器是否可行。

圖4　控制輸入

首先，對控制器輸入脈沖方波，仿真時間為10s。控制輸入曲線見圖4，滑模變結構控制實際上是開關控制，通過開關量控制軌跡變化。設置理想的脈沖曲線，脈沖的周期為2s，脈沖范圍為-60～60。

位置跟蹤曲線見圖5。根據控制的輸入信號，可以推斷理論的位置曲線應為脈沖量，在0～4s內，滑模控制的位置峰值更接近理想曲線，響應速度更快；4～10s內，滑模控制準確的控制效果可以保持，穩定性也較好，總體上優于PID控制。

圖5　位置跟蹤

跟蹤誤差如圖6所示，基于PID控制的跟蹤誤差在過渡階段波動較大。0～4s內，兩種控制的跟蹤誤差都出現4個波峰，但滑模控制的波動幅度相對較小；4～10s內，跟蹤誤差的趨勢與之前一致。可知，滑模控制跟蹤效果更好。

圖6　跟蹤誤差

滑模面形成過程如圖7所示，0～2s處于滑模面形成階段，模糊滑模控制器運用模糊規則逼近系統的控制率，并通過自適應算法不斷調整切換系數的自適應估計，使滑模面快速形成。

圖7　滑模面形成過程

5結論

(1)分析了采煤機自動調高控制的理論前提，依據采煤機調高電液位置伺服系統的數學模型，構建了自適應模糊滑模變結構控制器，確定了滑模控制律和切換控制律，利用自適應算法估計了切換項系數，分析了控制器的穩定性。

(2)以采煤機記憶截割的調高系統為理論依據，研究了控制系統的響應特性。通過仿真研究了脈沖方波控制輸入下控制器的跟蹤誤差與動態響應。仿真結果表明，設計的控制器穩定、有效。

參考文獻：

[1]蘇秀蘋，李威，樊啟高. 采煤機滾筒調高滑模變結構控制策略[J]. 煤炭學報，2012，37(12)：2107-2111.

SuXiuping，LiWei，FanQigao.AShearerDrumHeightAdjustingStrategyUsingSliding-modeVariableStructureControl[J].JournalofChinaCoalSociety，2012，37(12)：2107-2111.

[2]徐志鵬，王忠賓，米金鵬. 采煤機自適應記憶切割[J].重慶大學學報，2011，34(4)：134-140.

XuZhipeng，WangZhongbin，MiJinpeng.ShearerSelf-adaptiveMemoryCutting[J].JournalofChongqingUniversity，2012，34(4)：2107-2111.

[3]劉春生. 滾筒式采煤機記憶截割的數學原理[J]. 黑龍江科技學院學報，2010，20(2)：85-90.

LiuChunsheng.MathematicPrincipleformMemoryCuttingonDrumShearer[J].JournalofHeilongjangInstituteofScience&Technology，2010，20(2)：85-90.

[4]王鐵軍. 基于動態精細建模的薄煤層采煤機廣義記憶切割技術研究[D]. 北京：中國礦業大學，2013.

[5]劉春生. 滾筒式采煤機理論設計基礎[M]. 徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[6]YaoB，BuF，ChidGTC.NonlinearAdaptiveRobustControlofElectro-hydraulicServoSystemswithDiscontinuousProjections[C]//Proceedingsofthe37thIEEEConferenceonDecision&Control.Tampa，FL，USA，1998：2265-2270.

[7]陳浩鋒，戴一帆，楊軍宏. 非線性電液位置伺服系統的自學習滑模模糊控制[J]. 機床與液壓，2006(9):172-175.

ChenHaofeng，DaiYifan，YangJunhong.SelfOrganizingSlidingModeFuzzyControlforElectro-hydraulicPositionServoNonliiearSystems[J].MachineTool&Hydraulics，2006(9)：172-175.

[8]解培強. 模糊滑模控制在挖掘機控制中的應用[D]. 太原：太原科技大學，2014.

[9]ChoiBJ，KwakSW，KimBK.DesignofaSingle-inputFuzzyLogicControllerandItsProperties[J].FuzzySetsandSystems，1999，106：299-308.

[10]高為柄. 變結構控制的理論及設計方法[M]. 北京：科學出版社，1996.

[11]張蛟龍，張偉. 不確定性倒立擺系統的自適應模糊滑模控制[J]. 計算機仿真，2013，30(10)：341-345.

ZhangJiaolong，ZhangWei.ResearchonAdaptiveFuzzySlidingModeControlforUncertainInvertedPendulumSystem[J].ComputerSimulation，2013，30(10)：341-345.

[12]劉金坤. 滑模變結構控制MATLAB仿真[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

[13]WangLX.AdaptiveFuzzySystemsandControl:DesignandStabilityAnalysis[M].EnglewoodCliffs,NJ，USA：Prentice-Hall，1994.

[14]石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M]. 北京：清華大學出版社，2008.

(編輯張洋)

Control Strategy of Shearer Automatic Height Adjusting Based on Adaptive Fuzzy Sliding-mode Variable Structure

Mao JunYang ZhenhuaPan Dewen

Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning，123000

Abtract: Owing to the problems of automatic height adjusting of shearer and mining coal working surface unmanned, control system of adaptive fuzzy sliding-mode variable structure was put forward, which was based on electro-hydraulic position servo system. The conditions of the shearer automatic height adjusting were analyzed. By establishing mathematical model of the shearer height adjusting system, the control variables of the shearer height adjusting system were gained. An automatic height adjusting controller that adopted the adaptive fuzzy sliding-mode variable structure control strategy was designed, and its stability was analyzed. MATLAB was used for automatic height adjusting controller simulation. The results show that the control system of adaptive fuzzy sliding mode variable structure achieves accurate tracking of shearer cutting along a predetermined trajectory. Compared with the PID control technology, the tracking error is small, and the control effect is ideal.

Key words:shearer; automatic height adjusting; adaptive fuzzy sliding-mode; control strategy

收稿日期：2015-04-07

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51304107)；遼寧省教育廳項目(L2012118)；遼寧省教育廳創新團隊資助項目(LT2013009)

中圖分類號：TP271.4

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.03.014

作者簡介：毛君，男，1960年生。遼寧工程技術大學機械工程學院教授、博士研究生導師。主要研究方向為機械動態設計及仿真、機電一體化。發表論文100余篇。楊振華(通信作者)，男，1991年生。遼寧工程技術大學機械工程學院碩士研究生。潘德文，男，1990年生。遼寧工程技術大學機械工程學院碩士研究生。